Künstliche Photosynthese als Lösung?

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Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung dient natürliche Energieumwandlung als Vorbild. Veranstaltungsbericht zur 13. Leopoldina-Lecture, auf der Expertinnen und Experten Forschungsansätze und offene Fragen am 12. September 2018 in Schloss Herrenhausen diskutierten.

Künstliche Photosynthese ist dem Mechanismus bei Pflanzen nachempfunden und dient zur Produktion nachhaltiger Energieträger. Die Leopoldina Lecture blickt auf das zukunftsträchtige Thema. (Foto: sinitar - Fotolia.com)

13. Leopoldina Lecture der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina in Kooperation mit der VolkswagenStiftung: "Künstliche Photosynthese: Wege zu einer bioinspirierten Energieversorgung?" mit Prof. Dr. Markus Antonietti, Prof. Dr. Matthias Beller und Prof. Dr. Bärbel Friedrich (Moderation).

Herausforderung und Forschung

"Die Künstliche Photosynthese befindet sich noch in der Erforschung", schränkt Prof. Dr. Bärbel Friedrich gleich zu Beginn der Veranstaltung ein. Derzeit gehe es darum, den theoretischen Ansatz für Anwendungen im größeren Maßstab weiterzuentwickeln. Friedrich war lange Zeit Vizepräsidentin der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina und ist mit wissenschaftsbasierter Politikberatung bestens vertraut. Eine der großen aktuellen Herausforderungen sei es, die zukünftige Energieversorgung durch die Abkehr von fossilen Brennstoffen umwelt- und klimafreundlich zu gestalten, damit die Folgen des durch den Menschen verursachten Klimawandels zumindest eingedämmt werden können.

Problem und Lösungsansatz

Dabei seien Wind- und Sonnenenergie für die Elektrizitätserzeugung am zukunftsträchtigsten, so Friedrich. "Die Speicherung und Verteilung der gewonnenen Energien ist aber nach wie vor ein Problem", erläutert sie. Eine Lösung könne da die Künstliche Photosynthese darstellen. Sie orientiert sich am natürlichen Prozess der Photosynthese in Pflanzen, Algen und spezifischen Bakterien. "Diese Organismen wandeln Sonnenlicht in chemische Energie um, indem sie Wasser spalten und atmosphärisches Kohlendioxyd zu energiereichen organischen Verbindungen reduzieren." Die Idee ist, dass auch Künstliche Photosynthese in komplexen Katalyseprozessen chemische Energieträger und Wertstoffe wie Wasserstoff oder Methan produzieren soll. "Dieser Ansatz verspricht, erneuerbare Energie in stofflich gespeicherter sowie lager- und transportfähiger Form bereitzustellen", sagt Friedrich.

Prof. Dr. Matthias Beller während seines Vortrags.
Professor Dr. Matthias Beller, TU München, sieht deutlichen Handlungsbedarf auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien. (Foto: Markus Scholz für die Leopoldina)

Öffentlichkeit und Handlungsbedarf

Auch Prof. Dr. Matthias Beller, Leiter des Leibniz-Instituts für Katalyse in Rostock, räumt in seinem Vortrag ein, dass die Technologie der Künstlichen Photosynthese in bestimmten Bereichen noch in den Kinderschuhen steckt. Er ist aber überzeugt: "Wir müssen von Anfang an die Öffentlichkeit mit einbeziehen, um falsche Vorstellungen, Missdeutungen und Ängste zu vermeiden." Es bestehe deutlicher Handlungsbedarf, denn "wenn wir unsere Technologien nicht grundsätzlich verändern, wird sich der Verbrauch fossiler Energien bis zum Jahr 2050 nochmals verdoppeln." Der gesteigerte Ausstoß von Kohlenstoffdioxid (CO2) habe dabei unabsehbare Folgen für das weltweite Klima – Ernteausfälle in der südlichen Hemisphäre könnten zunehmend etwa auch zur Fluchtursache werden.

Komplexität und Effizienz

Künstliche Photosynthese sei eine Möglichkeit, den technologischen Umgang mit Energie so zu entwickeln, dass Alternativen möglich werden, so Beller: "Sie kann jenseits fossiler Brennstoffe speicherbare Energien erzeugen." Dabei nehme man sich mit der Photosynthese einen der wissenschaftlich spannendsten biologischen Prozesse zum Vorbild. Der sei in seiner natürlichen Form allerdings nicht besonders effizient: "Der Anteil der Energie im Sonnenlicht, der nach der Photosynthese in organischer Materie biologisch gespeichert wird, beträgt typischerweise etwa 0,5 Prozent." Die Künstliche Photosynthese versuche hingegen, CO2 effizienter in speicherbare Energie zu überführen: "Unsere Moleküle sind einfacher, aber energieeffizienter herstellbar."

Energiezufuhr und Energieträger

In den kommenden Jahren sei hierfür noch umfangreiche interdisziplinäre Grundlagenforschung notwendig, so Beller: "Da sind noch Quantensprünge zu erwarten." Der Fokus liege auf integrierten Prozessen. Mit einer Art künstlicher Pflanzen solle dabei aus Sauerstoff und Licht organische Materie hergestellt werden. Für die notwendige Energiezufuhr sei eine weitere Umstellung des Energiesystems auf erneuerbaren Energien notwendig. "Die auf diese Weise erzeugte elektrische Energie lässt sich dann in Stoffe umwandeln, die deutlich besser speicherbar sind als Elektronen in Batterien", führt Beller aus. CO2 lasse sich zum Beispiel zu Methan reduzieren oder zu Methanol umwandeln. So sei langfristig eine Ökonomie mit einem anderen zentralen Energieträger denkbar: "In Japan befindet sich zum Beispiel eine Wasserstoffwirtschaft im Aufbau."

Prof. Antonietti während seines Vortrags.
Prof. Dr. Markus Antonietti, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm und Professor an der Universität Potsdam. (Foto: Markus Scholz für die Leopoldina)

Innovation und Wirtschaft

"Ich ärgere mich über Dinge, die nicht passieren", sagt Prof. Dr. Markus Antonietti zu Beginn seines Vortrags. Der Direktor des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm und Professor für Chemie an der Universität Potsdam stellt fest: "25 Klimakonferenzen haben die CO2-Kurve nicht verändert". Dabei sei der Umgang mit bestehenden Technologien kaum entscheidend: "Wir müssen grundsätzlich neue, innovative Technologien schaffen." Energie, etwa in Form von Sonnenenergie sei genügend vorhanden; sie müsse nur richtig genutzt werden. Projekte in Wüstenregionen zeigten Möglichkeiten auf. "Das ist einfach, billig und effizient", urteilt Antonietti. In Dubai sei eine Kilowattstunde aus Photovoltaik-Anlagen bereits für 3 Eurocent Herstellungskosten erhältlich – aus Kernenergie koste sie 18 Eurocent. "Aber diese Solarenergie ist verdünnt", sagt Antonietti, der verfügbare Strom sei zu vergänglich.

Hybridisierung und Internationalität

Bei der Wahl organischer Moleküle als Speichermaterial für Energie sei in der Forschung an Künstlicher Photosynthese auch an wirtschaftliche Kriterien zu denken. Antonietti: "Wasserstoff herzustellen ist im Verhältnis zu teuer, da er nicht wertvoll genug ist." Natürliche Photosynthese nutze schließlich auch ausschließlich biologische Formen. "Wir müssen lernen, Technologie mit Biologie zu vermählen", schlussfolgert der Chemiker und verweist scherzhaft auf die Romanfigur Frankenstein als Paten einer solchen Hybridisierung. Endprodukte einer Künstlichen Photosynthese könnten zum Beispiel auch chemisch, biologisch oder medizinisch anderweitig nutzbare, kostbare Stoffe sein. Dabei plädiert Antonietti für maximale Offenheit bei der wissenschaftlichen Zusammenarbeit: "Wir müssen lernen, Probleme auch international zu lösen – nationale Masterpläne sind viel zu schnell veraltet."

Matthias Beller, Markus Antonietti und Bärbel Friedrich auf dem Podium.
Auf dem Podium diskutierten (v.l.n.r): Prof. Dr. Markus Antonietti, Prof. Dr. Bärbel Friedrich ML und Prof. Dr. Matthias Beller. (Foto: Markus Scholz für die Leopoldina)

Rahmenbedingungen und Entwicklungen

In der gemeinsamen Diskussion stimmt Beller Antoniettis Forderung nach der Herstellung hochpreisiger Stoffe zu: "Welches Molekül sich aber schließlich durchsetzen wird, muss zunächst offen bleiben – wir müssen auf alle Pferde zugleich setzen." Dabei würden auch regionale Rahmenbedingungen eine Rolle spielen. In Europa, im Nahen Osten oder in Japan müsse nicht zwangsläufig die gleiche Lösung am besten funktionieren. Zudem seien nicht alle wissenschaftlichen oder wirtschaftlichen Entwicklungen absehbar: "Die Kosten für Photovoltaik sind in 15 Jahren um den Faktor 10 gesunken, wenn das bei der Herstellung von Wasserstoff gelingt, wird er ebenfalls konkurrenzfähiger als fossile Brennstoffe." Grundsätzlich sei alles eine Frage der Effizienz. Mit den heutigen stufenweisen Technologien können auch Endverbraucher selbst erzeugten Strom in Wasserstoff und diesen in Methan oder Methanol umwandeln – aber eben mit mehr als 50 Prozent Verlusten.

Technologie und Natur

Eine Publikumsfrage nach Gesundheits- oder Umweltrisiken Künstlicher Photosynthese beantwortet Beller grundsätzlich beruhigend. Es seien keine negativen Auswirkungen nachweisbar. Er fügt jedoch hinzu: "In jedem System gibt es Komponenten, die auch giftig sein können, gerade auch bei natürlichen Stoffen und Prozessen." Auf die Gewinnung des benötigten CO2 zielt eine weitere Frage – dieses lasse sich ja theoretisch aus den Abgasen bestimmter Verbrennungsanlagen filtern. Bellen bestätigt, dass ein direktes Filtern in diesem Fall möglich sei, zurzeit aber noch zu teuer. Aus der Umgebungsluft ließe sich CO2 technisch jedoch nicht gewinnen. Antonietti ergänzt: "Die einzige Maschine die das perfekt macht ist die Pflanze – und die ist auch noch preiswert." Er plädiert: "Lassen wir doch die Natur ihre Sammelarbeit machen, pflanzen wir Wälder, sammeln Biomasse und holen uns das CO2 aus der Materie."

Thomas Kaestle

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Arbeitsgruppe der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina: "Künstliche Fotosynthese"