Die Natur als Vorbild für nachhaltige Wasserstoffspeicher
Bioinspirierte LOHC-Systeme: RWTH Aachen und HI ERN entwickeln neues Konzept
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Wasserstoff gilt als wichtiger Baustein einer klimaneutralen Energie- und Chemiewirtschaft. Damit er breit eingesetzt werden kann, muss er jedoch sicher, effizient und mit möglichst geringem Energieaufwand gespeichert und transportiert werden. In einer gemeinsamen Übersichtsarbeit untersuchen Forschende der RWTH Aachen und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien, welche Impulse biologische Systeme für die nächste Generation flüssiger Wasserstoffspeicher liefern können.
In einem zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Renewable and Sustainable Energy Reviews angenommenen Übersichtsartikel untersuchen M. Geißelbrecht, H. Mandon, Prof. Dr. Peter Wasserscheid und Prof. Dr. Lars Lauterbach, welche Prinzipien aus der biologischen Wasserstoffumwandlung auf sogenannte Liquid Organic Hydrogen Carrier, kurz LOHC-Systeme, übertragen werden können. LOHCs sind flüssige organische Wasserstoffträger, die Wasserstoff chemisch binden, speichern und bei Bedarf wieder freisetzen können. Da sie in flüssiger Form vorliegen, lassen sie sich grundsätzlich mit bestehender Infrastruktur für flüssige Energieträger handhaben.
Eine zentrale Herausforderung bleibt jedoch, dass viele technische LOHC-Systeme für die Aufnahme und Freisetzung von Wasserstoff erhöhte Temperaturen, geeignete Katalysatoren und eine präzise Prozessführung benötigen. Hier setzt die bioinspirierte Perspektive der Arbeit an: Biologische Systeme können Wasserstoff und Elektronen unter milden Bedingungen sehr effizient umsetzen. Dazu nutzen Mikroorganismen unter anderem Hydrogenasen, also Enzyme, die Wasserstoff aktivieren oder freisetzen können, sowie fein abgestimmte biologische Redoxsysteme.
„Biologische Katalysatoren zeigen uns, wie Wasserstoff unter milden Bedingungen hochselektiv umgewandelt werden kann. Diese natürlichen Designprinzipien könnten den Weg für eine neue Generation bioinspirierter LOHC-Systeme ebnen. Wir möchten solche Konzepte künftig mit H2-umwandelnden Biokatalysatoren evaluieren und für nachhaltige Wasserstofftechnologien nutzbar machen“, sagt Professor Lars Lauterbach vom Institut für Angewandte Mikrobiologie der RWTH Aachen.
Die Arbeit verbindet zwei Forschungsrichtungen, die bislang häufig getrennt betrachtet werden: die molekulare Biokatalyse und die chemische Wasserstoffspeicherung. Die Arbeitsgruppe von Lars Lauterbach an der RWTH Aachen bringt ihre Expertise in H2-getriebenen Biokatalysatoren und biologischen Systemen zur Umwandlung gasförmiger Substrate ein. Das Team um Professor Peter Wasserscheid am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien entwickelt Konzepte für flüssige organische Wasserstoffträger. Im WSS Research Centre catalaix werden beide Perspektiven zusammengeführt, um katalytische Technologien für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft weiterzuentwickeln.
„LOHC-Technologien sind besonders attraktiv, weil sie Wasserstoff in einer gut handhabbaren flüssigen Form speichern und damit vorhandene Infrastrukturen für Lagerung und Transport nutzen können. Die bioinspirierte Perspektive dieser Arbeit liefert wichtige Impulse, um künftige LOHC-Systeme noch milder, selektiver und langlebiger zu gestalten“, sagt Professor Peter Wasserscheid.
Die Forschenden identifizieren mehrere biologische Prinzipien, die für zukünftige Wasserstoffspeicher relevant sein könnten. Dazu zählen maßgeschneiderte Mikroumgebungen an katalytischen Zentren, redoxaktive Vermittler, protonengekoppelte Elektronentransferwege und gekoppelte Reaktionskonzepte. Solche Ansätze könnten langfristig dazu beitragen, Reaktionstemperaturen zu senken, Nebenreaktionen zu vermeiden und die Lebensdauer von Katalysatoren und Trägermolekülen zu erhöhen.
Die Publikation stellt keine einzelne neue LOHC-Verbindung vor. Vielmehr entwickelt sie einen konzeptionellen Rahmen für die nächste Generation von Katalysatoren und Trägermolekülen, die chemische Robustheit mit biologisch inspirierter Präzision verbinden. Damit eröffnet die gemeinsame Arbeit der RWTH Aachen und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien neue Perspektiven für Wasserstoffspeicher, die effizienter, selektiver und nachhaltiger arbeiten könnten.
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