Könnte künstliche Photosynthese die Wasserstoffwirtschaft freischalten?

Natürliche Photosynthese ersetzen

Direkt oder indirekt wurde ein großer Teil der Energie, die wir nutzen, durch Photosynthese erzeugt. Das gilt natürlich für die Kalorien, die unseren Körper antreiben, aber letztlich auch für fossile Brennstoffe, die lediglich „gespeicherte“ Photosynthese von vor Äonen abgestorbenen Pflanzen sind.

So, viele Anstrengungen wurden unternommen, entweder die natürliche Photosynthese zu verbessern oder sie für neue Anwendungen zu nutzen, wie zum Beispiel die Herstellung von Biokraftstoffen aus Algen. Der Aufbau auf industriellem Maßstab könnte entscheidend sein, den steigenden CO₂‑Gehalt in der Atmosphäre zu begrenzen.

Aber was, wenn wir den Photosyntheseprozess nachahmen könnten, ohne mit lebenden Organismen zu arbeiten? Es ist schließlich ein elektrochemischer Prozess, der nicht zwingend lebende Zellen erfordert. Das ist das Versprechen der sogenannten „künstlichen Photosynthese“.

Sie würde unsere Fähigkeit, die Sonnenenergie zu nutzen, einen Schritt über die Photovoltaik hinausheben, die lediglich Strom aus Sonnenlicht erzeugen kann, aber chemische Reaktionen nicht direkt beeinflusst.

Drei Forscher am Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) und der Universität Tokio könnten diese Technologie einen Schritt näher an die Realität gebracht haben. In einem in Chemical Communications veröffentlichten Papier mit dem Titel „Bioinspirierte Hydrogele: polymerbasierte Designs für künstliche Photosynthese¹“.

Wie funktioniert Photosynthese?

Bei Pflanzen ist die Photosynthese, grob gesagt, der Prozess, bei dem CO₂ und Wasser aufgenommen, Licht als Energiequelle genutzt und Kohlenhydrate sowie Sauerstoff produziert werden.

Quelle: Britannica

Das gesagt, scheint es, dass dies auf eine sehr einfache chemische Gleichung reduziert werden kann und leicht künstlich reproduziert werden könnte.

Quelle: Britannica

Eine andere Geschichte ergibt sich, wenn man sich anschaut, wie es durchgeführt wird. Die pflanzliche Photosynthese ist tatsächlich eine der komplexesten biochemischen Maschinen, mit Dutzenden von Zwischenreaktionen, einer Vielzahl von Unterkomponenten und manchmal nicht so gut verstandenen molekularen Mechanismen, die aufwendige Elektronenbewegungen beinhalten.

Die synthetische Erklärung dieses Themas in der Britannica-Enzyklopädie umfasst nicht weniger als 10.000 Wörter. Wissenschaftler, die es untersuchen, müssen sich mit deutlich komplexeren Schemata auseinandersetzen, um einen Überblick über die Photosynthese zu erhalten:

Quelle: Lumen Learning

Obwohl sie in der Natur hauptsächlich zur Herstellung von Kohlenhydraten verwendet wird, könnte die Photosynthese theoretisch für viele andere Anwendungen genutzt werden, bei denen Licht als Energiequelle dient, zum Beispiel die Synthese von Wasserstoff aus Wasser (Photokatalyse).

Bioinspirierte Hydrogele für die Wasserstoffproduktion

Da einer der Schritte der natürlichen Photosynthese die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und 2H⁺‑Atome ist, scheint es einfacher zu sein, nur diesen Schritt zu replizieren, anstatt den gesamten Prozess nachzuahmen. Genau daran haben die japanischen Forscher gearbeitet, indem sie Hydrogele einsetzten.

Quelle: Chemical Communications

Sie verwendeten funktionelle Moleküle, wie Ruthenium‑Komplexe und Platin‑Nanopartikel, die zusammenarbeiten, um den natürlichen Prozess der Photosynthese zu simulieren und als leistungsstarke Photokatalysatoren bekannt sind. Die Innovation liegt in der Art und Weise, wie sie diese Partikel organisierten:

“Was hier einzigartig ist, ist die Art, wie die Moleküle im Hydrogel angeordnet sind. Durch die Schaffung einer strukturierten Umgebung haben wir den Energieumwandlungsprozess deutlich effizienter gemacht.”

Reina Hagiwara – Doktorandin am JAIST

Quelle: Chemical Communications

Verbesserte Effizienz

Ein weiterer wichtiger Fortschritt bei der Verwendung von Hydrogel im Vergleich zu früheren Methoden besteht darin, dass es die Metallpartikel davon abhält, zusammenzuklumpen, was die Wirksamkeit des Prozesses normalerweise verringert.

“Die größte Herausforderung bestand darin, herauszufinden, wie man diese Moleküle anordnet, damit sie Elektronen reibungslos übertragen können. Durch die Verwendung eines Polymernetzwerks konnten wir verhindern, dass sie zusammenklumpen, was ein häufiges Problem in synthetischen Photosynthesesystemen ist.”

Kosuke Okeyoshi – außerordentlicher Professor am JAIST

Das Endergebnis war eine deutlich effizientere Photokatalyse, die mehr Wasserstoff produzierte als ältere Techniken.

Quelle: Chemical Communications

Lichtfangendes Gel

Ein weiterer Faktor für die verbesserte Effizienz ist, dass das Gel das Licht im Wesentlichen einfängt und so die Wahrscheinlichkeit erhöht, die gewünschte chemische Reaktion zu betreiben.

Die sorgfältige Herstellung des Mikrogel wurde optimiert, um Durchmesser zu erzeugen, die kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts sind. Dies ermöglichte zudem die Integration der platin- und rutheniumhaltigen mikroskopischen Partikel in ein organisiertes Netzwerk im Gel.

Quelle: Chemical Communications

Der Schlüssel zur Wasserstoffrevolution?

Wasserstoff, oder aus Wasserstoff hergestelltes Ammoniak, wird seit langem als potenziell idealer Brennstoff angesehen, um die Welt mit grüner Energie zu versorgen.

Da er in chemischer Form vorliegt und nicht elektrisch, könnte Wasserstoff grüne Energie über einen viel längeren Zeitraum speichern und in Schlüsselanwendungen wie Schifffahrt oder Schwerindustrie eine bessere Alternative zu fossilen Brennstoffen als Batterien darstellen.

Das Problem ist, dass die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse ein sehr energieintensiver und zudem relativ ineffizienter Prozess ist. Das führt dazu, dass ein Großteil der zur Wasserstofferzeugung eingesetzten grünen Energie verschwendet wird, was die Wirtschaftlichkeit der Idee beeinträchtigt.

Dieses Effizienzproblem von grünem Wasserstoff liegt grundlegend darin, dass das aktuelle Konzept zu viele Schritte erfordert: Licht → Gleichstrom → Elektrolyse → Wasserstofferzeugung. Jeder zusätzliche Schritt reduziert die Effizienz und verursacht zusätzliche Kapital‑ und Ressourcenaufwendungen für die beteiligte Technik.

Es wird noch schlimmer, wenn der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt und über das Netz von Solarfarmen zum Wasserstoffsyntheseort transportiert werden muss.

Direkte Photokatalyse würde es in „Licht → Wasserstofferzeugung“ umwandeln, ohne Zwischenschritte.

Die nächsten Schritte

Bessere Polymere

Diese Veröffentlichung zeigt, dass ein sorgfältig organisiertes Netzwerk aus photokatalytischen Partikeln ein Wendepunkt in der Wasserstoffproduktion sein kann. Das hier verwendete Hydrogel könnte lediglich ein Sprungbrett sein.

Die Forscher erwarten, dass fortschrittlichere Polymernetzwerke entwickelt werden. Dies könnte beinhalten, die katalytischen Komponenten nicht nur als kleine Partikel, sondern als lange, dünne Molekülketten zu fixieren, wodurch die Kontaktfläche und das Lichtfangen erhöht werden. Der zukünftige Einsatz natürlicher Supramoleküle, wie Tubulin/Mikrotubuli, ist ebenfalls möglich.

Mehr als Wasserstoff

Die Studie konzentrierte sich auf die Wasserstofferzeugung, aber das ist bei weitem nicht die einzige chemische Reaktion, die durch Sonnenlicht katalysiert werden könnte.

Zum Beispiel haben japanische Forscher in Osaka einen Weg gefunden, Fumarsäure aus Bicarbonat und aus Biomasse gewonnenem Pyruvat zu erzeugen, indem sie eine andere Form der künstlichen Photosynthese nutzen.

Jenseits von Platin

Viele der Wasserstofferzeugungsmethoden beruhen auf der Spaltung von Wassermolekülen mithilfe von Platin oder anderen seltenen Metallen derselben Familie wie Ruthenium. Und das könnte eines der Argumente für Investitionen in Platin sein, neben der wachsenden Beliebtheit von Hybridfahrzeugen sein.

Gleichzeitig hat die hohen Kosten von Platin Forscher dazu ermutigt, kostengünstigere Alternativen zu finden.

Einige Beispiele können Sie in Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis und Generating Hydrogen by Splitting Water with Embedded Swarf lesen.

Vielleicht könnten diese Fortschritte bei Alternativen zu Platin mit dem oben diskutierten Hydrogel und der Photokatalyse kombiniert werden, um ein sehr kostengünstiges Wasserstoffproduktionsverfahren zu schaffen, das nur günstige Metalle, Polymere und Sonnenlicht verwendet.

Investieren in künstliche Photosynthese & Wasserstoff

Künstliche Photosynthese ist derzeit noch ein stark entwickelndes experimentelles Feld. Das Potenzial der Wasserstoffwirtschaft ist jedoch groß genug, um viele Unternehmen dazu zu bewegen, in diese Möglichkeit zu investieren.

Da viele Wasserstoffproduktionsmethoden auf Platin basieren, kann dies eine Option sein: Es ist tatsächlich möglich, Platin direkt als physisches Metall zu kaufen, wobei die meisten Edelmetallhändler Münzen und Barren aus Platin anbieten. Auch Platin‑Schmuck ist eine Möglichkeit.

Ein gehandelter physischer Platinbestand kann ebenfalls über den abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) und den GraniteShares Platinum Trust (PLTM) abgerufen werden.

Sie können in wasserstoffbezogene Unternehmen über viele Broker investieren, und hier auf securities.io finden Sie unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien und dem Vereinigten Königreich, sowie vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne wasserstoffbezogene Unternehmen auszuwählen, können Sie auch ETFs wie den VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX) für den Platin‑Aspekt oder wasserstofffokussierte ETFs wie den Global X Hydrogen ETF (HGEN) oder den VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO) in Betracht ziehen, die eine breitere Diversifizierung ermöglichen, um vom Potenzial von Wasserstoff als Energiequelle zu profitieren.

Wasserstoffunternehmen

BLDP Preisdiagramm

Ballard ist ein Brennstoffzellenhersteller und ein Pionier der Technologie mit seinem ersten Brennstoffzellenbus im Jahr 1993.

Das Unternehmen konzentriert sich auf Schwerlastmärkte: Busse, Lkw, Züge/Trams, Schiffe, Bergbau/Bau und Energie. Während Busse das Kerngeschäft waren, erwartet das Unternehmen, dass Lkw bis 2025 ein bedeutendes Geschäftsfeld werden. Es rechnet außerdem damit, dass Europa mit 50‑60 % sein Hauptmarkt bleibt, gefolgt von Nordamerika (25 %).

Brennstoffzellen für Lkw werden voraussichtlich weiter wachsen und im Jahr 2030 einen Markt von 7,5 Mrd. $ darstellen (aus einem Gesamtmarkt von 195 Mrd. $), fast so groß wie alle anderen Wasserstoff‑/Brennstoffzellenanwendungen zusammen.

Quelle: Ballard

Aufgrund des höheren Leistungsbedarfs und des Bedarfs an schnellem Laden wurden Schwerlastfahrzeuge gegenüber leichteren Fahrzeugen wie Autos als geeignete Kandidaten für Wasserstoff und Brennstoffzellen ausgewählt.

Es reduziert zudem den Bedarf an Oberleitung für Schienen und ermöglicht schnelles Aufladen für den Ferntransport.

Quelle: Ballard

Das Unternehmen ist auch kein Unbekannter im Bereich Ammoniak, zum Beispiel mit einem kürzlich abgeschlossenen Vertrag mit Amogy, um ihm Brennstoffzellen für seine „Ammoniak‑zu‑Energie‑Plattform, die auf einer einzigartigen Ammoniak‑Spaltungstechnologie beruht“ bereitzustellen.

Während Elektrofahrzeuge eine realistische Chance haben, den Automarkt schnell zu übernehmen, sind schwerere Fahrzeuge schwieriger zu dekarbonisieren.

Mit seiner etablierten Führungsposition im Sektor wäre Ballard ein Hauptprofiteur einer politischen Initiative hin zu einer Wasserstoffwirtschaft.

Der Fokus auf Brennstoffzellen ermöglicht es dem Unternehmen zudem, von jeder Kostenreduktion in der Wasserstofferzeugungstechnologie zu profitieren, unabhängig von der Methode, mit oder ohne Platin und mit oder ohne Photokatalyse.

Studienreferenz:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Bioinspirierte Hydrogele: polymerbasierte Designs für künstliche Photosynthese. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}