Künstliche Photosynthese - Forschungsstand, wissenschaft lich-technische Herausforderungen und Perspekti ven - Union der deutschen Akademien der ...
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Mai 2018
Stellungnahme
Künstliche Photosynthese
Forschungsstand, wissenschaftlich-technische
Herausforderungen und Perspektiven
Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina | www�leopoldina�org
acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften | www�acatech�de
Union der deutschen Akademien der Wissenschaften | www�akademienunion�deImpressum Herausgeber acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e. V. (Federführung) Karolinenplatz 4, 80333 München Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina e. V. – Nationale Akademie der Wissenschaften – Jägerberg 1, 06108 Halle (Saale) Union der deutschen Akademien der Wissenschaften e. V. Geschwister-Scholl-Straße 2, 55131 Mainz Koordination und Redaktion PD Dr. Marc-Denis Weitze, acatech Gestaltung und Satz unicommunication.de, Berlin Druck Komplan Biechteler GmbH & Co KG 1. Auflage ISBN: 978-3-8047-3644-3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie, detaillierte bibliografische Daten sind im Internet unter http://dnb.d-nb.de abrufbar. Zitiervorschlag: acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, Union der deutschen Akademien der Wissenschaften (Hrsg.) (2018): Künstliche Photo- synthese. Forschungsstand, wissenschaftlich-technische Herausforderungen und Perspektiven. Mün- chen, 84 Seiten.
Künstliche Photosynthese Forschungsstand, wissenschaftlich-technische Herausforderungen und Perspektiven
2 Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung und Kurzfassung der Empfehlungen����������������������������������� 4
1. Einleitung�������������������������������������������������������������������������������������������������� 8
1.1 Abkehr von fossilen Rohstoffen und globale Umstellung auf CO2-neutrale
Energieversorgung��������������������������������������������������������������������������������������������������� 9
1.2 Energieversorgung in Deutschland������������������������������������������������������������������������ 10
1.3 Biologische Photosynthese������������������������������������������������������������������������������������ 14
1.4 Künstliche Photosynthese�������������������������������������������������������������������������������������� 16
1.5 Vorschau auf die folgenden Kapitel der Stellungnahme���������������������������������������� 19
2. Stand der Forschung und aktuelle Herausforderungen�������������������������� 20
2.1 Biologische, modifizierte und hybride Photosynthese������������������������������������������� 21
2.1.1 Vor- und Nachteile der biologischen Photosynthese���������������������������������� 21
2.1.2 Modifizierte Photosynthese����������������������������������������������������������������������� 22
2.1.3 Hybride Photosynthese������������������������������������������������������������������������������ 26
2.2 Teilprozesse der Künstlichen Photosynthese��������������������������������������������������������� 28
2.2.1 Lichtabsorption und Ladungstrennung������������������������������������������������������� 28
2.2.2 Katalysatoren und Effizienz der chemischen Teilprozesse�������������������������� 32
2.2.3 Teilprozesse Wasseroxidation, O2-Entwicklung������������������������������������������� 32
2.2.4 Teilprozesse Protonenreduktion, H2-Entwicklung��������������������������������������� 35
2.2.5 CO2-Reduktion�������������������������������������������������������������������������������������������� 37
2.2.6 Ammoniak�������������������������������������������������������������������������������������������������� 43
2.3 Künstliche Photosynthese – Systemintegration����������������������������������������������������� 44
2.3.1 Getrennte PV-getriebene Elektrolyse-Systeme������������������������������������������� 44
2.3.2 Integrierte Photovoltaik-/Elektrolyse-Systeme������������������������������������������� 46
2.3.3 Photoelektrokatalyse auf Halbleiteroberflächen���������������������������������������� 47
2.3.4 Künstliche Blätter���������������������������������������������������������������������������������������� 50
2.3.5 Fazit Systemintegration������������������������������������������������������������������������������ 50
2.4 Alternative Ansätze������������������������������������������������������������������������������������������������ 51
2.4.1 Nutzung von sichtbarem Licht für die Synthesechemie����������������������������� 52
2.4.2 Synthetische Kraftstoffe aus solar-thermochemischer Umwandlung��������� 53
2.5 Zusammenfassung������������������������������������������������������������������������������������������������� 55Inhaltsverzeichnis 3 3. Stand der Forschung und gesellschaftlicher Kontext������������������������������ 56 3.1 Forschungsaktivitäten und Förderprogramme������������������������������������������������������� 56 3.1.1 Deutschland������������������������������������������������������������������������������������������������ 56 3.1.2 Europa�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 57 3.1.3 Weltweit����������������������������������������������������������������������������������������������������� 58 3.2 Herausforderungen aus Sicht von Experten aus der Industrie������������������������������� 60 3.3 Gesellschaftliche Aspekte – Ethik und Kommunikation����������������������������������������� 61 3.3.1 Ethik zwischen Technikfolgenabschätzung und Technikzukünften������������� 62 3.3.2 Kommunikation und Partizipation�������������������������������������������������������������� 64 3.4 Zusammenfassung������������������������������������������������������������������������������������������������� 66 4. Empfehlungen���������������������������������������������������������������������������������������� 67 5. Literatur�������������������������������������������������������������������������������������������������� 73 Beteiligte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler������������������������������������ 77 Anhang������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 79
4 Zusammenfassung und Kurzfassung der Empfehlungen
Zusammenfassung und Kurzfassung der Empfehlungen
Die Energieversorgung umwelt- und kli- (CO2 bzw. Stickstoff) kann also einen Bei-
mafreundlich zu gestalten, ist eine der trag zur Energiewende und zum Klima-
größten gesellschaftlichen und wissen- schutz leisten. Es gibt unterschiedliche
schaftlichen Herausforderungen unserer Forschungsrichtungen und Technologie-
Zeit. Kohle, Erdöl und Erdgas müssen entwicklungen, wobei die Künstliche Pho-
durch CO2-neutrale Brenn- und Wertstoffe tosynthese in dieser Studie im Vorder-
ersetzt werden, um die Folgen des Klima- grund steht:
wandels einzudämmen. Eine wichtige Vo-
raussetzung: Nur wenn regenerative Ener- • Modifizierte biologische Photo-
gieträger nachhaltig produziert werden, synthese: Brenn- und Wertstoffe
können sie zum Klimaschutz beitragen. werden durch gentechnisch optimierte
photosynthetische Mikroorganismen
Einen möglichen Ansatz hierfür er- produziert. Dieser Ansatz eignet sich
öffnet die Künstliche Photosynthese. Bei besonders, um komplexere Substan-
der Photosynthese handelt es sich um ei- zen wie Carbonsäuren zu erzeugen.
nen Prozess, bei dem unter alleiniger Nut- Das Technologiekonzept geht dabei
zung von Sonnenlicht als Energiequelle nicht den Umweg über Biomasse, der
chemische Energieträger und organische bei der seit Längerem stattfindenden
Wertstoffe produziert werden. Während Produktion von Biokraftstoffen oder
in der biologischen Photosynthese die Biopolymeren aus Mais oder anderen
Energie des Sonnenlichts von Pflanzen, Energiepflanzen zentral ist.
Algen und Bakterien genutzt wird, um aus • Kopplung von biologischen und
Kohlendioxid und Wasser Biomasse zu nicht-biologischen Komponen-
produzieren, werden in der Künstlichen ten zu Hybridsystemen: Diese
Photosynthese Produkte wie Wasserstoff, nutzen durch erneuerbare Energie ge-
Kohlenmonoxid, Methan, Methanol oder wonnenen Strom zur elektrolytischen
Ammoniak, aber auch komplexere Sub- Erzeugung von Wasserstoff und Koh-
stanzen erzeugt, die fossile Brenn- und lenmonoxid, die in Bioreaktoren zur
Rohstoffe ersetzen können. Diese ener- Produktion von Brenn- und Wertstof-
giereichen Stoffe können transportiert, fen durch Mikroorganismen eingesetzt
gespeichert und anschließend im Energie- werden.
und Rohstoffsystem eingesetzt werden. • Power-to-X-Technologien: Diese
Gelänge eine großtechnische Anwendung Verfahren nutzen Strom aus regene-
der Künstlichen Photosynthese, so lie- rativen Quellen zur elektrochemischen
ßen sich die vom Menschen verursachten Synthese von Brenn- oder Wertstoffen.
CO2-Emissionen spürbar eindämmen, da Dazu zählen etwa Wasserstoff, Ethylen
weniger fossile Ressourcen gefördert und oder – in mehrstufigen Prozessen –
verbrannt werden müssten. Methan (Erdgas), Alkohole oder koh-
lenwasserstoffbasierte Kunststoffe.
Die solare Produktion von Brenn- • Künstliche Photosynthese: Solar-
und Wertstoffen aus unbegrenzt verfüg- energie wird mithilfe von katalytischen
barem Wasser und Bestandteilen der Luft Prozessen umgewandelt und zur Er-Zusammenfassung und Kurzfassung der Empfehlungen 5
zeugung von Brenn- und Wertstoffen der neuen Technologien frühzeitig in ei-
eingesetzt. Die Produktion erfolgt in nem breiten gesellschaftlichen Dialog dis-
vollständig integrierten Systemen wie kutiert werden.
beispielsweise „künstlichen Blättern“
oder durch eine direkte Kopplung von
Photovoltaik- und Elektrolyseanlagen. Empfehlungen der Akademien
Der Vorteil dieses Ansatzes: Die er-
zeugten Stoffe lassen sich speichern, Die durch Künstliche Photosynthese pro-
lagern und transportieren. duzierten Brenn- und Wertstoffe können
helfen, fossile Rohstoffe künftig zu erset-
Die naturwissenschaftlichen Grundlagen zen. Damit kann Künstliche Photosyn-
der Künstlichen Photosynthese wurden in these einen wichtigen Beitrag zur Umset-
den vergangenen zwei Jahrzehnten gründ- zung der Energiewende leisten. Was dafür
lich erforscht. Darauf aufbauend konnten jetzt zu tun ist, beschreiben die deutschen
im Rahmen nationaler und internationaler Wissenschaftsakademien in ihren Emp-
Projekte bereits vielversprechende Test- fehlungen an Politik, Wissenschaft, Wirt-
systeme entwickelt werden, in denen vor schaft und Gesellschaft:
allem Teilreaktionen der Gesamtprozes-
se untersucht und optimiert werden. So 1: Einbeziehung neuer Technologien zur
kann es gelingen, verschiedene Brenn- und nachhaltigen Produktion von Brenn-
Wertstoffe einzig mit Sonnenlicht als Ener- und Wertstoffen in Zukunftsszenarien
giequelle – bei vollständigem Verzicht auf Soll die Energieversorgung im Jahr 2050
fossile Ausgangsstoffe – zu produzieren. vollständig oder zumindest weitgehend
Während erste größere Power-to-X-Anla- ohne fossile Brenn- und Kraftstoffe aus-
gen bereits ihren Testbetrieb aufgenom- kommen, werden Wind- und Solaranlagen
men haben, befindet sich die Künstliche eine zentrale Rolle spielen, deren Leistung
Photosynthese hingegen noch weitgehend jedoch schwankt. Die Versorgung könnte
auf der Ebene der Grundlagenforschung. abgesichert werden, wenn große Mengen
Geeignete Systeme existieren bislang als fluktuierender Solar- und Windenergie in
Labor-Prototypen, sodass eine belastbare Form nicht-fossiler Brennstoffe langfristig
Kosten-Nutzen-Analyse und eine ökono- gespeichert werden (stoffliche Energie-
misch vertretbare Zukunftsprognose der- speicherung). Dabei bietet die Künstliche
zeit noch nicht möglich sind. Photosynthese eine weitere Methode, um
auch chemische Wertstoffe aus unbegrenzt
Die Fortschritte der letzten Jahre verfügbaren Bestandteilen der Luft (CO2,
rücken eine großtechnische Produktion Stickstoff) mit Wasser unter Nutzung er-
„solarer Brenn- und Wertstoffe“ in den neuerbarer Energien zu gewinnen. Die sola-
Bereich des Machbaren. Als wesentliche re Erzeugung von Brenn- und Wertstoffen
Herausforderung sehen Fachleute aus der aus Wasser und CO2 sollte daher künftig in
Industrie die Skalierbarkeit der vorhande- die nationalen und globalen Konzepte der
nen Ansätze. Dabei ergeben sich Schnitt- Energiegewinnung und des Klimaschutzes
stellen und Anknüpfungspunkte zu schon verstärkt einbezogen werden.
existierenden Technologien, zum Bei-
spiel zur effizienten Kopplung von Pho- 2: Fortführung der breit angelegten
tovoltaik- und Elektrolyse-Systemen. Ein Grundlagenforschung
großtechnischer Einsatz der Künstlichen Die Forschung zur nachhaltigen Brenn-
Photosynthese und die damit verbundene und Wertstoffproduktion findet in
Abkehr von einer fossilen Energieversor- Deutschland in zahlreichen Einzelprojek-
gung kann allerdings nur dann gelingen, ten und interdisziplinären Forschungs-
wenn Chancen und Herausforderungen gruppen statt. Je nach Projekt widmen6 Zusammenfassung und Kurzfassung der Empfehlungen
sich die Forscherinnen und Forscher on in einem Gerät oder einer kompakten
unterschiedlichen Fragestellungen: Sie Anlage könnten die Stoffe effizienter und
untersuchen beispielsweise neue Lichtab- kostengünstiger hergestellt werden. Zahl-
sorber und entwickeln Katalysatoren so- reiche, zum Teil schon sehr leistungsfähi-
wie Verfahren der Synthetischen Biologie. ge Einzelkomponenten für die Künstliche
In anderen Projekten wird etwa erforscht, Photosynthese sind bereits bekannt und
wie sich CO2 zur Kunststoffproduktion im Labor gut untersucht. Dennoch befin-
nutzen lässt, wie Pilotanlagen gebaut und det sich die Forschung und Entwicklung
gesteuert werden könnten oder wie sich dieser Systeme noch in einem frühen Sta-
nachhaltige Stoffzyklen ökonomisch mo- dium. Vor allem ist unklar, wie einzelne
dellieren lassen. Diese Forschungsvielfalt Schlüsselprozesse sinnvoll gekoppelt und
ist sinnvoll und sollte beibehalten werden. in das Gesamtsystem integriert werden
Auf diese Weise könnte die Grundlagen- können. Power-to-X-Technologien beru-
forschung wissenschaftlich-technische hen auf denselben chemischen Schlüssel-
Innovationen, die als „Game Changer“ prozessen, nutzen jedoch die Elektrizität
wirken, möglich machen. des Stromnetzes als Energiequelle. Wie
sich Power-to-X technisch umsetzen lässt,
3: Verstärkte Koordination von Grund- ist besser erforscht als die Anwendung der
lagenforschung und industrieller For- Künstlichen Photosynthese. Um zu unter-
schung suchen, wie und wo die Künstliche Photo-
Um Brenn- und Wertstoffe mit Technolo- synthese eine sinnvolle Ergänzung oder
gien der Künstlichen Photosynthese nach- Alternative zu Power-to-X-Technologien
haltig produzieren zu können, müssen darstellen kann, empfehlen die Akade-
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mien eine rund zehnjährige Forschungs-
besser koordiniert und vernetzt werden. und Entwicklungsphase für integrierte
Diese Koordination könnten existierende Laborsysteme und Pilotanlagen, gefolgt
Einrichtungen wie die Verbundforschung von einer kritischen Bewertung.
der Bundesministerien, Exzellenzcluster
oder Forschungszentren übernehmen, 5: Bewertung des Potenzials der Künstli-
etwa nach dem Vorbild der „Kopernikus- chen Photosynthese
Projekte für die Energiewende“. Da bisher Der Umbau des Energie- und Rohstoff-
unklar ist, wie großtechnische Anlagen systems hat naturwissenschaftlich-tech-
optimal geplant und errichtet werden nische, ökonomische, ethische und gesell-
können, sollte auch die industrielle For- schaftliche Dimensionen. Dies erfordert
schung frühzeitig in diesen Prozess mit- einen weit gefassten Diskurs zwischen
einbezogen werden. Nur so lassen sich Vertreterinnen und Vertretern der Na-
unter Berücksichtigung gesellschaftlicher tur-, Ingenieur-, Wirtschafts- und Gesell-
und gesetzlicher Rahmenbedingungen schaftswissenschaften und der Industrie.
klare ökonomische Perspektiven für die Ziel ist es, das Potenzial der Künstlichen
Produktion nicht-fossiler Brenn- und Photosynthese realistisch auf Skalierbar-
Wertstoffe aufzeigen. keit, Energieeffizienz, Verfahrenstechnik
und Kosten zu überprüfen, bevor entspre-
4: Fokus auf Systemintegration und chende Ansätze für die großtechnische An-
Evaluation der Kostenvorteile hoch- wendung weiterentwickelt werden. Diese
integrierter Systeme der Künstlichen Prüfung sollte – in Anbetracht der großen
Photosynthese internationalen Konkurrenz und der hoch-
Technologien der Künstlichen Photo- rangigen Zielsetzung – sorgfältig erfolgen,
synthese verbinden die Umwandlung damit vielversprechende Forschungs- und
von Solarenergie mit der Produktion von Entwicklungsarbeiten nicht vorschnell be-
Brenn- und Wertstoffen. Durch Integrati- endet werden.Zusammenfassung und Kurzfassung der Empfehlungen 7
6: Intensiver gesellschaftlicher D
ialog
zur Künstlichen Photosynthese im
Kontext der Energiewende
Die Energiewende betrifft alle gesell-
schaftlichen Gruppen. Bürgerinnen und
Bürger sollten daher frühzeitig für neue
Technologien sensibilisiert werden, mit
denen fossile Energieträger langfristig er-
setzt werden könnten. In diesem Kontext
spielt die Gewinnung von „erneuerbaren“
Brenn- und Wertstoffen durch Künstliche
Photosynthese eine große Rolle. Ange-
sichts des frühen Entwicklungsstadiums,
in dem sich die Künstliche Photosynthe-
se derzeit befindet, sollte die Technologie
sachorientiert, transparent und ergebnis-
offen diskutiert werden. Besonders wich-
tig ist es, über Aspekte wie Versorgungssi-
cherheit, die Verfügbarkeit von Rohstoffen
und Klimaeffekte zu informieren. Dabei
ist es notwendig, nicht nur die wissen-
schaftlichen und technischen Grundlagen
sowie die aktuellen Forschungsergebnisse
zu vermitteln, sondern auch wirtschaft-
liche und ökologische Zusammenhänge
verständlich darzustellen. Journalistisch
vermittelte Informationen können helfen,
die gesellschaftliche Relevanz des Themas
zu erhöhen. Die Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler sowie andere Akteu-
re sollten künftig – neben den Medien –
auch stärker mit zivilgesellschaftlichen
Organisationen direkte Kontakte pflegen.
Wird die Öffentlichkeit frühzeitig in Ent-
scheidungsprozesse eingebunden, kön-
nen für alle Beteiligten die Bedingungen
der Akzeptanz für die neuen Technologien
geklärt werden. Die Akademien können
diesen gesellschaftlichen Dialog sinnvoll
unterstützen, indem sie Diskussionsforen
und Austauschplattformen anbieten.8 Einleitung
1. Einleitung
Die Sicherung einer nachhaltigen Ener- Komponenten bestehen. Diese Systeme
gieversorgung gehört zu den zentralen werden als „Künstliche Photosynthese“1
Herausforderungen für Wissenschaft und bezeichnet, deren vorrangiges Ziel es ist,
Technik. Bereits heute wird Sonnen- und unter Nutzung von Solarenergie Brenn-
Windenergie zur Stromerzeugung ge- stoffe und chemische Produkte aus leicht
nutzt, und die Entwicklung von Techno- verfügbaren Ausgangsstoffen (Wasser,
logien, die darauf abzielen, die Energie Kohlendioxid, Stickstoff) klimaneutral zu
des Sonnenlichts effizient und bezahlbar erzeugen.2
zu speichern, wird zukünftig sehr wahr-
scheinlich weiter an Bedeutung gewin- Die Idee, anstelle fossiler Rohstof-
nen. Pflanzen und phototrophe Mikroor- fe das Sonnenlicht direkt zu nutzen und
ganismen meistern diese Umwandlung Kohlendioxid katalytisch umzuwandeln,
über die biologische Photosynthese, bei ist keineswegs neu.3 Das Thema „Künstli-
der Kohlenhydrate aus Wasser (H2O) und che Photosynthese“ wurde in den vergan-
Kohlendioxid (CO2) mittels Sonnenlicht genen Jahren bereits von verschiedenen
entstehen. Als Nebenprodukt wird dabei internationalen Organisationen aufgegrif-
molekularer Sauerstoff (O2) in die Atmo- fen und als generell sehr vielversprechend
sphäre freigesetzt. bewertet, so von der Royal Society of Che-
mistry4, der europäischen Chemieorgani-
Ziel der vorliegenden Stellungnah- sation EuCheMS5 und der Europäischen
me ist es, Entwicklungen von Künstlichen Kommission6. Die vorliegende Stellung-
Photosynthese-Technologien für die Pro- nahme aktualisiert und ergänzt Publi-
duktion von Brenn- und Wertstoffen auf- kationen der Akademien zu verwandten
zuzeigen. Diese stellen prinzipiell auch in Themen, darunter die Titel Biotechno-
großtechnischem Maßstab eine Alterna- logische Energie-Umwandlung (2012)7,
tive zur Nutzung fossiler Brennstoffe dar Bioenergie: Möglichkeiten und Grenzen
und können daher langfristig signifikant (2012)8 sowie Technik gemeinsam ge-
und nachhaltig zur Abfederung des Kli- stalten. Frühzeitige Einbindung der Öf-
maproblems beitragen. Ausgangspunkt
der Analyse ist die biologische Photo-
1 Im Englischen wird üblicherweise der Begriff „Artificial
synthese, in der Organismen mithilfe des Photosynthesis“ verwendet.
Sonnenlichts unter Freisetzung von Sau- 2 Die Stellungnahme behandelt nicht die Konversion von
Biomasse in Bioenergie. Dies war Gegenstand früherer
erstoff Wasser spalten und nachfolgend Studien der Akademien (acatech 2012a, Nationale
Akademie der Wissenschaften Leopoldina 2013) und
CO2 in Biomasse umwandeln. Es werden wird im Rahmen des Akademienprojektes ESYS erneut
einführend Modifikationen der biologi- bearbeitet (https://energiesysteme-zukunft.de/projekt/
arbeitsgruppen/).
schen Prozesse diskutiert und nachfol- 3 Ciamician 1912.
gend hybride Systeme betrachtet, bei 4 The Royal Society of Chemistry 2012.
denen natürliche mit synthetischen Kom- 5 European Association of Chemical and Molecular Scien-
ces (EuCheMS) 2016.
ponenten verknüpft sind. Im Fokus der 6 Generaldirektion Forschung und Innovation (Europäi-
Stellungnahme stehen vor allem von der sche Kommission) 2016.
7 acatech (Hrsg.) 2012a.
Natur inspirierte photochemische Pro-
8 Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina
zesse, die vorwiegend aus synthetischen 2013.Einleitung 9
Definition: Künstliche Photosynthese
Die Künstliche Photosynthese dient der Produktion chemischer Energieträger und Wertstoffe
unter Verwendung von Sonnenlicht als einziger Energiequelle in integrierten Apparaten und
Anlagen. Die besondere Stärke des Ansatzes liegt dabei in der Bereitstellung von erneuerba-
rer Energie in stofflich gespeicherter sowie lager- und transportierbarer Form. Hierfür wird
ein zentrales Prinzip des biologischen Vorbilds nachgeahmt: die Kopplung von lichtinduzier-
ten Ladungstrennungen mit katalytischen Prozessen für die Produktion energiereicher Ver-
bindungen.
fentlichkeit am Beispiel der Künstlichen mitteln. Im Vergleich zur energetischen
Fotosynthese (2016)9. In der Akademien- Nutzung (Verbrennung), die 97 Prozent
stellungnahme „Sektorkopplung – Opti- des Verbrauchs an fossilen Energieträ-
onen für die nächste Phase der Energie- gern ausmacht, ist dieser Anteil allerdings
wende“ (2017)10 werden zu diesem Thema sehr gering (siehe Abbildung 1-1 B).
wichtige Überlegungen mit Blick auf die
Kohle (30 %)
Energiewende angestellt.
1.1 Abkehr von fossilen
Rohstoffen und globale
Umstellung auf CO2-neutrale
Energieversorgung
Der jährliche Weltenergiebedarf verdop- Erdöl (33 %)
pelte sich von 1973 bis 2014 von 4.661
Millionen Tonnen Öläquivalent auf 9.425 Andere (Geothermie, Erdgas (24 %)
Millionen Tonnen.11 Eine weitere Ver- Solar, Wind etc.) (2 %)
dopplung bis 2050 wird erwartet. Der
Kernenergie (4 %) Wasser (7 %)
ansteigende Energiebedarf wurde bisher
primär durch den Ausbau der Nutzung Abbildung 1-1 A: Globale Versorgung mit kommerziell
fossiler Brennstoffe gedeckt, das heißt von gehandelten Energieträgern für das Jahr 2016.
Erdöl, Erdgas und Kohle. Aber auch die Derzeit erfolgt mehr als 85 Prozent der Primärenergie-
Nutzung nicht-fossiler Energieressour- versorgung der Welt über fossile Energieträger (Erdöl,
Erdgas und Kohle).12
cen (Wasserkraft, Kernenergie, Wind-/
Solarstrom, Bioenergie und andere er-
neuerbare Energien) verzeichnet weltweit Während die Verfügbarkeiten von Erdöl
ein starkes Wachstum; ihr Anteil am Ge- und Erdgas über das Jahr 2050 hinaus
samtverbrauch liegt inzwischen weltweit nur schwer zu prognostizieren sind, kann
bei 14 Prozent (siehe Abbildung 1-1 A). relativ sicher davon ausgegangen wer-
Neben der Nutzung als Brennstoffe die- den, dass die Förderung von Kohle den
nen vor allem Erdöl und Erdgas auch als Energiebedarf der Menschheit für weitere
Ausgangsverbindungen der chemischen Jahrhunderte decken könnte.13 Folglich ist
Industrie zur Herstellung von Wertstoffen ein genereller Ausstieg aus der Nutzung
wie zum Beispiel Polymeren oder Dünge- fossiler Brennstoffe im 21. Jahrhundert
9 acatech 2016. 12 BP 2017, S. 9.
10 acatech et al. 2017. 13 Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
11 International Energy Agency 2016, S. 28. (BGR) 2016, S. 91.10 Einleitung
sionen in die Erdatmosphäre verbunden,15
die als Hauptverursacher globaler Klima-
veränderungen gelten. Nach heutigem
Erdöl
Stand von Wissenschaft und Forschung
besteht ein ursächlicher Zusammenhang
zwischen dem durch Verbrennung fos-
siler Brennstoffe verursachten Anstieg
des CO2-Gehalts in der Atmosphäre und
Kohle
einem weltweiten Temperaturanstieg
(siehe Abbildung 1-2).16 Diese Klimaver-
änderungen stellen eine reale Gefahr mit
gravierenden lokalen und globalen Aus-
Erdgas wirkungen, einschließlich ökologischer,
ökonomischer und humanitärer Katastro-
phen, dar.
Wasser
Kernenergie Heute ist der Zusammenhang zwi-
Andere
schen den CO2-Emissionen aus anthro-
pogenen Prozessen und den daraus resul-
3% tierenden Klimaveränderungen auch auf
Chemie
politischer Ebene global weitgehend an-
97 %
erkannt. Diese Akzeptanz fand ihren Aus-
Energie
druck im Übereinkommen von Paris, das
am 4. November 2016 in Kraft getreten ist
und in dem die Zielvorgaben zur Reduk-
Abbildung 1-1 B: Lediglich 3 Prozent der fossilen Brenn-
stoffe dienen global der direkten Umsetzung zu Wertstof- tion der CO2-Emissionen festgelegt sind.17
fen in der chemischen Industrie, der Rest dieser in Jahrmil-
lionen gebildeten fossilen Ressourcen wird verbrannt.14
1.2 Energieversorgung in
aufgrund der Erschöpfung ihrer Quellen Deutschland
nicht zwingend erforderlich. Allerdings
sind unvorhersehbare Preisentwicklun- Das Pariser Übereinkommen sieht die
gen, fehlende Versorgungssicherheit bei Vermeidung jeglicher anthropogener Net-
ungünstigen geopolitischen Entwicklun- to-CO2-Emissionen in der zweiten Hälfte
gen sowie ökotoxikologische Folgen (zum dieses Jahrhunderts vor, um die mittlere
Beispiel Atemwegserkrankungen durch
Stickoxide, krebserregende Aerosole, 15 International Energy Agency 2016 zu Zahlenangaben.
Feinstaubbelastungen etc.) wesentliche 16 Eine detaillierte wissenschaftliche Bewertung des
umfangreichen Datenmaterials zu Klimaveränderungen
Risikofaktoren, die mit dem Einsatz fos- erfolgte unter dem Dach des Intergovernmental Panel
on Climate Change (IPCC). Neben CO2 tragen weitere
siler Brennstoffe und den damit einherge- „Treibhausgase“ zu globalen Klimaveränderungen bei. Ihr
henden Emissionen verbunden sind. 14 Beitrag ist jedoch in der Summe geringer und teilweise
ebenfalls an die Nutzung fossiler Brennstoffe gekoppelt,
wie zum Beispiel Methan-Emissionen bei Gewinnung und
Transport von Erdöl und Erdgas oder die Entstehung von
Als wichtigster Grund für einen Stickoxiden bei Verbrennung fossiler Brennstoffe. Vgl.
Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energie- Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2014.
17 „Zum Erreichen des langfristigen Ziels, den Anstieg der
träger wird heutzutage die Klimaproble- mittleren Erdtemperatur deutlich unter 2 °C zu halten,
matik gesehen. Die Verbrennung fossiler sind die Vertragsparteien bestrebt, rasche Reduktionen
der Treibhausgasemissionen im Einklang mit den besten
Energieträger ist mit enormen CO2-Emis- verfügbaren wissenschaftlichen Erkenntnissen herbeizu-
führen, um in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts ein
Gleichgewicht zwischen den anthropogenen Emissionen
von Treibhausgasen aus Quellen und dem Abbau solcher
Gase durch Senken herzustellen.“ Vgl. Pariser Überein-
14 Seitz 2013, S. 23. kommen, zit. n. Europäische Kommission 2017.Einleitung 11
Erwartete
Erderwärmung
bis 2100
weltweite Treibhausgasemissionen 200
(in Gigatonnen CO2-Äquivalenten)
150
über +3°C
100
ca. +3 bis 4°C
50
ca. + 2°C
0
ca. + 1,5°C
-50
1990
2000
2010
2020
2030
2040
2050
2060
2070
2080
2090
2100
keine Verände- derzeitige Umsetzung bereits Emissionen max. Emissionen
rung des globalen Politik formulierter für das für „1.5°-Ziel“
Energiesystems Klimaziele „2°-Ziel“
Abbildung 1-2: Alternative Szenarien für die Netto-CO2-Emissionen bis zum Jahr 2100. Die Umsetzung bereits for-
mulierter Klimaziele (insbesondere des Pariser Übereinkommens) macht es zu 80 Prozent wahrscheinlich, dass der
globale Temperaturanstieg auf unter 2 Grad Celsius begrenzt bleibt.18
Erhöhung der Erdtemperatur auf deutlich Der Primärenergieverbrauch wird
unter 2 Grad Celsius zu begrenzen. Dabei in Deutschland nach wie vor hauptsäch-
sollen Industriestaaten wie Deutschland lich durch fossile Energieträger gedeckt;
diese sogenannte CO2-Neutralität früher ihr Anteil betrug 2015 80 Prozent (siehe
erreichen als derzeitige Schwellen- und Abbildung 1-3, links). Richtet man den
Entwicklungsländer. Der „Klimaschutz- Blick allein auf die Elektrizitätserzeugung,
plan 2050“ der Bundesregierung1819 orien- so ist besonders für die letzten zehn Jahre
tiert sich an diesem Leitbild und formu- ein beachtlicher Anstieg der Bereitstellung
liert als Ziel für 2050 eine weitgehende durch erneuerbare Energien festzustellen.
Neutralität der Treibhausgasemissionen Vor allem der Ausbau von Photovoltaik,
in Deutschland. Windkraft und Bioenergie für die Elekt-
rizitätserzeugung führte in Deutschland
Dabei ist insbesondere anzustre- zu einem kontinuierlichen Anstieg der
ben, dass die Nutzung fossiler Brennstof- Produktion von „erneuerbarem Strom“;
fe in Deutschland ab 2050 die Ausnahme er macht inzwischen (2016) über 30 Pro-
darstellt. Angesichts der Höhe des deut- zent der jährlichen Elektrizitätserzeugung
schen Primärenergieverbrauchs (Summe aus. Diese für ein bevölkerungsreiches
aller für Wärmegewinnung, Industriepro- Industrieland ungewöhnliche, durch ge-
duktion, Transport, Landwirtschaft etc. setzliche Rahmenbedingungen (Erneuer-
genutzten Energieträger) ist dies eine not- bare-Energien-Gesetz, EEG) unterstützte
wendige Zielvorgabe, welche besondere Entwicklung ist auch international ein
Anstrengungen erfordert. viel beachtetes Phänomen und hat welt-
weit Vorbildcharakter. In der öffentlichen
Wahrnehmung wird die Bedeutung der
Elektrizitätserzeugung durch Wind, Was-
18 Nach http://climateactiontracker.org/global.html.
ser und Sonne aber häufig überschätzt:
19 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und
Reaktorsicherheit (BMUB) 2016. Der hohe Anteil dieser erneuerbaren12 Einleitung
Braunkohle (11,4 %) Solarthermie (0,2 %) Geothermie (0,07 %)
Steinkohle (12,2 %) Kernenergie (6,9 %) Photovoltaik (1,0 %)
Andere (0,3 %) Wärmepumpe (0,3 %)
Wasserkraft (0,6 %)
Primärenergieverbrauch Erneuerbare (12,6 %)
in Deutschland
Windkraft (2,1 %)
Erdgas (22,7 %) Mineralöl (34,0 %) Abfälle / Deponiegas (1,0 %)
Biomasse fest / gasförmig (6,4 %) Biokraftstoffe (0,9 %)
Abbildung 1-3: Primärenergieverbrauch in Deutschland nach Erzeugungsart.
Vom gesamten deutschen Energieverbrauch stammen derzeit 12,6 Prozent aus erneuerbaren Quellen.20
Energien betrifft nur den Stromsektor, strebte Autonomie bei der Versorgung mit
nicht aber Treibstoffe und Wärme, sodass Agrarprodukten, die bereits jetzt einen
ihr Gesamtanteil am Primärenergiever- Import von Futtermitteln aus Drittstaaten
brauch Deutschlands bei nur 4 Prozent erfordert, limitieren den weiteren Ausbau
liegt (siehe Abbildung 1-3 rechts). 20 von Bioenergie in Deutschland.21
Zukünftig wird der Großteil der Sehr wahrscheinlich wird ein Bün-
Stromversorgung voraussichtlich durch del von Maßnahmen und Entwicklungen
Windkraft und Photovoltaik (PV) bereit- erforderlich sein, um die Nutzung fossi-
gestellt. Um auch mehrwöchige Phasen ler Brennstoffe einzudämmen und die für
mit wenig Wind und Solarstrahlung über- Deutschland formulierten CO2-Ziele zu
brücken zu können, werden gut speicher- erreichen. Dabei können Energieeinspa-
bare Energieträger benötigt. Mehr als die rungen und der Ersatz fossiler Brennstoffe
Hälfte der derzeit genutzten erneuerba- durch weiterentwickelte erneuerbare elek-
ren Energien basieren auf der Umsetzung trische Energie maßgeblich zur Verringe-
von Biomasse, wobei die Verbrennung rung des CO2-Ausstoßes beitragen. Wie
von Holz nach wie vor einen wesentli- diese Stellungnahme im Folgenden zeigen
chen Beitrag leistet. Die Biomasse ist das wird, könnten darüber hinaus mithilfe von
unmittelbare Produkt der biologischen erneuerbaren Energien produzierte Brenn-
Photosynthese. Die niedrige photosynthe- und Wertstoffe fossile Ressourcen ersetzen
tische Energieumwandlungseffizienz von und so – wohl ab 2030 – einen signifikan-
Nutzpflanzen, die begrenzt verfügbaren ten Beitrag zur Lösung des Energie- und
landwirtschaftlichen Nutzflächen und die Klimaproblems leisten. Dieser Ansatz wür-
ungünstigen Ökobilanzen sowie die ange-
21 Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina
20 Bundeministerium für Wirtschaft und Energie 2017. 2013.Einleitung 13
de die Speicherung der fluktuierenden So- nicht erreichbar sind22 (siehe Kasten). Da-
larenergie auf großer Skala in Form stoffli- rüber hinaus lassen sich Stoffe wie Methan
cher Brenn- und Rohstoffe wie Wasserstoff, oder Methanol verhältnismäßig einfach in
Methanol oder Ammoniak ermöglichen, das bestehende Energie- und Wertstoffnetz
und zwar mit Energiedichten, wie sie zum einbinden, sowohl auf Energieversorger-
Beispiel bei der Speicherung in Batterien als auch auf Verbraucherseite.
Energiespeicherdichten im Vergleich
Brennstoffe wie Kohle, Benzin, Propan, Methan oder Wasserstoff speichern Energie, die bei
der Verbrennung wieder freigesetzt wird. Diese Energie kann als Heizwert23 quantitativ ange-
geben werden, der sich entweder auf das Gewicht (in Kilogramm) oder auf das Volumen des
Stoffes (in Liter oder Kubikmeter) bezieht (siehe Tabelle 1-1). Die klassischen fossilen Brenn-
stoffe wie Benzin und Dieselöl zeichnen sich sowohl bezogen auf das Volumen (je Liter) als
auch auf das Gewicht (je Kilogramm) durch eine hohe Energiedichte aus. Die Speicherdichte
von Gasen wie Methan oder Wasserstoff ist bezogen auf ihr Gewicht (je Kilogramm) beson-
ders hoch. Das benötigte Speicher- beziehungsweise Tankvolumen hängt jedoch davon ab,
unter welchem Druck sich das Gas befindet (zum Beispiel 200 bar in einem heutigen PKW-
Gastank) oder ob es bei tiefen Temperaturen in flüssiger Form gelagert ist. Insbesondere Was-
serstoff zeichnet sich durch eine herausragende Speicherdichte je Kilogramm aus, jedoch ist
der Volumenbedarf beim derzeitigen Druck von 200 bar vergleichsweise hoch.
Tabelle 1-1:24 Energiespeicherdichte für verschiedene Brennstoffe und Vergleich mit Batteriespeicher. Die
Zahlenwerte beziehen sich allein auf den Brennstoff und beinhalten nicht Volumen und Gewicht des Speicher-
behälters (Tank). Als Bezugsgröße angegeben ist jeweils der Brennstoffbedarf, um 10 Liter Leitungswasser zum
Kochen zu bringen (Erhitzen von 15 °C auf 100 °C), was einem Energiebedarf von etwa 1 kWh entspricht.
Energie je Gewicht Energie je Volumen
(je Kilogramm) (je Liter)
Energie Gewicht für Energie Volumen für
Energie- bzw. Heizwert 10 Liter bzw. Heizwert 10 Liter
speichernder Stoff je Kilogramm Kochwasser je Liter Kochwasser
Benzin
12,5 kWh 80 g 9,2 kWh 0,1 L
Methan (Erdgas)
14 kWh 70 g 2,2 kWh 0,5 L
– Drucktank 200 bar
Wasserstoff
33 kWh 30 g 2,4 kWh 0,4 L
– Flüssiggastank
Wasserstoff
33 kWh 30 g 0,6 kWh 1,7 L
– Drucktank 200 bar
Hochleistungs-
0,25 kWh 4.000 g 0,7 kWh 1,4 L
Batteriezelle25
22232425
22 Nocera 2009.
23 Anstelle des Heizwertes findet auch der „Brennwert“ Verwendung, bei dem neben der Energie, die direkt während des
Verbrennungsprozesses freigesetzt wird, auch die Wärmeenergie der heißen Verbrennungsprodukte, insbesondere Wasser
und CO2, berücksichtigt wird. Folglich ist der Brennwert immer größer als der Heizwert, meist um ca. 10 Prozent.
24 Daten aus verschiedenen Quellen, zusammengeführt durch H. Dau.
25 Bei der elektrischen Batteriespeicherung können keine technologieunabhängigen Werte angegeben werden. Die hier
angegebenen Werte beziehen sich auf spezielle, besonders leistungsfähige Batteriezellen (24 cm3 Zellen, Tesla Model
2170), ohne Berücksichtigung des Gewicht- und Raumbedarfs für Anordnung und Temperierung von zum Beispiel
3.000 bis 5.000 derartigen Zellen in einem PKW.14 Einleitung
1.3 Biologische Photosynthese bei der biologischen Photosynthese unter
1 Prozent.26 Bei einem Wirkungsgrad von
Das Sonnenlicht dient in der natürlichen 0,7 Prozent können über das Jahr gemit-
Photosynthese als Energiequelle, um telt durch biologische Photosynthese in
Wasser (H2O) zu spalten und atmosphäri- Deutschland etwa 7 kWh Solarenergie pro
sches Kohlendioxid (CO2, 0,04 Volumen- m2 netto konserviert werden. Auf der ge-
prozent) in Biomoleküle zu überführen, samten landwirtschaftlichen Nutzfläche
zum Beispiel in Kohlenhydrate ([CH2O]n) Deutschlands (167.000 km2) werden also
(siehe Abbildung 1-4). weniger als 1.200 Milliarden kWh pro Jahr
in Biomasse konserviert; dies entspricht
Vor etwa 3 Milliarden Jahren begann etwa 30 Prozent des deutschen Primär-
die Entwicklung der biologischen Photo- energieverbrauchs von 3.750 Milliarden
synthese ausgehend von Bakterien bis hin kWh pro Jahr. Da nur ein Teil der Biomas-
zur Ausbildung von Chloroplasten in hö- se technisch nutzbar ist, würde sogar ein
heren Lebewesen wie Algen und Pflanzen. Vielfaches der Gesamtfläche Deutschlands
Dieses evolutionär gewachsene System ist benötigt, um den nationalen Primärener-
sehr gut in der Lage, die Bedürfnisse der giebedarf durch biologische Photosynthe-
biologischen Funktionen zu erfüllen, hat se zu decken.
aber seine Grenzen in der (bio-)technolo-
gischen Anwendung (siehe Abschnitt 2.1). Die biologische Photosynthese ist
Die Effizienz der Umwandlung von einge- inzwischen biochemisch, strukturell und
strahltem Sonnenlicht in Biomasse beträgt in ihrer Funktion gut erforscht.2728 Der
350 Mio. Jahre fossile
[CH2O]n Brenn-
stoffe
e
es
nt h
Photosy
Nicht-photo-
synthetische
Prozesse
is c he
g
nun
un g
og
Solarenergie
io l
ren
m
b
At
rb
Ve
CO2
Abbildung 1-4: Die biologische Photosynthese im globalen Kohlenstoffkreislauf. Über die biologische Photosynthese
von Bakterien, Algen und Pflanzen werden netto jährlich weltweit ca. 450 Gigatonnen CO2 in Biomasse überführt
(grüner Pfeil links). Dies entspricht rund 95 Prozent der natürlichen CO2-Emissionen (blauer Pfeil rechts). Die für das
Gleichgewicht fehlenden 5 Prozent werden über nicht-photosynthetische biologische Prozesse in Biomasse konver-
tiert (dünner Pfeil, Mitte). Zusätzlich zu den natürlichen CO2-Emissionen ist die Menschheit für rund 32 Gigatonnen
CO2 pro Jahr aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe (grauer Pfeil rechts) verantwortlich, die zu einem Teil in der
Atmosphäre verbleiben und damit die CO2-Konzentration ansteigen lassen28 (Grafik: T. Erb).
26 Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina
2013, S. 24.
27 Blankenship 2014, Umena et al. 2011.
28 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)
2013, S. 471.Einleitung 15
CO2
A
biologische Sonne 4. Umwandlung von CO2
Photosynthese Calvin- in organische Verbindun-
Zyklus
gen bzw. Zellbausteine
[CH2O]n
H2O 1. Lichtabsorption
Lichtsammelkomplexe / Chlorophylle
Membran
Wasserspalt-
komplex NADPH 2. Ladungstrennung
½ O2 + 2 H+
3. Wasseroxidation
B
künstliches
photsynthetisches System Sonne
1. Lichtabsorption
2. Ladungstrennung
Farbstoffmoleküle / Halbleitermaterialien
H2O H2, CH4, NH3 etc.
Oxidations- Reduktions-
Katalysator Katalysator
½ O2 + 2 H+ H+, CO2, N2 etc.
4. Umwandlung einfacher
3. Wasseroxidation Ausgangsstoffe in ener-
getisch höherwertige
Verbindungen
Abbildung 1-5: Biologische Photosynthese (A) und künstliches photosynthetisches System (B). Durch Sonnenlicht
wird über Chlorophyll-Moleküle (A) beziehungsweise über lichtabsorbierende Materialien oder Farbstoffmoleküle
(B) eine Ladungstrennung (2) induziert. Diese ist an die Spaltung von Wasser gekoppelt (Wasseroxidation) (3). Die
Elektronen und Protonen aus der Wasserspaltung dienen im Falle der biologischen Photosynthese der Reduktion des
Kohlendioxids und damit der Synthese von Biomasse (A) beziehungsweise im Fall der Künstlichen Photosynthese der
Erzeugung höherwertiger, reduzierter Verbindungen aus einfachen Vorläufermolekülen (B). Diese stellen energetisch
höherwertige Verbindungen dar, die als Brenn- und Wertstoffe Verwendung finden können (4) (Grafik: T. Erb).
rozess findet in zwei räumlich und zeit-
P bereitzustellen. In der ebenfalls mehrstufi-
lich streng koordinierten Teilschritten gen Dunkelreaktion wird diese chemische
statt – der Licht- und der Dunkelreaktion. Energie zur Umwandlung von CO2 in Bio-
In der mehrstufigen Lichtreaktion wird moleküle genutzt (siehe Abbildung 1-5 A,
die Energie des Sonnenlichts absorbiert, rechts). Die biologische Photosynthese ist
um Wasser zu spalten und daraus gewon- ein komplexer katalytischer Vorgang, an
nene Elektronen (Reduktionsäquivalente) dem mehr als dreißig Proteinkomponenten16 Einleitung
mit zahlreichen Metallzentren, Cofaktoren gen (Elektronen) werden für die Bildung
und Pigmenten (Chlorophylle und Caroti- energiereicher Verbindungen wie Was-
noide) zur Lichtabsorption und Energie- serstoff, Methanol oder Ammoniak aus
umwandlung beteiligt sind. Vorläufern wie Wasser, Kohlendioxid
oder Stickstoff genutzt. Es handelt sich
Die Aufklärung der einzelnen mo- hierbei um mechanistisch komplizierte
lekularen Schritte der biologischen Pho- Prozesse, für die Katalysatoren benötigt
tosynthese hat die Entwicklung von Sys- werden. Auf der anderen Seite führt die
temen der Künstlichen Photosynthese lichtgetriebene Reaktion zur Anhäufung
inspiriert. Konzeptionell lassen sich sowohl positiver Ladungen (Elektronenlöcher).
biologische als auch Künstliche Photosyn- Um diese wieder zu füllen, gibt es nur
these-Systeme auf gemeinsame Grundpro- einen einzigen großtechnisch gangbaren
zesse zurückführen (siehe Abbildung 1-5 A Weg: Da keine andere oxidierbare Ver-
und B). Das Wirkprinzip der biologischen bindung global in ausreichender Menge
Photosynthese ist grundsätzlich auch in verfügbar ist, muss wie in der Biologie
den künstlichen Systemen realisiert, ihre die Oxidation von Wasser zu Sauerstoff
technische Umsetzung weicht allerdings gemeistert werden, wozu ebenfalls Kata-
teilweise signifikant vom biologischen Vor- lysatoren erforderlich sind.
bild ab (siehe Abschnitt 2.3).
Bei aller Vielfalt der Systeme zur
stofflichen Speicherung von Solarenergie
1.4 Künstliche Photosynthese lassen sich prinzipiell zwei Ansätze unter-
scheiden, wobei derzeit noch unklar ist,
Die Künstliche Photosynthese dient der welcher Weg zur technischen Umsetzung
Produktion chemischer Energieträger führt:
und Wertstoffe unter Verwendung von
Sonnenlicht als einziger Energiequelle. • Direkte Ansätze: Hier finden inte-
Die besondere Stärke des Systems liegt griert Lichtabsorption, primäre La-
in der Bereitstellung stofflich gespeicher- dungstrennung und stoffliche Um-
ter, erneuerbarer Energie. Es ist dabei setzungen in einem einzigen Objekt
nicht zielführend, die hohe Komplexi- statt – beispielsweise in sogenannten
tät der biologischen Maschinerie exakt künstlichen Blättern, bei denen die
„nachbauen“ zu wollen. Dies ist auch Katalysatoren für Wertstofferzeugung
nicht nötig, da der Wissenschaft und dem und Wasseroxidation direkt auf den
Ingenieurwesen für die Künstliche Pho- Halbleitern einer „Solarzelle“ aufge-
tosynthese viele alternative Materialien bracht sind.29
und Produktionsmethoden zur Verfü- • Mehrstufige Ansätze: Hier laufen
gung stehen, die biologische Zellen nicht die Einzelschritte zwar an einem ge-
besitzen. meinsamen Ort, in einer großtechni-
schen Anlage ab, sind aber räumlich
So sind in den letzten Jahrzehn- getrennt – beispielsweise die Kombi-
ten unterschiedlichste Ansätze entwi- nation klassischer Solarzellentechno-
ckelt worden, Solarenergie stofflich logie zur Stromerzeugung mit Elektro-
(chemisch) zu speichern. Die Mehrzahl lyseuren.
dieser Entwürfe folgt dem in Abbildung
1-5 B dargestellten generellen Konzept Die erzeugten Produkte werden
der Künstlichen Photosynthese. Die Ab- entweder direkt verwendet (zum Beispiel
sorption von sichtbarem Licht führt hier Wasserstoff als Brennstoff) oder in Kom-
in einem ersten Schritt zur Ladungstren-
nung. Die so erzeugten negativen Ladun- 29 Marshall 2014.Einleitung 17
Kohlendioxid (CO2) Sonnenlicht Wasser (H2O)
direkt mehrstufig
Photoelektro- Photovoltaik
chemie &
Thermochemie Elektrolyse
SE
KÜ
ST
HE
N
LIC T
H E PH OTOSYN
Flüssig-Brennstoffe C-Bausteine Wasserstoff Speicher
(Diesel, (CO2, C2H4 …) (H2) Gasnetz
Dimethylether …)
Wertstoffe Methan Ammoniak Land- Nahrungs-
(Polymere, (CH4) (NH3) wirtschaft mittel
Kosmetika …)
Heizung Speicher Stickstoff (N2)
Elektrizität Gasnetz
Abbildung 1-6: Mögliche Rolle der Künstlichen Photosynthese im globalen Energie- und Rohstoffsystem.
Über verschiedene direkte und mehrstufige Ansätze der Künstlichen Photosynthese können unterschiedliche Brenn-
und Rohstoffe wie Wasserstoff, Ethylen, Methan oder auch Ammoniak direkt zugänglich werden (grüne Pfeile).
Diese lassen sich dann entweder direkt nutzen, speichern oder über bereits etablierte Prozesse dem Energie- und
Rohstoffsystem zuführen (graue Pfeile). Gemeinsam ist allen Routen, dass sie allein von Sonnenlicht, Wasser und CO2
ausgehen. Dabei ist es von großer Wichtigkeit, dass trotz des für viele Anwendungen vorteilhaften Einsatzes kohlen-
stoffhaltiger Verbindungen ein Kohlenstoffkreislauf realisiert wird, um so insgesamt eine vollständig CO2-neutrale
Stoffbilanz zu erreichen (Grafik: R. van de Krol und Ph. Kurz30).
bination mit nachgeschalteten Umset- Auf welchen Wegen auch immer
zungen zu Energieträgern wie Methan, die Künstliche Photosynthese realisiert
Methanol oder Ameisensäure umgewan- wird – im globalen Energie- und Roh-
delt (Abbildung 1-6). Zur Gewinnung stoffsystem muss sie sich mit ihren Pro-
von höherwertigen Produkten lassen sich dukten einpassen (Abbildung 1-6).
technische und biologische Systeme auch
zu mehrstufigen „Hybridsystemen“ kom- Fazit:
binieren. Ein Beispiel hierfür ist die bio- Auf direkten oder mehrstufigen Pfaden
elektrochemische Gewinnung von Isop- der Künstlichen Photosynthese könnte
ropanol aus mit Solarenergie erzeugtem langfristig betrachtet die Produktion ver-
Wasserstoff und Sauerstoff durch Reduk- schiedenster Brenn- und Wertstoffe aus
tion von CO2 mithilfe von Knallgasbakte- nicht-fossilen Ausgangsstoffen (insbeson-
rien.3031 dere CO2) mittels Solarenergie in großem
Maßstab möglich werden. Dabei unter-
scheidet sich die Künstliche Photosynthese
30 Nach van de Krol/Parkinson 2017. in einigen zentralen Punkten von der be-
31 Torella et al. 2015. reits heute in großem Umfang realisierten18 Einleitung
Erzeugung von Solarstrom mittels Photo- Beitrag zu einer nachhaltigen Versorgung
voltaik (siehe Tabelle 1-2). Anders als die der Gesellschaft mit unterschiedlichen
Photovoltaik befindet sich die Künstliche Brenn- und Wertstoffen leisten könnte.
Photosynthese noch weitgehend auf dem Die Entwicklung und Evaluierung solcher
Niveau der Grundlagenforschung. Bishe- Reaktionssysteme wird daher weltweit als
rige Ergebnisse zeigen aber anhand von eine zentrale wissenschaftlich-technologi-
Pilotprojekten, dass die Künstliche Pho- sche Herausforderung angesehen und ent-
tosynthese prinzipiell einen wesentlichen sprechend vorangetrieben.
Tabelle 1-2: Solarstrom/Photovoltaik und Künstliche Photosynthese im Vergleich.
Solarstrom/Photovoltaik Künstliche Photosynthese
Solarenergie 3 Strom Solarenergie 3 Brenn- und Wertstoffe
Energie-
umwand- Marktreife Technologien: Siliziumsolar- Hoher Entwicklungsbedarf: Photoprozesse,
lung zellen, Farbstoffsolarzellen, Spannungs- Katalysatoren für hohe Synthesespezifität
wandler, Netzeinspeisung und Effizienz, Geräte- und Systemintegration
Speicherung von Elektrizität erfordert Energie wird in nicht-fossilen Brenn- oder
hohen Zusatzaufwand Wertstoffen gespeichert
Verschiedene Batterietypen zur Spei- Verschiedene Tanktypen zur Speicherung
cherung elektrischer Energie vorhan- beziehungsweise Lagerung von gasförmigen
den, Kapazitätssteigerung und Material- und flüssigen Brenn- und Wertstoffen sind
entwicklung weiter erforderlich vorhanden
Wegen geringer Energiespeicherdichte Begünstigt durch hohe Energiespeicherdich-
(Gewicht und Platzbedarf hoch) derzeit te auf mittleren (PKW, LKW) und großen
primär auf kleinen (mobile Elektronik) Skalen (GWh-Bereich, Vorratshaltung für na-
und mittleren (PKW, PV-Heimsysteme) tionalen Bedarf über Monate) gut einsetzbar
Skalen eingesetzt; Kostenreduktionen
machen ersten großskaligen Einsatz im
Energie-
MWh-Bereich möglich
speiche-
rung
Hohe energetische Effizienz (geringe Erreichbare energetische Effizienz in der
Energieverluste) Praxis noch unklar, aber tendenziell geringer
als bei elektrischer Energiespeicherung in
Batterien
Vollständiger Ersatz fossiler Brennstoffe Potenzial für vollständigen Ersatz fossiler
problematisch (Luft- und Schiffsverkehr, Brenn- und Rohstoffe in allen Bereichen
Petrochemie)
Technologische Lösbarkeit unklar für Keine prinzipiellen technologischen Prob-
Batteriespeicherung großer Mengen leme (ähnliche Speicher-und Sicherheits-
elektrischer Energie (Speicherung über technologien wie bei fossilen Brennstoffen;
Pumpspeicherkraftwerke jedoch mög- Optimierungsbedarf bei Wasserstoff)
lich sowie Power-to-X-Option)
Elektrische Leitungssysteme Gas- und Flüssigbrennstoff-Leitungen
(Rohre, Pipelines), Gütertransport
(Tankwagen, Lastschiffe)
Energie-
Ausgereifte Technologien (Optimie- Vollständig sowie teilweise ausgereifte Tech-
transport
rungsbedarf bei Transport über große nologien (vollständig für zum Beispiel nicht-
Distanzen sowie „Intelligente Strom- fossiles Methan als Erdgasersatz, teilweise
netze“) für zum Beispiel Wasserstoff oder Alkohole
wie Methanol)Einleitung 19
1.5 Vorschau auf die folgenden solche Prozesse sehr vielversprechend,
Kapitel der Stellungnahme die eine direkte Nutzung von CO2 mög-
lich machen. Im Abschnitt 2.4 werden
Das nachfolgende Kapitel 2 erläutert den schließlich zwei alternative Ansätze für
Stand der Forschung zur solaren Brenn- die Künstliche Photosynthese erläutert:
und Wertstoffproduktion und diskutiert die Nutzung solarer Energie in der Syn-
die daraus resultierenden Herausforde- thesechemie sowie die Produktion von
rungen für eine Umsetzung der betref- Brenn- oder Wertstoffen bei hohen Tem-
fenden Systeme in großtechnischen An- peraturen (mehr als ca. 1.000 °C) in so-
wendungen. Hierbei werden neben der larthermischen Reaktoren.
Künstlichen Photosynthese, auf welcher
der Fokus dieser Stellungnahme liegt, in Kapitel 3 beleuchtet die Künstliche
Kapitel 2.1 auch Fortschritte hinsichtlich Photosynthese mit Blick auf ihre gesell-
der Ertragssteigerung der biologischen schaftliche Relevanz und die laufenden
Photosynthese, vornehmlich durch ge- Forschungsaktivitäten. Dabei werden na-
netische Modifikation, bei der direkten tionale Forschungsaktivitäten und Förder-
Gewinnung von Brenn- und Wertstoffen programme in Abschnitt 3.1 beschrieben
beschrieben. Es werden Vor- und Nach- und nachfolgend in den Kontext interna-
teile des biologischen Systems ausgeführt tionaler Initiativen gestellt. Im Abschnitt
sowie neue hybride Ansätze vorgestellt, 3.2 wird die Sicht von Industrievertretern
bei denen biologische Komponenten mit auf das Entwicklungspotenzial der Künstli-
elektrochemischen Modulen gekoppelt chen Photosynthese geschildert. Um recht-
sind. zeitig die Gesellschaft in die neuen Techni-
ken einzubinden, werden im Abschnitt 3.3
Auf den biologischen Modellen allgemeine Fragen der Technikfolgenab-
aufbauend werden im Abschnitt 2.2 die schätzung, Umweltethik und Möglichkei-
zentralen Teilprozesse der Künstlichen ten des gesellschaftlichen Dialogs erörtert.
Photosynthese und die daran beteiligten
Katalysatoren eingeführt, das heißt die Abschließend werden in Kapitel
Lichtabsorption, die Wasseroxidation 4 sechs Empfehlungen formuliert. Die-
mit damit einhergehender Sauerstoffbil- se sollen aufzeigen, wie die dynamische
dung, die Protonenreduktion zur Bildung Entwicklung eines vielversprechenden
von Wasserstoff (H2) sowie Reaktionen Forschungsgebiets fortgesetzt und unter-
von Kohlendioxid (CO2) oder Stickstoff stützt werden könnte.
(N2), die organische Kohlenstoffverbin-
dungen beziehungsweise Ammoniak lie-
fern.
Die Komponenten der Künstlichen
Photosynthese werden im Abschnitt 2.3
zu Gesamtsystemen zusammengefügt.
So kann die durch Elektrolyse gewon-
nene Reduktionskraft entweder durch
eine separate Photovoltaikanlage oder
systemintegriert betrieben werden. An
die Stelle der Photovoltaik können neue
Photoelektrokatalyse-Systeme treten,
auch als „künstliche Blätter“ bezeichnet.
Über die elektrochemische Produktion
von Wasserstoff hinaus sind dabei auchSie können auch lesen
