Felder voller schwarzer Pflanzen: Löst Biokraftstoff unser Energieproblem?

Hartmut Michel bekam 1988 den Nobelpreis für Chemie für seine Erforschung der Moleküle, die an der Photosynthese beteiligt sind. Auf der Nobelpreisträgerkonferenz in Lindau sprach er über Biokraftstoffe. Die Verbindung zwischen diesen beiden Themen ist auf den ersten Blick vielleicht nicht offensichtlich, wird aber deutlich, wenn man sich überlegt, was Biokraftstoffe eigentlich sind. Diese Kraftstoffe, die wie normales Benzin und normaler Diesel in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können, werden aus Biomasse erzeugt – also Pflanzen.

Die Energie, die dann zum Beispiel unser Auto antreibt ist Sonnenlicht, das von den Pflanzen mittels Photosynthese in Energie umgewandelt wurde. Um herauszufinden, wie effizient dieser Prozess ist, muss man genau wissen, was bei der Photosynthese passiert. Es ist also nicht verwunderlich, wenn ein Experte für Photosynthese über Biokraftstoffe spricht.

Betrachtet man die Vorgänge bei der Photosynthese, dann ist sie eigentlich nicht sonderlich effizient. Das fängt schon damit an, dass die Pflanzen nur einen kleinen Teil des gesamten elektromagnetischen Spektrums nutzen. Das ist übrigens auch der Grund, warum die Pflanzen grün sind: sie reflektieren den grünen Teil des Lichts und nutzen hauptsächlich das blaue und rote Licht. Nicht gebraucht werden aber auch so gut wie alle Wellenlängenbereiche, die außerhalb des sichtbaren Lichts liegen (Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung). Die Sonne strahlt aber im kompletten Spektrum und den Pflanzen entgeht so der Großteil ihrer Energie.

Natürlich sind die chemischen Reaktionen, bei denen Licht in Energie umgewandelt wird, auch nicht völlig verlustfrei. Am Ende liegt das theoretische Limit bei 4,5 Prozent. Nur 4,5 Prozent der Sonnenenergie kann via Photosynthese genutzt werden. In der Realität ist der Wirkungsgrad aber natürlich noch ein wenig schlechter – die Pflanzen können ihr geringes Potential nicht immer voll ausschöpfen. Im Durchschnitt landet man bei einem Prozent des Sonnenlichts, dessen Energie in Biomasse gespeicher werden kann. Je nach geografischer Lage kann dieser Wert aber noch geringer sein. Michel erklärt, dass in Lindau nur 0,13 Prozent des Sonnenlichts erfolgreich konvertiert werden kann – und dann muss man von diesem Wert noch die ganzen Energiekosten abziehen, die bei den technischen Prozessen der Biokraftstofferzeugung anfallen.

Bei dieser geringen Effizienz könnte beispielsweise Deutschland seinen Bedarf nicht komplett mit Biokraftstoffen decken. Es ist einfach nicht genug Platz, um ausreichend Biomasse anzubauen. Der Einsatz von Biokraftstoffen scheint also keine zukunftsweisende Strategie zu sein, um das Problem der schwindende und klimaschädlichen fossilen Energieträger zu lösen. Aber ganz aufgeben will Michel die Biokraftstoffe noch nicht. Die Photosynthese muss ja nicht zwingend so ineffizient bleiben. Man könnte gentechnische Verfahren nutzen, und sie effektiver machen. Michel prognostiziert eine Steigerung der Effektivität von 50 bis 100 Prozent! Es wäre sogar möglich, die Pflanzen dazu zu bringen, auch andere, für uns nicht sichtbare Wellenlängenbereiche zu nutzen. Das hätte einen interessanten Nebeneffekt: Solche Pflanzen hätten dann schwarze Blätter! Werden wir also in Zukunft in einer Welt voller schwarzer Wälder und Felder leben?

Vielleicht – aber wenn es nicht gelingt, die Biokraftstoffe deutlich effektiver zu machen, gibt es andere und bessere Methoden. Bei einem normalen Auto mit Verbrennungsmotor (egal ob dort Benzin oder Biodiesel verbrannt wird) werden etwa 20 Prozent der Energie für den Antrieb verwendet. Bei einem Elektroauto sind es laut Michel 80 Prozent. Ein Elektroauto das seinen Strom direkt aus Sonnenenergie bezieht, ist 400 mal effektiver als ein Verbrennungsmotor der mit Treibstoff aus Biomasse läuft. Die Zukunft liegt also vorerst nicht in der Biomasse, meint Michel, sondern in der Weiterentwicklung der direkten Nutzung des Sonnenlichts. Hier wird es vor allem darauf ankommen, den zum Beispiel durch Photovoltaik erzeugten Strom verlustfrei über große Strecken zu leiten. Dazu braucht man Supraleiter, die auch bei hohen Temperaturen noch funktionieren. Solche Materialien sind aber derzeit noch genauso Zukunftsmusik wie die Wälder aus schwarzen Pflanzen…

8 comments on “Felder voller schwarzer Pflanzen: Löst Biokraftstoff unser Energieproblem?

  • Martin Huhn says:

    [Zitat: Bei einem normalen Auto mit Verbrennungsmotor (egal ob dort Benzin oder Biodiesel verbrannt wird) werden etwa 20 Prozent der Energie für den Antrieb verwendet. Bei einem Elektroauto sind es laut Michel 80 Prozent.]

    Naja, der Wirkungsgrad bei einem Dieselmotor ist schon etwas höher, als bei einem Benziner, da er eine höhere Betriebstemperatur hat. Und die Elektrizität muß auch erstmal erzeugt werden. Wo liegt der Wirkungsgrad da aktuell? Bei 35 %? Dann sieht das Ganze nämlich schon wieder etwas anders aus.

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  • Martin Holzherr says:

    4.Generations-Biotreibstoffe ändern das Bild, denn dabei werden Mikroorganismen eingesetzt, die Sonnenlicht direkt in Treibstoff umwandeln. Joule Unlimited behauptet diesen Prozess zu beherrschen.

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  • KRichard says:

    Ökologisch sinnvoll wäre es, endlich einmal 1-Liter bzw. 2-Liter/100km Autos anzubieten – statt darüber nachzudenken, wie man den Bedarf von tonnenschweren Spritsäufern produzieren kann

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  • Zwei Anmerkungen dazu:

    Biotreibstoffe sind interessant, weil man sie vielleicht irgendwann mal aus holzigem Abfall (wie zB Stroh oder Holzschnitzeln) herstellen kann. Aus anderen biologischen Abfällen wird ja bekanntlich schon “Biogas” gewonnen.

    Außerdem sind großtechnische Kulturen aus Chlamydomonas reinhardtii denkbar, die direkt molekularen Wasserstoff erzeugen. Da gibt es sicher noch viel Potenzial … ob das nun effizienter ist als die direkte Hydrolyse von Wasser mit Solarstrom, kann ich nicht sagen.

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  • Nochwas: Pflanzen hinsichtlich ihres Absorptionsspektrums zu optimieren, ist sicher eine interessante Idee, wenn man sich überlegt, dass viele Pflanzen die oft Licht-überversorgt sind und überschüssige Energie abführen müssen. Limitierend ist ja für das Wachstum Stickstoff und für die Photosynthese CO2, besonders in der prallen Sonne, wenn wegen drohendem Wasserverlust die Spaltöffnungen geschlossen werden.

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  • Ralf P. says:

    Die mich interessierende Frage ist doch, warum sind Pflanzen so ineffizient bei der Umwandlung der Energie des Sonnenlichts?
    Wäre es so einfach andere Wellenbereiche zu nutzen, warum gibt es das dann in der Natur zumindest so nicht? Ich weiß nicht, ob es hierzu bereits Überlegungen gibt, ich kann mir jedenfalls vorstellen, dass das ein Kosten-Nutzen-Problem ist: Je mehr Licht ich nutzen möchte, desto mehr Proteine muss ich ins Blatt packen. Blätter sind jedoch Wegwerfprodukte und werden dadurch noch leckerer. Investiert eine Pflanze zuviel in das Blatt, so wiegt der Verlust den Nutzen vielleicht nicht mehr auf. Da liegt, meiner Meinung nach, der Kern des Problems. Fotovoltaikzellen benötigen viel Energie bei der Herstellung, schmecken aber nicht!
    Ich bin mir sicher: Wäre es so einfach, andere Wellenbereiche zu nutzen, unsere Pflanzen wären bereits schwarz.

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  • @Ralf P:

    Ohnehin sind bereits 80% der Chloroplastenmembran mit Photosyntheseproteinen vollgestopft, die Obergrenze ist dieser Hinsicht wahrscheinlich bereits erreicht. Da in der Membran auch noch kleine Moleküle (Plastochinon) diffundieren müssen, kann man da nicht noch mehr Protein hineintun.

    Dazu kommt, dass das Kohlenstoff-fixierende Enzym Rubisco eine so lächerlich geringe Aktivität hat, sie Pflanze versucht das über Masse auszugleichen. Jeder, der schon mal ein 2D-Gel von Chloroplasten gemacht hat, wird sich an den fetten Blob von Rubisco erinnern.

    Außerdem gibt es ja die akzessorischen Farbstoffe, die die Grünlücke ein wenig einengen (Carotinoide). Mit aktivierten Farbstoffen ist nicht zu spaßen. Sie übertragen ihre Anregungsenergie gerne auf Sauerstoff und erzeugen so “freie Radikale” (ROS), die die Zelle schädigen. Wie gesagt, hat die Zelle alle Hände voll damit zu tun, mit überschüssiger Energie und Radikalen umzugehen. Das D2-Protein etwa hat eine recht geringe Halbwertszeit, muss regelmäßig erneuert werden.

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