Energie : Zukunft aus Zellwänden

Pflanzen produzieren jedes Jahr 180 Milliarden Tonnen Zellulose – eine gewaltige erneuerbare Energiequelle.

Hartmut Wewetzer
Chinaschilf
Nützlicher Exot. Aus Chinaschilf könnte in Zukunft Treibstoff gewonnen werden.Foto: pa/dpa

Worauf warten Sie noch? Kaufen Sie sich ein großes Auto. Es sollte viel PS haben und richtig viel Energie verbrauchen. Denn das dient einem guten Zweck. Schließlich geht es um den Klimaschutz.

Klingt verrückt? Aber Autos als Klimaschützer, diese Idee könnte eines Tages Wirklichkeit werden. Dazu müsste zunächst mit Hilfe von Energiepflanzen das klimaschädliche Kohlendioxid aus der Atmosphäre gefischt werden. Diese Pflanzen müssten dann zu Bio-Treibstoff verarbeitet werden. Schließlich würde mit Hilfe des Biosprits Strom erzeugt werden, das dabei frei werdende Kohlendioxid würde im Boden vergraben werden. So hätte man Energie erzeugt – und gleichzeitig die Atmosphäre von Kohlendioxid gereinigt.

Die Produktion von Bio-Treibstoffen hat die Nahrungsmittelpreise steigen lassen.

Zugegeben, ein bisschen viele „müsste“ und „könnte“. Die Realität sieht vorerst anders aus. Bio-Treibstoffe sind vom Retter aus der Klimakrise zum bösen Buben geworden. Staatliche Förderung für die Energie vom Acker führte dazu, dass statt Nahrungsmittel Ethanol und Biodiesel erzeugt wurden und werden. Das treibt den Preis für Lebensmittel in die Höhe, verstärkt den Hunger in der Dritten Welt und schadet der Natur und dem Klima eher, als es nützt. „Der Mais, den man braucht, um den Tank eines Luxus-Geländewagens mit Bioethanol zu füllen, würde genügen, um einen Menschen in Afrika ein Jahr lang zu ernähren“, kommentiert der New Scientist.

Biosprit droht Opfer eines zu schnellen Erfolgs zu werden. Getrieben vom Ehrgeiz der Politik, etwas für das Klima und die Umwelt zu tun und dabei gleichzeitig unabhängiger von Ölimporten zu werden, wurde eine Technik in den Markt gedrückt, die mehr Probleme als Lösungen erzeugte. Genutzt werden bislang vor allem Energiepflanzen der ersten Generation, wie Mais und Raps. Aus den Maiskörnern wird Ethanol, aus dem Rapssamen Biodiesel hergestellt. Nahrung zu Treibstoff.

In Zukunft sollen umweltfreundliche Treibstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden.

Aber die Zukunft sieht in den Augen vieler Wissenschaftler anders aus. Sie arbeiten an der Energiegewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen der zweiten Generation. Dabei geht es darum, jene Pflanzenteile zu nutzen, die nicht essbar sind. Oder um Pflanzen, die wenig Wasser brauchen, anspruchslos sind und auch noch dort wachsen, wo Mais und Co. keine Lebensgrundlage haben.

Die Zukunft könnte dem Biosprit aus Zellulose gehören. Zellulose ist kein Nahrungsmittel, wir Menschen können sie nicht verdauen. Zellulose, das sind Blätter, Stroh, Holz. Pflanzen bestehen zum großen Teil aus Zellulose. Es ist ein im Übermaß vorhandener Rohstoff, das häufigste organische Molekül der Erde, eine schier unermessliche Energiequelle. Die Hälfte der weltweiten landwirtschaftlichen Biomasse etwa besteht aus zellulosereichem Reisstroh.

Doch gibt es ein ungelöstes Problem: Zellulose ist nur schwer in Treibstoff zu verwandeln. Das liegt daran, dass die Substanz chemisch fest in die Zellwände der Pflanzen eingebunden ist.

Die Zellwand ist das grüne Rückgrat des Lebens. Sie verleiht der Pflanze Festigkeit und Stabilität, macht sie biegsam, schützt sie vor Wind und Wetter, vor Insekten, Pilzen und anderen Parasiten. Aufgebaut aus mehreren Schichten, sind in der Zellwand die Stoffgruppen Zellulose, Hemizellulose, Pektin und Lignin auf komplizierte Weise miteinander vernetzt. Ein Wunderwerk der Natur.

Zellulose ist ein vielversprechender Energiespender.

Am begehrtesten ist die Zellulose – lange Ketten von Zuckermolekülen, aus denen die Zellwände zu etwa einem Drittel bestehen. Pflanzen bilden jedes Jahr 180 Milliarden Tonnen Zellulose, die damit die größte pflanzliche Kohlenstoffreserve der Welt darstellt. Zum Vergleich: 2007 wurden rund vier Milliarden Tonnen Mineralöl verbraucht.

Als Energiequelle kommt auch die in Zellwänden ebenfalls reichlich enthaltene Hemizellulose infrage. Während Pektin in diesem Zusammenhang kaum eine Rolle spielt, ist Lignin das Sorgenkind der Pflanzentüftler. Es ist ein äußerst zäher Kleister, der die Zellulosefäden verklebt, die Zellwände versteift und die Pflanze gegen Feinde wappnet.

Lignin ähnelt einem Kunststoff. Es besteht hauptsächlich aus einem dreidimensionalen Geflecht spezieller Ringmoleküle, der Phenole. Um Ethanol herzustellen, muss das Lignin zunächst mit großer Hitze oder Säure herausgelöst werden. Das ist kostspielig und nicht eben umweltfreundlich. Und es ist ein wesentlicher Grund dafür, dass die Ethanolgewinnung aus Zellulose um das Zwei- bis Dreifache teurer als die aus Stärke ist. Darauf weist Mariam Sticklen von der Michigan State University im Fachblatt Nature Reviews Genetics hin.

Der zweite Kostenfaktor ist das biochemische Zerkleinern der so gewonnenen Zellulose zu Zuckermolekülen, die dann zu Ethanol vergoren werden. Um die Zellulose zu zerlegen, benötigt man Enzyme – biochemisch aktive Eiweißmoleküle, etwa Zellulasen, die aus Bakterien oder Pilzen gewonnen werden können.

In den USA werden verschiedene Ansätze erprobt.

Wie kann man den natürlichen Solarenergiespeicher Pflanze am besten nutzen? Vor allem die USA investieren in die Erforschung von Energiepflanzen, überwiegend in den Zellulose-Abbau. Mehrere Ansätze werden erprobt:

– Mehr Biomasse. Es ist ein völlig neues Ziel für Züchter, Pflanzen zu züchten, die größer werden, mehr Blätter haben, kurz: mehr Zellulose produzieren. Bisher stand eher die Züchtung größerer Früchte im Vordergrund. Nun geht es um Biomasse statt Ess-Klasse. Jetzt sind es vermeintlich exotische Pflanzen wie der Riesen-Chinaschilf, die als „Energiepflanze“ infrage kommen. Oder der Mais. Es sind vier Meter hohe Sorten ohne Kolben, reich mit Blättern ausgestattet. Gezüchtet werden sie von der KWS AG im niedersächsischen Einbeck.

– Weniger Vorbehandlung. Wie kann man die Pflanze „verdaulicher“ machen? Hier könnte die Gentechnik ins Spiel kommen. Etwa, um das Lignin-Geflecht der Zellwand zu schwächen. Dass das funktionieren kann, demonstrierten kürzlich Wissenschaftler an der Futterpflanze Luzerne. Sie manipulierten sechs Erbanlagen von Enzymen, die an der Herstellung des Lignins beteiligt waren. Danach gelang es, doppelt so viel Zucker aus der Zellulose zu gewinnen. Und die Wissenschaftler hoffen, künftig auf das Säurebad für Energiepflanzen verzichten zu können. Aber die genetische Veränderung hat ihre Grenzen. „Die Pflanze braucht Lignin, um stehen zu können, und sie braucht es, um Krankheitserreger abzuwehren“, sagt Lothar Willmitzer vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm.

– Leichtere Zellulose-Zerlegung. Um Zucker aus der Zellulose zu gewinnen, braucht man bislang Bakterien oder Pilze. Sie stellen die nötigen Enzyme, Zellulasen genannt, her. Hier könnte man von den Termiten lernen. Denn im Dickdarm dieser Holzfresser leben Hunderte verschiedener Mikrobenarten. Sie zerlegen die Biomasse und machen sie für die Termiten verdaulich. Ein anderer Ansatz besteht darin, die Energiepflanzen genetisch so zu verändern, dass sie selbst die Enzyme zum Spalten der Zellulose herstellen. Nach der Ernte könnten sie sich also selbst verdauen.

Trotz einiger Fortschritte stecke die Wissenschaft immer noch „in den Kinderschuhen“, meint die Biotechnikerin Mariam Sticklen. Es dauerte Tausende von Jahren, bis mexikanische Ureinwohner aus einer Graspflanze den modernen Mais züchteten, gibt der Genomforscher Edward Rubin vom US-Energieministerium zu bedenken. So lange wird man nicht brauchen, bis wir Energiepflanzen nach Maß haben. Aber etwas müssen wir uns noch gedulden.

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