Extremophile und ihre Liebe zu Wasserstoff

Am Erdgasspeicher des Energieversorgers RWE Gas Storage West im westfälischen Epe-Gronau herrscht im Februar 2024 geschäftiges Treiben. Das Team von Microbify sitzt im Besprechungsraum mit den Ingenieurinnen und Ingenieuren von RWE zusammen und diskutiert die mikrobiologischen Herausforderungen bei der Speicherung von Wasserstoff.

RWE baut in Gronau in Westfalen den ersten kommerziellen Wasserstoffspeicher Deutschlands. Ein bereits existierender Salzkavernenspeicher wird dafür umgerüstet und erweitert. Die Microbify GmbH spielt dabei eine zentrale Rolle. Das Start-up, das 2021 am Lehrstuhl für Mikrobiologie & Archaeenzentrum der Universität Regensburg gegründet wurde, hat sich auf anaerobe und extremophile Mikroorganismen spezialisiert – Organismen, die an ungewöhnlichen Orten unter extremsten Bedingungen existieren. In Gasspeichern zum Beispiel.

Durchdachte Bauplanung 

„Wasserstoffmoleküle sind eine willkommene Nahrungsquelle für Mikroorganismen“, erklärt Schmid und zeigt auf eine Grafik, auf der die komplexen mikrobiellen Prozesse dargestellt sind. In Gasspeichern sind sie deshalb gefürchtet. Sie können Wasserstoff abbauen oder verunreinigen. Etwa indem sie Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff umbauen. Der Schwefelwasserstoff muss dann vor der Nutzung aufwendig entfernt werden. Ein weiteres Ärgernis mit weitreichenden Folgen: Bakterien bilden in den Leitungen Ablagerungen und sorgen für Biokorrosion – die Lebensdauer der Anlage kann sich so drastisch verringern. Das Team von Microbify begleitet die Planung und den Bau der neuen Anlage in Gronau. Denn schon durch eine durchdachte Bauplanung soll es Mikroorganismen später schwer gemacht werden, sich überhaupt anzusiedeln.

Gasspeicher werden bislang als Puffer für Erdgas verwendet. Sie helfen die Schwankungen auszugleichen, die entstehen, weil der Verbrauch von Gas nicht nur im Laufe des Tages, sondern vor allem auch während des Jahres stark schwankt. Im Sommer wird weniger, im Winter mehr benötigt. Indem die Speicher Verbrauchsspitzen kompensieren, spielen sie eine wichtige Rolle für die Stabilität der Gasnetze und gewährleisten Deutschlands Versorgungssicherheit. Mit der Nutzung eines immer höheren Anteils erneuerbarer Energien entstehen zusätzliche Schwankungen, weil die Menge der erzeugten Energie schwankt – denn Sonne und Wind stehen nicht immer zur Verfügung.

Neue Infrastruktur für Wasserstoff

Das RWE-Projekt in Gronau ist Teil von „GET H2“, einer Initiative von Unternehmen, Kommunen und Institutionen, die eine bundesweite Wasserstoffinfrastruktur etablieren will. Erneuerbare Energien etwa aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen sollen in grünen Wasserstoff umgewandelt und dann in großen Gasspeichern – bis zu ihrem Gebrauch – vorgehalten werden. Dafür müssen nicht nur Elektrolyseanlagen und Leitungsnetze, sondern auch Speicheranlagen umgebaut oder neu geschaffen werden. GET H2 will die Energiewende Deutschlands vorantreiben.

Natürliche unterirdische Gasspeicher spielen dabei eine zentrale Rolle. Sie sind für die Energieversorger besonders interessant, da sie wesentlich größere Mengen an Gas aufnehmen können als jede von Menschen gebaute Anlage. Zwei Haupttypen dieser Untertage-Gasspeicher werden unterschieden: Porenspeicher und Kavernenspeicher. Porenspeicher sind natürliche ehemalige Lagerstätten von Erdgas aus porösem Gestein, die Gas in sehr großen Mengen ähnlich wie ein Schwamm speichern können. Kavernenspeicher sind künstlich angelegte Hohlräume in riesigen untertägigen Salzstöcken. 

Gasspeicher-Betreiber als Kunden

Sie können mehrere hundert Meter hoch sein, einige sind doppelt so hoch wie der Eiffelturm. „Im Moment können in Deutschland mit Erdgas rund 260 Terrawattstunden (TWh) Energie gespeichert werden“, sagt Schmid. Das ist etwa ein Drittel des Gases, das pro Jahr in Deutschland von Industrie und Haushalten verbraucht wird. Würde man das Gas verstromen, könnten damit alle 40 Millionen deutschen Haushalte zwei Jahre lang mit Strom versorgt werden.

Zukünftig soll ein Großteil des momentan verwendeten Erdgases für die Energieversorgung in Deutschland durch grünen Wasserstoff ersetzt werden. Die Speicher sollen dann statt Erdgas, Wasserstoff vorhalten. Dafür werden momentan deutschlandweit bestehende Untertage-Gasspeicher auf ihre Tauglichkeit getestet. Ob eine Anlage für die Speicherung von Wasserstoff geeignet ist, hängt auch von den Mikroorganismen ab, die im Speicher leben. „Inzwischen zählen die meisten deutschen Energieversorger, die Untertage-Gasspeicher betreiben, zu unseren Kunden“, sagt Schmid. Denn das Problem ist allgegenwärtig: Mikroben in Gasspeichern bauen das gewünschte Gas ab, sorgen für Verunreinigungen oder zerstören die Infrastruktur.

Wirtschaftlichkeit verbessern

Die Mikroorganismen lassen sich aber nicht einfach, etwa durch die Zugabe eines Giftes vernichten. Das wäre nicht nur teuer und unökologisch, sondern auch nicht dauerhaft erfolgreich. Zu schnell können sich Mikroorganismen an solche Störungen von außen anpassen. Was aber gut funktioniert: Sind die genauen Störenfriede erst einmal bekannt, lassen sie sich eindämmen. „Unser Ziel ist es, durch Anpassung der Betriebsparameter die Organismen nachhaltig und langfristig im Zaum zu halten und dadurch die Wirtschaftlichkeit der Anlagen zu verbessern“, sagt Georg Schmid.

Die Regensburger Mikrobiologinnen und -biologen kennen die Vorlieben dieser ungewöhnlichen Bakterien, die sich im hohen Druck von Gasspeichern wohlfühlen – die besonderen Bedingungen, die sie zum Überleben benötigen. Die Forschenden sind aber auch Spezialisten für ihr spezielles Handling. Denn obwohl die Mikroben in Oasen extremer Bedingungen leben, sind sie jenseits davon vor allem eines: sehr empfindlich. Das erschwert die Probennahme, aber auch die Kultivierung und damit ihren Nachweis.

Experten für Extremophile

„Die Probennahme aber auch die Kultivierung extremophiler Organismen ist ein komplexer Prozess, der spezielles wissenschaftliches Fachwissen und technisches Können erfordert“, erklärt Georg Schmid. Mit einem patentierten Verfahren zur Isolierung und Identifizierung von Mikroorganismen aus Gasspeichern hat Microbify eine Möglichkeit gefunden, um flüssige Medien aus Gaskavernen oder -lagerstätten zu entnehmen, ohne die dort lebenden Mikroorganismen zu schädigen.

Gaslagerstätten enthalten keinen Sauerstoff und die Mikroorganismen, die sich dort angesiedelt haben, sind so gut an diese Bedingungen angepasst, dass sie beim Kontakt mit Luftsauerstoff rasch absterben. Außerdem herrschen in den Speichern bis zu 250 bar Druck. Sinkt dieser bei der Entnahme zu schnell ab, platzen die empfindlichen Organismen. Die anschließenden Analysen sind dann wenig aussagekräftig - die Proben entsprechen dann nicht mehr der Situation in der Lagerstätte. 

Die von Microbify entwickelte Methode gewährleistet eine Probenentnahme frei von Luftsauerstoff und eine langsame Dekompression. „Nur auf diese Weise können zuverlässig Daten erhoben werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren können wir aus den Proben mit unserer Methode bis zu 18-mal mehr lebende Organismen gewinnen“, so Schmid. Weltweit bietet das Regensburger Start-up damit einen bisher einzigartigen Service.

Hat die Uni die Gründung unterstützt?

Die Uni war eine sehr große Unterstützung. Zum einen haben wir von Frau Prof. Dr. Grohmann vom Lehrstuhl für Mikrobiologie große Unterstützung bekommen. Sie hat es uns ermöglicht, dass wir hier am Lehrstuhl unsere Methoden entwickeln konnten. Wir hatten ja am Anfang keine finanziellen Mittel und hätten kein Labor anmieten können. Aber auch von der Unileitung und von FUTUR haben wir immer Rückendeckung bekommen – sowohl was die Nutzung der Räumlichkeiten, als auch, was die zeitlichen Freiräume anging. Ohne die Universität Regensburg wäre es nicht möglich gewesen.

Was war anfangs die größte Hürde?

Besonders schwierig waren die fehlenden Fördermittel für die Gründung. Wir haben das Stammkapital von 25.000 € für die GmbH und weitere Darlehen aus privaten Mitteln gezahlt. Wenn wir etwas kaufen wollten, mussten wir erst den entsprechenden Umsatz machen. Das war schwer.

Wie sind Sie da herausgekommen?

Wir konnten nicht die großen Schritte machen und haben deshalb kleine gemacht. Wir haben beim ersten Auftrag für RWE so überzeugt, dass dann noch ein Folgeauftrag kam und haben dann so schnell wie möglich versucht, weitere Kunden zu akquirieren, um uns breiter aufzustellen. Aber das war auch noch mal ein schwerer und großer Schritt, da wir uns zunächst ein Netzwerk in der Branche aufbauen und als Newcomer überzeugen mussten.

Inwiefern?

Wir mussten lernen, dass nicht jeder Kunde und nicht jedes Energieunternehmen gleich ist, nicht jeder hat die gleichen Schwerpunkte, nicht jeder das gleiche Vorwissen. Und auch zu verstehen, wie die jeweilige Anlage funktioniert. Das war die nächste Herausforderung für uns – die Kundenakquise.

Wie sind ihre weiteren Pläne?

Wir möchten unseren steten Wachstumskurs im Dienstleistungsbereich fortsetzen, Schritt für Schritt. Nicht nur im Bereich Gas- und Wasserstoffspeicher. Wir haben inzwischen auch Kunden aus anderen Bereichen, in denen die anaerobe Mikrobiologie eine sehr große Rolle spielt. Außerdem entwickeln wir inzwischen auch Produkte, weil wir sehen, dass in den Mikroorganismen so viel Potenzial schlummert. Etwa für neue Pflanzenschutzmitteln im Biolandbau. Da machen wir im Moment Laborversuche. Aber auch Projekte zur Reduktion von Treibhausgasen sind interessant. Es ist allgemein bekannt, dass es viele Mikroorganismen gibt, die Kohlendioxid aufnehmen und in andere Stoffe wie Methan oder Essigsäure umwandeln können. Umgekehrt ist Methan ein Treibhausgas, das auch in der Natur entsteht – etwa beim Auftauen von Permafrostböden. Da ist die Frage, wie wir verhindern könnten, dass in diesen Gebieten Methan freigesetzt wird.

Wo sehen Sie Microbify in zehn Jahren?

Unser Ziel ist, dass wir weltweiter Technologieführer im Bereich anaerober und extremophiler Mikrobiologie werden, das heißt, dass wir dann DAS führende Unternehmen sind, um anaerobe und extremophile Mikroorganismen zu isolieren, , zu charakterisieren und für biotechnologische Anwendungen nutzbar zu machen. Und dafür haben wir gute Voraussetzungen – der Grundstein wurde schon in den 80er Jahren von Prof. Dr. Karl Otto Stetter am Lehrstuhl für Mikrobiologie & Archaeenzentrum geschaffen. Ohne seine Pionierarbeit gäbe es unser Unternehmen heute nicht.

Suchen Sie aktuell Mitarbeiterinnen?

Bei uns arbeiten 6 Personen in Vollzeit und 3 in Teilzeit. Jetzt haben wir noch eine Doktorandin und eine Masterstudentin dazu bekommen. Im Moment suchen wir keine neuen Mitarbeitende, weil bei uns demnächst ein größerer Umbau im Labor ansteht. Erst danach können wir wieder einstellen.

Was waren die wichtigsten Learnings für Sie?

Den Umgang mit Kunden einer völlig fachfremden Branche zu lernen. Aber auch zu verstehen, wie ein untertägiger Gasspeicher funktioniert. Man kann sich auch die Dimensionen und die Stoffströme nicht vorstellen. Wie viel tausend Kubikmeter pro Minute durch die Leitungen strömen, wie hoch der Druck in der Anlage ist. Das ist sehr viel Technik, die man verstehen muss, um die Mikrobiologie dann auch richtig analysieren zu können.

Was würden Sie Studierenden mitgeben, die gründen möchten?

Was sehr wichtig ist, dass man sich möglichst früh mit Menschen außerhalb der eigenen Blase über seine Idee unterhält. Also nicht nur mit den Laborkollegen, die die Idee wahrscheinlich auch toll finden, sondern eher mit Menschen, die wissen, wie man eine Idee in ein Produkt oder eine Dienstleistung umsetzen kann. Also sich frühzeitig Feedback einzuholen, um zu erkennen, ob man auf dem richtigen Weg ist. Ich würde mich nicht ein Jahr in ein stilles Kämmerchen zu Hause einschließen und etwas entwickeln, um dann festzustellen, dass der Markt das gar nicht braucht oder das Produkt viel zu teuer ist. Außerdem sollte man viel Durchhaltevermögen mitbringen.

Haben Sie eine Morgenroutine?

Aktuell sieht meine Morgenroutine so aus, dass der erste Weg immer zur Kaffeemaschine führt, da hole ich mir meinen Milchkaffee und meist kommt dann kurz darauf meine Frau und bringt mir unsere kleine Tochter, die gerade 6 Monate alt ist. So starte ich dann schon sehr positiv in den Tag. Wenn ich sehe, wie sie langsam aufwacht und zu lächeln beginnt, das ist sehr schön.

Gibt es ein Buch, dass Sie empfehlen?

Ich lese gerade Animal Farm von George Orwell. Ich hatte es vorher noch nicht gelesen und ich finde es zeitlos und absolut lesenswert.

 

© Universität Regensburg / Interview: Karoline Stürmer