Die Herstellung von Wasserstoff benötigt zum einen Energie. Bei Biowasserstoff stammt diese entweder aus der als Rohstoff verwendeten Biomasse oder aus Sonnenenergie, die von lebender Biomasse bei der Photosynthese absorbiert wird. Zum anderen wird das Element Wasserstoff benötigt. Dieses stammt aus der als Rohstoff verwendeten Biomasse oder wird als Bestandteil von Wasser dem Herstellungs- bzw. Erzeugungsprozess zugeführt.

Die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse kann durch biologische und chemische Prozesse erfolgen:

Aus energiereichen organischen Verbindungen in der Biomasse (z. B. Kohlenhydrate, Fette, Proteine) kann durch vergärende Bakterien neben CO₂ und oxidierten organischen Verbindungen auch H₂ gebildet werden. Bei diesem anaeroben Prozess kann von den Bakterien nur ein Teil der in der Biomasse enthaltenen Energie erschlossen werden, da Sauerstoff als Oxidationsmittel nicht zur Verfügung steht. Der gebildete Biowasserstoff kann somit einen großen Anteil der verbliebenen Energie enthalten.

Biowasserstoff kann aus Biomasse (Holz, Stroh, Grasschnitt, etc.); aber auch aus Bioenergieträgern (Biogas, Bioethanol, etc.) durch thermochemische Vergasung und anschließende oder direkte Dampfreformierung („steam reforming“) in industriellem Maßstab hergestellt werden. Das bei der Vergasung gebildete Synthesegas besteht, je nach verwendetem Rohstoff, aus unterschiedlichen Anteilen Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH₄), Wasserstoff und anderen Komponenten. Bei der Dampfreformierung finden chemische Reaktion zwischen dem Wasserdampf und Synthesegasanteilen statt, wodurch die Wasserstoff-Ausbeute erhöht werden kann:

Dieses Verfahren der Wasserstoffherstellung kommt in großem Maßstab bei der Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas zum Einsatz, z. B. zur Herstellung von Stickstoffdünger (Haber-Bosch-Verfahren).

Als Endprodukte entsteht so im Wesentlichen Wasserstoff (mit einem Umwandlungs-Wirkungsgrad von ungefähr 78%), Kohlendioxid und Mineral-Asche. Zum Anfahren der Anlage kann das energiereiche Synthesegas verwendet werden. Anschließend soll sich der Prozess durch exotherme Reaktionen energetisch selbst tragen. Bisher gibt es noch keine betriebsfähige Groß-Anlage, da Biowasserstoff in großen Mengen noch nicht nachgefragt wird.

Die Nutzung von Biowasserstoff bietet verschiedene Vor- und Nachteile. Die Bewertung hängt dabei im Einzelnen von den verwendeten Rohstoffen, den Herstellungsverfahren und der Art der Nutzung ab. Erschwert wird die Bewertung durch die fehlende praktische Erfahrung und bisher fehlenden Relevanz der Biowasserstofferzeugung.

Vorteile

• Biowasserstoff kann ähnliche Vorteile haben, wie andere Erneuerbare Energien bzw. Bioenergien (siehe Artikel Bioenergie):

• Es wird diskutiert, ob das Erdgasnetz auch für den Transport von Wasserstoff in einer Wasserstoffwirtschaft genutzt werden kann.
• Wasserstoff kann in Brennstoffzellen effizient verstromt werden. Auch eine Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist dabei möglich.

Nachteile

• Die Biomasse, die Zwischenprodukte in der Herstellung und das Endprodukt müssen unter Umständen aufwendig aufbereitet werden.
• Ein Nährstoffmanagement ist notwendig, um Nährstoffe aus der Biomasse auf die Anbauflächen zurückzuführen. Bei der Vergasung können Nährstoffe (Stickstoff, Schwefel) verloren gehen.
• Es ist bisher unklar, ob die Gewinnung von Wasserstoff aus Biomasse konkurrenzfähig zu anderen Verwendungsmöglichkeiten für Biomasse, wie z. B. der Herstellung und direkten Nutzung von Biogas, ist.
• Der Energieertrag pro Fläche ist geringer als z. B. bei Photovoltaik. Jedoch sind die Investitionskosten deutlich geringer.
• Bisher finden sich die meisten Verfahren zur Biowasserstoff-Erzeugung noch in der Entwicklung, so dass Bewertungen zur Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit schwierig sind.

Zur Biowasserstoff-Herstellung kann auch lebende Biomasse (z. B. Cyanobakterien, Algen) verwendet werden. Bei einigen Stoffwechselprozessen (z. B. Photosynthese, Stickstofffixierung) durch bestimmte Enzyme (z. B. Nitrogenasen, Hydrogenasen) kann Wasserstoff entstehen. Unterschieden werden kann zwischen oxygener und anoxygener Photosynthese.

Die typische Photosynthese, z. B. von Landpflanzen und Algen, wird als oxygen (sauerstoffbildendend, siehe oxygene Photosynthese) bezeichnet, da als Produkt der Wasserspaltung Sauerstoff freigesetzt wird:

Zweck der Photosynthese ist die Energiebereitstellung. Die Freisetzung von energiereichem Biowasserstoff bedeutet jedoch einen Verlust von Energie. Diese Prozesse treten daher nur unter bestimmten Umständen auf:

• Cyanobakterien sind in der Lage, durch Nitrogenasen den wichtigen Nährstoff Stickstoff aus der schwer zugänglichen Form N₂ (z. B. in der Luft vorliegend oder in Wasser gelöst) in biologisch zugängliche Verbindungen umzuwandeln. Basis ist diese Reaktion der Stickstofffixierung:

• Grünalgen betreiben ebenfalls die oxygene Photosynthese. Unter bestimmten Umständen werden die bei der photosynthetischen Wasserspaltung bereitgestellte energiereichen Elektronen nicht zur Reduktion von Kohlendioxid verwendet, sondern in einer Art Leerlaufreaktion mit Protonen (aus der umgebenden wässrigen Phase) zu Wasserstoffmolekülen umgesetzt. Diese von Hydrogenasen katalysierte Reaktion wird beispielsweise in Abwesenheit von Sauerstoff induziert.

Bei der anoxygenen Photosynthese können aus organischen Substraten oder reduzierten Schwefelverbindungen durch phototrophe Bakterien unter Verwendung der Sonnenenergie H₂ und CO₂ oder oxidierte Schwefelverbindungen gebildet werden.

Die Herstellung von Biowasserstoff aus Sonnenenergie mittels Stoffwechselprozessen unterscheiden sich deutlich bzw. vollständig von der Herstellung aus Biomasse. Somit sind auch andere Vor- und Nachteile geben.

Vorteile

• In Algenreaktoren bzw. Photobioreaktoren kultivierte, photosynthese betreibende Algen können eine deutlich höhere energetische Produktivität pro Fläche haben als Pflanzen.
• Bei der photosynthetischen Erzeugung von Wasserstoff wird die Sonnenenergie direkt in einen Endenergieträger umgewandelt. Umwandlungsverluste gegenüber der Erzeugung und Nutzung von kohlenstoffbasierter Biomasse (Holz, Bioethanol, Biodiesel, Biogas, etc.) könnten theoretisch verringert werden.

Nachteile

• Die Kultivierung von Algen und Bakterien ist mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden. Eine kommerzielle Erzeugung von Wasserstoff mittels Biomasse ist derzeit nicht gegeben.
• Die Stoffwechselprozess, bei denen Wasserstoff erzeugt wird, treten in der Natur nur in geringem Maße oder unter besonderen Bedingungen (Stresssituationen) auf. Eine Übertragung von Labor- auf Produktionsbedingungen ist bisher nicht absehbar.