10 Jan 2017

Mikroalgen: CO2-Fixierung, Abwärmenutzung und Schadstofffixierung

Industrielle Algenzucht als Beitrag zur Ökoeffektivität im Sinne einer „cradle-to-cradle“-Strategie für Unternehmen

10 Jan 2017

Wohin mit dem anfallenden Kohlendioxid (CO2)? – das fragt man sich in vielen produzierenden Betrieben, Kraftwerken und anderen Industrieeinrichtungen. CO2 steht als Treibhausgas aktuell im Rampenlicht, eine Speicherung, oder besser noch eine Rückgewinnung, ist umwelttechnisch mehr als opportun. Eine Möglichkeit der Nutzung ist die industrielle Algenproduktion.  Bei diesem Verfahren kann auch im Produktionsprozess anfallende, überschüssige Prozesswärme genutzt werden – oder die erforderliche Wärme zur schnelleren Vermehrung der Mikroalgen durch erneuerbare Energien erzeugt werden.

Algen – das grüne Gold von Mutter Natur

Grünalgen am Meer

Foto: pixabay / CC0, public domain

Algen sind den meisten von uns vom letzten Sommerurlaub am Meer bekannt. Die uns in der Regel bekannten Formen wachsen ufer- bzw. strandnah in rel. warmen Flachwasserzonen, wo die vorhandene Umgebungstemperatur das Pflanzenwachstum unterstützt und sie ausreichend Licht und Kohlendioxid aus der Luft für eine Fotosynthese und damit für ihr weiteres Wachstum aufnehmen können. Wie kann man diese Algen für einen industriellen Produktionsprozess nutzen?

Mit diesen im Meer vorkommenden Makro-Algen („Seetang“) kann man das nur schlecht; aber bereits diese Algenarten zeigen die wichtigsten Eigenschaften, die mit ihren nahen Verwandten, den Mikroalgen, auch großtechnisch genutzt werden können: aus Kohlendioxid, Wärme und Licht Biomasse zu erzeugen. Bereits seit vielen Jahren wird die Möglichkeit einer möglichen Energiegewinnung mit Hilfe von Mikroalgen näher untersucht.

Mikroalgen, schematisch

Foto: © Algenland GmbH

So ist aus diesen Untersuchungen bekannt, dass Mikroalgen (in der Größe von < 1 mm) im Verlauf ihres Wachstums kohlenwasserstoffhaltige Komponenten erzeugen, die, ähnlich den uns bekannten fossilen Kohlenwasserstoffspeichern (die wir als „Erdöl“ kennen), zur Energieerzeugung genutzt werden können („Algenöl“) – in der momentanen Zeit der zunehmenden Knappheit der Erdölreserven und steigender Energie- und Rohstoffpreise ein spannendes Thema.

Ernte von Mikroalgen – vielfältige Verwertungsmöglichkeiten

Grundsätzlich kann man dabei zwischen zwei möglichen Techniken zur Energieerzeugung unterschieden. Einerseits kann die erzeugte Algenbiomasse, nach entsprechender Vortrocknung, als Co-Substrat in einer Biogasanlage zum Zwecke der anschließenden Stromgewinnung direkt umgesetzt werden. Andererseits kann man auch die in den Mikroalgen enthaltenen Lipidtropfen extrahieren und nach einer Veresterung entsprechend herkömmlichen Pflanzenölen als Biodiesel nutzen.

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Video: YouTube / Sciences Switzerland

Der große Vorteil der Zucht von Mikroalgen anstelle der bekannten bodengebundenen Pflanzenarten (wie z.B. Soja, Raps u.a.) liegt in der Art der „Anbaufläche“ begründet: Mikroalgen können auf Flächen gezüchtet werden, die für eine landwirtschaftliche Produktion unbrauchbar sind, wie beispielsweise versiegelte Flächen oder Altlasten. So kann die Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion vermieden werden („Teller-Tank-Thematik“). Außerdem ist die flächenbezogenen Ausbeute in der industriellen Algenproduktion um ein Vielfaches höher als beim Anbau von landgebundenen „Futterpflanzen“.

Mikroalgen: aus Licht, Kohlendioxid und Wärme wird Biomasse

Neben der Erzeugung energetisch verwertbarer Biomasse ist der große Vorteil, dass bei der Zucht von Mikroalgen und der damit verbundenen Produktion von Algenbiomasse klimaschädliches Kohlenstoffdioxid gebunden und so der Atmosphäre entzogen wird. Dies geschieht mit einem Verfahren, das die Natur bereits seit Jahrmillionen sehr erfolgreich praktiziert: der Photosynthese. Wie alle grünen Pflanzen, betreiben auch Mikroalgen diese Form der Umwandlung von Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid zu Biomasse und Sauerstoff. Auf diese Wiese produzieren sie den für nahezu alle irdischen Lebensformen lebensnotwendigen Sauerstoff und erhalten gleichzeitig das Gleichgewicht zwischen den Treibhausgasen in der Atmosphäre.

Algen-Bioreaktoren: 3 Typen im Betrieb

In der praktischen Umsetzung unterscheidet man im Wesentlichen 3 Arten von Bioreaktoren („Photobioreaktoren“) für die industrielle Zucht von Mikroalgen: offene, halboffene und geschlossene Systeme. Dabei hat jeder Reaktortyp seine Stärken und Schwächen. Der älteste Ansatz zur kontrollierten Algenaufzucht waren und sind offene Teiche oder Becken („Open ponds“ oder auch „Raceway ponds“). In diesen wird die Kultursuspension (also die Flüssigkeit, die alle für das kontrollierte Wachstum des jeweiligen Organismus notwendigen Nährstoffe und CO2 enthält), im Kreis gepumpt und dabei über die offene Oberfläche direkt von der Sonne beleuchtet. Diese Bauform ist zwar die einfachste Möglichkeit, Algen zu züchten, erreicht aber wegen der bis zu ca. 30 cm tiefen Becken und dem damit geringen mittleren Lichteintrag nur geringe flächenbezogene Wachstumsraten. Außerdem ist der energetische Pumpaufwand nicht unerheblich, und auch der Flächenverbrauch ist bei diesen Systemen relativ hoch. Schließlich verlieren solche offenen Systeme, insbesondere wenn sie mittels Abwärmenutzung für ein schnelleres Wachstum der Algen auf höhere Temperaturen aufgeheizt werden, viel Wasser durch Verdampfung an die umgebende Atmosphäre.

Arten von Algenreaktoren

Foto: © Algenland GmbH

Daher wurden für Regionen mit knappen Nutzflächen begrenzten Wasserressourcen seit den 1950er Jahren geschlossene Systeme entwickelt. Hier werden die phototrophen Algen mit deutlich höheren Biomassedichten gezüchtet, so dass der Pumpaufwand geringer ist. Außerdem kommt es bei geschlossener Bauform zu keinen systembedingten Wasserverlusten, die Gefahr von Schmutzeintrag durch Wasservögel oder Staubeintrag wird minimiert, und man kann „in die Höhe bauen“, der relative Flächenbedarf kann so reduziert werden.

Allen Verfahren gemeinsam ist, dass die Mikroalgen für ein ausreichendes Wachstum ausreichend Licht, Wärme und Kohlendioxid benötigen; hier gilt in der Regel das „je-mehr-Rohstoff-umso-schnelleres-Wachstum-Prinzip“. Aufgrund der Problematik der Ablagerung und des „Anwachsens“ von Mikroalgen in Form eines Biofilms an den Reaktorflächen sind alle modernen Photobioreaktoren im Grunde ein Balanceakt zwischen geringer Schichtdicke / optimaler Lichtnutzung, geringem Pumpaufwand, möglichst geringem Investitionsaufwand und mikrobieller Reinheit.

CO2-Umsetzung gut für den „carbon footprint“

Für den Anwender bietet die Technologie grundsätzlich die Möglichkeit, sowohl anfallendes Kohlendioxid in Biomasse umzusetzen und damit den carbon footprint des Unternehmens in nachhaltiger Weise zu verbessern. Außerdem kann auf diesem Wege Abwärme, die z.B. im Unternehmen durch Produktionsprozesse, Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) oder andere Prozesse anfällt, sinnvoll genutzt werden. Zusätzlich kann durch Nutzung vorhandener Flächen (z.B. Dachflächen) zusätzlich erneuerbare Energie erzeugt und so nutzbar gemacht werden.

Ein schöner Nebeneffekt der industriellen Algenzucht ist die Tatsache, dass die Algen nicht ausschließlich aus CO2 und Licht Biomasse herstellen, sondern für diese Prozesse, ähnlich den Landpflanzen, weitere Zusatzstoffe („Düngemittel“) benötigen. Vorteilhaft ist dabei natürlich, wenn solche Düngemittel (wie Phosphate, Nitrate u.a.) bereits in dem für die Kultursuspension genutzten Wasser enthalten sind. So tragen die Mikroalgen auf diese Weise dazu bei, den Gewässerschutz zu verbessern, wie unlängst im Rahmen eines Pilotprojektes zur „Phosphor-Elimination durch Mikroalgen“ durch ein Team des Kompetenzzentrums für Energie- und Umweltsystemtechnik (ZEuUS) der TH Mittelhessen gezeigt wurde.

Mikroalgen als Synthesereaktoren für Biomoleküle

Und schließlich muss die Algenzucht nicht nur zur Erzeugung energetisch verwertbarer Biomasse genutzt werden. Algen produzieren im Verlauf ihres Wachstums eine Vielzahl hochwertiger Substanzen wie Vitamine und Farbpigmente, essentielle ω-Fettsäuren und Aminosäuren, Antibiotika und pharmazeutisch wirksame Stoffe. Durch geeignete „Ernteprozesse“ können viele dieser natürlich hergestellten Stoffe als hochwertiges Nahrungsmittel, Lebensmittelzusatzstoffe oder Ersatz für synthetische Stoffe in Bereichen der Kosmetik-, Pharma- und Chemieindustrie genutzt werden. Dies geschieht aufgrund der noch unzureichenden Wirtschaftlichkeit des Herstellprozesses meist noch in geringem Umfang – aber die prinzipielle Machbarkeit ist vorhanden, und Kostensenkungsprozesse treten in der Regel je erst dann auf, wenn Verfahren und Technologien in größerem Maße genutzt und betrieben werden, so dass aufgrund des Gewinns an Produktionserfahrung hier zahlreiche neue Ideen entstehen können, um technische und wirtschaftliche Optimierungen anzustoßen.

Nachtrag / Ergänzung 02.07.2017

Ein guter Überblick über den aktuellen Stand der Möglichkeiten einer Nutzung von Mikroalgen zur Erzeugung von Biomolekülen findet sich in dem Videobeitrag von Euronews vom 12.06.2017:

 

Mikroalgen – Multieinsatzfähiger Rohstoff der Zukunft | Euronews  

 

Die Zucht von Mikroalgen ist nur eine von vielen Möglichkeiten, Wasser in technischen und industriellen Prozessen zu nutzen. Eine wesentliche Aufgabe der Zukunft besteht darin, die vorhandenen Reserven an „Süsswasser“ / Trinkwasser nachhaltig und ressourcenschonend zu nutzen. Wie Sie das in Ihrem persönlichen Lebensumfeld (Wohnung, Arbeit, Freizeit), oder auch in den technischen Prozessen in Ihrem Unternehmen, erreichen können, dazu können wir Ihnen wertvolle Tipps und Hinweise geben. Nutzen Sie unsere Sach- und Fachkompetenz als Technische Beratung in allen Bereichen der Prozesswasser- und Trinkwasserbehandlung und -aufbereitung. Als Kompetenznetzwerk mit einem breiten Erfahrungsschatz bieten wir Ihnen praxisnahe Hilfestellungen und sinnvolle und bezahlbare Lösungsansätze, beispielsweise zur Aufrechterhaltung oder Wiederherstellung der Hygiene in Ihrem Trinkwasser und Ihrer Raumluft. Gerne beraten wir Sie in einem ersten Gespräch kostenfrei und unverbindlich; nutzen Sie für Ihre Anfrage das Kontaktformular der Web-Site!

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