Vorwort

Während der Abfassung meiner Bachelorarbeit zum Thema „Potential der Energiegewinnung aus Biomasse in Österreich“ im Jahr 2006 bin ich auf Umwegen darauf gestoßen, dass es möglich sei durch innovative Kultivierungsverfahren enorme Mengen an Algenbiomasse auf verhältnismäßig kleiner Fläche zu züchten. Nach kurzer Recherche über Unternehmen, die in diesemFeldaktivsind,warklar,dasseinegewisseAufbruchsstimmungundDynamikindiesem Feld herrschte. Fotos und Videos gerade neu entwickelter „Photobioreaktoren“ wurden demonstriert und Wirtschaftlichkeitsrechnungen wurden vorgestellt, in denen das Ende des fossilen Zeitalters greifbar schien. In wenigen einfachen Schritten wurde aus Algen Diesel. In ZeitendesKlimawandels,nochunbeflecktvonjeglichersubrprimeKrise,gabesnureinszutun: NacheinerinspirativenNachtmitFreundengingesmitBlockundBleistiftbewaffnetzurBank. Dort stellten wir anhand bestechender Daten unser Konzept vor. Das Ergebnis: 1:3 für das Kapital.EineEigenkapitalquotevon33%erschiennurfair,dennochbedarfesnatürlichreiflicher Überlegung,wennmanHausundHof,respektiveFahrradundBlumentopf,verpfändenwill.Ein Mail von John Benemann, Guru auf dem Gebiet der Algenzüchtung, der bereits am Aquatic Species Programm in den 1980ern beteiligt war, ließ erste begründete Zweifel an unserem Projekt aufkeimen. Da ich für ein Semester an der ETH Zürich studieren würde, war unser VorhabenvorersteineZeitaufEisgelegt.DochschoneinpaarTagespätererfuhrichwährend einer Vorlesung zur „Spieltheorie“ „zufällig“ von einer Forschungsgruppe die sich mit einem ProzesszurVerwertungnasserBiomassebefasste.DieIdeeeinen„nochnichtganzperfekten“ Prozesszuverbessernwargeboren.Tatsächlich,mussteichfeststellen,wardieIdeeschonvor mirda.

MeinDankgiltFrédéricVogel,derdieseArbeitüberdenBerggebrachthat,anMartin Brandenberger,dermirdenWeggezeigthat,anHelgaKromprKolb,diemichaufneueWege gebrachthat,anGilbertAhamer,dermichinneuesLandgebrachthat,anSebastian Wretschitsch,mitdemdieerstenSchrittegetanwaren,anLilli,mitderichvonhieranweiter gehe

BesonderenDankauchderVeluxrStiftungZürich,SponsorindesSunCHemrProjektes(Pr.Nr.405) http://www.veluxstiftung.ch/

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Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung  1

2.  ZielsetzungundAufgabenstellung.  4

3.  AllgemeineGrundlagen.  5

3.1  Algenwachstum.  5

3.2  MassenkultivierungvonMikroalgen.  6

3.2.1  RacewayPonds  6

3.2.2  Photobioreaktoren  7

3.3  ProzesstechnologiesuperkritischerFluide  8

3.3.1  EigenschaftenvonWasserimsuperkritischenZustand  9

3.3.1.1  RelativePermittivitätvonWasser.  9

3.3.2  HydrothermaleVergasung.  10

3.3.2.1  EinflussvonTemperaturundFeuchtigkeitsgehaltaufdieProduktgaszusammensetzung.  11

3.3.2.2  Katalysator  12

3.3.3  VergleichtypischerKonversionsverfahrenfürBiomasse  13

3.4  Energieökonomie  14

3.5  EinspeisungdesProduktgasesindasGasnetz.  15

3.5.1  DirekteEinspeisung  15

3.5.2  Methananreicherung.  16

3.5.2.1  Druckwechseladsorption(PSA)  16

3.5.2.2  Gaswäsche  17

3.5.2.3  NiederdruckrMembranseparation.  17

3.5.2.4  Hochdruckmembrantrennung  18

3.5.2.5  KryogeneGastrennung  18

4.  MethodischeWerkzeuge  19

5.  Modellauswahl.  20

5.1  Algenspezies.  20

5.2  RauchgasalsCO 2 rQuellefürAlgenwachstum.  22

5.2.1  Kohlendioxidaufnahme.  22

5.3  Kultivierungsverfahren.  23

6.  AufbaudesGesamtprozesses  26

7.  Modellaufbau.  28

7.1  RauchgasreinigungundRachgasförderung.  28

7.2  Photobioreaktor.  30

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7.2.1  Nährstoffe.  30

7.2.2  Temperatur.  31

7.2.2.1  Rauchgas  31

7.2.2.2  Kühlung  31

7.2.2.3  Sonneneinstrahlung.  31

7.2.2.4  Wärmeabstrahlung  32

7.2.2.5  Wärmeleitung  32

7.2.2.6  Reaktionswärme  32

7.2.3  SauerstoffrStripping.  34

7.2.4  Flächenkosten.  35

7.2.5  TheoretischeEffizienzdesPhotobioreaktors  36

7.2.5.1  PhotosynthetischaktiveStrahlung  36

7.2.5.2  Grünlichtreflexion  36

7.2.5.3  Photoeffizienz  36

7.2.5.4  Photoinhibition  37

7.2.5.5  Respiration.  37

7.2.5.6  Transmissionsverluste.  38

7.2.5.7  Beschattungsverluste.  38

7.2.5.8  Verunreinigungsverluste.  38

7.2.5.9  Reflexionsverluste.  38

7.3  Dewatering.  39

7.4  NährstoffrecyclingundWasserumlauf  40

7.5  ZwischenlagerungderBiomasse.  42

7.6  Hochdruckpumpe.  43

7.7  HydrothermaleVergasung.  44

7.7.1  Investitionskosten.  50

7.8  Methananreicherung  50

7.9  Investitionskostenzuschlagsätze.  52

8.  DiskussionderEingangsdaten  54

8.1  ReferenzszenarioÖsterreich/Schweiz  54

8.2  Kohlendioxidaufnahme.  55

8.3  Produktivität.  55

8.4  AlgenkonzentrationnachDewatering  56

8.5  AlgenbiomassekonzentrationimPhotobioreaktor.  56

8.6  Konversionsrate  57

9.  Modellergebnisse  58

SeiteIII

9.1  ReferenzszenarioOsterreich/Schweiz  58

9.2  Sensitivitätsanalyse.  60

10.  InterpretationundDiskussionderErgebnisse.  66

10.1  Referenzszenario.  66

10.1.1  SNGrGestehungskosten.  66

10.1.2  Stickstoffbilanz  68

10.1.3  Kohlenstoffbilanz.  69

10.1.4  OptimaleBiomassekonzentrationnachDewatering.  70

10.1.5  Energieverbrauch  70

10.1.6  HaupteinflussfaktorenaufdenWirkungsgradderHydrothermalenVergasung.  71

10.2  MultivariateSensitivitätsanalyse  75

10.3  OptimierungdesReaktordesigns.  76

10.3.1  OptimalerTrockenmassenanteil  77

10.4  Flächenbedarf.  78

10.5  VergleichbareerneuerbareEnergien.  79

10.6  Mitigationspotential.  80

10.6.1  VergleichdesMitigationspotentials.  80

10.7  ExternalitätenundökonomischeAuswirkungen.  81

11.  Zusammenfassung.  82

12.  Ausblick  86

12.1  AlternativeKultivierungsformen.  86

12.2  UmesterungzuBiodiesel  87

13.  Literaturverzeichnis.  88

14.  Abbildungsverzeichnis.  92

15.  Tabellenverzeichnis.  96

16.  Anhang  98

16.1  AnhangAStandardBildungsenthalpieundGibbsPotential.  98

16.2  AnhangBFlächenproduktivität.  99

16.3  AnhangCWährungsumrechnung  100

16.4  AnhangDBodennutzunginÖsterreich.  101

16.5  AnhangEMassenströmeimReferenzszenario.  102

SeiteIV

16.6  AnhangFDatenderSensitivitätsanalyse.  103

16.7  AnhangGDatenderSensitivitätsanalyse  104

16.8  AnhangFDatenderSensitivitätsanalyse.  105

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Abstract

Increasing greenhouse gas emissions and increasingly tapped fossil resources are two of the mostpressingglobalissues,facingtheworldwithanintrinsicenvironmentalresponsibility. Microalgaehavebeenproposedashighryieldfeedstockforbiofuelproductionandforcarbon dioxide mitigation. However, utilization through conventional thermochemical conversion processesrequiresdryingofalgalbiomass,whichisknowntobeoneofthemajorcostfactors. TheCatalyticProcessEngineeringgroupatthePaulScherrerInstitute(Villigen,CH)iscurrently developinganinnovativeprocess(SunCHem)fortheproductionofsyntheticnaturalgas(SNG) via supercritical water gasification. This process has a clear advantage over conventional thermochemicalprocesses,asbiomasswithhighmoisturecontentcanbeusedandnutrients canpotentiallyberecycled.

Theaimofthisthesisistomodelanintegratedprocesswhichcomprisesthecompletescenario fromtheuseoffluegasesfromapowerplantasasourceofCO 2 formicroalgaecultivationto thefeedrinofSNGintoanexistinggasgrid.Thesimulationandsensitivityanalysis(SIMSALG) fortheestimationofSNGproductioncostsandthecarbonmitigationpotentialwasperformed forareferencescenariosimulatingalgalgrowthinAustriaandSwitzerland. The SNG costs in the SIMSALG reference scenario have been calculated to be around 0.60 €/kWhforatubularphotobioreactordesign.Thesensitivityanalysisindicatedthatparameters relatedtothecirculationoftheculturemediuminthephotobioreactorhavethehighestimpact on costs, followed by the concentration factor of dewatering, depending on the algae concentrationintheculturemediumandthedryweightcontentofalgaeintheinputmassflow forthehydrothermalgasificationprocess.MultivariatesensitivityanalysissuggestedthatSNG costscandroptoaslowas0.21€/kWhperSNGoutputthroughanimprovedphotobioreactor designandoptimizeddryweightcontent.Thecarbonmitigationcostsforanoptimizedscenario arewellabove1086€/tCO 2 requivalent.

In conclusion, industrially grown microalgae are unlikely to provide large amounts of SNG at competitive costs that would allow the fossil fuel power generation industry to continue operatingina‘businessasusual’manner.

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Abstract

Steigende Treibhausgasemissionen und die Verknappung fossiler Ressourcen sind zwei der herausforderndsten Themen auf der globalen Agenda, die die Weltbevölkerung vor ihre intrinsischeökologischeVerantwortungstellen.

Mikroalgen gelten als schnellwachsender Rohstoff zur Produktion von Biokraftstoffen und können zur Bindung von Kohlendioxid eingesetzt werden. Bisher ist die Trocknung der Algenbiomasse, die der Verwendung in konventionellen thermochemischen Konversionsverfahrenvorangehenmuss,einerderhauptsächlichenkostentreibendenFaktoren. Die Arbeitsgruppe für Katalytische Verfahrenstechnik am Paul Scherrer Institut (Villigen, CH) entwickeltderzeiteineninnovativenProzesszurProduktionvonBiomethandurchkatalytische VergasunginsuperkritischemWasser.DieserProzesshatbeiderNutzungvonAlgenbiomasse gegenüberkonventionellenVerfahreneinenklarenVorteil,damithohenFeuchtigkeitsgehalten gearbeitetwerdenkannundNährstoffepotentiellzurückgewonnenwerdenkönnen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Prozess von der Kultivierung von Mikroalgen auf Basis von Rauchgasen aus einem thermischen Kraftwerk bis zur Einspeisung des Biomethans in ein vorhandenesErdgasnetzzumodellieren.DieSimulationunddieSensitivitätsanalyse(SIMSALG) zur Abschätzung der Methangestehungskosten und des CO 2 rMitigationspotentials wurden in einemReferenzszenariofürdasAlgenwachstuminÖsterreichundderSchweizberechnet. Die Methangestehungskosten im SIMSALG Referenzszenario liegen bei 0,60 €/kWh für einen Photobioreaktor in RöhrenrBauart. Die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass Parameter, die den Umlauf des Kulturmediums im Photobioreaktor bestimmen, den größten Einfluss auf die Methankostenhaben,gefolgtvomKonzentrationsfaktorderAlgenbiomasseinAbhängigkeitder Algenkonzentration im Photobioreaktor und dem Trockenmasseanteil im Eingangsstrom der hydrothermalen Vergasung. Die multivariate Sensitivitätsanalyse deutet darauf hin, dass Biomethankostenvonbiszu0,21€/kWhdurchverbessertesDesigndesPhotobioreaktorsund optimierten Trockenmasseanteil erreicht werden können. Die Vermeidungskosten für das optimierteSzenarioliegennichtunter1086€/tCrÄquivalent.

Es ist unwahrscheinlich, dass industriell kultivierte Mikroalgen eine signifikante Menge an Biomethan zu wettbewerbsfähigen Kosten liefern können oder in größerem Maßstab zur SequestrierungvonRauchgasausthermischenKraftwerkeneingesetztwerden.

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Abkürzungsverzeichnis

StefanrBoltzmannrKonstante[5,67|10 ^r8 W/m²K ⁴ ] V EJ Exajoule fPAR FractionofPhotosyntheticallyActiveRadiation[W/m²] HTV HydrothermaleVergasung IPCC IntergovernmentalPanelonClimateChange Mtoe Megatonoilequivalent(~0,042EJ] p Druck[Pa][bar] PAR PhotosyntheticallyActiveRadiation[W/m²] PBR Photobioreaktor PSI PaulScherrerInstitut SA Salzabscheider SIMSALG Simulationandsensitivityanalysisofmethaneproductionfromalgalbiomass SNG SyntheticNaturalGas T Temperatur[K][°C] wt% Massenanteil

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Symbolverzeichnis

VerlustdurchBeschattung 1 KoeffizientderfPAR 1 K fPAR Gesamtwirkungsgrad 1 K Gesamt GibbsrPotential kJ/mol 'G f Bildungsenthalpie kJ/mol 'H f KoeffizientderPAR 1 K PAR VerlustdurchLichtsättigung 1 K Photoinhib VerlustdurchReflexionamPBR 1 K Reflexion Respirationsverluste 1 K Respiration VerlustdurchAblagerungenamPBR 1 2 VolumenspezifischerLeistungseintrag W/m³

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8

K ¾ÙÙØÞçÜéßØÜæçèáÚ KoeffizientderinAlgenbiomassegebundenenEnergie 1

K ËØÙßØëÜâá KoeffizientderReflektion 1

K ËØæãÜåÔçÜâá KoeffizientderRespirationsverluste 1

K ÙÉºË KoeffizientdesAnteilsanPAR(Grünlichtreflexion) 1

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I6 ÓØáçåÜÙèÚØáÁ6È MassenstromanWasserzurZentrifuge J6 ¼È6 J6 Ç6 FixkostendesPBR € - ÙÜëáÉ»Ë ArbeitzurEntgasungdesKulturmediums W 2 É»ËáÌçåÜããÜáÚ LeistungderPumpe N 2 ÉèàãØáØÙÙ TemperaturimPhotobioreaktor K 6 É»Ë TemperaturdesSalzabscheiders °C 6 ÌÔßíÔ TemperaturderUmgebung 1 6 ÎàÚØÕèáÚ KonzentrationanSauerstoffimPBR mol/l ? È6áÉ»Ë KonzentrationinderLösung mol/l ? Ô

SpezifischeWärmekapazitätvonKohlendioxid J/molK ? ãá¼È6

SpezifischeWärmekapazitätvonStickstoff J/molK ? ãáÇ6 HenryrKonstante 1 G Á

VolumenbezogenerStoffübergangskoefizient /s G ÅÔ Druck Pa L Ú MassenanteilanAlgenbiomasse 1 S »Æ

SeiteX

WirkungsgraddesGebläseszurRauchgasförderung 1 WirkungsgradderPumpe 1 ß ÉèàãØ WirkungsgraddesVorerhitzers 1 A FlächedesPhotobioreaktors ha

SeiteXI

Einleitung

1. Einleitung

Mit Wachstumsraten, die gut eine Größenordnung über der von terrestrischen Pflanzen liegen, zählen Mikroalgen zu den am schnellsten wachsenden Organismen. [vgl. Sørensen 2000 S. 305]. Um das potentiell überragende Flächenertragspotential von Mikroalgen zu verdeutlichen, stellte Chisti [2007] einen Vergleich des Ölertrags mit anderen biogenen Rohstoffen für die Biodieselproduktion an. Aus dem Anteil der benötigten Ackerfläche schließt Chisti, dass Mikroalgen „die einzige Quelle von Biodiesel sind, die das Potential habenfossileTreibstoffekomplettzuersetzen“.

Derzeit wird der Primärenergiebedarf weltweit überwiegend aus fossilen Ressourcen gedeckt, mit deren Verwendung Emissionen von treibhauswirksamen Gasen, insbesondere CO 2 , einher gehen. Es herrscht weitestgehend Konsens über die Notwendigkeit der Einschränkung anthropogener Treibhausgasemissionen [IPCC 2007], um unvorhersehbare und unbeherrschbare Schäden am globalen Klimasystem zu begrenzen [vgl. Stern 2006]. Dennoch lassen neuere Daten darauf schließen, dass eine maximal verträgliche atmosphärische Kohlendioxidkonzentration von 550 ppm, die den Klimamodellen des IPCC zufolgemiteinemTemperaturanstiegvonetwa2°CbiszumJahr2100korrespondiert,nicht durch Effizienzmaßnahmen allein zu erreichensein wird. Neben Klimaschutzstrategien und

Sequestration, sowohl aus fossilen Quellen, als auch aus erneuerbaren Quellen an Bedeutung.

Abbildung1BeitragzurKohlendioxidreduktionindenKlimaszenariendesWorldEnergyOutlook2008

[Quelle:IEA2008]

SENSITIVITÄTSANALYSEDERMETHANGESTEHUNGSKOSTENDURCHHYDROTHERMALEVERGASUNGVONALGENBIOMASSE JulianMatzenbergerrDiplomarbeitrUniversitätfürBodenkulturWien Seite1

Einleitung

Es wurde in Laborversuchen gezeigt, dass die Kultivierung von Makror und Mikroalgen auf BasisvonindustriellenRauchgaseneinedirektebiologischeSpeicherungvonCO 2 ermöglicht [Packer 2009]. CO 2 ist ein wichtiger Nährstoff für den größten Teil aller photosynthetisch aktiven Organismen. Bisher war die Diskussion zumeist auf die geologische Sequestrierung vonCO 2 ausindustriellenProzessenbeschränkt.

NichtzuletztauchausGründenderVersorgungssicherheitrwiedie„Lieferschwierigkeiten“ von russischem Erdgas für Teile Europas im Winter 2008/09 sehr eindringlich klargemacht habenristeineSubstitutionvonfossilenRessourcendurcherneuerbareEnergieträgervon großemInteresse.

Meerespflanzen wie Algen oder Seegras werden bereits als Baumaterialien und EnergielieferantenverwendetundgeltenalsmöglicheCO 2 rSenke[HeumerundMock2008]. Insbesondere Mikroalgen werden als potentieller Rohstoff für Biotreibstoffe und zur Treibhausgasreduktiondiskutiert.[z.BKadam1996;NREL1998;BenemannJ.undP.2007; Huntley und Redalje 2007 ; Chisti 2008]. Mikroalgen können zur Produktion einer Reihe verschiedenerBiotreibstoffeherangezogenwerden.

Etwa 50% der Primärproduktion an Biomasse entfallen auf terrestrische Organismen, 50% aufaquatische[EPOBIO2007].PolitischeStrategienwarenbisherfastausschließlichaufdie Nutzung von landr und forstwirtschaftlicher Biomasse ausgerichtet. Die Weltagrarmärkte zeigen bereits seit längerer Zeit eine Trendumkehr: in acht der letzten zehn Jahre lag die Erzeugung unter dem Verbrauch [Hofreither 2008]. Die derzeit von den USA und der EU verfolgte Produktion biogener Treibstoffe der „ersten Generation“ basiert auf Rohstoffen, die in direkter Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen. Der zunehmende Wettbewerb um Produktionsflächen ist ein treibender Faktor im Bemühen, aquatische BiomassezurProduktionvonBiotreibstoffenheranzuziehen.

Das Konzept, Mikroalgen zur CO 2 rBindung und Biokraftstoffproduktion zu nutzen, ist nicht neu. Erste umfassende Forschungsarbeiten wurden während der Energiekrise 1978 am National Renewable Energy Laboratory in den USA initiiert [NREL 1998], mit sinkenden Energiekosteninden1990erJahrenwurdedieForschungjedochnichtweiterfinanziert.Im Hinblick auf die Verknappung von fossilen Energieträgern und damit einhergehenden steigendenEnergiepreisenhabeneineReihenichtkommerziellerForschungsprogrammedas Thema aufgegriffen [Cyanotech 2008 ; BIOKING 2009 ; RWE 2009 ; SUBITEC 2009 usw.]. AlgenkultivierunginPhotobioreaktoren(PBR)ermöglichteinebessereProzessteuerungund versprichthöhereFlächenerträgegegenüberdenbisherverwendetenOpenPondVerfahren. Optimale Reaktordesigns zur wirtschaftlichen Produktion von Algenbiomasse sind GegenstandderForschung.

SENSITIVITÄTSANALYSEDERMETHANGESTEHUNGSKOSTENDURCHHYDROTHERMALEVERGASUNGVONALGENBIOMASSE JulianMatzenbergerrDiplomarbeitrUniversitätfürBodenkulturWien Seite2

Einleitung

Abbildung2KultivierungvonMikroalgenzurCO 2 rBindungausRauchgaseinesKohlekraftwerks.Die

VersuchsanlageistseitNovember2008inBetrieb[Quelle:RWE2009] Im November 2008 wurde die erste europäische Versuchsanlage zur Kultivierung von AlgenbiomasseaufBasisvonRauchgasenauseinemthermischenKraftwerkinNiederaußem, Deutschland,gebaut[sieheAbb.2].

Die Kultivierung von Mikroalgen mit hoher Produktivität aus Rauchgas ist nur ein erster Schritt. Die Algen müssen geerntet und zu einem Energieträger verarbeitet werden. Die Gewinnung der Biomasse, die als mikroskopische Algenzellen stark verdünnt vorliegt, ist eines der Hauptprobleme, um den Prozess wirtschaftlich nutzbar zu machen. Typische Algenkonzentrationen liegen in Photobioreaktoren bei 1r8 g/l (entsprechend max. 1 wt%). Für konventionelle Konversionsprozesse ist eine energieintensive Aufkonzentrierung und TrocknungderBiomassenötig.

Den konventionellen thermochemischen Konversionsverfahren ist gemein, dass eine energieaufwändige Wasserabscheidung vorausgehen muss. Daher sind konventionelle EnergieumwandlungsverfahrenfürAlgenbiomassenurbedingtgeeignet.

Am Paul Scherrer Institut in Villigen, Schweiz, wird derzeit ein innovativer Prozess zur Produktion von Methan (und/oder Wasserstoff) durch katalytische hydrothermale Vergasung von nasser Biomasse entwickelt. Bei der Aufspaltung von Biomasse in superkritischem Wasser können ausfällende Salze für eine Wiederverwendung als Nährstoffeabgesondertwerden.AufgrunddieserEigenschaftenhatderProzessgegenüber konventionellenVerfahreneinenklarenVorteil[Haiduc,Brandenbergeretal.2009]. HydrothermaleVergasunghatdenVorteil,MaterialmithohemFeuchtigkeitsgehalt(über60 Massenprozent) umsetzen zu können. Der Energieaufwand der Trocknung kann minimiert werden. Dieser Prozess basiert auf den stark veränderten Eigenschaften von Wasser im superkritischenZustandbeiüber374,12GradCelsiusundDruckvonmindestens221,2bar.

SENSITIVITÄTSANALYSEDERMETHANGESTEHUNGSKOSTENDURCHHYDROTHERMALEVERGASUNGVONALGENBIOMASSE JulianMatzenbergerrDiplomarbeitrUniversitätfürBodenkulturWien Seite3

ZielsetzungundAufgabenstellung

2. ZielsetzungundAufgabenstellung

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Gestehungskosten von SNG (Synthetic Natural Gas) durchhydrothermaleVergasungvonAlgenbiomasseabzuschätzen,PotentialundKostender CO 2 rMitigation dieses Prozesses zu evaluieren und mittels einer Sensitivitätsanalyse kostentreibende Faktoren zu bestimmen. In weiterer Folge werden auf dieser Basis EmpfehlungenfüreineOptimierungdesVerfahrensentwickelt.

In einem ersten Schritt wird ein Vergleich der unterschiedlichen Verfahrensvarianten angestellt, die Auswahl bestimmter Optionen dargelegt und deren prozesstechnologische Grundlagenerläutert.

In einem zweiten Schritt wird ein Modell, das eine Simulation und Sensitivitätsanalyse der ProduktgasgestehungskostenausAlgenbiomasse(SIMSALG)erlaubt,aufgestellt.Ausgehend von einer nahen Rauchgasquelle wird über dieKultivierung der Algenbiomasse deren Verwertung bis zu einer eventuellen Einspeisung in eine vorhandene Erdgasinfrastruktur betrachtet.

In einem dritten Schritt werden Eingangsdaten für das Modell bestimmt. Es wird ein ReferenzszenariofürdieklimatischenBedingungeninderSchweizundÖsterreicherstellt.Im FolgendenwirdeineeinrundmehrparametrigeSensitivitätsanalysedurchgeführt. An Hand der Modellergebnisse werden Möglichkeiten der Optimierung abgeleitet und die ImplikationenfürdieFlächennutzunginÖsterreichdiskutiert.

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AllgemeineGrundlagen

3. AllgemeineGrundlagen

3.1 Algenwachstum

WiediemeistenPflanzenkonvertierenAlgenCO 2 inorganischesMaterial.DieElektronenfür diese Reduktionsreaktion liefert H 2 O, das in Sauerstoff und Protonen konvertiert wird. Die Energie für den photosynthetischen Prozess wird durch Sonnenenergie (bzw. eine andere Lichtquelle)geliefert,diedurchPigmente,vorallemChlorophyllundCarotinoide[Merchuk, Rosenblatetal.2007]absorbiertwird.

Photosynthese läuft in zwei Phasen ab. Die erste Phase ist lichtabhängig („Lichtreaktion“, Photosystem I) und benötigt Licht, um Trägermoleküle für chemische Energie zu produzieren,dieimzweitenProzessverwendetwerden.DiezweitePhase(„Dunkelphase“, Photosystem II) ist lichtunabhängig und läuft ab, wenn die Produkte der ersten Phase verwendet werden, um kovalente CrC Bindungen von Kohlenwasserstoffen zu bilden [vgl. Richmond2004S.23ff].

Das Wachstum von Algenkulturen folgt unter idealen Bedingungen einem einfachen ZeitgesetzersterOrdnung.DiespezifischeWachstumsratePergibtsichnachGleichung1als daszeitlicheWachstumdergesamtenAlgenkulturCV[Andersen2005S.59].

P…spezifischeWachstumsrate[1/s]

CV…CultureVolume[m³]

Unter den Faktoren, die das Algenwachstum beeinflussen ist die Verfügbarkeit von Licht einer der wichtigsten. In Open Pond Verfahren ist die Eindringtiefe zur Oberfläche bestimmend. In einem RöhrenrPhotobioreaktor sind Algen näher den Wänden einer höheren Photonendichte ausgesetzt als im Mittelpunkt der Röhre. Die Intensität der Sonnenstrahlung nimmt nach dem LambertrBeerschen Gesetz exponentiell mit der Distanz ab. +:N; L + 4 A ^{? Ö å}

ó…molarerAbsorptionskoeffizient[l/(mmol)]

c…Konzentration[mol/l]

r…Eindringtiefe[m]

I 0 …IntensitätdeseinfallendenLichts[W/m²]

SENSITIVITÄTSANALYSEDERMETHANGESTEHUNGSKOSTENDURCHHYDROTHERMALEVERGASUNGVONALGENBIOMASSE JulianMatzenbergerrDiplomarbeitrUniversitätfürBodenkulturWien Seite5

AllgemeineGrundlagen

PrinzipiellsteigtdurcherhöhteBelichtungdieWachstumsratederAlgen.Eskannjedochbei zu starker Belichtung zur Beschädigung des Proteins D1 [Powles 1984 nach Merchuk, Rosenblatetal.2007]inPhotosystemIIkommen.DadurchkommteszuPhotoinhibitionund vermindertemWachstum.

Die Wachstumsrate ist somit nicht nur von der Intensität und der Konzentration der Algensuspension abhängig sondern auch vom Verlauf der Belichtung. Ein periodischer WechselinderBeleuchtungkannsichpositivaufdasWachstumauswirken[Pirt1980nach Richmond 2004 S. 162]. Bei der Massenkultivierung von Mikroalgen, die Sonnenlicht als Lichtquelle verwendet, können solche Zyklen mittels Durchmischung der Algensuspension erreichtwerden.

3.2 MassenkultivierungvonMikroalgen

Die einzigen praktikablen Verfahren zur Massenkultivierung von Mikroalgen sind Raceway PondsundPhotobioreaktoren[Chisti2007].

3.2.1 RacewayPonds

RacewayPondssindoffene,umlaufendeKanälemiteinerTiefevonetwa0,3m[Chisti2007]. Die Suspension wird durch ein Schaufelrad in Umlauf gehalten und durchmischt, um eine Sedimentation der Algen zu verhindern. Die Fließbewegung wird durch in den Ponds angebrachte Umlenkbleche geführt. Bei Tageslicht wird die Kultur kontinuierlich mit Nährstoffenversorgt.ZurNährstoffversorgungkannWasserausKläranlagenoderAbwasser aus der Landwirtschaft herangezogen werden [EPOBIO 2007]. Die Algen werden üblicherweisedirektvordemSchaufelradgeerntet.

Abbildung3SchematischeDarstellungeinesRacewayPonds[Quelle:Chisti2007]

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AllgemeineGrundlagen

Kühlung der Kultur wird ausschließlich durch Verdunstung erreicht. Dadurch variiert die Temperatur in Abhängigkeit von Tagesr und Jahreszeit.Der Wasserverlust durch Verdunstung kann signifikant sein. Die Nutzung von eingeströmtem Kohlendioxid ist in Raceway Ponds aufgrund der Ausgasung in die Atmosphäre wesentlich geringer als in Photobioreaktoren [Chisti 2007]. Die Produktivität wird durch Kontamination mit anderen AlgenspeziesundMikroorganismen,diesichvonMikroalgenernähren,beeinflusst. RacewayPondswerdenseitden1950erJahrenerfolgreichzurKultivierungeingesetzt.

3.2.2 Photobioreaktoren

PhotobioreaktorensindverschiedeneTypenvonBehälternodergeschlossenenSystemen,in denenAlgenkultiviertwerden[Richmond2004].DieAlgenkulturenbestehenauseineroder mehreren Spezies, die für die Produktion des gewünschten Produkts optimiert werden. Wasser, benötigte Nährstoffe und Kohlendioxid werden in kontrollierter Weise zugeführt, während Sauerstoff aus dem Prozess entfernt werden muss. Sonneneinstrahlung belichtet die Algenkultur entweder direkt durch transparente Wände oder wird fokussiert durch im Reaktor angebrachte Lichtleiter in das Medium gebracht [EPOBIO 2007], künstliche Belichtung von Algen ist möglich, aber sehr kostenintensiv und kommt daher nur für hochwertigeProdukteinFrage.

RöhrenrPBR bestehen aus mehreren transparenten Röhren, üblicherweise aus Glas oder Kunststoff,miteinemDurchmesserbiszu0,1m.

Abbildung4SchematischerAufbaueinesPhotobioreaktorsmitparallelenhorizontalenRöhren

[Quelle:Chisti2007]

Raceway Ponds sind in Konstruktion und Betrieb pro Flächeneinheit üblicherweise kostengünstiger als Photobioreaktoren bei gleichzeitig niedrigerer Biomasseproduktivität. [Chisti 2007]. Zahlreiche Versuchsanlagen wurden in den letzten Jahren entwickelt und optimiert.GrößereMengenanAlgenbiomassekonntenbereitsgeerntetwerden.

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AllgemeineGrundlagen

3.3 ProzesstechnologiesuperkritischerFluide

Abbildung5PhasendiagrammvonWasserQuelle:[Tsuchiya2006nachBrandenberger2007] Wird eine Substanz, die im Gleichgewichtszustand in fester und flüssiger Phase vorliegt erhitzt, so dehnt sich die Flüssigkeit bei steigender Temperatur aus und verliert an Dichte. Gleichzeitig erhöht sich die Dichte eines Gases unter Druck. Der Punkt, an dem sich die DichtederbeidenPhasenangleichtunddamiteineUnterscheidungderPhasennichtmehr möglichist,wirdKritischerPunktgenannt.

Der superkritische Zustand ist definiert als jene Temperatur und jener Druck über der kritischen Temperatur und dem kritischen Druck. Im superkritischen Zustand besitzen FlüssigkeitenspezielleEigenschaften[Wen,Jiangetal.2009]: x hoheKonversionsraten x hoheWärmerundMassentransferraten x hoheReaktionsgeschwindigkeit x erhöhteMischungsgeschwindigkeiten

ProzessemitsuperkritischenFlüssigkeitensindgenerellgutskalierbarundkontinuierlichzu Betreiben.

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AllgemeineGrundlagen

3.3.1 EigenschaftenvonWasserimsuperkritischenZustand

Bei einem Druck von 221,2 bar und einer Temperatur von 374 °C erreicht Wasser den kritischen Punkt. Darüber geht Wasser in die superkritische Phase über und zeigt stark verändertephysikalischeEigenschaften.

Abbildung6ParametereinigerLösungsmittel[Quelle:Wen,Jiangetal.2009]l

3.3.1.1 RelativePermittivitätvonWasser

Die Permittivität ist ein Maß für die Durchlässigkeit von Materialien für elektrische Felder. Die relative Permittivität H r gibt das Verhältnis der Permitivität H eines Stoffes zu der von VakuumH 0 an.DierelativePermittivitätistsomitdimensionslosundfürVakuum(sehrgute Durchlässigkeit)perDefinition1.

Das WasserrMolekül ist ein Dipol. Durch die negative Ladung des Sauerstoffatoms und die positive Ladung der zwei Wasserstoffatome ist das elektrische Feld des Wassermoleküls unsymmetrisch.WasseristdahereinstarkpolaresLösungsmittel. Wassermolekülekönnenfreiodereinfachgebundenauftreten.DierelativePermittivitätdes Wassers ändert sich sprunghaft, wenn sich der Aggregatzustand des Wassers ändert. Bei Raumtemperatur beträgt sie für Wasser etwa 80 [vgl. z.B. Gokel 2004]. Mit steigender Temperatur sinkt die relative Permittivität und fällt am Kritischen Punkt aufgrund der sich lösendenWasserstoffbrückenbindungen[Waldner2007S.16]starkab.

Bei Temperaturen von 300°C bis 500°C fällt H r unter 3 und Wasser hat folglich ähnliche Solvationseigenschaften(elektrostatischeKräftezwischendengeladenenIonenundWasserr bzwLösungsmittelrDipolen)wiedasunpolarenrHexan.

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