Nutzenpotentiale von Mikroalgen und deren Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Herausforderungen des 21. Jahrhunderts
2.1 Das Bevölkerungswachstum
2.2 Die Endlichkeit fossiler Ressourcen
2.3 Der Klimawandel

3. Mikroalgen und deren Gewinnungsprozess
3.1 Stand der Forschung und Besonderheiten von Mikroalgen
3.2 Ausgewählte Arten erforschter Mikroalgen
3.3 Verschiedene Systeme zur Kultivierung der Mikroalgen
3.3.1 Offene Systeme
3.3.2 Geschlossene Systeme
3.3.3 Gegenüberstellung der Kultivierungssysteme
3.4 Ernteprozess
3.4.1 Erste Stufe
3.4.2 Zweite Stufe
3.4.3 Gegenüberstellung der Erntesysteme

4. Endprodukte
4.1 Direktnutzung
4.1.1 Anaerobe Vergärung
4.1.2 Thermische Nutzung
4.1.3 Gewinnung hochpreisiger Wertstoffe
4.2 Weiterverarbeitung des Algenöls
4.2.1 Aufreinigung des Pflanzenöls
4.2.2 Chemische Umesterung
4.2.3 Hydrocracken
4.3 Nutzung der Extraktionsrückstände
4.3.1 Direktnutzung und anaerobe Vergärung
4.3.2 Hydrothermale Karbonisierung

5. Nutzenpotentiale und Nachhaltigkeit anhand des Inputs
5.1 Benötigter Input
5.1.1 Klimatische Bedingungen
5.1.2 Wasser
5.1.3 CO
5.1.4 Nährstoffe
5.1.5 Elektrische Energie
5.1.6 Standorte
5.2 Ausgewählte aktuelle Projekte
5.2.1 Blue Petroleum
5.2.2 Aufzucht von Algen in Abwasseraufbereitungsanlagen
5.2.3 Biogasaufreinigung
5.3 Nachhaltigkeitsstandards

6. Fazit

7. Quellenverzeichnis

8. Anhang
A1 CO2-Bilanzen und Stoffströme von Blue Petrol

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Weltweiter Primärenergieeinsatz 2009

Abbildung 2: Reichweite der weltweiten Reserven 2010

Abbildung 3: Mikroskopaufnahmen vorgestellter Mikroalgen

Abbildung 4: Beispiele offener Kultivierungssysteme

Abbildung 5: Beispiele geschlossener Kultivierungssysteme

Abbildung 6: Lichtaufnahme der verschiedenen Systeme

Abbildung 7: Modell einer Algenfarm mit Raceway-Ponds

Abbildung 8: Druckentspannungsflotaion

Abbildung 9: Schematische Darstellung der betrachteten End- und Nebenprodukte

Abbildung 10: Nötige Rahmenbedingungen zur Kultivierung von Mikroalgen

Abbildung 11: Fünfjahres-Durchschnitt der FAS (in W/m²)

Abbildung 12: Monate pro Jahr mit einer Durchschnittstemperatur über 10°C

Abbildung 13: Weltweite stationäre CO2-Quellen

Abbildung 14: Integrierte Nahrungskette

Abbildung 15: Nutzbare Flächen für den Bau großer Algenfarmen

Abbildung 16: Verfahrensschema der Abwasseraufbereitungsanlage

Abbildung 17: CO2-Bilanz bei Verbrennung ohne CO2-Rückführung

Abbildung 18: CO2-Emissionen eines Autos mit verschiedenen Energieträgern

Abbildung 19: CO2-Bilanz bei Verbrennung mit CO2-Rückführung

Abbildung 20: CO2-Emissionen verschiedener Energieträger je erzeugter kWh

Abbildung 21: Wandlungsprozess und Endprodukte

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: CO2-Aufnahme im Vergleich

Tabelle 2: Erträge verschiedener Energiepflanzen im Vergleich

Tabelle 3: Oberflächen - Volumenverhältniss der Systeme

Tabelle 4: Vergleich der verschiedenen Systeme

Tabelle 5: Vergleich der Erntetechniken der 1. Stufe

Tabelle 6: Vergleich der Trennverfahren

Tabelle 7: Energiedichte verschiedener Energieträger

Tabelle 8: Reduktion des Wirkungsgrades durch CO2-Abscheidung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Der stetig steigende Energiebedarf, die wachsende Weltbevölkerung sowie der Klimawandel haben in den vergangenen Jahrzehnten zu einer immer stärker werdenden Nachfrage nach regenerativen Energieträgern geführt. Diese können aus nachwachsenden Rohstoffen, wie der Biomasse von Landpflanzen, gewonnen werden. Die Bandbreite ihrer Endprodukte reicht von Pflanzenöl über Biodiesel bis hin zu Biogas.

Seit einigen Jahren wächst jedoch die Kritik an den eben genannten Produkten, da die Folgen ihrer Produktion wesentlich weitreichender sind, als zu Beginn angenommen. Die Nutzenkonkurrenz auf den Feldern und die vermehrte Nachfrage nach Pflanzenöl für die Biodieselproduktion haben weltweit zu steigenden Nahrungsmittelpreisen und vermehrtem Hunger in Entwicklungsländern geführt. Um diesem Hunger entgegen zu wirken, wurden neue Anbauflächen benötigt, welche oftmals durch die Rodung von Regenwäldern geschaffen wurden.

So stehen die ehemals hochgelebten Biotreibstoffe heute im Verdacht, den Welthunger zu verstärken, Ökosysteme unwiederbringlich zu zerstören und somit das genaue Gegenteil einer sozial und ökologisch vertretbaren Alternative zu fossilen Brennstoffen darzustellen. Dies wirft die Frage auf, ob die bisherigen Quellen für Biomasse noch zeitgemäß sind und welche alternativen Quellen es für nachwachsende Rohstoffe gibt.

Die folgende Arbeit soll die Frage beantworten, welchen Beitrag Mikroalgen zu einer nachhaltigen Energieversorgung leisten können und wie diese neue Technologie ökologisch, ökonomisch und sozialverträglich ausgebaut und vorteilhaft in vorhandene Strukturen und Systeme integriert werden kann.

Um diese Fragen zu beantworten, wird zu Beginn ein grundlegendes Verständnis für den Organismus Mikroalge geschaffen und ihre Vorteile gegenüber konventionellen Energiepflanzen aufgezeigt. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden verschiedene relevante Einflussfaktoren bei der Produktion von erneuerbaren Energieträgern mittels Mikroalgen betrachtet und parallel die ökologisch und ökonomisch sinnvollsten Kombinationen herausgestellt. Somit lässt sich ein Bild der Nachhaltigkeit über den kompletten Produktionsprozess zeichnen.

Um die Brisanz der Suche nach alternativen Energiequellen herauszustellen, werden in Kapitel zwei das rasante Bevölkerungswachstum und die Reichweite der fossilen Energieträger genauer betrachtet. Das dritte Kapitel schafft das für die Arbeit nötige Basiswissen über Mikroalgen im Allgemeinen und geht auf deren Besonderheiten sowie Vorteile gegenüber konventionellen Energiepflanzen und anderen regenerativen Energieträgern ein. Anschließend werden die heute verfügbaren Kultivierungssysteme und Ernteverfahren erklärt. Im vierten Kapitel wird eine Übersicht über die zur Energieversorgung relevanten Endprodukte sowie deren Herstellungsverfahren gegeben. Der erste Teil des fünften Kapitels benennt die nötigen Inputs und entstehenden Stoffströme, die für die Kultivierung von Mikroalgen notwendig sind und geht gleichzeitig auf Möglichkeiten ein, diese ökonomisch und ökologisch sinnvoll in bereits bestehende Stoffkreisläufe und Versorgungsstrukturen zu integrieren. Im zweiten Teil werden dann aktuelle Projekte und Anlagen vorgestellt, die den momentanen Stand der Technik abbilden und dem Leser einen Überblick über diese ermöglichen. Kapitel sechs schließt die Arbeit mit einem Fazit und einem Ausblick in die Zukunft ab.

Dem Umfang der Arbeit entsprechend können nur Mikroalgen in von Menschen geschaffenen Systemen betrachtet werden. Makroalgen sowie jegliche Art von frei in der Natur wachsenden Algen, einschließlich Methoden wie Geoengineering, finden hier keine Erwähnung.

Aufgrund des relativ neuen Forschungsfeldes der Energiegewinnung mittels Mikroalgen dienten als Quellen größtenteils aktuelle Fachmagazine oder Informationen, welche direkt von forschenden Unternehmen oder Wissenschaftlern stammen. Durch diese Grundlage konnte die umfangreiche Recherche die wichtigsten und aktuellsten nationalen und internationalen Studien sowie Forschungsergebnisse zu diesem Thema erfassen und so ein Bild der Technik erstellen, welches dem aktuellen Erkenntnisstand entspricht.

2. Herausforderungen des 21. Jahrhunderts

Der steigende Bedarf an alternativen und regenerativen Energiequellen wird im folgenden Kapitel anhand einiger Probleme der heutigen Zeit verdeutlicht. Hierzu wird zuerst das Wachstum der Weltbevölkerung und ihr immer größerer Hunger nach Energie betrachtet, um dann eine Übersicht über die momentan noch vorhandenen fossilen Ressourcen, sowie deren Reichweite zu geben. Anschließend werden die Auswirkungen des Verbrauches fossiler Rohstoffe auf das globale Klima thematisiert, um die Dringlichkeit der Suche nach alternativen Energiequellen zu verdeutlichen.

2.1 Das Bevölkerungswachstum

Bedingt durch das stetig steigende Bevölkerungswachstum und das Streben der Schwellen- und Entwicklungsländer nach westlichen Lebensstandards, zeigen Zukunftsprognosen einen ebenso steigenden Energiebedarf. Im Jahr 2050 werden laut einer Studie der UN, die eine mittlere Wachstumsrate annimmt, 9,2 Mrd. Menschen die Erde bevölkern – 2,5 Mrd. mehr als heute.^[1]

Sollte dieses Szenario eintreten, könnte sich der Primärenergiebedarf innerhalb der nächsten 40 Jahre verdoppeln. Shell errechnet in einer Studie aus dem Jahr 2008 einen Anstieg des weltweiten Primärenergiebedarfs von 417 EJ (2000) auf 769 EJ bzw. 880 EJ (2050), je nach Szenario.^[2] Betrachtet man die Prognosen der Internationalen Energieagentur, könnte bereits 2035 ein Weltprimärenergiebedarf von 755 EJ erreicht werden, wenn der bisherigen Entwicklung politisch nicht gegengesteuert wird. Dieser zunehmende Verbrauch soll zum Großteil aus fossilen Energien gedeckt werden.^[3]

2.2 Die Endlichkeit fossiler Ressourcen

Der „Key Energy Statistics" ­­- Bericht der Internationalen Energie Agentur aus dem Jahr 2011 zeigt für die weltweit eingesetzten Primärenergieträger die in Abbildung 1 dargestellte Verteilung. Aus dieser wird ersichtlich, dass die Menschheit momentan rund 86,7% ihres Primärenergieverbrauches aus nicht erneuerbaren Energiequellen bezieht.

Abbildung 1: Weltweiter Primärenergieeinsatz 2009^[4]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der "World Energy Technology Outlook" der European Commission präzisiert die Angaben der zukünftigen Deckung des Energiebedarfes noch weiter. So wird bis zum Jahr 2050 eine Steigerung des Energieverbrauches um 70%, von 418 EJ (2006) auf 921 EJ prognostiziert. Dieser Mehrverbrauch soll mittels fossiler Energieträger gedeckt werden, je 26% durch Öl und Kohle sowie 18% durch Erdgas.^[5] Bei einem derartig stark steigenden Verbrauch stellt sich zwangsläufig die Frage, wann wir ein Ressourcenproblem bekommen. Zur Reichweite der verschiedenen Energieträger gibt es aktuelle Hochrechnungen der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) aus dem Jahr 2010, die sich wie folgt darstellen.

Abbildung 2: Reichweite der weltweiten Reserven 2010^[6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das hier abgebildete Diagramm betrachtet die Reichweite der Energieträger statisch, folglich wird nur der aktuelle Kenntnisstand bezüglich technischer Abbaumethoden, Forschung und Energieumwandlungseffizienz mit in die Berechnung einbezogen. Diese Daten stellen die global bekannten Ressourcen^[7] und Reserven^[8] in Zusammenhang mit ihrem jährlichen Verbrauch. Daraus wird unter Annahme eines gleich bleibenden Energieverbrauches die statische Reichweite in Jahren errechnet. Diese bei der Rohstoffdiskussion gängige Methode lässt viele Faktoren außer Acht, die bei einer dynamischen Betrachtung der Reichweite mit einfließen würden. Sie gibt jedoch eine grobe Übersicht, wie lange die jeweiligen Ressourcen bei gleich bleibenden Rahmenbedingungen (Bevölkerungsanzahl, Wirtschaftswachstum, technologischer Fortschritt, Rohstoffpreise) noch verfügbar wären.^[9]

Dass von einer kürzeren Reichweite als der statisch errechneten ausgegangen werden kann, erschließt sich aus den in Kapitel 2.1 angeführten Wachstumsprognosen für die Bevölkerung sowie durch die schnell wachsende Wirtschaft und aufkommende Konsumgesellschaft in Schwellenländern, Indien und China.

Ein neben der Energieversorgung ebenfalls wichtiger Aspekt ist, dass heute beinahe alle Produkte des Alltags Erdöl enthalten, oder es zu deren Herstellung benötigt wird. Erdöl ist ein essenzieller Grundstoff für viele Prozesse und muss auch in diesem Fall als endlicher Rohstoff gesehen werden, für den es innerhalb der oben genannten Zeiträume ein Substitut zu finden gilt.

Zum Einen muss auf Grund der gerade aufgezeigten Endlichkeit der fossilen Energieträger nach Alternativen gesucht werden, zum Anderen hat deren Nutzung noch weitere relevante Folgen, wie die Freisetzung klimaverändernder Treibhausgase.

2.3 Der Klimawandel

Im Jahr 2007 veröffentlichte der IPCC, ein zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaveränderung, seinen vierten Sachstandsbericht zur globalen Erwärmung. Aus diesem geht klar hervor, dass der Mensch mit seinen Aktivitäten auf der Erde zur globalen Erwärmung beiträgt. Seitdem wird der Einfluss des Menschen auf den Treibhauseffekt von einem Großteil der Bevölkerung und der politischen Entscheidungsträger als erwiesen angesehen.

Der natürliche Treibhauseffekt, der das Leben auf der Erde überhaupt erst ermöglicht hat, wird als hinlänglich bekannt angenommen und daher hier nicht weiter ausgeführt. Mit dem Beginn der Industrialisierung hat der Mensch vermehrt begonnen, Einfluss auf den natürlichen Treibhauseffekt auszuüben. Anfänglich nur durch die vermehrte Nutzung von Holz als Brennstoff, später durch die weitreichende Nutzung von fossilen Rohstoffen wie Kohle, Erdöl oder Erdgas.

Betrachtet man die globale atmosphärische Kohlendioxidkonzentration vor dem Beginn des Industriezeitalters im Vergleich zu heute, ist sie von etwa 280 ppm auf 393 ppm^[10] (2012) angestiegen. Diese Konzentration übersteigt bei Weitem das aus Eisbohrkernen ermittelte natürliche Niveau der letzten 650.000 Jahre. Dessen Schwankungen lagen immer zwischen 180 und 300ppm.^[11] Betrachtet man nun die noch kleinere Zeitspanne von 1970 bis 2004, haben sich die CO2-Emissionen um 80% erhöht, wobei in den letzten 10 Jahren eine weitere Beschleunigung stattgefunden hat.^[12] Mit einer Emission von 33,5 Mrd. Tonnen wurde 2010 ein neuer Höchststand erreicht.^[13]

Durch diese Zunahmen von Treibhausgasen in der Atmosphäre steigen weltweit die mittleren Jahrestemperaturen. Dies zeigt sich besonders, wenn man die letzten 15 Jahre betrachtet. So fallen, mit einer Ausnahme, die wärmsten Jahre seit Beginn der detaillierten Wetteraufzeichnungen (1881) in diesen Zeitraum. Der Bericht des IPCC prognostiziert einen globalen Temperaturanstieg zwischen 1,8°C und 4,0° C im Laufe des 21. Jahrhunderts.^[14]

Die Folgen dieses Anstieges können bereits heute in Form von weltweitem Extremwetter beobachtet werden und können sich noch verschlimmern, falls der Temperaturanstieg nicht verhindert wird. Als noch beherrschbar wird ein Temperaturanstieg von 2° C angesehen. Um diese Marke nicht zu überschreiten, muss laut IPCC das Wachstum der Treibhausgasemissionen binnen der kommenden zwölf Jahre gestoppt und danach umgekehrt werden.^[15]

Angesichts derzeit immer schneller wachsender Emissionen stellt dies eine enorme Herausforderung dar, die ohne einen grundlegenden Umbau der aktuellen Energiewirtschaft, eine Änderung des menschlichen Verhaltens, sowie der Erforschung und dem Einsatz neuer Technologien nicht zu bewältigen ist.

Zur Lösung der in diesem Kapitel angesprochenen Problemstellungen können Mikroalgen aufgrund ihrer im folgenden Kapitel vorgestellten Besonderheiten und ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten einen entscheidenden Beitrag leisten.

3. Mikroalgen und deren Gewinnungsprozess

Das folgende Kapitel beginnt mit einem Überblick über die Erforschung der Mikroalgen und deren Besonderheiten, um dann kurz die wichtigsten Vorteile dieser Organismen gegenüber anderer Energiepflanzen herauszustellen. Im weiteren Verlauf werden die verschiedenen Kultivierungssysteme und Erntemethoden, sowie der aktuelle technische Stand näher thematisiert und die verschiedenen Systeme verglichen.

3.1 Stand der Forschung und Besonderheiten von Mikroalgen

Weltweit existieren mehr als 100.000 verschiedene Arten von Mikroalgen, näher erforscht sind bis heute nur einige Tausend.^[16] Ein fast zwei Jahrzehnte andauerndes Forschungsprojekt (Aquatic Species Program) des Energieministeriums der USA untersuchte im Zeitraum von 1978 bis 1996 mehr als 3.000 verschiedene Mikroalgenarten. Von diesen wurden rund 300 für die zukünftige Erforschung alternativer Energiequellen als relevant erachtet.^[17] Warum diese Organismen eine so wichtige Rolle als alternative Energiequellen spielen und warum so intensiv an ihnen geforscht wird, soll nun kurz umrissen werden.

Mikroalgen haben einige entscheidende Vorteile gegenüber Landpflanzen, aufgrund derer sie dem Anbau konventioneller Energiepflanzen vorzuziehen sind. Die wohl herausragendste Eigenschaft ist der Ölertrag je Anbaufläche. Er liegt, wie in Tabelle 2 zu sehen, im Vergleich zu konventionellen Energiepflanzen um ein vielfaches höher. Dies resultiert aus ihrer hohen Wachstumsrate, dem hohen Ölgehalt und der Tatsache, dass sie keinerlei unbrauchbare Biomasse wie Wurzelwerk oder Blätter produzieren.

Wie alle Grünpflanzen betreiben auch Mikroalgen Fotosynthese, für die sie CO2 benötigen. Dies kann bei ihrem Wachstum sowohl aus der Umgebungsluft entzogen, als auch künstlich zugeführt werden. Hier bietet sich die Möglichkeit, in Kraftwerken erzeugtes CO2 als Rohstoff für die Gewinnung von Algenbiomasse zu nutzen und somit die direkten Emissionen des Kraftwerks zu reduzieren. Basierend auf der durchschnittlichen chemischen Zusammensetzung ist eine Tonne Algenbiomasse in der Lage, rund zwei Tonnen CO2 aufzunehmen und gleichzeitig 1,6 Tonnen Sauerstoff freizusetzen.^[18] Das Verhältnis des aufgenommenen CO2 in Verbindung mit der schnellen Wachstumsrate stellt mit die größte Stärke der Mikroalgen dar. Tabelle 1 zeigt, wie viel Kilogramm CO2 ein Hektar deutscher Mischwald im Vergleich zu einem Hektar Algenfarm pro Jahr aufnehmen kann.

Tabelle 1: CO2-Aufnahme im Vergleich^[19], ^[20]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein weiterer Vorteil der Mikroalgen gegenüber Landpflanzen ist die Fähigkeit, nicht nur phototroph^[21], sondern auch heterotroph zu wachsen. Die Algen benötigen als Energiequelle nicht zwingend Licht, sondern können auch auf organische Verbindungen wie Glukose, Stärke oder Zucker ausweichen. Somit ist ein kontinuierliches und lichtunabhängiges Wachstum, auch in der Nacht, möglich. Wenn eine variable Nutzung aus Sonnenlicht, CO2 und organischen Nährstoffen vorliegt, spricht man von mixotrophem^[22] Wachstum. Besonders diese Kombination aus beiden Wachstumsarten ist für die Forschung interessant, da hier große Synergiepotenziale liegen.

Weitere Vorteile der Mikroalgen werden in Kapitel 4 und 5 im Zusammenhang erklärt.

3.2 Ausgewählte Arten erforschter Mikroalgen

Dem Umfang dieser Bachelorarbeit entsprechend findet hier eine Eingrenzung auf die drei laut Aquatic Species Programm relevantesten Arten statt. Diese wurden auch in weiteren Studien als wichtig erachtet und reichen aus, um das nötige Grundverständnis zu schaffen und kurz den Stand der Forschung zu beleuchten. Die für diese Arbeit wichtigsten Unterschiede der betrachteten Gattungen liegen in der benötigten Wachstumsumgebung, der optimalen Energiequelle sowie dem Lipidgehalt in der erzeugten Trockenmasse. Der Lipidgehalt gibt bei Mirkoalgen den Öl- bzw. Fettanteil an, den der Organismus während des Wachstums im Inneren der Zellstruktur eingelagert hat.

Chlamydomonas reinhardtii (Abbildung 3a) ist die am besten erforschte eukariontische^[23] Süßwasseralge. Bezüglich der Lipid-Produktion ist Chlamydomonas reinhardtii nicht die effizienteste Art, kann aber aufgrund ihrer bekannten Eigenschaften einen Beitrag zum Verständnis der Grundlagen der Lipid-Synthese leisten. Da die Lipid-Produktion, wie auch die Kohlenhydrateinlagerung stark von der optimalen Wachstumsumgebung abhängen, kann hier durch gezielte Forschung ein Beitrag zum Grundlagenwissen geleistet werden. Ihre Besonderheit liegt, neben dem vollständig entschlüsselten/sequenzierten Genom und den transgenen^[24] Fähigkeiten darin, dass sie geschlechtlich gekreuzt werden kann.^[25] Hierdurch besteht die Möglichkeit, auch ohne Genmanipulation, Merkmale verschiedener Arten zu kreuzen und die Alge für spezielle Wachstumsbedingungen zu optimieren. Dies ist von Vorteil, da sich das Einschleusen fremder Gene aufgrund der dabei auftretenden genetischen Verzerrungen immer noch problematisch gestaltet.^[26] Aufgrund vermehrter Forschung und großer Fortschritte im Bereich der Gentechnik wurden jedoch unlängst erste erfolgreiche Implementierungen fremder Gene gemeldet.^[27]

Chlorella (Abbildung 3b) ist eine weitere gut erforschte Gattung der Mikroalgen. Sie kann im Vergleich zu Chlamydomonas reinhardtii nicht geschlechtlich gekreuzt werden, weist jedoch andere wichtige Eigenschaften auf, die sie für die Forschung interessant machen. Erstens liefert sie einen Lipidanteil von bis zu 50% in der Trockenmasse, was sie zum Anbau für die Ölproduktion prädestiniert; Zweitens kann Chlorella sowohl in Süß- als auch in Brackwasser^[28] kultiviert werden. Bei der Unterart Chlorella protothecoides bewirkt die Zugabe von Glukose heterotrophes Wachstum, was zu einer signifikanten Erhöhung der Wachstumsrate, erhöhter Massenausbeute sowie einem gesteigerten Lipidgehalt von über 50% in der Trockenmasse führt.^[29] Ebenfalls findet eine schnellere Regeneration der mixotroph wachsenden Algen von zu intensiver Beleuchtung statt und eine Photoinhibition^[30] kann reduziert, bestenfalls sogar gestoppt werden.^[31] Die Gensequenz von Chlorella variabilis konnte bereits im Jahr 2007 vollständig entschlüsselt werden, was einen wichtigen Meilensteil in der Erforschung dieser Gattung darstellte.^[32]

Dunaliella salina (Abbildung 3c) ist aufgrund mehrerer Eigenschaften besonders geeignet für eine groß angelegte Produktion. Diese Mikroalgenart produziert einen hohen Lipidanteil^[33] und hat eine hohe Salztoleranz, bis nahe der Sättigungsgrenze des Wassers^[34]. Durch diese hohe Toleranz kann sie unter extremen Bedingungen kultiviert werden, wodurch sich das Wachstum anderer kontaminierender Organismen reduzieren lässt. Kieselalgen wie Dunaliella salina waren ein wichtiger Teil des oben erwähnten Aquatic Species Programm und sind für rund 20% des weltweit gebundenen CO2 verantwortlich.^[35] Dunaliella salina ist sehr robust gegenüber äußeren Einflüssen und weist gute Wachstumsraten in der Produktion von Biomasse auf. Ein besonderes Merkmal dieser Algenart sind ihre Zellwände aus Kieselsäure und ihr Bedarf an Monokieselsäure (Si(OH)4) zu deren Aufbau. Wird die Verfügbarkeit an Si(OH)4 reduziert, werden anstatt dem Aufbau der Zellwände vermehrt Lipide produziert. Dieser Zusammenhang ist vorteilhaft für die Untersuchung des chemischen Stoffwechsels in der Alge und macht sie relevant für weitere Forschungen und Versuche. Momentan sind die Genom-Sequenzen zweier Kieselalgenarten komplett sequenziert und drei weitere, darunter auch Dunaliella salina, stehen kurz vor der Fertigstellung.^[36]

Abbildung 3: Mikroskopaufnahmen vorgestellter Mikroalgen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

a. Chlamydomonas reinhardtii^[37]
b. Chlorella Vulgaris^[38]
c. Dunaliella salina^[39]

3.3 Verschiedene Systeme zur Kultivierung der Mikroalgen

Bereits seit den 1950er Jahren wird an der Kultivierung von Mikroalgen und zugehöriger Systeme geforscht. Damals noch mit der Intention, eine alternative Proteinquelle zur Versorgung der wachsenden Weltbevölkerung zu finden. Seit der Ölkrise in den 1970er Jahren begann die Erforschung der Algen im Bezug auf die Bereitstellung erneuerbarer Energie.

Um das Wachstum von Algen zu gewährleisten, müssen ein paar relativ einfache Bedingungen erfüllt sein: eine Energiequelle, eine Kohlenstoff-Quelle, Wasser und Nährstoffe sowie die angemessene Temperatur. Diese Bedingungen lassen sich in vielen über die Jahre geschaffenen Systemen realisieren. Die Herausforderung, die bis heute besteht, ist jedoch, ein System zu entwickeln, das auch in industriellen Maßstäben realisierbar und wirtschaftlich ist. Hier befinden sich unterschiedliche Technologien in verschiedenen Stadien der Entwicklung, wobei die optimale Konfiguration weder gefunden noch im industriellen Maßstab umgesetzt wurde.

3.3.1 Offene Systeme

Die einfachsten Systeme zur Algenkultivierung sind offene flache Teiche ohne Umwälzung. Ihre Größen reichen von einigen m² bis zu mehreren hundert ha (Abbildung 4a und b). Als Kohlenstoffquelle dient CO2 aus der Umgebungsluft. Da dessen Löslichkeit im Wasser gering ist, fallen auch die Biomasseerträge pro Hektar relativ gering aus. Dies wird durch weitere negative Einflüsse wie die schlechte Verteilung der Nährstoffe und die suboptimale Ausnutzung des verfügbaren Sonnenlichts verstärkt (Abbildung 6, Seite 18). Diese negativen Faktoren können mittels Durchmischung des Mediums relativ einfach verhindert werden. Ein Beispiel hierfür sind die sogenannten Raceway-Ponds mit einer Tiefe zwischen 20 und 30 cm (Abbildung 4c), in denen ein breites Schaufelrad (Abbildung 4d) das Medium ständig in Bewegung hält. Durch die Umwälzung mittels Schaufelrad wird dem Medium CO2 zugeführt, die Sedimentation der Algen wird vermindert sowie die Lichtaufnahme je Zelle verbessert (Abbildung 6, Seite 18).

Ein großes Problem bei offenen Systemen ist die Gefahr der Kontamination durch fremde Algenarten, welche in der vorhandenen Umgebung besser gedeihen und somit die gewünschte Algenart verdrängen. Bisher gibt es nur wenige Algenstämme die in der freien Natur dominant genug sind sich selbst zu erhalten.^[40] Ebenfalls schwierig gestaltet sich die Regulation der Temperatur in offenen Systemen. Eine der wenigen wirtschaftlichen Möglichkeiten besteht, wenn in der Umgebung große Kontingente an kostenloser Abwärme (zum Beispiel durch Kraftwerke oder industrielle Prozesse) zur Verfügung stehen.^[41] Als letztes Problem ist hier noch die Verdunstung anzuführen, die standortabhängig pro Jahr 1 – 3 m³/m² betragen kann. Dieser Verlust erhöht den Bedarf an Frischwasser, was besonders in sonnenreichen Gebieten mit geringen Wasservorkommen zu hohen Kosten und Nutzenrivalitäten führen kann.^[42] Die Verdunstung führt außerdem zu einer konstanten Erhöhung des Salzgehaltes im Nährmedium, welcher entgegen gewirkt werden muss.

Abbildung 4: Beispiele offener Kultivierungssysteme

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

a. Kleines Becken zum Anbau von Spirulina - Algen^[43]
b. Große Becken zur Zucht von Dunaliella salina ^[44]
c. Raceway-Ponds unterschiedlicher Größe zu Testzwecken^[45]
d. Schaufelrad eines Raceway-Ponds^[46]

3.3.2 Geschlossene Systeme

Die gerade genannten Probleme, die bei offenen Systemen auftreten, können durch geschlossene Systeme größten Teils vermieden werden. Hierzu können die Oberflächen der Teiche mit einer transparenten Folie oder einem gewächshausähnlichem Überbau vor Umwelteinflüssen geschützt werden, was bei großen Flächen jedoch sehr kostenintensiv ist. Eine weitere einfache und kostengünstige Methode ist der Einsatz von Polyethylen-Zylindern im Batch-Betrieb^[47] (Abbildung 5a). Die Polyethylen-Beutel haben ein Fassungsvermögen von bis zu 1.000 Litern und werden von einem Drahtgestell gestützt. Die hohe Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen macht dieses System für den Langzeiteinsatz im Außenbereich jedoch ungeeignet. Haltbarere Materialen, auf deren Basis mehrere Systeme für den Langzeiteinsatz im Außenbereich entwickelt wurden, sind Glas und Polykarbonat. Durch den kontinuierlichen Betrieb bieten diese Systeme eine gute Regelbarkeit und erhöhte Biomasse-Konzentrationen. Diese Kombination führt in Verbindung mit dem geringeren Platzbedarf zu niedrigeren Kosten je Tonne erzeugter Biomasse.

Ein Beispiel hierfür ist der Blasensäulenreaktor (Abbildung 5b). Er gewährleistet eine gute Durchmischung sowie CO2-Verteilung im Nährmedium, bringt im Außenbereich jedoch das Problem der Verschattung mit sich (Abbildung 5c). Der Nachteil der Verschattung lässt sich durch eine horizontale Anordnung der Röhren beseitigen (Abbildung 5d), diese wirft jedoch andere Problemstellungen auf. Bei ihrem Wachstum verbrauchen Algen Nährstoffe und produzieren Sauerstoff, der bei erhöhter Konzentration ihr Wachstum hemmt. Somit nimmt über die Länge des Rohrreaktors die Nährstoffkonzentration ab und die Sauerstoffkonzentration zu, was zu einem Rückgang des Wachstums führt. Die Lösung hierfür sind kleinere (aber kostenintensivere) Systeme, in denen das Verhältnis von Rohrlänge zu Gesamtvolumen optimiert ist.

Eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber der vorgestellten Techniken bringen die neuesten 3D-Matrix Systeme (Abbildung 5e und f). Mit ihnen kann eine höhere Massekonzentration in der Algensuspension verglichen mit offenen und geschlossenen Systemen erreicht werden. Dies wird durch eine im Verhältnis zum Volumen stark vergrößerte Oberfläche erreicht, welche zu einer höheren Lichtaufnahme der Mikroalgen führt (Abbildung 6, Seite 18). Mit dieser Bauweise kann ebenfalls eine bessere CO2-Dispersion in der Nährlösung gewährleistet werden. Verbesserungspotenziale der 3D-Matrix-Systeme finden sich noch im Bereich des Energieaufwandes für die CO2-Zufuhr und die Durchmischung. So bestimmt die Höhe der Wassersäule im Reaktor den Druck, der bereitgestellt werden muss, um am tiefsten Punkt des Reaktorraumes das CO2 einzublasen. Ebenso steigt die zur Umwälzung benötigte Energie, je größer das Volumen der Algenkultur ist.^[48]

Neben der benötigten Energie ist die Temperaturregelung im Außeneinsatz ein weiterer entscheidender Faktor welcher die Gesamteffizienz der Anlage beeinflusst. Mikroalgen gedeihen nur in einem bestimmten Temperaturspektrum optimal. Dies kann sogar im gemäßigten Klima Mitteleuropas tagsüber eine Kühlung und nachts eine Erwärmung der Nährlösung erforderlich machen.^[49]

Alle bisher genannten Anforderungen, die notwendig sind, um eine energiesparende und optimale Wachstumsumgebung für die Algen zu schaffen, werden in der neuesten Generation von Reaktoren erfüllt. Hierbei handelt es sich um von Wasser umströmte Beutelreaktoren aus Plastik, die eine Dicke weniger Zentimeter aufweisen (Abbildung 5g und h). Das Wasser dient hierbei als Temperaturpuffer gegenüber der Umgebung und sorgt durch die Streuung des Sonnenlichtes für eine optimale Verteilung des Lichts und somit für eine maximale Lichtausbeute, bezogen auf die Oberfläche der Kultur. Aufgrund der einfachen Bauart sind die Investkosten dieser Technik gegenüber den anderen vorgestellten Systemen sehr gering, was sie für einen großflächigen Einsatz lukrativ macht.^[50] Am effizientesten sind diese Unterwassersysteme, wenn sie in Küstenregionen im Meer versenkt werden, da dann die Temperaturregulation über das Meerwasser und ohne zusätzlichen Energieaufwand erfolgt.

Abbildung 5: Beispiele geschlossener Kultivierungssysteme

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

a. Polyethylen-Zylindern^[51]
b. Blasensäulenreaktor^[52]
c. Verschattungsproblem^[53]
d. Horizontaler Rohrreaktor^[54]
e. &
f. 3D-Matrix System^[55]
g. &
h. Unterwasser-Beutelreaktoren^[56]

3.3.3 Gegenüberstellung der Kultivierungssysteme

Das Verhältnis zwischen der Oberfläche und dem Volumen der Kultur beeinflusst, wie oben geschildert, maßgeblich die maximal mögliche Lichtaufnahme und somit auch die Produktivität der Mikroalgen. Dies soll hier mittels der Abbildung 6 und der zugehörigen Tabelle 3 noch einmal anschaulich verdeutlicht werden.

Abbildung 6: Lichtaufnahme der verschiedenen Systeme^[57]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3: Oberflächen - Volumenverhältniss der Systeme^[58]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein Vergleich aller drei Systeme erfolgt in Tabelle 4 auf den nächsten Seiten.

Tabelle 4: Vergleich der verschiedenen Systeme^[59],^[60],^[61]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]

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^[1] Vgl. UN (2007), S. 7.

^[2] Vgl. Shell (2008), S. 46.

^[3] Vgl. IEA (2011), S. 46.

^[4] Vgl. IEA (2011), S.6.

^[5] Vgl. EC (2006), S 12.

^[6] Vgl. BGR (2010), S. 36-77.

^[7] Ressourcen: Teil des weltweiten Vorkommens, der mit großer Genauigkeit erfasst wurde und mit

den derzeitigen technischen Möglichkeiten wirtschaftlich gewonnen werden kann.

(BGR (2010), S. 84),

^[8] Reserven: Teil der weltweiten Vorkommen, der entweder nachgewiesen, aber derzeit nicht wirtschaftlich gewinnbar ist, oder geologisch noch nicht genau erfasst ist.

(BGR (2010), S. 83),

^[9] Vgl. BMWi (2006), S. 3.

^[10] Vgl. www.esrl.noaa.gov (2012).

^[11] Vgl. IPCC (2007), S. 42.

^[12] Vgl. IPCC (2007), S. 5.

^[13] Vgl. www.Zeit.de (2011).

^[14] Vgl. IPCC (2007), S. 8.

^[15] Vgl. IPCC (2007), S. 22ff.

^[16] Vgl. Schießmann, U. (2011).

^[17] Vgl. NREL (2008), S. 11.

^[18] Vgl. Piek, A. (2011), S. 38.

^[19] Vgl. www.wald.de.

^[20] Vgl. Pulz, O. (2007), S.6.

^[21] Phototrophie: Als Energiequelle dienen Licht und CO2.

^[22] Mixotrophie: Es werden sowohl Licht als auch organische Substanzen Energiequelle genutzt.

^[23] Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen.

^[24] Die Fähigkeit, erfolgreich fremde Gene in den Organismus einzuschleusen.

^[25] Vgl. Merchant, S.S., et. al. (2007), S. 248.

^[26] Vgl. Heitzer, M., et. al. (2007), S. 36f.

^[27] Neupert, J., et. al. (2009), S. 1147.

^[28] Brackwasser bezeichnet Fluss- oder Meerwasser mit einem Salzgehalt zwischen 0,1% und 1%.

^[29] Vgl. Xu, H., et. al. (2006), S. 499ff.

^[30] Hemmung der Photosynthese durch Beleuchtung weit über dem Lichtsättigungspunkt der Pflanze.

^[31] Vgl. Kröger, M., (2011),

^[32] Vgl. León, R., et al. (2007), S. 4.

^[33] Vgl. Weldy, C.S., et. al. (2007), S. 120.

^[34] Die Sättigung von Wasser mit Salz tritt bei rund 350g je Liter ein.

^[35] Vgl. Armbrust, E.V., et. al. (2004), S. 84.

^[36] Vgl. Li, J., et. al. (2007), S. 142.

^[37] www.haverford.edu.

^[38] www.visualphotos.com.

^[39] www.themagicisbac.com.

^[40] Vgl. Chisti, Y. (2007), S. 301.

^[41] Vgl. Rodolfi, L. et. al. (2009).

^[42] Vgl. Sartori, E. (2000), S. 77f.

^[43] www.spirulina-vera.com.

^[44] www.unizar.es.

^[45] www.switchboard.nrdc.org.

^[46] www.biopondpaddlewheel.com.

^[47] Batch-Kultur: Über die Wachstumsdauer unverändertes, geschlossenes Zuchtsystem für Mikroorganismen.

^[48] Vgl. Schlagermann, P., et. al. (2011), S. 12.

^[49] Vgl. ebenda.

^[50] Vgl. proviron.com.

^[51] www.uib.no.

^[52] www.biopetroleo.com.

^[53] Vgl. Wijffels, R., (2007).

^[54] www.bio-pro.de.

^[55] Ecoduna. (2011), S. 28.

^[56] Vgl. Schlagermann, P., et. al. (2011), S. 14.

^[57] Eigene Zusammenstellung.

^[58] Vgl. Pulz, O. (2007), S.6.

^[59] Vgl. Pulz, O. (2007), S.6.

^[60] Eigene Zusammenstellung

^[61] Vgl. Schlagermann, P., et. al. (2011), S. 13.