Die Mikroalge als Alternative zu konventionellen Energieträgern

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Die Mikroalge
2.1 Morphologie und Vorkommen
2.2 Produktivität im Vergleich zu konventionellen Energiepflanzen

3 Die Mikroalgenproduktion
3.1 Offenes System
3.2 Geschlossene Systeme

4 Die möglichen Produkte aus Mikroalgen und ihre Wirtschaftlichkeit
4.1 Verwendung in der Industrie
4.2 Verwendung zur Energieerzeugung

5 Fazit

Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Ende Oktober 1973 verknappte die Organisation der erdölfördernden Länder (OPEC) drastisch das Erdölangebot auf der Welt. Infolge dieser Ölverknappung stiegen die Preise für Treibstoffe und Heizöl, Vorratskäufe wurden getätigt und die Bundesregierung erließ ein allgemeines Fahrverbot (Bahnsen 2013). Nach dieser Krise erkannten Regierungen die starke Abhängigkeit von Erdöl sowie deren Anbieter und versuchten seitdem eine Alternative zu finden, um den Bedarf an Strom, Treibstoffen und Wärme zu decken (Bahnsen 2013). Neben Photovoltaik, Wind- und Wasserkraftanlagen etablierte sich als erneuerbare Energie die Biomasseproduktion, in Form von Bioethanol, -methanol und -diesel, aus verschiedenen Pflanzenkulturen, wie Mais (Heißenhuber 2011). Zwei große Nachteile der Kraftstoffproduktion durch Biomasse sind zum einen die benötigte Fläche für die Kulturen und zum anderen die Ineffizienz im Vergleich zu Photovoltaikanlagen (Heißenhuber 2011).

Eine interessante Kultur, welche sowohl das Kraftstoffproblem lösen und die Umwelt weniger belasten würde, ist die Mikroalge. Diese wird seit den letzten Dekaden sowohl von Forschung als auch von der Industrie intensiv untersucht (Wu et al. 2014). Als Rohstoff hat sich die Mikroalge bereits in der Industrie wirtschaftlich etabliert, wie beispielsweise in den Bereichen der Nahrungsergänzungsmittel und Kosmetik (Vieira Costa und de Morais 2014).

Aufgrund der endlichen Menge von Erdöl ist es von Interesse herauszufinden inwieweit Mikroalgen die konventionellen Energiepflanzen zur Biokraftstoffproduktion ersetzen können. Der erste Teil der Arbeit beschreibt die Mikroalge im Allgemeinen. Dazu gehören ihr Vorkommen, ihre Morphologie und ihre Vorteile im Vergleich zu anderen Energiepflanzen. Anschließend werden in Kapitel 3 die zwei häufigsten Produktionssysteme gegenübergestellt. Zum einen gibt es das offene System, mit welchem offene Gewässer und Teiche bezeichnet werden. Und zum anderen das geschlossene, bei dem abgeschlossene Röhren und Behälter verwendet werden. Der letzte Teil behandelt die Produktionszweige von Mikroalgen und beschäftigt sich mit ihrer Wirtschaftlichkeit.

2 Die Mikroalge

2.1 Morphologie und Vorkommen

Mikroalgen sind ein- oder mehrzellige Organismen, die eine Größe von wenigen Mikrometern haben und in der Lage sind Kolonien zu bilden (Posten 2012). Die Mikroalgen sind in ihrer Systematik eine polyphyletische Gruppe mit bis zu 400.000 Arten (Esser 2000). Das bedeutet, dass sie viele Gattungen beinhaltet, die sich unabhängig voneinander entwickelt und in der Regel keine Verwandtschaftsverhältnisse untereinander haben (Posten 2012). Die Gemeinsamkeit der Mikroalgen-Gattungen besteht darin, dass diese Arten in der Lage sind mit Chlorophyll und Farbpigmenten wie Pflanzen Photosynthese zu betreiben (Linne von Berg 2004). Zusammenfassend beinhaltet die Gruppe der Mikroalgen also alle Vertreter der Eukaryonten (Zellen mit Zellkern), die photosynthetisch aktiv und keine Landpflanzen sind, sowie die Cyanobakterien aus der Gruppe der Prokaryonten (Zellen ohne Zellkern).

Die größte Zahl an Mikroalgen befindet sich in den lichtdurchdrungenen Schichten der Meere und in allen Lebensräumen des Süßwassers. Dazu gibt es spezielle Formen von Mikroalgen, die an das Leben an Land angepasst sind und auf Felsen, Baumstämmen und im Boden leben, sowie wenige Arten die Symbiosen mit Pilzen eingehen in Form von Flechten (Esser 2000).

2.2 Produktivität im Vergleich zu konventionellen Energiepflanzen

Mikroalgen gewinnen in dem Bereich der erneuerbaren Energien zunehmend an Bedeutung. Manche Autoren bezeichnen sie sogar als Biomasse der dritten Generation (Posten 2012). Einer der entscheidenden Vorteile der Mikroalge gegenüber Pflanzen ist die bis zu zehnmal höhere Produktivität in Biomasse- und Ölertrag pro Fläche und Jahr (Pulz 2009). So besitzt Getreide einen jährlichen Biomassenertrag von 12 Tonnen pro Hektar, wohingegen Mikroalgen im offenen System bis 60 Tonnen generieren können und im geschlossenen System bis zu 150 Tonnen (siehe Abbildung 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Produktivität verschiedener Kulturen im Vergleich (verändert aus Pulz 2009)

Durch die einfache Morphologie, die keine komplexen Strukturen erfordert wie Wurzeln, Blätter, Stengel, Stämme, Blüten und Früchten, haben Mikroalgen eine bessere Lichteffizienz und können (unter Laborbedingungen) bis zu 10% der eingestrahlten Lichtenergie in nutzbare Biomasse umsetzen. (Yusuf 2012). Im Gegensatz zur Mikroalge setzten konventionelle Energiepflanzen nur bis zu 3% der Lichtenergie in nutzbare Biomasse um (Posten 2012).

Die Vorteile der Mikroalgen als Kulturpflanze sind der Vergleichsweise geringe Wasser- und Nährstoffbedarf, sowie die Ausnutzung von nicht-landwirtschaftlichen Flächen (Pulz 2009). So können Mikroalgen in ariden Zonen kultiviert werden, in denen keine normale Landwirtschaft möglich und ausreichend Sonneneinstrahlung über das Jahr verfügbar ist (Posten 2012). Die Ernährungsspezifische Vorteile sind, dass Mikroalge bis zu 50% Protein enthalten, welches aus allen essenziellen und nicht essenziellen Aminosäuren bestehen kann sowie bis zu 50% aus Fetten, worunter alle lebenswichtigen Fettsäuren vertreten sein können. Außerdem können je nach Mikroalgenart alle wichtigen Mineralstoffe und Vitamine gewonnen werden, sowie andere organische Verbindungen wie Farbstoffe (Pulz 2009).

3 Die Mikroalgenproduktion

Mikroalgen lassen sich relativ einfach kultivieren, denn sie benötigen wenige Nährstoffe, eine wässrige Lösung (Meerwasser, Trinkwasser, Abwasser, Brackwasser, etc), CO2 aus Luft oder Abgasen und Licht sowie Wärme für die Photosynthese (Hüttel 2015). Im Folgenden werden zwei Systeme zur Kultivierung von Mikroalgen näher beschrieben. Das sind zum einen das offene System und zum anderen das geschlossene System.

3.1 Offenes System

In der Industrie sind offene Systeme schon lange etabliert, aufgrund der geringen Investitions- und Betriebskosten sowie der einfachen Konstruktion und Handhabung (Yen et al. 2014). Im Wesentlichen werden zwei Typen von offenen Systemen unterschieden, die in offenen, flachen Gewässern angelegt sind. Zum einen gibt es Systeme in natürlichen Gewässern wie Seen, Binnenseen, Meeresbuchten, etc. und zum anderem Systeme in künstlichen Gewässern wie angelegten Seen oder Containern (ebd.). Ein System des offenen Typs, das schon seit 1950 genutzt wird, um Abwasser zu reinigen, und mittlerweile die häufigste Form der offenen Mikroalgenproduktion ist, ist das Raceway Pond (Yusuf 2012).

Der Grundaufbau, dargestellt in Abbildung 2 (siehe Abbildung 2), ist ein Kanal in Form einer geschlossen Schleife, wie bei einer Rennstrecke. Der Kanal hat eine Tiefe bis maximal 30 cm und das Wasser wird mithilfe eines angetriebenen Schaufelrads in Zirkulation gebracht, um die Durchmischung des Wassers zu verbessern (Yusuf 2012).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Grundaufbau Raceway Pond in einfacher und größerer Ausführung (verändert aus Yusuf 2012)

Die Nachteile dieses Systems sind die Ineffizienz und die benötigten Standortfaktoren, um gewinnbringend arbeiten zu können (Yen et al. 2014). So sind die benötigten Standortfaktoren eine minimale Jahresdurchschnitt-Temperatur von 25° Celsius benötigt. Außerdem darf es keine starken Umweltereignisse wie Überschwemmungen, Stürme oder starke Winde geben sowie keine hohen Luftverschmutzungen. Weiterhin muss eine Wasserquelle vorhanden sein, um das Wasser zu kompensieren, das durch Verdunstung verloren geht. Zusätzlich besteht ein hohes Kontaminationsrisiko durch fremde Organismen (Yusuf 2012). Diese Umwelteinflüsse verursachen eine schwankende Qualität der Biomasse und einen schwer zu kontrollierenden Prozess (Yen et al. 2014).

3.2 Geschlossene Systeme

Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, sind die offenen Systeme von vielen Faktoren abhängig, welche die Qualität und Produktivität stark beeinflussen. Diese Einschränkungen in der Produktion führen zur Entwicklung geschlossener Systeme, in denen die Mikroalgenproduktion unabhängig von Umwelteinflüssen stattfinden kann (Pulz 2009). Geschlossene Systeme, in Form von Photobioreaktoren, gibt es als Röhren-, Schlauch-, Kessel-, Flachplatten- und Dünnschichtreaktoren (Yen et al. 2014 und Pulz 2009). Bei dieser Produktionsweise wird durch eine flache Bauweise der Behälter eine größere Oberfläche pro Volumen Mikroalgen-Wasser-Gemisch erzielt, dadurch wird eine bessere Lichtaufnahme der einzelnen Zellen erreicht (Acién et al. 2012). Mithilfe von Pumpen werden die Mikroalgen ständig in Zirkulation gebracht und ausreichend mit CO2 und Nährstoffen versorgt (Vieira Costa und Greque de Morais 2014).

Die Vorteile der Photobioreaktoren sind ein geringerer Wasserverbrauch, ein reduziertes Kontaminationsrisiko, geringe CO2-Verluste, ein höherer Ertrag pro Fläche im Vergleich zu den offenen Systemen und optimal beeinflussbare Kultivierungsbedingungen (Moheimani et al. 2015). Jedoch zählen zu den Nachteilen die hohen Investitions- und Betriebskosten durch den hohen Technik- und Materialaufwand (z.B. Röhren, Pumpen) sowie die Energiekosten für Pumpen, Klimaanlagen etc. (Yen et al. 2014). Daher werden Photobioreaktoren in der Pharma- und Ernährungsindustrie zur Erzeugung hochpreisiger Mikroalgenprodukte eingesetzt, da die Energieerzeugung bisher nicht rentabel ist. Wenn diese Kosten reduziert werden können, wie etwa die hohen Energiekosten, bestünde die Möglichkeit einer rentablen Produktion an vielen möglichen Standorten (Moheimani et al. 2015). In Abbildung 3 werden nochmals die Vor- und Nachteile der beiden Systeme gegenübergestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Gegenüberstellung Raceway Pond vs. Photobioreaktor (verändert nach Moheimani et al. 2015)

4 Die möglichen Produkte aus Mikroalgen und ihre Wirtschaftlichkeit

4.1 Verwendung in der Industrie

Es existieren viele Anwendungsgebiete für den Einsatz von Mikroalgen. So gibt es weltweit viele Produkte, die nur aus Algen hergestellt werden. Dazu zählen diverse Nahrungsergänzungsmittel, Kosmetika, Pharmaprodukte, Futterzusatzmittel, Düngemittel, Farbstoffe und bestimmte Fettsäuren (Buck 2015).

Für die Nutzung der kompletten Biomasse als Nahrungsergänzungsmittel können Preise von 40 bis 80 Euro pro Kilogramm erzielt werden (Algen-Parks Aktiengesellschaft 2013). Danach folgt die Nahrung für Wasserorganismen für 500 Euro pro Kilogramm und die Produktion essentieller Vitamine wie Vitamin A für 1000 Euro pro Kilogramm (Buck 2015). Anschließend Farbstoffe wie Carotinoide, die u.a. wichtig sind für die Lachsproduktion, liegt der Preis bei 2.000 bis 3.000 Euro pro Kilogramm (Acién et al. 2014) und für hochwertige Fettsäuren werden Preise bis zu 6.000 Euro pro Kilogramm erzielt (Algen-Parks Aktiengesellschaft 2013). Im Vergleich dazu liegt der Preis für Energieträger die aus Mikroalgen produziert werden bei 0,01 bis 0,5 Euro pro Liter Kraftstoff (Acién et al. 2014). Daher sind die hochpreisigen Mikroalgen-Produkte für den Gesamtkontext wichtig, da sie die Kosten in der Kraftstoffproduktion durch hohe Gewinne wieder ausgleichen können. Nachdem die wertvollen Inhaltsstoffe extrahiert wurden können dann die Rückstände einer energetischen Nutzung zugeführt werden (Buck 2015).

4.2 Verwendung zur Energieerzeugung

Mit etablierten Verfahren lassen sich aus Mikroalgen Benzin, Kerosin, Biodiesel, Biogas, Biomethan und Pflanzenöl gewinnen. Dies erlaubt einen einfachen Umstieg von herkömmlichen Energieträgern auf Mikroalgen ohne Umrüstung vorhandener Technik wie Verbrennungsmotoren (Buck 2015). Jedoch bedingt durch den geringen finanziellen Wert den Energie im allgemeinen dargestellt, gibt es bis heute kein Unternehmen, das Mikroalgenbiomasse ausschließlich für die Energieproduktion herstellt und dabei gewinnbringend arbeitet (Buck 2015). Die Biokraftstoffproduktion aus Mikroalgen kostet bis zu fünf Mal mehr als die Produktion aus fossilen Energieträgern oder konventionellen Energiepflanzen (de Boer und Bahri 2015). So kostet z. B. ein Liter Bio-Diesel in der Produktion ohne Steuern, Arbeitskosten etc. 3 bis 6 Euro. Im Vergleich dazu kostet ein Liter normaler Diesel insgesamt ca. 1,2 - 1,5 Euro (Lam und Lee 2014). Einer der Gründe dafür ist der hohe Energieverbrauch für die Ernte und Trocknung der Mikroalgen-Biomasse, denn um eine Tonne Biomasse zu gewinnen müssen 73 Tonnen Wasser gefiltert werden (Lam und Lee 2014). Im Bezug auf die reine Energieproduktion ist Mikroalgenbiomasse zurzeit teurer als jede andere erneuerbare und nicht erneuerbare Energieform (Buck 2015). Um also eine ernsthafte Alternative als energetischer Rohstoff zu sein, sollte die Produktivität der Mikroalgen in Bezug auf Biomasse und Ölgehalt sich verdoppeln oder die Investitions- und Betriebskosten sollten günstiger und die Technologien effizienter werden (de Boer und Bahri 2015). Weiterhin ist von Bedeutung für eine nachhaltige Produktion von Mikroalgenkraftstoffen ist die Nutzung aller entstehenden Nebenprodukte. Nur wenn auch diese einen Input in weiteren Wertschöpfungsketten darstellen, lässt sich eine sowohl ökonomische als auch ökologische positive Gesamtbilanz erreichen (Buck 2015).

5 Fazit

Die Mikroalge ist noch keine sinnvolle Alternative als Energieträger. Die hohen Anlage- und Betriebskosten rentieren sich nur bei der Produktion hochpreisiger Produkte oder bei einer Co-Produktion, bei der die wertvollen Inhaltsstoffe extrahiert werden und die restliche Biomasse zur energetischen Nutzung weiter verwendet wird. Die Produktion und Verarbeitung von Mikroalgen für die Energieerzeugung befindet sich teilweise noch im Versuchsstadium und es werden schätzungsweise 10 bis 20 Jahre weiterer Forschungsarbeit nötig sein bis die Mikroalgen eine ernsthafte Alternative werden. Hierbei hat die Wirtschaft bzw. die Industrie eine wichtige Rolle als Investor für Wissenschaft und Forschung zu Verbesserung der Produktions- und Verarbeitungsschritte, denn die Mikroalge hat sich in diesem Sektor zur Produktion wertvoller Inhaltsstoffen und Futtermittel etabliert.

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