WU: Energiequelle Algen
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Einleitung
Algen zählen zu den ältesten Lebewesen der Erde. Sie kommen in unterschiedlichen Größen - von wenigen Tausendstel Millimeter bis zu 50 Meter - vor. Im Volksmund gelten sie als Unkraut, dennoch haben sie die Evolution auf der Erde maßgeblich mitgestaltet. Ihre Entstehungsgeschichte geht etwa drei Milliarden Jahre zurück. Die besondere Eigenschaft der Algen, Sauerstoff zu produzieren, bewirkte, dass sich die giftige Uratmosphäre in einen bewohnbaren Lebensraum für höhere Lebensformen verwandelte. Heute sind Algen für knapp 50 Prozen der Sauerstofferzeugung weltweit verantwortlich und sind weiters ein wichtiger Bestandteil von Kosmetika und Medikamenten. Der Hauptabsatzmarkt liegt dabei vorwiegend im asiatischen Raum. Dort werden jedes Jahr 300.000 Tonnen Algen geerntet, um als Nahrungsmittel verwertet zu werden. Das entspricht etwa 10 Prozent der gesamten Ernährung.
Es zeichnet sich die Entwicklung ab, dass sich für die Verwertung von Algen in Zukunft neue Wege eröffen: Aufgrund ihres hohen Fettgehalts kann aus Algen mithilfe technologischer Bearbeitung Öl gewonnen werden, welches sich für die Herstellung von Biodiesel, Bioethanol oder Biogas eignet. Ein wesentlicher Vorteil dabei ist, dass keine Argrarflächen verloren gehen, wie das bei anderen planzlichen Treibstoffen wie beispielsweise Bioraps der Fall ist. Auch liefern Algen im Vergleich zu anderen Landpflanzen einen um das 10-fach höhere Biomasseertrag.
Ein weiteres Verwertungs- und Anwendungsfeld von Algen liegt in der Gewinnung von Wasserstoff. Es ist zwar bereits seit mehreren Jahrzehnten bekannt, dass Algen tatsächlich Wasserstoff produzieren - allerdings nur in kleineren Mengen. Jüngste Forschungen haben nun ergeben, dass durch einen biochemischen Mechanismus Sonnenlicht und Wasser in große Mengen Wasserstoff umgewandelt werden können. Dies gilt als eine wichtige Erkenntnis, da Wasserstoff als die vielversprechendste erneuerbare Energiequelle der Zukunft angesehen wird.
Daneben ist bekannt, dass Algen Kohlendioxid in Sauerstoff umwandeln. Dies gilt als innovative Idee für Industriebetriebe, mithilfe von Algen ihre CO2 - Emmissionen zu veringern.
Biologie
Algen gelten aufgrund ihrer Fähigkeit, im Verfahren der Photosynthese Kohlendioxid (CO2) mit Hilfes des grünen Farbstoffs Chlorophyll, Wasser und Sonnenlicht in Biomasse umzuwandeln, als die Energieträger der Zukunft. Die Größe von Algen kann variieren, es hat sich allerdings wissenschaftlich erwiesen, dass Mikroalgen für die weitere Verarbeitung besser geeignet sind. Bei sämtlichen Arten von Mikroalgen betreiben nämlich alle Zellen gleichermaßen Photosynthese. Im Vergleich dazu führen höhere Pflanzen die Photosynthese nur mit Hilfe der grünen Blattzellen - nicht aber mittels jener Zellen, die Wurzeln oder Stamm bilden - durch. Daraus ergibt sich für Mikroalgen ein Biomasseertrag, der im Vergleich zu Landpflanzen um bis zu 10-fach höher ist. Weiters sind kleine Algen einfacher in der Handhabung.
In Summe sind etwa 40.000 Algenarten bekannt und beschrieben. Man unterscheidet Süßwasseralgen, welche vorwiegend in Teichen oder Seen zu finden sind, sowie Salzwasseralgen, die in den Meeren beheimatet sind. Die Lebensräume der Algen sind sehr vielfältig, Algen weisen eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Umgebungsbedingungen auf. Grundsätzlich wachsen jene Algen am besten und schnellsten, welche die vorherrschenden Umgebungsbedingungen am besten aushalten. Bekannte Algen, die auch vielfach untersucht wurden, sind die Grünalge Chlorella vulgaris sowie das Cyanobakterium Spirulina platensis. Daneben existieren auch Kentnisse über Chlamydomonas reinhartii, Nannochloropsis, Dunaliella, Isochrysis, Diatomeen oder Dinoflagellaten.
Algen benötigen für ihr Wachstum Sonnenlicht, allerdings hemmt die volle Intensität des Tageslichtes ihr Wachstum. Weiters ist für das Wachstum der Algen auch eine spezielle Wellenlänge des Lichtes erforderlich, nämlich die des sichtbaren Lichtes. UV und IR Wellenlängen finden deshalb keine Verwendung. Auch ist es wichtig, die Umwandlung von Licht in Wärme zu berücksichtigen. Jede Algenart weißt einen gewissen Temperaturbereich auf, bei dem die Alge am schnellsten wächst. Für alle Algen gilt aber, dass sich bei höheren Temperaturen (ab ca. 30°C) das Wachstum verlangsamt.
Produktion von Algen
Ansätze der Bioverfahrenstechnik
Ein Algenkraftwerk muss berücksichtigen, unter welchen Bedingungen Algen am besten wachsen, nämlich bei großer Oberfläche im Verhältnis zum Volumen sowie bei mäßiger Lichtstärke. Im Bereich der Bioverfahrenstechnik wird versucht, die optimalen Wachstumsbedingungen für Algenkraftwerke zu erforschen.
Erkenntnisse daraus sind, dass Mikroalgen zwecks Energiegewinnung sowohl in offenen als auch in geschlossenen Anlagen gezüchtet werden können. Die Züchtung in geschlossenen Anlagen bringt im Gegensatz zu offenen Anlagen mehrere Vorteile mit sich:
- In abgeschlossenen Systemen werden keine gentechnisch veränderten Organismen ausgesondert.
- In einem geschlossenen Reaktor benötigen Algen weniger Wasser, weil auch die Verdunstig im Vergleich zu offenen Systemen geringer ist.
- Die Algenzüchtung passiert in optimierten Bedingungen, da Außeneinflüsse durch Klima, Bodenbeschaffenheit oder Jahreszeiten verringert werden.
- Kohlendioxid wird aufgrund der verbesserten Reaktorbedingungen in geschlossenen Systemen besser gebunden als in offenen Systemen.
- Algen können auch auf weniger hochwertigen Flächen, wie beispielsweise Wüsten, produziert werden. Dadurch entsteht keine Flächenkonkurrenz zu Anbauflächen von Nahrungsmitteln.
- Die Produktivität ist in geschlossenen Systemen weitaus höher als in offenen Systemen.
In Bioreaktoren, die der Produktion von Mikroalgen dienen, sind derzeit allerdings offene Systeme vorherrschend. Derartige technisch sehr einfache Reaktoren bilden die Umweltbedingungen von Teichen nach. Diese sogenannten Raceway ponds sind runde Becken mit einer Tiefe von etwa 10 bis 20 cm.
Ansätze der Mikroverfahrenstechnik
Mit Hilfe der Mikroverfahrenstechnik werden Mikrophotoreaktoren entwickelt, die zur Züchtung von Mikroalgen verwendet werden können. Als Vorbild für die Konstruktion eines solchen Mikroreaktors dienen grüne Pflanzenblätter, bei denen es sich - genauso wie bei den Reaktornachbauten - um mikrostrukturierte Dünnschichtreaktoren handelt.
Bei der Nutzung von Mikrophotoreaktoren treten allerdings Herausforderungen, die es zu optimieren gilt, auf: Algengemische neigen ähnlich wie Blut zu Gerinnungen. Um derartigen Gerinnungsvorgängen vorzubeugen, ist eine Beschichtung des Reaktors vorzunehmen, die den im Reaktor nicht genutzten Raum minimieren soll. Eine Oberflächenbeschichtung könnte beispielsweise mit am Markt üblichen Polyglycerinen erfolgen.
Eine weitere Problematik des Mikroreaktors können Verstopfungen in der Zu- bzw. Abfuhr des Algengemisches sein. Als Alternative können Wegwerfreaktoren entwickelt werden. Sie bestehen aus kostengünstigen Folien aus Kunststoff, die beispielsweise aus nachwachsenden Rohstoffen wie Nanocellulose gewonnen werden. Die Folien können im Laufe des Bearbeitungsprozesses in das Algengemisch miteingehen.
Entwicklung von Algenreaktoren
Algen stellen eine Energiequelle der Zukunft dar. Deshalb investieren Forschungseinrichtungen und Industrie viel Zeit und Geld, um effiziente Bioreaktoren herzustellen.
Im Rahmen der Vienna Design Week wurde von dem Wiener Designbüro EOOS ein Modell eines Algenreaktors vorgestellt. In Zusammenarbeit mit Mikrobiologen wurde ein 8 Quadratmeter großes Algenkraftwerk entwickelt, das mit 60 Bioreaktorstäben ausgestattet ist. In diesem Reaktor können Mikroalgen gezüchtet werden, die beinahe unsichtbar sind und zum Leben lediglich Wasser, einige Nährstoffe, Sonne und Kohlendioxid benötigen. Das Kohlendioxid sollte vorangig direkt aus einer Verbrennungsanlage stammen und wird direkt in die Röhren eingeblasen und von den Algen zur Photosynthese genutzt.
Die Algen wachsen so schnell, dass sie einmal pro Woche mit Hilfe einer Zentrifuge, die unter den Stäben eingerichtet ist, geerntet werden können. Das durch dieses Verfahren gewonnene Öl kann direkt in Biodiesel umgewandelt werden, jährlich können bis zu 300 Liter Biosprit entstehen. Wird das Kraftwerk an einen Generator angeschlossen, könnten 2.800 Kilowattstunden elektrischer Strom hergestellt werden. Gleichzeitig wird durch den Algenreaktor pro Jahr etwa 250 Kilogramm Kohlendioxid in Sauerstoff umgewandelt. Das entspricht einem 70-fach höheren Wert, der durch eine vergleichbare Fläche von dicht bepflanzten Bäumen hergestellt werden könnte.
Weiters wurde der Algenreaktor so konstruiert, dass ein Drei-Liter-Auto tanken könnte und mit dem gewonnen Biosprit etwa 10.000 Kilometer fahren könnte. Dieses Modell ist allerdings noch eine Vision, da die Umsetzung in Form eines einzelnen Selbstversorgungs-Modells zu teuer wäre.
Generell waren die hohen Kosten bisher der Grund, wieso Algenforschungsprojekte zur Gewinnung von Algenöl abgebrochen wurden. Dennoch wird prognostiziert, dass Algen in Zukunkt eine wichtige Rolle spielen werden.
In der Praxis werden verschiedenartige Algenreaktoren eingesetzt. Die Unternehmen Global Green Solutions und Valcent Products Inc. betreiben seit 2007 einen Algen-Bioreaktor, der nicht in Form von Teichen angelegt ist, wie es in der Praxis häufig der Fall ist. Statt dessen wachsen die Algen in großen, durchsichtigen Plastiksäcken, die in einem Gewächshaus angebracht sind. Die damit entstandene Fläche ist im Vergleich zu normalen Wassertanks viel größer. In Summe sollen hier etwa 4 Millionen Barrel Algenöl produziert werden und dabei ca. 2,7 Millionen Tonnen Kohlendioxid verbraucht werden. Pro Barrel soll das Öl nur 20 Dollar kosten.
Auch seit 2007 betreibt ein spanisches Biotechnologie - Unternehmen die weltweit erste industrielle Anlage, welche der Produktion von Algenöl dient. Die Firma setzt zusätzlich zur Photosynthese elektromangetische Felder ein, welche die Algenherstellung in drei Metter hohen Kunststoffzylindern verbessern soll. Die Anlage dient allerdings nicht der Biodieselgewinnung, sondern der Produktion von Biopetroleum.
Das Unternehmen Solazyme in Kalifornien produziert in Zusammenarbeit mit dem amerikanischen National Insitute of Standards and Technology Algen in geschlossenen, lichtundurchlässigen Tanks, wodurch eine Photosynthese nicht möglich ist. Statt dessen werden die Algen mit Zucker versorgt, wodurch ebenfalls Öl hergestellt wird. Ein wesentlicher Nachteil dieser Ölgewinnungsform liegt darin, dass der Zucker aus zellulosehaltiger Biomasse hergestellt wird, was wiederum mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.
Verwendungsmöglichkeiten und deren Markpotential
Algen als Öllieferanten
Bereits in den 1970er Jahren wurde das Potential von Algen als Energiequelle von Öl geprüft. Vor allem die Ölkrise bewegte das US-Energieministerium und das National Renewable Energy Laboratory im Zeitraum von 1978 bis 1996 zu erforschen, welche Verwendungsmöglichkeiten Algen bieten. Die Forscher kamen allerdings zu dem Ergebnis, dass die Produktion von Algen im Vergleich zu fossilen Energieträgern zu unwirtschaftlich ist. Zu jener Zeit kostete ein Barrel Öl 20 Dollar. Zwischendurch sind die Kosten auf mehr als 100 Dollar pro Barrel angestiegen, damit stieg auch wieder das Interesse an Algen als Bio-Öllieferanten.
Algen weisen mehrere Vorteilen im Vergleich zu anderen Organismen, aus welchen Biosprit produziert wird, auf. Algen sind verglichen mit Raps, Mais oder Palmen anspruchslos und benötigen wenig Platz im Anbau. Aus einem Hektar Raps lassen sich pro Jahr etwa 1.800 Liter Biodiesel gewinnen, aus Palmen sind es etwa 600 Liter. Mit Algen sind 10.000 bis 25.000 Liter möglich, die Tendenz ist steigend.
Welche Erträge sich auf die Praxis bezogen realisieren lassen und wie ökonomisch Algenbioreaktoren arbeiten, ist noch unklar. Das National Renewable Energy Laboratory hatte 1996 analysiert, dass Algenreaktoren auf eine Fläche von 40.000 Quadratkilometern in Betrieb genommen werden müssen, um die Versorgung des Transportsystems der USA zu sichern. Die Herstellung der erforderlichen 140.000 Liter Biosprit pro Hektar und pro Jahr wäre zum damaligen Zeitpunkt doppelt so teuer gewesen, wie die Lieferung von Treibstoff aus Öl.
Um heute in der USA Algenfarmen aufzubauen, die genug Biodiesel produzieren, müsste man mit Kosten in der Höhe von etwa 300 Millionen Dollar rechnen. Weitere 46 Millionen Dollar pro Jahr wären für die Sicherung des Betriebes zu zahlen. Im Gegenzug dazu zahlt die USA jählich 100 bis 150 Millionen Dollar nur für die Importierung von Öl aus anderen Ländern.
Für Deutschland existieren Schätzungen, dass Algen auf zwei Prozent der Agrarfläche angebaut werden müssten, um den Diesebedarf pro Jahr zu sichern. Im Vergleich dazu müsste man Raps auf einer Fläche anbauen, die in Deutschland in dieser Größenordnung nicht verfügbar ist.
In den beiden neben stehenden Graphiken wurde versucht, die benötigte Anbaufläche zur Deckung des Erdölbedarfs aus Mikroalgen österreichweit bzw. weltweit darzustellen. Werden Mikroalgen auf einer Fläche von einem Hektar angebaut, so liefern sie 136.900 Liter Öl.
Für die Erdölbedarfsdeckung in Österreich wäre es deshalb notwending, Algen auf einer Fläche von 1.107,76 km2 anzubauen. Dies entspricht 1,32 % der Gesamtfläche Österreichs.
Zur weltweiten Deckung des Erdölbedarfs müsste man Algen auf einer Fläche von 141.124,74 km2 anbauen, das entspricht 0,09 % der gesamten Landfläche auf der Erde.
Algen als Wasserstofflieferanten
Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft. Derzeit wird Wasserstoff durch die Elektrolyse aus Wasser gewonnen, für diesen Prozess ist allerdings Strom notwendig. Gewinnt man jenen Strom beispielsweise in Kohlekraftwerken, so widerspricht das dem Prinzip der erneuerbaren Energiegewinnung.
US-Biologen haben eine Entdeckung gemacht, die das Potential der Algen als Wasserstofflieferanten zukünftig stärkt. Die Alge Chlamydomonas reinhardtii wurde mit Hilfe eines biochemischen Verfahrens bearbeitet, sodass sie große Mengen an Wasserstoff produziert. Bereits seit den 1940er Jahren ist es bekannt, dass Algen Wasserstoff produzieren können, allerding nur in gerinen Mengen. Wird aber dieser Grünalgenart der Nährstoff Schwefel vorenthalten, produziert die Alge aus der gespeicherten Energie Wasserstoff.
Energie-Experten sehen Wasserstoff als die zukünftig vielversprechendste, erneuerbare Energiequelle an, da es ein umweltfreundlicher Ersatz zu fossilen Ressourcen, die als Brennstoffe genutzt werden, ist. Die Verbrennung von Wasserstoff passiert sehr sauber, sodass man das Endprodukt Wasser sogar trinken kann.
Derzeit wird Wasserstoff aus Erdgas gewonnen, aber die Entdeckung eröffnet neue Potentiale für den Energieträger. Derzeit ist nach Abschätzung der Forscher die Produktion von Wasserstoff noch nicht wirtschaftlich, aber es wird erwartet, dass sich die Produktionsrate in Kürze um das bis zu 10-fache erhöhen lässt.
Ideal wäre ein geschlossener Kreislauf der Algen: Nachdem sie Wasserstoff produziert haben, könnten sie auch für die Herstellung von Biomasse, Biodiesel oder Biogas verwertbar sein. Die dadurch verwerteten Algen könnten gepresst oder ungepresst in Form von Pellets, Dünger oder Kompost eingesetzt werden. Allerdings befindet die Umsetzung von derartigen Verwertungszyklen noch im Entwicklungsstadium.
Nutzung von Kohlendioxid
Algen verwandeln mit Hilfe der Photosynthese Kohlendioxid in Sauerstoff. Deshalb ist vor allem die Industrie bemüht, mittels Algen das Kohlendioxid aus Kraftwerksabgasen zu binden und eine sinnvolle Verwertung zu erzielen. Dadurch ist es möglich die dem Klima schadenden CO2 - Emissionen auf natürlichem Weg zu vermindern.
Ein Team aus Forschungsinstituten und Unternehmen züchten in Bioreaktoren auf dem Geländes eines Erdgasspeichers in Hamburg Algen, die über die Abgase eines Blockheizkraftwerks mit Kohlendioxid versorgt werden sollen. Davor hatte ein Forschungsteam im Labor herausgefunden, dass die Algenkulturen auf einer Fläche von einem Hektar pro Jahr bis zu 450 Tonnen Kohlendioxid verarbeiten können und daraus 150 Tonnen Biomasse, aus der Biodiesel produziert werden kann, entstehen.
Dennoch stellen die großen Mengen an Kohlendioxid, die von Kohlekraftwerken ausgestoßen werden, ein Problem dar. Der Flächenbedarf der Algen-Bioreaktoren wäre riesig und die Einrichtung sowie der Betrieb sehr hochpreisig. Würde man auf diese Weise eine Tonne Kohlendioxid einfangen, würde es etwa 36 € kosten.
Billiger ist es zu Zeit noch, sich am Emissionshandel zu beteiligen. Hier bezahlt man für eine Tonne ausgeschüttetem CO2 derzeit 25 €, und noch ist nicht klar, ob, wann und wie die Preise für Abgase steigen werden.
Ausblick
Algen werden hoffnungsvoll als zukünftige Energiequellen bezeichnet. Ihr Vorteil liegt vor allem in dem einfachen Verarbeitungszyklus - sie benötigen lediglich Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht, um zu gedeihen. Vielfältigste Forschungsergebnisse bestätigen, dass sich für die Algenproduktion mehrfache Verwertungswege ergeben:
- Aus Algen kann mittels technologischer Verarbeitungsmethoden Öl gewonnen werden, das sich in weiteren Verarbeitungsschritten in Biodiesel, Bioethanol oder Biogas wandelt. Somit stellen Algen eine alternative Ergänzung zu fossilen Brennstoffen dar.
- Durch biochemische Veränderungsprozesse kann aus Algen Wasserstoff gewonnen werden, der als entscheidene erneuerbare Energiequelle der Zukunft bezeichnet wird. Aus dem produzierten Wasserstoff kann mittels einfacher Verfahrensprozesse reines Wasser gewonnen werden.
- Industriebetriebe, die heute noch Emissionszertifikate kaufen müssen, können in Zukunft das produzierte CO2 mittels Algen-Bioreaktoren binden.
Trotz der bisherigen umfassenden Erkenntnisse über Algen als Energielieferant der Zukunft gilt es, noch weiter zu forschen und die Umsetzung der Algenproduktion zu optimieren. Es wird viel Zeit und Geld in die Weiterentwicklung des Themenfeldes gesteckt und man erwartet bahnbrechende Ergebnisse im Laufe der nächsten Jahre. Dennoch muss sich für einen globalen Einsatz von Algen als erneuerbare Energiequelle noch die Verarbeitung als wirtschaftlich herausstellen.
Quellenverzeichnis:
http://www.sueddeutsche.de/wissen/special/26/147678/11/
http://www.bmbf.de/de/12360.php
http://www.mstonline.de/mikrosystemtechnik/mst-fuer-energie/algen/
http://www.computerwoche.de/knowledge_center/green-it/1870630/
http://www.focus.de/finanzen/boerse/biokraftstoff-algen-als-loesung_aid_319524.html
http://www.wissenschaft.de/sixcms/detail.php?id=158337
http://ecoblog.at/algen-als-energietrager-der-zukunft/
http://www.ethiker.com/bio-energie-gewinnung-aus-algen/915/
http://www.oekonews.at/index.php?mdoc_id=1032155
http://www.univie.ac.at/marine-biology/
Artikel aus "Der Standard" vom 30.10.2008: Gib die Algen in den Tank
