{"id":12568,"date":"2011-04-04T00:00:00","date_gmt":"2011-04-03T22:00:00","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bio-based.eu\/news\/index.php?startid=20110406-03n"},"modified":"2011-04-04T00:00:00","modified_gmt":"2011-04-03T22:00:00","slug":"mikroalgen-als-energielieferanten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/mikroalgen-als-energielieferanten\/","title":{"rendered":"Mikroalgen als Energielieferanten?"},"content":{"rendered":"

Angesichts knapper werdender \u00d6lreserven und des bereits erkennbaren Klimawandels r\u00fccken Mikroalgen als Energielieferanten zunehmend in den Blickpunkt des Interesses. Der Hauptvorteil von Mikroalgen: Prinzipiell lassen sich mit ihrer Hilfe CO2<\/sub>-neutrale Kraftstoffe herstellen, ohne gleichzeitig die Nahrungsmittelerzeugung zu beeintr\u00e4chtigen. Jedoch ist es trotz intensiver Bem\u00fchungen weltweit noch nicht gelungen, die wirtschaftliche Produktion eines Biokraftstoffs aus Mikroalgen zu etablieren. In diesem Dossier sollen nun realistisch die M\u00f6glichkeiten und die Herausforderungen bei der energetischen Nutzung von Mikroalgen dargestellt und diskutiert werden.<\/b><\/p>\n

Im Prinzip sind Mikroalgen zu einer wirklich nachhaltigen Erzeugung von Energietr\u00e4gern hervorragend geeignet: Sie sind \u2013 wie h\u00f6here Landpflanzen – Photosynthese betreibende Organismen, die zum Wachstum CO2<\/sub> binden und in komplexe Biomasse umwandeln. Sie ben\u00f6tigen jedoch kein Ackerland, sondern k\u00f6nnen in geschlossenen Reaktoren auf ariden Fl\u00e4chen kultiviert werden, die ansonsten landwirtschaftlich nicht genutzt werden k\u00f6nnen. Dadurch steht \u2013 im Gegensatz zu den heute genutzten Biokraftstoffen der ersten Generation wie Biodiesel aus Raps\u00f6l oder Bioethanol aus Mais \u2013 die Biokraftstoffproduktion aus Mikroalgen nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelerzeugung. Au\u00dferdem wird zur Kultivierung in geschlossenen Reaktoren nur sehr wenig Wasser ben\u00f6tigt, f\u00fcr marine Arten kann sogar Meerwasser und als Quelle f\u00fcr anorganische N\u00e4hrstoffe wie Stickstoff oder Phosphor Abwasser verwendet werden. Zudem nutzen Mikroalgen das Sonnenlicht besonders effizient, da in einer Kultur alle Zellen Photosynthese betreiben und nicht wie bei h\u00f6heren Pflanzen nur die gr\u00fcnen Blattzellen. Hieraus resultieren gegen\u00fcber Landpflanzen deutlich h\u00f6here Fl\u00e4chenertr\u00e4ge.<\/p>\n

Energietr\u00e4ger aus Mikroalgen<\/b>
Mit Hilfe von Mikroalgen k\u00f6nnen verschiedene Energietr\u00e4ger hergestellt werden – die wichtigsten sind Biogas, Biodiesel, Bioethanol und Wasserstoff. Technisch am einfachsten ist die Erzeugung von Biogas, hierf\u00fcr sind weder aufw\u00e4ndige Vorbereitungs- noch Aufarbeitungsschritte notwendig. Die konzentrierte und noch nasse Algenbiomasse, welche homogen und im Gegensatz zu pflanzlicher Biomasse fast frei von der nur schwer umsetzbaren Lignocellulose ist, l\u00e4sst sich in einer Biogasanlage direkt verg\u00e4ren. Dabei k\u00f6nnen sowohl die Mikroalgenkultivierung als auch die Biogaserzeugung dezentral erfolgen. Das Biogas, das haupts\u00e4chlich aus Methan (der Energietr\u00e4ger) und CO2<\/sub> besteht, kann in einem angeschlossenen Blockheizkraftwerk zur Erzeugung von W\u00e4rme und Strom verwendet oder aufbereitet und als Biomethan in das Erdgasnetz eingespeist werden. Anfang 2010 startete in Baden-W\u00fcrttemberg das Forschungsvorhaben ETAMAX. In diesem Vorhaben m\u00f6chte ein gro\u00dfer Verbund aus Forschung, Energiewirtschaft und Industrie unter anderem Algenbiomasse vollst\u00e4ndig zu Biogas umsetzen und \u2013 aufgereinigt als Fahrzeugkraftstoff \u2013 eine ganze Flotte von Erdgasfahrzeugen antreiben. Die Anlagen hierzu befinden sich gegenw\u00e4rtig jedoch noch im Pilotma\u00dfstab.<\/p>\n

\u00d6l – Biodiesel<\/b>
In den USA steht dagegen die Produktion von Biodiesel im Vordergrund. Abh\u00e4ngig von der Spezies und den Kultivierungsbedingungen k\u00f6nnen Mikroalgen bis zu 50 Prozent \u00d6l enthalten, welches extrahiert und durch Umesterung zu Biodiesel weiterverarbeitet werden kann. Hieran zeigen Unternehmen der Energie- und \u00d6lbranche gro\u00dfes Interesse. Beispielsweise investiert der amerikanische \u00d6l-Konzern ExxonMobil gemeinsam mit dem Biotechnologieunternehmen Synthetic Genomics \u00fcber 600 Millionen US$ in ein Projekt zur Erzeugung von Algenbiodiesel. Allerdings gibt es unterschiedliche \u2013 sowohl sehr optimistische als auch sehr skeptische \u2013 Einsch\u00e4tzungen \u00fcber die tats\u00e4chlichen M\u00f6glichkeiten dieser Technologie. Im Februar 2010 haben nun internationale Experten aus unterschiedlichen Disziplinen \u2013 unter ihnen Professor Posten vom Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie – in der renommierten Fachzeitschrift Nature Biotechnology eine Evaluation des Potenzials von Mikroalgenkraftstoffen verfasst, welche sehr systematisch sowohl die \u00f6konomischen als auch die technischen Aspekte ber\u00fccksichtigt.<\/p>\n

\u00d6konomische und technische Evaluation des Algenbiodiesels<\/b>
Demnach liegt die maximal erreichbare Ausbeute zwischen ca. 100.000 und 150.000 Litern \u00d6l pro Hektar und Jahr. Bei dieser Kalkulation wurde eine maximale Photokonversionseffizienz von zehn Prozent zugrunde gelegt, was bedeutet, dass die Zellen im besten Fall zehn Prozent des Sonnenlichts in Bioenergie umwandeln. Dies bedeutet, dass theoretisch der weltweite Kraftstoffbedarf mit Hilfe von Mikroalgen gedeckt werden k\u00f6nnte und es hier zumindest keine prinzipiellen Limitierungen \u2013 etwa hinsichtlich des Fl\u00e4chenbedarfs \u2013 gibt. Um nun die \u00f6konomischen Schl\u00fcsselfaktoren zu beschreiben, wurden verschiedene Szenarien entwickelt. Ein Basisszenario beruht auf schon heute gro\u00dftechnisch eingesetzter Technologie und beinhaltet folgende Annahmen: eine gen\u00fcgend gro\u00dfe Produktionseinheit von 500 Hektar, neben der \u00d6lextraktion die Extraktion eines hochpreisigen Produkts (z.B. Beta-Carotin), die \u00f6konomische Verwertung auch der Restbiomasse (etwa als Fischmehlersatz). <\/p>\n

Im Gegensatz dazu wird in einem zweiten Szenario lediglich der \u00d6lfraktion ein Wert beigemessen und hier von Technologien ausgegangen, die zwar heute noch nicht gro\u00dftechnisch angewendet werden, deren Entwicklung f\u00fcr die n\u00e4chsten Jahre aber erwartet wird. Eine wichtige Erkenntnis der Autoren ist nun, dass bei gen\u00fcgend geringen Konstruktionskosten f\u00fcr die Reaktoren (bis 150.000 US$ pro Hektar) und gen\u00fcgend hoher Biomasseproduktivit\u00e4t (mindestens 50g Algen pro Quadratmeter und Tag) beide Modelle ohne Subventionen rentabel sein k\u00f6nnen. Es ist nicht unrealistisch anzunehmen, dass diese Daten in den n\u00e4chsten Jahren erreicht werden. Wie lange es allerdings wirklich dauert, bis die erste wirtschaftliche Anlage arbeitet, k\u00f6nnen die Autoren nicht mit Sicherheit sagen. Hier haben auch externe Faktoren wie versch\u00e4rfte Kohlendioxid-Emissionsziele und entsprechende bewertete Zertifikate sowie vor allem die Entwicklung des \u00d6lpreises gro\u00dfen Einfluss.<\/p>\n

Bio-Wasserstoff aus Mikroalgen<\/b>
Eine weitere interessante M\u00f6glichkeit bietet die Erzeugung des umweltvertr\u00e4glichen Energietr\u00e4gers Wasserstoff durch die Gr\u00fcnalge Chlamydomonas reinhardtii. Unter bestimmten Bedingungen \u2013 ausreichende Lichtversorgung bei gleichzeitigem N\u00e4hrstoffmangel, welcher das Wachstum hemmt \u2013 bildet die Alge als ein Notfallventil Wasserstoff, um \u00fcbersch\u00fcssige Energie aus der Photosynthese abzuleiten. Dabei ist von Vorteil, dass die Abtrennung des Gases deutlich einfacher ist als etwa die Extraktion von \u00d6l. Allerdings existieren hierbei prinzipielle Schwierigkeiten: Zum einen werden nur sehr geringe Mengen Wasserstoff gebildet, zum anderen stoppt die Synthese bei Kontakt mit Sauerstoff, weil das beteiligte Schl\u00fcsselenzym \u2013 eine Hydrogenase \u2013 sauerstoffempfindlich ist. So gelingt die Wasserstoffproduktion bisher nur unter strengen Laborbedingungen. Es gibt breit angelegte Forschungs- und Entwicklungsprojekte, welche alle Stufen \u2013 von der Molekularbiologie bis zum Produktionsreaktor \u2013 einschlie\u00dfen. Bis zu einer gro\u00dftechnischen Anwendung ist hier aber noch ein sehr langer Weg zu gehen.<\/p>\n

Ein weiterer m\u00f6glicher Energietr\u00e4ger, welcher von Mikroalgen produziert werden kann, ist St\u00e4rke, die wiederum zu Ethanol umgewandelt werden kann. Aber auch hier befindet man sich noch in einem fr\u00fchen Entwicklungsstadium.<\/p>\n

F&E-Aufgabenfelder<\/b>
Die zentrale Herausforderung besteht nun darin, mit einer im Vergleich zu heute deutlich g\u00fcnstigeren Reaktortechnik eine deutlich h\u00f6here Biomasseproduktivit\u00e4t zu erreichen. F\u00fcr die energetische Nutzung der Mikroalgen ist dar\u00fcber hinaus Voraussetzung, dass die f\u00fcr die Kultivierung n\u00f6tigen Energiekosten \u2013 etwa f\u00fcr die Vermischung \u2013 deutlich verringert werden. Nur so ist die Nettoenergieproduktion m\u00f6glich. Diese wichtigen Fragestellungen aus der Verfahrenstechnik werden gegenw\u00e4rtig intensiv am KIT in der Arbeitsgruppe von Professor Posten bearbeitet.<\/p>\n

Neben der Verfahrenstechnik m\u00fcssen jedoch auch auf den Gebieten der Biologie bzw. der Molekularbiologie Fortschritte erzielt werden: Gro\u00dfes Optimierungspotenzial besteht von der Auswahl geeigneter Arten aus den insgesamt etwa 40.000 bekannten Algenarten \u00fcber die Stammhaltung, physiologische Charakterisierungen bis zu der Entwicklung effizienter Selektions- und Expressionssysteme. Das dritte wichtige Arbeitsfeld ist der Downstream-Prozess \u2013 also die zuverl\u00e4ssige und kosteng\u00fcnstige Aufarbeitung des Produkts.<\/p>\n

Schlussfolgerung<\/b>
Die spezifische Erzeugung von Energietr\u00e4gern mit Hilfe von Mikroalgen ist m\u00f6glich. Allerdings sind f\u00fcr den Betrieb wirtschaftlicher Anlagen noch Optimierungen notwendig. Die wichtigen Ansatzpunkte hierf\u00fcr liegen sowohl in der Verfahrenstechnik als auch in der Biologie der Algen. In der nahen Zukunft steht jedoch eher eine Doppelnutzung der Alge im Vordergrund \u2013 mit Erzeugung eines Hochpreisproduktes und der energetischen Nutzung der Restalgenbiomasse. Hierbei, so Professor Posten vom KIT, soll die Erzeugung von Hochpreisprodukten jedoch keineswegs nur als eine Art Subvention auf dem Weg zur energetischen Nutzung der Alge, sondern vielmehr als wichtiger Selbstzweck angesehen werden. Gerade in der M\u00f6glichkeit der Synthese vieler unterschiedlicher Produkte mit hohem Wertsch\u00f6pfungspotenzial f\u00fcr die Bereiche Nahrungserg\u00e4nzungsmittel, Kosmetik, Arzneimittel und Feinchemikalien liegt eine gro\u00dfe St\u00e4rke der Mikroalgen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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