Wer einen Gartenteich oder ein Aquarium hat, weiß wie schnell sich Algen vermehren können. Es liegt also nahe, diese sehr schnell wachsenden und anspruchslosen Pflanzen als Lieferanten für Biomasse nutzen, da sie auch einen geringen Nährstoff- und Flächenbedarf haben.
Zurzeit gibt es mehrere Ansätze um Algen und Cyanobakterien für die Biomasse oder Biotreibstoffproduktion zu nutzen.
Nützliche Algenarten
Sowohl in der Aquakultur wie auch in der Produktion für die menschliche Nahrungsergänzung haben sich mehrere Arten bewährt (Duniella salina, Spirulina platensis, Tetraselmis chui, Isochrysis galbana, Nanochloropsis oculta, Pavlova salina, Chlorella vulgaris, Chlamydomonas reinhardtii und Botryococcus braunii). Relativ neu in den Blickpunkt gekommen ist Prochlorococcus marinus, ein Cyanobakterium, das neben einer hohen Zellteilungsrate über weitere gerade für die Biomassenproduktion wichtige Eigenschaften verfügt. Mit ihm steht eine Variante zur Verfügung, die mit sehr niedrigen Lichtmengen auskommt und dennoch hohe Biomasse-Ausbeuten erzielt. Welche Arten sinnvoll sind, hängt von den unterschiedlichsten Faktoren ab. Wesentlich sind der geplante Einsatzzweck sowie die klimatischen Gegebenheiten wie Temperatur und Lichteinstrahlung – insbesondere die photosynthetische wirksame Strahlung (photosynthetically active radiation, PAR) im Lichtwellenbereich von 400 bis700 nm). Für Biogasanlagen sind Algen mit hohen Kohlehydratanteilen wichtig. Bei Anlagen zum Erzeugen von Algen für Biodiesel ist dagegen der Anteil der Fette in den Algenarten relevant.
Massenausbeute pro Fläche
Bei der Algen- oder Cyanobakterienmassenzucht kann man selbst in unseren Breiten von Erträgen von 50 bis 100 Tonnen Trockenmasse pro Hektar in offenen Systemen ausgehen. Die so produzierte Bio-masse könnte direkt in Biogasanlagen umgesetzt werden. Für Biogasanlagen in Deutschland können Süßwasserarten wie Chlamydomonas reinhardtii und Chlorella sp. verwendet werden. Oder aber marine Arten wie zum Beispiel Prochlorococcus marinus, die in verschiedenen Varianten auch mit sehr wenig Licht auskommt oder Tetraselmis-Arten.
Gerade bei der Verwendung in Biogasanlagen ist die Massenproduktion wichtiger als die Sortenreinheit der Algen. Daraus ergibt sich die sehr preiswerte Möglichkeit, die Algen in offenen Systemen zu züchten und auch zu ernten. Süßwasserarten könnten ohne Nachbehandlung in den Biogasanlagen als feuchtes Material eingebracht werden. Marine Arten müßten vom Salzwasser getrennt und getrocknet werden bevor sie eingesetzt werden. Auch bei offenen Systemen muß man beim Einsatz von marinen Arten wenig Bedenken haben, dass diese Zuchten durch starke Regenfälle und damit bedingte Veränderungen des Salzgehaltes im Wasser (Salinität) eingehen würden. Die genannten Arten haben in der Regel eine hohe Toleranz bei unterschiedlichen Salzdichten. Auch werden diese Arten schon seit langer Zeit erfolgreich und in großen Mengen für die Aquakultur gezüchtet. Nach dem aktuellen Stand der Wissenschaft stellt der Ansatz von Algen als Bio-masseproduzenten den zurzeit noch erfolgreichsten Weg dar.
Algen als Rohstoffe für Biodiesel oder Bioalkohol
Um Algen als Rohstoff für die Biodieselproduktion nützen zu können, ist es nur sinnvoll, Algen mit hohem Fettgehalt zu züchten. Als aussichtreiche Kandidaten haben sich dabei Botryococcus braunii, Tetraselmis chui und auch Isochrysisarten herausgestellt. Um die Sortenreinheit zu gewährleisten und wohl auch um eine Patentierbarkeit des Verfahrens zu erreichen, sind die Unternehmen, die in diesem Bereich tätig sind, den Weg über geschlossene Systeme gegangen.
Derzeit konkurrieren folgende Systeme gegeneinander:
Die Unternehmen, die geschlossene Systeme propagieren, geben meist Produktionsmengen an, die nur auf biologischen und physikalischen Theorien basieren. Sie dürften in der Praxis selbst unter optimalen Bedingungen selten dauerhaft zu erreichen sein. Auch die aktuellen Ansätze, Algen direkt mit den CO2-Abgasen von Kohlekraftwerken zu füttern und zu vermehren, basieren auf Überlegungen im Labormaßstab und dürften nur bis zu einer gewissen Größe der Kraftwerksanlagen sinnvoll umzusetzen sein. Ebenso ist es fraglich, ob CO2-Produzenten wie Kohlekraftwerke und CO2-Nutzer wie die Algen in unmittelbarer Nähe angeordnet sein müssen.
Es ist auffallend, dass bei Berichten über Ansätze für die Algenmassenzucht in geschlossenen Systemen einerseits potentielle Produktionsmengen wohl von einer kleinen Versuchsanlage hochgerechnet wurden, die unter optimaler Beleuchtung stand, und andererseits die Kosten für die Bioreaktoren mit unrealistisch hohen Erträgen gegen gerechnet werden. Krassen Dimitrov hat dies in einer Fallstudie im März 2007 mit nachvollziehbaren Werten belegt. Geschlossene Systeme verursachen sowohl in ihrer Anschaffung als auch in der Wartung so hohe Kosten, dass sie sich erst bei enormen Preissteigerungen bei den Treibstoffen oder bei großen Anlagen rechnen würden. Yusuf Chisti aus Neuseeland vergleicht Produktionskosten von Algen-biomasse in Röhren-Photobioreaktoren mit denen in offenen Durchlaufbecken (raceway ponds). Es zeigt sich, dass ähnlich gute Ergebnisse wie in geschlossenen Systemen in unseren Breiten auch in offenen Durchlaufbecken erzielt werden können. Die Vorteile von offenen Systemen gegenüber geschlossenen Photobioreaktoren sind bei der Massenproduktion dagegen vielfältig. So kann ein offenes Durchlaufbecken wesentlich günstiger hergestellt werden als ein Photobioreaktor mit vergleichbarer Leistung und Volumen. Auch die Wartung und Kontrolle ist in offenen Systemen wesentlich einfacher als in geschlossenen Systemen. Die Aquaflow Bio-nomic Corporation aus Neuseeland geht den Weg, Algenproduktion in herkömmlichen Abwasserauffangbecken zu betreiben und somit das nährstoffreiche Abwasser für die Algen zu nutzen.
Algen als Wasserstoffproduzenten
Dass Algen unter bestimmmten Bedingungen Wasserstoff produzieren, stellte Hans Gaffron schon 1939 bei bestimmten Arten von Chlamydomonas reinhardtii fest, konnte aber die Bedingungen nie präzisieren, unter denen die Algen von Sauerstoff- auf Wasserstoffproduktion umsteigen. In den letzten Jahren wurden an Universitäten wieder vermehrt untersucht, wann und womit Algen Wasserstoff aus dem Wasser abspalten.
Heute scheint klar, dass die Ursache für die Wasserstoffproduktion im Mangel an Schwefel im Nährmedium liegt. Das für die Wasserstoffproduktion zuständige Protein ist das Enzym Hydrogenase. Könnte dieses Protein in ausreichender Menge extrahiert oder künstlich hergestellt werden, wäre es möglich, Wasserstoff schnell und in großen Mengen zu produzieren. An der Universität Bonn forschen Wissenschaftler zurzeit an einer Folie, die mit Hydogenase beschichtet Wasserstoff mit Hilfe des Sonnenlichts erzeugen soll. So gut die Idee für diese Art der Wasserstoffproduktion ist, wird bis zu einer effizienten und wirtschaftlichen Nutzung der Hydrogenase doch noch viel Forschung und Entwicklung nötig sein. Eine Kostenabschätzung für die Wasserstoffproduktion mit Chlamydomonas reinhardtii hat 2004 die National Renewable Energy Laboratory veröffentlicht.
Fazit
Nach den bislang vorliegenden Untersuchungen, Forschungs- und Unternehmensberichten und auch Praxiserfahrungen aus der Aquakultur scheint es derzeit nur einen wirtschaftlich gangbaren Weg zur Nutzung von Algen als Biomasse zu geben: Die Massenzucht von robusten Algenarten in offenen Systemen als Nahrung für Biogasanlagen. Dies kann auch in unmittelbarer Nähe zu Mastbetrieben geschehen, um die dort anfallende Gülle direkt für die Algenernährung zu nutzen. Solche Anlagen laufen in südlicheren Ländern mit Spirulina schon erfolgreich über längere Zeit, um Nahrung beispielsweise für Schweine zu erhalten, die in dem Mastbetrieb leben, der mit seiner Gülle wiederum die Algenzucht füttert.
Mit anderen Algenarten, die für unsere Witterungsbedingungen besser geeignet sind, lässt sich dies teilweise in unseren Breiten umsetzen. Alle anderen Ansätze sind sicherlich auch sinnvoll, aber noch nicht so weit erforscht und entwickelt, dass sie schon wirtschaftlich wären. Ein Erfolg versprechender Ansatz ist dafür die Mikrosystemtechnik, die unter anderem im Oktober 2007 in Dresden auf einem Workshop vorgestellt wurde. Der Einsatz von Mikroreaktoren verspricht wegen des hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses und der Vermeidung von Rückvermischung Produktivitätssteigerungen. Weitere Optimierungen sind durch mikrostrukturierte Reaktoroberflächen und Flächenlichtleiter denkbar, die Fluiddynamik beziehungsweise Lichteintrag erhöhen und damit eine effizientere Nutzung der für Anlagen zur Massenkultivierung der Algen benötigte Fläche erlauben.
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