- Anzeige -
- Anzeige -
FORSTFACHVERLAG GMBH & CO. KG · MOORHOFWEG 11 · 27383 SCHEEßEL · info@forstfachverlag.de · www.forstfachverlag.de · ✆ +49 (0) 4263 / 9395-0
energie pflanzen
DAS FACHMAGAZIN FÜR BIOENERGIE UND -ÖKONOMIE Mittwoch, 22.11.2017

05_11_algen_grAußer Konkurrenz zu Nahrungsmitteln, aber am Markt nicht konkurrenzfähig

Bisher dienen neben organischen Abfällen und Gülle vor allem Energiepflanzen vom Acker der Biogasproduktion. Doch auch Algen wird Potential als Biogas-Substrat nachgesagt. Noch aber werden Algen für wertvollere Verwendungen genutzt. Vielleicht reichen aber auch schon von den Algen produzierte und ausgeschiedene Stoffwechselprodukte, um Biogas zu erzeugen.

Interesse an der Forschung über Algen zeigen derzeit besonders einige Energiekonzerne, ihre Triebfeder dürften die Kohlendioxidmengen sein, die ihre mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerke ausstoßen und die zum Klimawandel beitragen.

Dieses Kohlendioxid wird zunächst in den Algen gebunden. Bei der weiteren Nutzung der Algen kann es dann jedoch genauso frei werden wie beim direkten Abblasen durch den Kraftwerks-Schornstein.

Nach bisherigen Erkenntnissen vertragen Algen durchaus hohe Kohlendioxidmengen und setzen sie effizienter als Landpflanzen in Biomasse um. So arbeitet die Quickborner Eon Hanse AG gemeinsam mit der Technischen Universität Hamburg-Harburg und der Universität Hamburg seit dem Jahr 2008 mit inzwischen fast 15 Wissenschaftlern an dem Thema Algen. Die Umweltwissenschaftlerin Stephanie Koch beispielsweise untersuchte in 180 Liter fassenden Photobioreaktoren, ob die Quelle des Kohlendioxids Einfluß auf die Menge produzierter Biomasse hat. Aber die geerntete Biomassekonzentration erwies sich als unabhängig davon, ob das Kohlendioxid aus dem Rauchgas eines mit Erdgas betriebenen Blockheizkraftwerks oder einem reinen Luft-Kohlendioxid-Gemisch stammt. 

05_11_algen_n_grMit der Ausbeute an Algenbiomasse beschäftigen sich die Umweltingenieurin Mandy Gerber und der Biologe Sebastian Schwede im Rahmen eines anderen Forschungsprojektes an der Ruhr-Universität Bochum in Kooperation mit dem Energiekonzern RWE AG aus Essen. Auf dem Gelände ihres Kohlekraftwerks in Niederaußem sammelt RWE bereits seit November 2008 Erfahrungen mit der Algenzucht. Hier gedeihen die Algen in Polyethylenschläuchen, die in einem geheizten Gewächshaus aufgehängt sind. Als Wärmequelle dient die Abwärme des Kraft-werkes. Aus dieser Algenkultur stammen auch die etwa fünf Mikrometer großen Meerwasseralgen, mit denen Gerber und Schwede in ihren Batch-Versuchen im Labor experimentieren. Diese Algenart vermehrt sich sehr rasch, vor allem aber kann sie große Mengen CO2 aufnehmen und in hohe Wachstumsraten umsetzen. Der Essener Energiekonzern brachte es in seiner Anlage auf Ausbeuten von 60 Tonnen pro Hektar und Jahr – beim Mais liegen die Ausbeuten bei 30 Tonnen pro Hektar und Jahr. „Je nach dem, wie man die Bedingungen wählt und welche Reaktoren verwendet werden, ist es möglich, sogar Ausbeuten von bis zu 150 Tonnen pro Hektar zu erzielen“, ergänzt Schwede.

Synergie durch Substratmix mit Algen

Die beiden Wissenschaftler testen aber nicht nur Algen, sondern auch Mischungen mit anderen Energiepflanzen. Dabei stellten sie synergetische Effekte fest. So entstehen zum Beispiel aus einer bestimmten Menge Mais 500 Liter, aus derselben Menge Algen 200 Liter Gasgemisch. Die Summe der beiden Substrate von 700 Litern Gas wurde bei der Kovergärung jedoch übertroffen: 800 bis 900 Liter Biogas konnten gewonnen werden. Mais hat bei der Biogasproduktion einen hohen Ertrag, weil er reich an Kohlenhydraten ist, die schnell in Biogas umgewandelt werden können. In Algen dagegen finden sich hohe Gehalte an Eiweiß und Fett, die zwar zu höheren Gasausbeuten führen sollten, aber wegen der robusten Zellstruktur der Algen den Biogas-Bakterien kaum zugänglich ist. Wenn nun Mais und Algen gemischt werden, liefern die Algen vor allem Spurenelemente für die Maisvergärung, die bei der Monovergärung der Pflanzensilage in der Regel Mangelware sind. Um die robuste Zellstruktur der Algen zu knacken, versucht die Arbeitsgruppe der Ruhr-Universität Bochum, die Algen mechanisch, thermisch, durch Einfrieren sowie mit Ultraschall oder im Druckverfahren vorzubehandeln. So erreichten sie zum Beispiel nach einer achtstündigen Erhitzung auf 100 Grad eine um 50 Prozent höhere Gasausbeute.

Nur energetische Nutzung nicht rentabel

Bislang existieren lukrativere Nutzungen für Algen als die Herstellung von Biogas. „Es kommt immer darauf an, was man mit den Algen machen möchte“, wendet Gerber jedoch ein. „Für die Biogasproduktion ist der Rohstoff nicht wirklich wertvoll, wenn man ihn mit der Anwendung in der kosmetischen und pharmazeutischen Industrie vergleicht.“ Deshalb arbeiten die Kollegen aus Hamburg an einer gestuften Nutzung: Sie wollen zunächst die sozusagen wertvollen Stoffe wie Fettsäuren und Proteine aus der Algenbiomasse gewinnen und nur den Rest als Biogassubstrat nutzen. Für letzteres wünscht sich Stephanie Koch eine Ausweitung des EEG auch auf die Algenbiomasse, zumal Algen keine Konkurrenz zu Nahrungsmitteln darstellen. Aber auch die Nutzung von Algen als CO2-Senke für Kohlekraftwerke ist nicht nur aus Gründen der Klimabilanz zu hinterfragen: Um das gesamte CO2 eines Kohlekraftwerkes wie Niederaußem zu nutzen, sei der Flächenbedarf enorm groß, meint die Bochumer Wissenschaftlerin Gerber, nämlich die Fläche der gesamten Stadt Köln.

Algen nutzen Sonnenlicht besser

Einen anderen Ansatz verfolgt die Universität Leipzig: Im Rahmen des Förderprogramms „Validierung des Innovationspotentials wissenschaftlicher Forschung – VIP“ fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 1,5 Millionen Euro in den nächsten drei Jahren ein Projekt zur Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Herstellung von Biogas. „Wir wollen versuchen, einen völlig neuen Ansatz zu finden, bei dem die bisherigen Probleme, die für die geringe Effizienz bei der Herstellung von Biogas verantwortlich sind, umgangen werden“, so Professor Christian Wilhelm vom Institut für Biologie der Uni Leipzig, der auch für die Koordination des Projektes verantwortlich ist. Die Partner sind Arbeitsgruppen um die Professoren Norbert Räbiger vom Institut für Umweltverfahrenstechnik der Uni Bremen und Clemens Posten vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Minuspunkte bei der Energieausbeute bei konventioneller Biogaserzeugung sind nach Ansicht Wilhelms erstens die geringe Effizienz bei der Herstellung der Biomasse, insbesondere bei höheren Pflanzen wie Mais, denn Nutzpflanzen wandeln das Sonnenlicht je nach Wetterbedingungen mit einer Wirksamkeit von nur zwei bis fünf Prozent in Biomasse um. Zweitens benötigen die Pflanzen Dünger, insbesondere Stickstoff-Dünger, der mit viel Energie hergestellt wird und für das eigentliche Produkt – das Biogas – gar nicht nötig ist. Drittens werden teils große Energiemengen für Ernte, Transport, Vergärung und mehr benötigt. Außerdem kann der Anbau von Biogassubstraten in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen.
Algen weisen dagegen mit sechs bis acht Prozent eine deutlich höhere photosynthetische Leistung als Landpflanzen auf. Aber auch in Kultur gehaltene Algen müssen beispielsweise gepumpt werden, die Algen Biomasse muß für die Nutzung vom Wasser getrennt und getrocknet werden, verbrauchen also auch Energie. Im Punkt energetische Kosten steht die Algen-Biotechnik also kaum besser da. Hier müsse nach Ansicht von Wilhelm in den nächsten 30 bis 40 Jahren ein Durchbruch erfolgen, wenn 30 bis 50 Prozent des fossilen Kohlenstoffs durch nachwachsende Rohstoffe ersetzt werden müssen. Eine Optimierung der vorhandenen Konzepte ließe zurzeit keinen Durchbruch bei der preiswerten Herstellung von ausreichenden Mengen Biogas aus Algen erkennen.

Biogas aus dem Algenreaktor

Vor diesem Hintergrund sucht Wilhelm neue Konzepte. Die effiziente Photosynthese der Algen soll Sonnenlicht und CO2 direkt in die gewünschten Rohstoffe und nicht wie bislang in Biomasse umwandeln. Bei diesem Konzept werden die Algen wie kleine photosynthetische Produktionsunternehmen genutzt. Sie vermehren sich nicht mehr, sondern scheiden ein bestimmtes Stoffwechselprodukt aus, das sie mit Hilfe der Photosynthese herstellen. Dies soll in einem Teil des geplanten, neuen Reaktortyps passieren. Die erzeugten Stoffe müssen dann von diesem aeroben Algenreaktor in einen anaeroben Teil gelangen, in dem methanogene Mikroorganismen daraus Biogas produzieren, das nur noch aus Methan und Kohlendioxid besteht und frei von Beigasen wie Schwefelwasserstoff ist. Die Algen sind als Biofilm plaziert und müssen weder umgepumpt werden noch schwemmen sie von selbst aus, und nur die gewünschten Produkte lösen sich im Wasser. „Dabei werden die energetischen und die wirtschaftlichen Kosten drastisch in den Keller gehen“, so Wilhelm, denn der Aufwand sowohl für die Ernte, als auch die Aufbereitung des Biogases würde umgangen. Dies würde zu einem gewaltigen Effizienzsprung führen. Bisher ging jedoch die gesamte Entwicklung in Richtung Biomasse und Biomasseumwandlung, für das neue Konzept müßten alle Elemente neu entwickelt werden – ein kompletter Neustart, so Wilhelm. Das gilt beispielsweise auch für die Algen: Für eine solch spezifische Produktion müßte der Stoffwechsel gezielt verändert werden. „Dazu muß noch Grundlagenforschung betrieben werden“, so Wilhelm. Zunächst erhofft sich Wilhelm Steigerungen bei der Photosyntheseleistung, die mdann im zweistelligen Prozentbereich liegen könnte. Auch wird bei diesem Verfahren zur Methan-Produktion kaum noch Dünger benötigt, was die Energiebilanz weiter verbessert. Als Standort für die Bioreaktoren könnten Brachflächen und bereits versiegelte Areale dienen, auf denen die Reaktoren ähnlich Photovoltaikpaneelen plaziert werden. Wilhelms Vision für das Jahr 2021 ist eine Verzehnfachung der Energieausbeute pro Hektar verglichen mit der jetzigen Art der Biogasproduktion.

Thomas Isenburg

Dieser Artikel ist in der Ausgabe 5 / 2011 energie pflanzen erschienen.

HINTERGRUND

Algen werden längst genutzt und sind doch unbekannt

(ti). Algen existieren seit drei Milliarden Jahren. Seitdem wandeln sie mit Hilfe des Sonnenlichts als Energiequelle CO2 und Wasser in Kohlenhydrate und Sauerstoff um. Einige Algen sind mit bloßem Auge nicht zu sehen, weil sie nur wenige Tausendstel Millimeter groß sind. Die Zahl der Algenarten wird auf mindestens 30.000 geschätzt. Einige werden auch bereits genutzt: zur Herstellung von Nahrungsergänzungsmitteln und Kosmetika beispielsweise. Auch Biodiesel soll aus den Wasserbewohnern gewonnen werden. Forscher arbeiten derzeit daran, die Wachstumsbedingungen für Algen zu verbessern, um auf einer möglichst kleinen Fläche viel Biomasse zu produzieren. Zusätzliches CO2, das in großen Mengen bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen entsteht, soll das Wachstum fördern. Kultiviert werden Algen in sogenannten Photobioreaktoren, die häufig in Gewächshäusern aufgestellt werden, die nicht an landwirtschaftliche Flächen gebunden sind.







Wer immer gut informiert sein will, muß die Zeitschrift energie aus pflanzen lesen.
Kompetente Fachinformationen rund um nachwachsende Rohstoffe und erneuerbare Energien.

nach oben | Startseite

    © 2017 Forstfachverlag GmbH & Co. KG KONTAKT | AGB | IMPRESSUM