Nachhaltige Energie aus Algen

Die Mikroalge Pediastrum duplex Bild: Mike Krüger at de.wikipedia

Auch wenn der Klimawandel derzeit weniger Schlagzeilen verursacht, die Notwendigkeit zum ökologischen Handeln bleibt unvermindert hoch. Daran erinnern tagtäglich weiter steigende Energiepreise. Vor diesem Hintergrund arbeiten Forschung und Entwicklung mit Hochdruck an Alternativen, um nach Möglichkeit gleich zwei Ziele gleichzeitig zu erreichen: die Bereitstellung von nachhaltiger Energie und die Reduktion der klimarelevanten Kohlendioxid-Emissionen (CO2). Lösungen dieser Art präsentiert einmal mehr die Research & Technology im Rahmen der HANNOVER MESSE 2012.

Ein Beispiel für Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Sektor der nachhaltigen Energiegewinnung stellt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in diesem Jahr auf der Research & Technology vor: Algen als nachhaltige Energiequelle.

Mikroalgen sind einzellige pflanzenartige Organismen, die Photosynthese betreiben und Kohlendioxid in Biomasse umwandeln. Aus dieser Biomasse lassen sich sowohl Wert- und Wirkstoffe als auch Futtermittel sowie Energieträger wie Biodiesel gewinnen. Da Algen bei ihrem Wachstum zuerst die Menge an CO2 binden, die bei der späteren Nutzung wieder freigesetzt werden, ist die Energie aus Algen unter dem Strich CO2-neutral.

Vor diesem Hintergrund hat das KIT bereits 2009 eine Plattform für Mikroalgentechnologie gegründet, an der gleich drei Institute beteiligt sind - die Arbeitsgruppe Bioverfahrenstechnik des Instituts für Bio- und Lebensmitteltechnik, die Arbeitsgruppe Bioelektrik des Instituts für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik sowie die Arbeitsgruppe Mikroalgen des Instituts für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS). Damit deckt das KIT wichtige Aspekte der Kette ab, die für die Nutzung der vielseitigen Einzeller relevant sind. Diese Kette reicht von der Reaktionstechnik über die Reaktorentwicklung und die Aufarbeitung bis hin zur Prozessintegration und Gestaltung sowie Bewertung Algen-basierter Produktionssysteme. Dabei stehen jeweils die Kriterien einer nachhaltigen Entwicklung im Mittelpunkt.

Die Biomasse aus den Kleinlebewesen hat das Potenzial, CO2 zu reduzieren. Das liegt daran, dass Algen bis zu fünf Prozent des Sonnenlichtes in chemische Energie umwandeln können und dabei größere Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen. Raps und Mais schaffen vergleichsweise nur etwa ein Prozent. Und die Algen haben weitere Vorteile: Sie lassen sich in technischen Systemen kultivieren, beanspruchen keine landwirtschaftlich nutzbaren Flächen und treten nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion. Zudem gedeihen sie in Salz- und Brackwasser oder auch in nährstoffreichen Abwässern, wodurch der Konkurrenzdruck um Wasser und Düngemittel verringert wird. "Aus Nachhaltigkeitssicht besitzen Algen enormes Potenzial", bestätigt Dr. Christine Rösch, Projektleiterin am ITAS.

Jeder fünfte Liter Flugbenzin könnte aus Algen produziert werden Erst kürzlich hat das KIT dieses Potenzial, welches zur Produktion von Biomasse durch Mikroalgen in Europa verfügbar ist, in Abhängigkeit von CO2- und Landbedarf genauer ermittelt. Die Analyse belegt, dass bis zu 45 Megatonnen Biomasse pro Jahr durch die Kultivierung von Algen produziert werden könnten. Die Kosten dabei variieren allerdings erheblich von Standort zu Standort zwischen gut 600 und maximal 2 000 Dollar pro Tonne. Die eindeutig besten Bedingungen herrschen in Spanien. Allein dort ließen sich 32 Megatonnen Biomasse erzeugen, was insgesamt 70 Prozent des gesamten europäischen Aufkommens sind. Deutschland dagegen erreicht nur 0,9 Megatonnen pro Jahr.

Neben der Sonneneinstrahlung spielt auch die Verfügbarkeit von CO2-Quellen eine wichtige Rolle. Da das CO2 in höherer Konzentration benötigt wird, sind die Abtrennung und der Einsatz von Kohlendioxid aus industriellen Prozessen sinnvoll. Algen erzeugen hohe Konzentrationen an Lipiden, wozu auch Öle und Fette zählen, aus denen sich Kraftstoffe und unter anderem auch Flugbenzin herstellen lassen. Da der Ölanteil rund 50 Prozent beträgt, wäre es möglich, den europäischen Bedarf an Kerosin zu 22 Prozent aus Algen zu generieren.

Wasserstoff aus Mikroalgen - "HydroMicPro" macht es möglich Konkret ist das KIT an mehreren wichtigen national und international vernetzten Projekten beteiligt. Beim Vorhaben "HydroMicPro" hat das KIT die Koordinatorfunktion übernommen. Mit insgesamt acht Partnern aus Wissenschaft und Industrie wird an der Entwicklung hocheffizienter Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff mit Mikroalgen gearbeitet. HydroMicPro wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt 2,1 Millionen Euro aus dem Förderprogramm "Grundlagenforschung Energie 2020+" gefördert.

"In dem Projekt geht es darum, einen preisgünstigen hocheffizienten Produktionsprozess mit optimierter Biologie und Verfahrenstechnik zu entwickeln, um die Voraussetzung für eine massentaugliche Wasserstofferzeugung zu schaffen", erklärt Prof. Clemens Posten vom Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik.

Zum anderen ist das KIT im EU-Projekt "EnAlgae" ("Energetic Algae") federführend für die Nachhaltigkeitsanalyse verschiedener Produktionsverfahren zuständig. Dieses Projekt läuft seit 2011, ist auf vier Jahre angelegt und wird von der EU mit 14 Millionen Euro gefördert. EnAlgae soll geeignete Technologien und Verfahren zur nachhaltigen Erzeugung von Biomasse mit Mikro- und Makroalgen in Nordwesteuropa entwickeln. "Unser Ziel ist die Identifizierung der effizientesten und aus ökologischer, ökonomischer und gesellschaftlicher Sicht vorteilhaftesten Algen-basierten Prozessketten sowie geeigneter Standorte für die Algenkultivierung", ergänzt Rösch.

Auf der HANNOVER MESSE 2012 zeigt das KIT einen Photobioreaktor mit etwa 20 Litern Volumen zur Algenzüchtung. "Wir behandeln die Algen mit elektrischen Feldern, um die Zellen zu öffnen und die Inhaltsstoffe zu erschließen", erläutert Dr. Georg Müller vom Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik. Dabei handelt es sich zum einen um Rohstoffe beispielsweise für die Kosmetikindustrie, zum anderen aber im Wesentlichen um Lipide, die mit Alkoholen extrahiert und zu Kraftstoffen weiterverarbeitet werden. Die übrige feuchte Biomasse soll über Vergasungsprozesse ebenfalls zu Kraftstoffen umgewandelt werden. "Wir probieren den Einsatz von elektrischen Feldern auch zur Wachstumsanregung bei den Algen, wobei extrem kurze Pulse von Nanosekundenlänge verwendet werden", sagt Müller.

Die Forschung nach nachhaltigen Energiequellen bleibt ein Hightech-Gebiet und deshalb außergewöhnlich spannend. Der Besuch der Research & Technology in Halle 2 ermöglicht erste Einblicke in dieses Themenfeld der Zukunft.

Quelle: Deutsche Messe AG Hannover (ots)