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Energieträger Mikroalge Kohlendioxid-neutrale Energiegewinnung aus Mikroalgen

Redakteur: Olaf Spörkel

Einen Beitrag für die Energiegewinnung könnte zukünftig die Kultivierung von Mikroalgen bieten. Um diese energetisch nutzen zu können, entwickeln Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie Photoreaktoren und Verfahren für den Zellaufschluss.

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Mikroalgen könnten die Energielieferanten der Zukunft sein.
Mikroalgen könnten die Energielieferanten der Zukunft sein.
( Bild: Florian Lehr )

Karlsruhe – Mikroalgen betreiben Photosynthese und wandeln Kohlendioxid in Biomasse um. Aus der Biomasse lassen sich sowohl Wert- und Wirkstoffe, als auch Energieträger wie Biodiesel gewinnen. Da Algen bei ihrem Wachstum zuerst die Menge an Kohlendioxid aufnehmen, die sie später bei der energetischen Nutzung wieder freisetzen, lässt sich Energie aus Algen im Gegensatz zu konventionellen Energieträgern Kohlendioxid-neutral gewinnen. Neben der Chance der Kohlendioxid-neutralen Kreislaufwirtschaft, haben die Algen auch den Vorteil, dass sich die industriellen Kohlendioxid-Emissionen nutzen lassen, da Algen bei hohen Kohlendioxid-Konzentrationen schneller wachsen und mehr energetisch nutzbare Biomasse produzieren.

„Verglichen mit Landpflanzen produzieren Algen bis zu fünfmal so viel Biomasse pro Hektar und enthalten 30 bis 40 Prozent energetisch nutzbare Öle“, sagt Prof. Clemens Posten, der die Forschung am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik am KIT leitet. Da sich Algen auch in trockenen Gegenden kultivieren lassen, die sich für den Landbau nicht eignen, bestehe kaum Konkurrenz zu den Agrarflächen. Dazu sind dort jedoch geschlossene Systeme notwendig.

Fünffach höherer Wirkungsgrad

Gegenwärtig werden Algen in offenen Becken in südlichen Ländern mit relativ geringer Produktivität produziert. Genau hier setzt Postens neue Technologie an. „Wir gehen verfahrenstechnisch ganz anders heran und arbeiten mit geschlossenen Photo-Bioreaktoren“, erläutert der Wissenschaftler. „Unsere Anlagen wandeln Sonnenenergie mit fünffach höherem Wirkungsgrad in Biomasse um als offene Becken.“ Die Plattenreaktoren stehen senkrecht, ähnlich wie Photovoltaikzellen. „So sieht jede Alge ein bisschen weniger Licht, die Anlage arbeitet dafür aber mit höherem Wirkungsgrad“, betont der Biologe und Elektrotechniker.

Die Algenproduktion funktioniert nach Aussage der Forscher nicht nur in Ländern mit extrem hoher Sonneneinstrahlung. Die meisten Algen benötigen maximal zehn Prozent des ankommenden Sonnenlichts. Der Rest werde verschwendet, falls man nicht ein optimales Lichtmanagement im Photo-Bioreaktor habe, so der Wissenschaftler Posten. Denn in der Sahara gebe es gerade mal doppelt so viel Sonne wie bei uns, dafür müsse man dort aber den Reaktorinhalt kühlen. Weitere Vorteile des geschlossenen Systems sind drastische Ersparnisse an Wasser und Düngemitteln. Auch eine Doppelnutzung zur Produktion von Lebensmitteln oder Feinchemikalien aus den Algen und der anschließenden energetischen Verwertung der Restbiomasse ist denkbar.

Extraktion der Inhaltsstoffe

An der Abteilung Hochleistungsimpulstechnik am Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik am KIT-Campus Nord werden mittels Elektroimpulsbehandlung der Algenbiomasse die Inhaltsstoffe isoliert. Bisher hat Dr. Georg Müller, Leiter der Abteilung, zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie den Aufschluss von Pflanzenzellen wie Oliven, Weintrauben, Äpfeln, Zuckerrüben und terrestrischen Energiepflanzen erforscht und teilweise großtechnisch umgesetzt. „Unser Ziel ist es, neue wirtschaftliche und nachhaltige Extraktionsverfahren zu entwickeln, um möglichst viel energetisch nutzbare Zellinhalte aus den Algen zu erhalten“, so Müller. „Bei unserem Verfahren werden Pflanzenzellen für sehr kurze Zeit einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt. Dies führt zur Perforierung der Zellmembran und Freisetzung von Inhaltsstoffen“.

Die Kooperation der beiden Arbeitsgruppen soll nun das vorhandene Know-how bündeln. Geplant ist der Aufbau einer KIT-Algenplattform für die energetische Nutzung von Mikroalgen. Mittelfristig sollen hierfür auf dem Campus Nord des KIT Pilot- und Demonstrationsanlagen entstehen unter Nutzung der räumlichen und infrastrukturellen Vorteile.

Um den Kreislauf zur vollständigen energetischen Nutzung der Algenbiomasse zu schließen, gehen die KIT-Forscher noch einen Schritt weiter. Die nach der Extraktion verbleibende Biomasse (60-70 Prozent) soll durch das am Campus Nord entwickelte Verfahren der hydrothermalen Vergasung in weitere Energieträger wie Wasserstoff oder Methan umgewandelt werden.

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