"Grüne" Energie
aus Algen
Angesichts der Verknappung petrochemischer
Rohstoffe und des Klimawandels ist die Entwicklung CO2-neutraler
nachhaltiger Brennstoffe eine der drängendsten Herausforderungen
unserer Zeit. Energiepflanzen wie Raps oder Ölpalme
sind wegen der Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion in
die Diskussion geraten. Einen wichtigen Beitrag für
die Energieversorgung von morgen könnte daher die Kultivierung
von Mikroalgen bieten. Um diese energetisch nutzen zu können,
entwickeln Wissenschaftler am KIT geschlossene Photoreaktoren
und neue Verfahren für den Zellaufschluss.
Mikroalgen sind einzellige, pflanzenartige Organismen,
die Photosynthese betreiben und Kohlendioxid (CO2) in Biomasse
umwandeln. Aus dieser Biomasse lassen sich sowohl Wert-
und
Wirkstoffe, als auch Energieträger wie Biodiesel gewinnen.
Da Algen bei ihrem Wachstum zuerst die Menge an CO2 aufnehmen,
die sie später bei der energetischen Nutzung wieder
freisetzen, lässt sich Energie aus Algen im Gegensatz
zu konventionellen Energieträgern CO2-neutral gewinnen.
Neben der Chance der CO2-neutralen Kreislaufwirtschaft,
haben die Algen noch einen weiteren Vorteil: Industrielle
CO2-Emissionen lassen sich als "Rohstoff" nutzen,
da Algen bei hohen Kohlendioxid-Konzentrationen schneller
wachsen und damit mehr energetisch nutzbare Biomasse produzieren.
Dies ist jedoch nicht ihr einziger Pluspunkt: "Verglichen
mit Landpflanzen produzieren Algen bis zu fünfmal so
viel Biomasse pro Hektar und enthalten 30 bis 40 Prozent
energetisch nutzbare Öle", so Professor Clemens
Posten, der diese Forschung am Institut für Bio- und
Lebensmitteltechnik am KIT leitet. Da sich Algen auch in
ariden, also trockenen Gegenden kultivieren lassen, die sich
für den Landbau nicht eignen, bestehe kaum Konkurrenz
zu den Agrarflächen. Dazu sind dort jedoch geschlossene
Systeme notwendig.
Neu entwickelter Plattenreaktor für ein optimales
Lichtmanagement bei der Kultivierung von Mikroalgen.
(Foto: Florian Lehr)
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", so der Wissenschaftler. "Unsere
Anlagen wandeln Sonnenenergie mit fünffach höherem
Wirkungsgrad in Biomasse um als offene Becken." Die
Plattenreaktoren stehen dabei senkrecht, ähnlich wie
Photovoltaikzellen. "So sieht jede Alge ein bisschen
weniger Licht, die Anlage arbeitet dafür aber mit höherem
Wirkunggsgrad", betont der Biologe und Elektrotechniker.
Die Algenproduktion funktioniert daher nicht nur in Ländern
mit extrem hoher Sonneneinstrahlung. Die meisten Algen benötigen
maximal zehn Prozent des ankommenden Sonnenlichts. Der Rest
werde einfach 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.
Dabei ist auch eine Doppelnutzung zur Produktion von Lebensmitteln
oder Feinchemikalien aus den Algen und der anschließenden
energetischen Verwertung der Restbiomasse denkbar.
An Postens Institut ist eine der beiden Arbeitsgruppen des
KIT angesiedelt, die intensiv auf dem Gebiet der Algen-Biotechnologie
forschen. "Bei der Entwicklung von Photo-Bioreaktoren
gehören wir mittlerweile zu den drei Standorten weltweit,
in denen man in der Verfahrenstechnik, und nicht nur in der
Biologie, deutlich vorankommt", so Posten.
Wo sein Forschungsgebiet am Campus Süd des KIT aufhört,
setzt die Abteilung Hochleistungsimpulstechnik am Institut
für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik am KIT-Campus
Nord an. Hier geht es darum, mittels Elektroimpulsbehandlung
der Algenbiomasse die wertvollen Inhaltsstoffe zu entlocken.
Bisher hat Dr. Georg Müller, der die Abteilung leitet,
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 und nutzt dazu eine Anschubfinanzierung
des KIT-Zentrums Energie. 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. "Damit knüpfen wir einen wichtigen Knoten
in der momentan rapide ablaufenden Vernetzung in der Algenbiotechnologie",
so Posten. Um die Energiegewinnung aus Algen wirtschaftlich
zu machen, wird es darum gehen, die Investitions- und Betriebskosten
für Photo-Bioreaktoren gering zu halten und gleichzeitig
hocheffiziente Verfahren zur Ernte und für den Aufschluss
der Algen zu entwickeln.
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.
In der Energieforschung ist das Karlsruher Institut für
Technologie (KIT) eine der europaweit führenden Einrichtungen:
Das KIT-Zentrum Energie vereint grundlegende und angewandte
Forschung zu allen relevanten Energieformen für Industrie,
Haushalt, Dienstleistungen und Mobilität. In die ganzheitliche
Betrachtung des Energiekreislaufs sind Umwandlungsprozesse
und Energieeffizienz mit einbezogen. Das KIT-Zentrum Energie
verbindet exzellente technik- und naturwissenschaftliche
Kompetenzen mit wirtschafts-, geistes- und sozialwissenschaftlichem
sowie rechtswissenschaftlichem Fachwissen. Die Arbeit des
KIT-Zentrums Energie gliedert sich in sieben Topics: Energieumwandlung,
erneuerbare Energien, Energiespeicherung und Energieverteilung,
effiziente Energienutzung, Fusionstechnologie, Kernenergie
und Sicherheit sowie Energiesystemanalyse.
Im Karlsruher Institut für Technologie schließen
sich das Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft
und die Universität Karlsruhe zusammen. Damit entsteht
eine Einrichtung international herausragender Forschung und
Lehre in den Natur- und Ingenieurwissenschaften. Im KIT arbeiten
insgesamt 8000 Beschäftigte mit einem jährlichen
Budget von 700 Millionen Euro. Das KIT baut auf das Wissensdreieck
For-schung - Lehre - Innovation. Es setzt neue Maßstäbe
in der Nachwuchsförderung und zieht Spitzenwissenschaftler
aus aller Welt an. Für die Wirtschaft fungiert das KIT
als wichtiger Innovationspartner. |
