Scheinbar unwillkürlich steigende Preise an den internationalen Rohstoffmärkten verärgert viele Menschen. Einige werden nachdenklich und überlegen, in wie weit diese Entwicklungen im Zusammenhang mit den noch verfügbaren Ressourcen steht. Angesichts der Verknappung petrochemischer Rohstoffe und des Klimawandels ist die Entwicklung Kohlenstoffdioxid (CO₂)-neutraler nachhaltiger Brennstoffe eine der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit.

Was ist CO₂ Neutralität?

Wenn das bestehende Kohlenstoffdioxid CO2 Gleichgewicht nicht verändert wird ist es CO2 neutral. Einige Wissenschaftler sind der Meinung, dass nicht fossile Brennstoffe, wie Ethanol, Rapsö oder Holz, zu den CO2 neutralen Brennstoffen gehören. Andere gehen davon aus, dass der Gesamtgehalt an C02 durch mehr Anbau von Energiepflanzen sich genau zum Gegenteil verkehrt. Die gebundene Kohlenstoffmenge nähme zu.

Nahrungsmittelverschwendung oder alternative Energiepflanzen?

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 Karlsruher Institut für Technologie (KIT) geschlossene Photoreaktoren und neue Verfahren für den Zellaufschluss.

Was sind Mikroalgen und welche Vorteile haben sie?

Mikroalgen sind einzellige, pflanzenartige Organismen, die Kohlendioxid (CO2) in Biomasse umwandeln. Aus dieser Biomasse werden Wert- und Wirkstoffe, aber auch Energieträger wie Biodiesel gewonnen.

Aus Mikroalgen kann CO2 neutral gewonnen werden

Algen nehmen bei ihrem Wachstum zuerst die Menge an CO2 auf die sie später bei der energetischen Nutzung wieder freisetzen. Im Gegensatz zu konventionellen Energieträgern wird CO2-neutral gewonnen, das heißt die CO2-neutralen Kreislaufwirtschaft, wird nicht negativ belastet. Die Nutzung der Algen hat den weiteren Vorteil dass sich die industriellen CO2-Emissionen als “Rohstoff” nutzen lassen. Die  Algen wachsen bei hohen Kohlendioxid-Konzentrationen schneller und produzieren damit mehr energetisch nutzbare Biomasse.

Algen produzieren mehr Biomasse mit mehr Ölen

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 trockenen Gegenden kultivieren lassen, die sich für den Landbau nicht eignen, bestehe kaum Konkurrenz zu den Agrarflächen. Dazu sind dort jedoch geschlossene Systeme notwendig.

Was ist das KIT?

Im Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird eine europaweite Energieforschung bezüglich aller relevanten Energieformen für Industrie, Haushalt, Dienstleistungen und Mobilität betrieben.

Dort werden technische- und naturwissenschaftliche Kompetenzen mit wirtschafts-, geistes- und sozialwissenschaftlichem sowie rechtswissenschaftlichem Fachwissen verbunden.

Algenproduktion im geschlossenen Becken produktiver

Gegenwärtig werden in südlichen Ländern Algen in offenen Becken produziert. Diese haben nur eine geringe Produktivität, weil, so Posten, die Algen nur maximal zehn Prozent des ankommenden Sonnenlichts verwerten. Der Rest werde nicht ausgewertet oder benötigt um den Reaktorinhalt zu kühlen. Um effektiv zu arbeiten, werde ein optimales Lichtmanagement im Photo-Bioreaktor benötigt. Die neue Technologie, die mit geschlossenen Photo-Bioreaktoren arbeitet, soll, nach Angabe der Wissenschaftler, Sonnenenergie mit einem fünffach höheren Wirkungsgrad in Biomasse umwandeln. Weil die Plattenreaktoren senkrecht, ähnlich wie Photovoltaikzellen stehen, bekommt jede Alge weniger Licht, hat aber einen höheren Wirkungsgrad”, betont der Biologe und Elektrotechniker. Bei dieser neuen Möglichkeiten der Energiegewinnung spielen die Investitions- und Betriebskosten für Photo-Bioreaktoren eine große Rolle. Um Energie aus Algen wirtschaftlich zu machen, muss zusätzlich ein hocheffizientes Verfahren zur Ernte und für den Aufschluss der Algen entwickelt werden.

Algen im geschlossenen Reaktor sind genügsam

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.

Ziel der Algenproduktion: mehr Energie

Die Abteilung Hochleistungsimpulstechnik am Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik am KIT-Campus Nord arbeitet daran der Algenbiomasse, mittels Elektroimpulsbehandlung die wertvollen Inhaltsstoffe zu entlocken. Bisher hat der Abteilungsleiter Dr. Georg Müller, 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”.  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 von 60-70 Prozent soll durch das am Campus Nord entwickelte Verfahren der hydrothermalen Vergasung in weitere Energieträger wie Wasserstoff oder Methan umgewandelt werden.

Geplante Algenplattform

Die beiden Arbeitsgruppen planen den Aufbau einer KIT-”Algenplattform” für die energetische Nutzung von Mikroalgen. Mittelfristig sollen hierfür, auf dem Campus Nord des KIT, unter Nutzung der räumlichen und infrastrukturellen Vorteile, Pilot- und Demonstrationsanlagen entstehen. “Damit knüpfen wir einen wichtigen Knoten in der momentan rapide ablaufenden Vernetzung in der Algenbiotechnologie”, so Posten.