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Biofuels out of algaeVielen Dank an Roland Schnell von Graskraft (Berlin) für den detaillierten Gastartikel zur Gewinnung und Nutzung von Bioenergie aus Algen.

Dies ist die überarbeitete und erweiterte Fassung eines Vortrags bei der 11. Fachtagung Kraftstoff Pflanzenöl am 11. und 12. Oktober 2012 in Dresden-Pillnitz. Vom selben Autor gabe es schon bei 9. Fachtagung Kraftstoff Planzenöl eine Präsentation über die Maritime Nutzung von Biokraftstoffen.

Die Welt ist nicht genug um den Energiebedarf zu decken. Das ist die Botschaft, mit der Kritiker der energetischen Nutzung von Biomasse in der letzten Zeit immer mehr Zuspruch in der Öffentlichkeit finden.

Die landwirtschaftliche Nutzfläche mit weltweit mit 10 bis 15 Millionen km2 angegeben. Würde man überall nur Kokospalmen mit einem Ertrag von 10 t/ha anbauen, so bekäme man 10 Milliarden Tonnen Öl und das entspricht dem Primärenergieverbrauch der Welt.

Biomasse sei der falsche Weg in der Energieversorgung, so sagen die Kritiker. Denn die Ackerfläche würde dringend gebraucht um Nahrung für eine ständig wachsende Bevölkerung anzubauen. Dabei macht das, was als landwirtschaftliche Nutzfläche deklariert wird, nur einen Teil der Erdoberfläche aus. Weitere 40 Mio km2 sind mit Wald bedeckt. Die feste Landfläche summiert sich auf ungefähr 150 Millionen km2 und das ist weniger als ein Drittel der Erde. Die Ozeane bedecken über 70% der Erde, die deswegen ja auch als „Blauer Planet“ bezeichnet wurde.

Die Ideen, das Meer als unerschöpfliche Quelle für Biomasse zu betrachten, sind nicht neu. Und auch hier wird man, wie an Land, sofort von der Diskussion um „Tank oder Teller“ eingeholt. Die Weltmeere werden vor allem als Ressource für Speisefisch genutzt. Der km2 weltweit. Damit liefert das Meer etwa 1% der Nahrung der Menschen. Und das in einer wenig effizienten Form der Nutzung

Die eßbaren Fische stehen am Ende einer langen und verlustreichen Nahrungskette.

  • Quartärkonsumenten/Topkonsumenten: Piscivore Fische („Raubfische“, z.B. Kabeljau), carnivor
  • Tertärkonsumenten: Planktivore Fische („Friedfische“, z.B. Hering), carnivor
  • Primärkonsumenten: Herbivores (filtrierendes) Zooplankton
  • Primärproduzenten: Phytoplankton (Algen)

Ein konkretes Beispiel für eine Nahrungspyramide sieht so aus: Ein Buckelwal frisst pro Tag ungefähr 5.000 Heringe. Ein Hering ernährt sich pro Tag teilweise direkt, teilweise über kleinere Fische von Zooplankton, umgerechnet sind das an die 6.000 Ruderfußkrebschen. Ein Ruderfußkrebschen lebt von Phytoplankton, täglich sind das ca. 130.000 Kieselalgen. Umgerechnet frisst ein Buckelwal also pro Tag die Menge von 400 Milliarden Kieselalgen.

Die Primärproduzenten direkt nutzen

Man wird also vorzugsweise direkt die Primärproduzenten, die Algen, ins Auge fassen. Und dann kann man die „Tank oder Teller“-Diskussion gleich in das nächste Sushi-Restaurant verlegen. Die westliche Variante von Maki-Sushi wird von einer Hülle aus Nori zusammengehalten. Nori sind dunkelgrüne Meeresalgen, die als quadratische, papierartige Blätter verkauft werden. Meist Rotalgen der Arten Porphyra yezoensis und Porphyra tenera, Deutsch: Purpurtang, bisweilen auch Meerlattich oder Seegras genannt. In Japan ist die Algenzucht ein Wirtschaftszweig mit einer Umsatz von 1 Milliarde $ und einer Produktion von 350.000 t pro Jahr auf 600 km2 in küstennähen Gewässern. In China werden jährlich etwa drei Millionen Tonnen Algen als gegartes Gemüse oder Suppe verzehrt.

Europäer kommen eher unbemerkt mit Algen in Kontakt. In der Lebensmittelindustrie werden Alginate aus Braunalgen als Emulgator, Gelier-, Überzugs- oder Verdickungsmittel eingesetzt. Alginsäure sowie deren Natrium-, Kalium-, Ammonium- und Calciumsalze sind in der EU sind als Lebensmittelzusatzstoff mit den Nummern E 400–405 für alle für Zusatzstoffe zugelassenen Produkte – auch für „Bio“-Produkte – zugelassen.

Der beliebte Bubble-Tea wäre ohne Alginat nicht möglich. Die Popping Bobas, sind Kügelchen aus Alginat mit einer flüssigen Füllung, die beim Zerbeißen platzen.

Algen als Energieträger

Algen sind wie Pflanzen. Sie wachsen mit Licht und brauchen Nährstoffe. Sie bestehen aus Kohlehydraten, Eiweiß und Fett. Im Gegensatz zu Landpflanzen haben sie kaum Lignocellulose, weil sie im Wasser treiben und keine Struktur aufbauen müssen. Trotzdem produzieren sie die Hälfte des Sauerstoffs in der Atmosphäre.

Mikroalgen produzieren im Verhältnis zu Landpflanzen etwa 10 mal soviel Biomasse pro Zeiteinheit und das macht sie so interessant. Er werden Hektarerträge von 50 bis 100 t Trockenmasse pro Hektar in offenen Systemen genannt. Die einfachste Variante dies in einen Energieträger umzuwandeln ist ein Biogasreaktor.

Will man aber Öl haben, dann muß man die Algen hungern lassen. Wenn den Algen die Nährstoffe entzogen werden, dann bilden sie Lipide, also Pflanzenöle, die auch zu Biodiesel weiterverarbeitet werden können. In Versuchsreaktoren kann man schon 10 g Algen-Trockensubstanz pro Liter erhalten und davon ist die Hälfte Fett.

Das Abtrennen und Aufkonzentrieren der Algen ist im großtechnischen Maßstab noch nicht befriedigend gelöst. Bei der Herstellung von Algenöl für die Kosmetik oder als Nahrungsergänzungsmittel spielt das keine Rolle.

Getrocknete Algen werden für bis zu 1.000 €/kg als Nahrungsergänzungsmittel angeboten. Algenöl für kosmetische Anwendungen kostet bis zu 45 €/Liter im Großhandel. Für Endverbraucher oft über 100 €/Liter.

Marine testet Biokraftstoff aus Algen

Das sind natürlich Preise, die jenseits von dem liegen, was man an der Tankstelle bezahlen würde. Allerdings ist inzwischen ein Algentreibstoff auf dem Markt, der im wesentlichen auf Veranlassung der Marine der Vereinigten Staaten von Amerika entwickelt wurde. Die kalifornische Firma Solazyme hat in den letzten Jahren mehrmals die U.S. Navy beliefert, erst für Laboruntersuchungen und Tests auf Prüfständen, dann für Versuchsfahrten und schließlich im Juni 2012 für das Manöver RIMPAC im Pazifischen Ozean. Der Preis wird mit 26 US $ pro Gallone angegeben, was etwas mehr als 8 €/l entspricht. Aber selbst das erscheint der Republikanischen Opposition zuviel und der Präsidentschaftskandidat Obama wird bezichtigt, den Militäretat für Biokraftstoffe zu verschwenden. Immerhin waren für das Manöver im Juli 2012 rund 1,7 Millionen Öl aus Algen und Leindotter bestellt worden.

Obwohl in der Presse immer von Algenöl die Rede ist, handelt es sich strenggenommen nicht um ein Öl aus Algen, sondern um ein Öl, das mit Hilfe von Algen aus Abfallbiomasse hergestellt wird. Die Wissenschaftler von Solazyme haben eine heterotroph lebende Mikroalge gezüchtet, die im Dunkeln lebt und die Photosyntheseleistung von anderen Pflanzen nutzt. Der Vorteil ist, daß für die Ölproduktion ganz normale Bioreaktoren verwendet werden können. Solazyme gibt an, daß bis zu 80% der Zellmasse ihrer Algen aus Öl besteht.

Interesse für Energie aus Algen bei Luft- und Seefahrt

Das Interesse an den Kraftstoffen, die das Militär nutzt, ist sehr groß. Auf Anforderung der Marine wurde von Dynamic Fuels ein Raffinerieprozess zur Produktion von Flugzeugtreibstoff für Kampfjets nach NATO-Spezifikation entwickelt. Inzwischen haben sich auch private Airlines für den Kraftstoff interessiert und die Reederei Maesk hat einen Langzeitversuch mit dem 300 m langen Containerschiff Kalmar auf einer Reise von 6.500 Seemeilen begonnen.

Algenkraftstoff ohne Umwege

Die Ergebnisse von Solazyme demonstrieren, welche Leistungen aus dem Stoffwechsel von Algen schon jetzt herausgeholt werden können. Der große Traum ist natürlich nach wie vor, daß die Photosyntheseleistung der Algenbiomasse direkt genutzt werden kann.

Hier gibt es im Prinzip zwei Wege, die in der öffentlichen Diskussion, vor allem was die Kosten anbetrifft, nicht immer sauber getrennt werden.

Der eine Weg sind sogenannte Photobioreaktoren, die meist in Forschungsvorhaben eingesetzt werden. In einem System von Röhren zirkuliert eine Algensuspension, die möglichst viel Licht nutzen soll. Manchmal werden diese Röhren auch noch mit künstlichem Licht beleuchtet.

Der Aufwand für solche Anlagen ist so groß, daß eine wirtschaftliche Erzeugung von Energieträgern illusorisch erscheint. Das ist aber auch nicht das primäre Ziel. In der Forschung dienen solche Einrichtungen zur Auswahl besonders geeigneter Stämme und zur Ermittlung von günstigen Wachstumsbedingungen.

In Produktionsanlagen wird die Algenbiomasse wegen bestimmten wertvollen Inhaltstoffen auf diese Weise gezüchtet. Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik konzentriert sich auf Astaxanthin, einem roten Farbstoff mit antioxidativen und gesundheitsfördernden Eigenschaften und auf Omega-3-Fettsäuren. Dementsprechend aufwändig ist auch die Weiterverarbeitung der Biomasse.

Der andere Weg ist die Nutzung von Algen in ihrer natürlichen Umgebung, also vor allem im Meer. Hier herrschen selten die optimalen Bedingungen, die man im Labor oder im Bioreaktor herstellen kann, hinsichtlich Sonneneinstrahlung, Temperatur, Nährstoffversorgung usw. Dementsprechen muß man bei der Produktivität erhebliche Abstriche machen.

Ein aussichtsreicher Kandidat scheint eine Alge zu sein, die als „Seaweed“ oder „Kelp“ bekannt und als Fingertang (Laminaria digitata) bezeichnet wird. Kelp gehört zu den Braunalgen und bildet im Nordatlantik regelrechte Tangwälder. In der Bretagne werden 75.000 t/a davon zur Herstellung von Alginat geerntet. In Südostasien, der klassischen Region für Algennutzung und Algenproduktion, werden mehr als 1 Million t/a geerntet, die einen Wert von mehren Milliarden Dollar haben.

Wegen des hohen Zuckergehalts, gibt es sogar einen Zuckertang (Saccharina latissima oder Laminaria saccharina), bei dem man eher an die Gewinnung von Biogas oder Ethanol denkt. Im Bio Architecture Lab (BAL) in Berkeley, Kalifornien wurde ein genetisch manipulierter Mikroorganismus entwickelt, der Braunalgen direkt in Ethanol umwandelt. Dazu wurde eine Gensequenz aus dem Bakterium Vibrio splendidus, das im Meer lebt und Alginat abbauen kann, in E. Coli eingebaut. Gut ein Drittel der Algentrockenmasse werden zu Alkohol umgesetzt.

Es ist nachvollziehbar, daß sich vor allem Küstenländer und Inselstaaten in diesem Bereich engagieren: Japan, Neuseeland, die USA, aber auch Großbritannien und Frankreich.

Vorreiter Hawaii

Auch Hawaii ist ein aussichtsreicher Standort. Der 50. Bundesstaat der Vereinigten Staaten liegt 3.682 km vom Festland entfernt und fast die gesamte Energie muß importiert werden. Die Basis der Energiewirtschaft auf Hawaii ist hauptsächlich Erdöl, mit dem die Kraftwerke auf den einzelnen Inseln betrieben werden. Dabei wurde schon Biomasse als Energieträger genutzt. Bei der Verarbeitung des Zuckerrohrs wurde die Bagasse zur Dampferzeugung verbrannt und Strom erzeugt. Die „Maui Electric Company“ bekommt Strom von der HC&S Puunene Sugar Mill, die aus Bagasse bis zu 16 MW erzeugen kann. Das entspricht etwa 7 – 8 % des Elektrizitätsbedarf auf der Insel.

Die Hawaiian Electric Company, Inc. (HECO), die 95% der Haushalte und Betriebe versorgt, ist bereit statt Erdöl auch Biokraftstoff in ihren Kraftwerken einzusetzen. Eine Option ist ein Algenprojekt der Firma Phycal Inc aus Ohio, das vom US-amerikanischen Energieministerium mit 51,5 Millionen Dollar gefordert wird. Es soll in Wahiawa auf der Insel Oahu eine halbe Million Liter Öl erzeugen. Die Algen werden in offenen Rinnen kultiviert und mit dem von Phycal entwickelten „Heteroboost“-Verfahren zur Produktion von Öl stimuliert. Das Öl wird abgetrennt und wie gewohnt weiterverarbeitet. Die Firma gibt an, daß Algen auf einer Fläche in der Größe des Staates Alabama den gesamten Ölimport der USA ersetzen könnten.

Präsident Obama hat im Haushalt für 2013 eine massive Finanzierung von Biomasse und Bioraffinerie-Vorhaben eingeplant. Er sagte:

We are expanding our investments in research, development, and demonstration of cellulosic ethanol and other advanced biofuels such as algae-derived biofuels and „drop-in” replacements for diesel and jet fuel, including through collaborations with the Navy and US Department of Agriculture.

Ob dies so eintritt hängt davon ab, was in den Beratungen zum Haushalt gekürzt wird und ob er als Präsident wiedergewählt wird.

Schon 2009 hat sich ExxonMobile mit Craig Venter darüber verständigt, daß 600 Millionen US $ in Ol aus Algen investiert würden.“Algen sind nicht dazu geschaffen worden um einige tausend gallonen Öl pro Acre zu produzieren. Wir müssen der Evolution auf die Sprünge helfen“ sagte Venter zur New York Times. Die Venter’s Synthetic Genomics Inc. hat herausgefunden, daß Algen tiefgrün sind. Aber dadurch wird zuviel Licht absorbiert. Es wurde deshalb ein Stamm entwickelt, der nur gelblich ist und mehr Licht in das Innere läßt. Es wurde in Kalifornien schon ein Gelände in Imperial Valley in der Nähe des Salton Sea gekauft.Dort gibt es schon 42 offene Teiche mit Volumina von 100 bis 240.000 Gallonen (400 l bis 1000 m2).

Die erwartete Produktion laut Next Generation Algal Biofuels Fact Sheet liest sich bescheidener als vollmundige Versprechen, die durch die Medien kursieren. Venter geht davon aus, daß Algen 2.000 Gallons Öl je Acre und Jahr bringen könnten. Die Vergleichswerte für andere Ölpflanzen sind Palmöl: 650, Soja – 50 und für Ethanol wird angegeben Zuckerrohr : 450 und Mais: 250, allerdings mit niedrigerem Energieinhalt.

Die Firma Algae.Tec ist 2007 mit Niederlassungen in Atlanta, Georgia und Perth, West Australien gegründet worden und will Treibstoff, vor allem Flugzeugtreibstoff herstellen. Zu den strategischen Partnern gehören inzwischen die Deutsche Lufthansa, die Manildra Group, eine Getreidemühle mit Engagement bei Bioethanol, der Betonhersteller Holkim Lanka (Sri Lanka) . und die chinesische Kerui Group, die Ausrüstungen und Dienstleistungen für die Ölindustrie anbietet.

Von der Algenbiomasse werden das Öl und die Kohlehydrate für Ethanol genutzt. Die Kosten sollen bei der Hälfte des Ölpreises liegen.

In Shoalhaven One wird mit einem Pilotprojekt südlich von Sydney die Nutzung von Kohlendioxid aus einer Ethanolproduktion der Manildra Group untersucht. Die Photobioreaktoren wurden in den USA im Algae Development & Manufacturing Centre in Atlanta, Georgia, vorgefertigt.

Auf Sri Lanka werden nebem einem Zementwerk von Holcim, 250 Photo-Bioreaktor Module aufgestellt, die das Kohlendioxid nutzen und 31 Million Liter Algenöl für die Biodiesel-Produktion liefern sollen. Es werden 31.000 t/a Biomasse produziert und 125,000 t/a CO2 aufgefangen, was den „Carbon-Footprint“ des Zementwerks vermindert.

Algae Tec war auch im September 2012 auf der ILA in Berlin vertreten, wo es einen Pavillion zu Biokraftstoffen gab. Bei dieser Ausstellung gab es auch eine Konferez der Commercial Aviation Alternative Fuels Initiative (CAAFI), zu der gut drei Dutzend Unternehmen im Bereich alternativer Treibstoffe gehören. Darunter sind die bekannten Akteure der Algenszene: Sapphire Energy, Solazyme, A2BE Carbon Capture.

Die Algaetech Group wurde 2004 in Malaysia gegründet und befasste sich mit Algenforschung, sowohl im Bereich der Nahrungmittel, als auf für erneuerbare Energieträger und und CO2-Sequestrierung. Es wird ein Algen-Biodiesel ohne Umesterung hergestellt, der auf einer Nanoemulsion beruht.

Pacific Oil Products mit Sitz in Kalifornien und einer Niederlassung in Dänemark hat als Hersteller von Ölmühlen angefangen. Diese Mühlen werden auch in einer Variante für die Ölgewinnung aus Algenbiomasse angeboten. Die führenden Algenproduzenten weltweit sind Kunden.

Europa will den Anschluss nicht verpassen

Auch in Europa arbeitet man an Algenprojekten, aber eine Nummer kleiner. Das brandenburgische IGV baut auf der Insel Réunion, die zu Frankreich gehört, eine Algenproduktion auf. Es soll ein nicht näher spezifizierter Treibstoff für den Bedarf auf der Insel produziert werden.

In den Gewässern vor Mallorca hat die kalifornische Firma OriginOil mit dem spanischen Partner Algasol ein neuartiges System zur Algenzucht getestet, das die Vorteile von Photobioreaktoren mit den Vorteilen der offenen See kombiniert. Es werden große Kunststoffsäcke verwendet, die im Wasser treiben. So braucht man keine teuren Konstruktionen und kann eine höhere Zelldichte als im Meer erreichen. Temperierung und Durchmischung übernehmen die Wellen.

In Deutschland hatte die Algenforschung ein gewisse Schlagseite bekommen, nachdem man festgestellt hatte, daß Algen mit dem Kohlendioxid aus Großkraftwerken kräftiger wachsen könnten. So beteiligten sich einige der großen Energiekonzerne an relativ groß angelegten Versuchen in diese Richtung, die aber teilweise wieder eingestellt wurden.

Man ging davon aus, daß Mikroalgen in Mitteleuropa etwa 100 t/(ha * a) an Trockensubstanz ergeben und dabei bis zu 200 t CO2 binden. In einem dreijährigen Projekt beim Kraftwerk Niederaußem wurde das bis Ende 2011 untersucht. RWE hat angekündigt, daß die Algenbiomasse in einer Biogasanlage genutzt werden solle. Vattenfall betreibt in Senftenberg eine Flachplatten-Airlift-Algenanlage und möchte die Biomasse als Futtermittel verwerten.

Im Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe der Deutschen Bundesregierung heißt es nur relativ unkonkret. „Entwicklung von Konversionsrouten zur Bereitstellung von Energieträgern aus nachwachsenden Rohstoffen mittels Algen“ womit Öl aus Algen zumindest nicht ausgeschlossen ist.

Das Karlsruhe Institute of Technology ist als einzige deutsche Forschungseinrichtunge an dem Energetic Algae (EnAlgae)-Programm der EU beteiligt, in dem im Rahmen des Interreg IVB-Programms für Nord West Europa 19 Partner aus 7 Staaten zusammenarbeiten.

Ungeliebte Öle

Die Öle aus Algen leiden in Deutschland möglicherweise von dem schlechten Image der Pflanzenöle insgesamt. Durch die Politik der Bundesregierung in den letzten Jahren sind Biokraftstoffe aus der Öffentlichkeit verschwunden. Das positive Image von Biodiesel und Pflanzenöl, auch wenn viele das nicht auseinanderhalten konnten, wurde systematisch zerstört. Es ist verständlich, daß vor diesem Hintergrund niemand Forschungsträge in diese Richtung stellt. Wenn von Energie aus Algen die Rede ist, geht es meist um Wasserstoff, Biogas oder schlichtes Verfeuern der getrockneten Biomasse.

So wird man zusehen müssen, wie andere Länder auf diesem Weg voranschreiten.

Algen-Biodiesel selbermachen

Wer nun gar nicht mehr warten kann, bis die großen Firmen den Algentreibstoff zur Tankstelle bringen, kann sofort selbst Hand anlagen. Für exakt 99,99 $ kann man ein Buch mit dem Titel „Making Algae Biodiesel at Home“ bestellen, das alle Schritte zum Bau eines Bioreaktors bis zur Umesterung berschreibt.

Man kann etwas Ähnliches auch auf Deutsch und kostenlos bekommen. Ein Umrüster für Autos auf Pflanzenöl hat eine Anleitung als PDF-Dokument erstellt. Erklärt wird, wie man mit Aquarien aus Plexiglas Algen züchtet, wie man die gewonnene Algenbiomasse mit Pflanzenöl zersetzt und schließlich die Emulsion auskocht, um das Produkt zu gewinnen. Das Ganze kann man sich auch auf einem Video bei YouTube anschauen.