Energie: Algen statt Atom

Eigentlich ist alles ganz einfach. Man nimmt schnell nachwachsende Pflanzen, verarbeitet sie zu einer praktikablen Form von Treibstoff, verbrennt diesen im Kraftwerk, und das dabei freigesetzte CO2 wird von den nachwachsenden Pflanzen benötigt um neue Biomasse aufzubauen, die dann wieder der Energieversorgung dient. Von unserem Gastautor Helmut Junge

Und genau so wird auch gemacht. Theoretisch ist die CO2 Bilanz ausgeglichen, das heißt, es wird nur soviel CO2 bei der Verbrennung entstehen, wie in der Pflanze gebunden ist. Das entstehende CO2 wird von anderen Pflanzen wieder verbraucht. Soviel zur Theorie. In der Praxis stimmt diese Gleichung schon einmal nicht, weil es Energie kostet, die Pflanzen in die Erde zu bekommen, sie zu düngen, sie zu ernten, und da die Umwandlung in Öl, Ethanol oder Methanol thermische Prozesse sind, erfordern sie selbstverständlich auch Energie, die aus der Gesamtbilanz herausgerechnet werden müssen.

Deshalb liegt die CO2 Bilanz nicht bei 1 : 1, sondern bei 1 : 1,6. Das heißt man spart eigentlich nur 40 % CO2 ein.

Dazu werden riesige Anbauflächen benötigt, die auch geeignet wären, Nahrungsmittel anzubauen.

Trotzdem gibt es diesen Biosprit. Er wird als Zusatz zu herkömmlichen Treibstoffen zugemischt. Dass er sich in Deutschland nicht verkaufen lässt, liegt an einer technischen Eigenschaft, die von Autofahrern mehr diskutiert wird, als die Tatsache dass Ackerfläche fremdbestimmt wird. Aber darauf will ich hier nicht eingehen.

Vergleicht man den pro Quadratmeter erzielten Energiegewinn mit zum Beispiel einer Fotovoltaikanlage, gelingt es mit der Fotovoltaik mehr Energie aus dem, von der Sonne gelieferten Licht, in technische Energie umzuwandeln, als dies Landpflanzen können. Die Fotosynthese, die in der Pflanze stattfindet trifft dabei keine Schuld, obwohl sie sehr kompliziert abläuft. Hauptschuld daran ist die Tatsache, dass das Licht der Sonne, selbst bei dichtester Bepflanzung, nicht vollständig für die Fotosynthese benutzt wird. Es gelangt immer noch Licht auf den Boden, oder auf Pflanzenteile die nicht für die Fotosynthese zuständig sind.

Und dabei ist es vollkommen gleichgültig ob Raps, Miscanthus, Weizen, oder andere Pflanzen als Ausgangsmaterial für die Biomasse untersucht werden. Maßgeblich für den ungünstigen Wirkungsgrad ist die Zeit zwischen der Ernte, die zu kahlen Feldern führt, bis die Neupflanzungen zu weit angewachsen sind, dass sie einen nennenswerten Anteil des Sonnenlichts in Biomasse umwandeln. Für die Ernte, die Neupflanzung, Transport und Umwandlung der Biomasse in Treibstoff, muss wieder Energie von außen in das System hineingesteckt werden.

Selbstverständlich benötigen derartige Pflanzen viel Wasser, Dünger, und ganz entscheidend ist dabei, dass sie auch gute Ackerflächen benötigen. Dieser Gedanke, dass sie nämlich gute Ackerflächen benötigen, hatte in der Vergangenheit in den Diskussionen nicht die große Bedeutung, die er heute hat. Viele intelligente Menschen, die besorgt über die Verknappung von Rohstoffen waren, wurden zu Propagisten der Idee, die Fotosynthese in der Form von Pflanzenmaterial dass sich selber recycelt, für die Energieerzeugung einzusetzen. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang nur Al Gore, der lange Zeit dafür war, jetzt aber dagegen ist. Nahrungsmittel in Treibstoff umzuwandeln ist angesichts Millionen hungernde Menschen ethisch nicht vertretbar. Ich denke, dass das auch für Ackerflächen gilt, die für den Anbau von Nahrungsmitteln geeignet sind. Aber was ist denn dann die Alternative?

Fossile Brennstoffe, wie Kohle, Öl und Gas erhöhen bei der Verbrennung den CO2 Gehalt der Atmosphäre, und tragen zur Erwärmung des Erdklimas bei. Der Einsatz von Kernenergie für den regelmäßigen Abständen zu Katastrophen, die wertvolles Ackerland für alle Zeiten vernichten.

Windenergie für die Energiegewinnung einzusetzen ist zwar sinnvoll, aber Windenergie kann man leider nicht in den Tank füllen. Für die Zwecke des mobilen Energieverbrauchs benötigt man nun einmal Kraftstoffe auf flüssiger oder gasförmiger Basis. Das Elektroauto ist keine Lösung für diese Problemstellung denn es benötigt elektrische Energie, die zunächst einmal in einem Kraftwerk erzeugt werden muss, um dann über einen verlustreichen Weg über den Elektromotor eines Pkws wieder in mechanische Energie umgewandelt zu werden. Energetisch ist das der falsche Weg.

Kehren wir also zurück zur Bioenergie. Gibt es die Möglichkeit alle die Nachteile der Bioenergieerzeugung, die ich anfangs aufgezählt habe zu vermeiden?

Also konkret gefragt:

Ist es möglich, ohne Verschwendung nutzbarer Ackerfläche, die für die Nahrungsmittelproduktion geeignet ist, auszukommen?

Ist es möglich, die Sonnenenergie ganzjährig für die Energiegewinnung einzusetzen?

Natürlich ist es möglich. Die Fotovoltaik ist genau so ein Weg.

Aber das ist natürlich nicht die Antwort auf die Frage, wie wir das Problem der Erzeugung flüssiger oder gasförmiger Energieträger lösen könnten.

Die Frage müsste eigentlich lauten, ob wir solche Energieträger ohne die oben genannten Nachteile produzieren können.

Ich sage: „Ja“.

Die Antwort auf diese Frage wird uns eine mikroskopisch kleine, Fotosynthese anwendende Pflanzenform geben.

Algen!

Algen verbrauchen kein Wasser!

Algen können das flächenmäßig  angebotene Sonnenlicht voll umwandeln, weil sie in großer Dichte nebeneinander existieren, so dass das Sonnenlicht restlos verbraucht wird.

Algen wachsen auch im Winter. Aus technischen Gründen stören die Erntezyklen nicht das Wachstum.

Doch gibt es das Problem, dass zwar jeder Bauer das Pflanzenmaterial für die Biomasseerzeugung auf seinem Acker erzeugen und ernten kann, es aber für den Einsatz und die Produktion von Biomasse aus Algen keine traditionellen Erzeuger gibt. Konkret bedeutet das, dass dafür Forschung nötig ist. Das gleiche Problem gilt auch für die Ernte, und selbst die technischen Verfahren, die für die Umwandlung von Biomasse aus Landpflanzen in Ethanol, Methanol oder Öl bereits großtechnisch Anwendung finden, für Biomasse aus Algen schlecht geeignet sind.

Man sieht schon, dass es viele Felder gibt, an denen im Zusammenhang mit Algen Forschungsbedarf besteht. In der Vergangenheit hatten sich hauptsächlich Biologen mit dieser Thematik beschäftigt. An der Universität Duisburg Essen, in dem, in letzter Zeit viel geschmähten Duisburg, arbeitet unter der Leitung des Physikers Professor Hilmar Franke eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe an diesem komplexen Forschungsthema.

Hilmar Frankes Grundidee war, nicht mehr die bisher üblichen Flachkollektoren, die direkt von der Sonne beschienen werden zu benutzen, sondern große Behälter mit algenhaltigen Wasser zu füllen, und das notwendige Licht über Lichtleiter den Algen in jeder beliebigen Tiefe anzubieten. Der Grund für die Flachkollektoren war ja, dass das Sonnenlicht nur wenige Zentimeter tief im Wasser eindringt, wenn es mit Algen angereichert ist. Solche Flachkollektoren empfangen das Sonnenlicht direkt, benötigen darum auch große Landflächen und müssen im Winter vor Einfrierung geschützt werden. Diese Problematik entfällt bei der Verwendung von diesen Reaktorbehältern, die über Lichtleiter mit Sonnenlicht versorgt und von Franke Photobioreaktoren genannt werden.

Von den vermutlich 400.000 Algenarten hat Franke zuerst eine genommen, die bei Biologen hoch im Kurs stand.

Diese Algen sind in den Händen der Physiker anfangs sofort gestorben. Als geeignet für Physikerhände erwiesen sich die hier überall vorkommende Chlorella vulgaris, die Franke zusammen mit anderen Kleinstlebewesen aus dem Uniteich fischte. Chlorella vulgaris überlebte allein und erwies sich als robust genug. Franke hatte nun einen Photobioreaktor und Algen mit denen er experimentieren konnte. Das war am Anfang der Algenforschung in Duisburg im März 2009. Es gab zwar mediale Unterstützung, aber keinen Cent Forschungsförderung. Er stellte mit seinem damals einzigen Mitarbeiter den Photobioreaktor auf der Hannover-Messe vor, und es gab dort viele Interessenten, die sich über das Projekt informierten. Aus Deutschland kam auch viel Resonanz, aber kein Geld! Dabei waren einige der Besucher aus dem Kraftwerksbereich dabei und die sollten Photobioreaktoren die mit Algen betrieben werden noch besonders interessant sein, wo doch in Kohlekraftwerken besonders viel CO2 entsteht. Dieses CO2 könnte direkt in den alten Reaktor eingeleitet werden. Aus der Politik kam es zwar zu Laborbesichtigungen, aber nicht zu einer brauchbaren Unterstützung. Duisburgs Umweltdezernent Dr. Peter Greulich und der Fraktionsvorsitzende der Grünen Dr. Dieter Kantel wollten sich um eine Förderung der Duisburger Stadtwerke kümmern, haben sich aber seit 2009 nicht wieder gemeldet. Der damalige Regierungspräsident der Bezirksregierung Düsseldorf, Jürgen Büssow, war auch vor Ort. Er war sehr begeistert, hatte aber keine Geldmittel anzubieten, sondern bot Franke an, in Düsseldorf einen Kongress zu diesem Thema zu leiten.

Einzig eine kleine, in Österreich ansässige Firma war bereit, Geld in dieses Algenprojekt hinein zu stecken. Mit diesen jährlichen 100.000 € Zuschuss konnte Franke seine Arbeitsgruppe um ein paar studentische Hilfskräfte aus dem Bereich der in Duisburg ansässigen water science aufstocken und ein paar größere Reaktoren bauen lassen. Das war der Anfang einer interdisziplinären Forschungsgemeinschaft, die einige der Fragen, die das Algenprojekt so schwierig machen, klären konnte. Seit dieser Zeit findet auch ein Teil der Forschung im oberösterreichischen Timelkam statt, wo auch Forschungen mit Kraftwerksabgasen gemacht werden können.

Ich möchte das, was bisher erreicht wurde hier kurz darstellen.

Algen sind Spezialisten. Einige Arten sind gut für salzhaltige Wasser geeignet. Das macht sie zu Favoriten für Gegenden, in denen es kein Süßwasser gibt. Genau diese Gegenden sind, weil es ja nicht regnet, sonnenreiche Gebiete, die sich quasi von allein anbieten. Arabische Länder könnten nach dem Öl, mit Algen, eine Zukunftsperspektive in einer Sonderform der Landwirtschaft finden!

Algen bevorzugen rotes und blaues Licht.

Grünes Licht nimmt an der Fotosynthese nicht Teil und wird reflektiert. Darum sehen wir sie grün.

Interessanterweise können sich manche Algen sogar allein mit rotem Licht entwickeln. In der Arbeitsgruppe von Hilmar Franke wurde dabei ein Wirkungsgrad von 14 % ermittelt. Den theoretisch möglichen Wirkungsgrad für die Fotosynthese bei Algen hat Hilmar Franke mit etwa 36 % errechnet.

Algenarten können sich in der Ausnutzung des Lichtspektrums leicht unterscheiden. Darum bietet sich wegen der besseren Lichtausnutzung eine Mischpopulation von Algen an. Da die Natur uns aber so viele verschiedene Algenarten anbietet, ist es noch ein weites Feld, bis die optimale Mischung gefunden sein wird.

Ähnliches gilt für den Temperaturbereich, in dem Algen die maximale Biomasse produzieren.

Algen benötigen Ruhepausen, in denen sie die chemischen Prozesse für die Fotosynthese durchführen. In diesen Zeiten benötigen sie keine Lichtzufuhr. Das bedeutet, dass das Licht zwischenzeitlich anderen Algen angeboten werden kann, was den Wirkungsgrad eines Reaktors deutlich verbessern könnte.

Die Aufnahme von CO2 verändert den pH-Wert des wässrigen Mediums ins Saure, während die Umwandlung von CO2 in Biomasse und Sauerstoff den pH-Wert wieder ins Alkalische verändert, was zu einer PH Wertregulierung des Photobioreaktors benutzt werden kann.

Die verschiedenen Algenarten haben unterschiedliche chemische Zusammensetzungen. Es gibt Unterschiede im Ölgehalt und Ölzusammensetzung. Algen können sowohl für die Energieerzeugung genutzt werden, als auch als Futtermittel, oder Ausgangsstoff für Medikamente beziehungsweise Kosmetika.

Die Forscher der Duisburger Arbeitsgruppe haben auch das Problem der Algenernte gelöst. Die bisherige Filterung ist deshalb teuer, weil Algen meist so klein sind, dass entsprechend hohe Drücke erforderlich waren. Ein Verfahren zur elektrochemischen Separation von Algen aus dem wässrigen Medium hat die Universität Duisburg zum Patent angemeldet. Alle Patente, die im Rahmen des Projektes angemeldet wurden, sind von der Universität Duisburg an die österreichische Firma See-O-Two verkauft worden.

Ein grundsätzliches, bisher ungelöstes Problem, ist die Umwandlung des geernteten Algenmaterials in brauchbare Biomasse. Algen unterscheiden sich nämlich von anderen pflanzlichen Substanzen dadurch, dass sie einen höheren Feuchtigkeitsgehalt haben. Würden sie auf die, für Landpflanzen übliche Art verbrannt, oder in brennbares Material umgewandelt, dann müsste diese Restfeuchte mit verdampft werden. Dadurch würden große Anteile der Energie, die in der Biomasse steckt, vergeudet. Das Problem ist noch nicht gelöst, aber ein vielversprechender Ansatz liegt in der Idee die Aufarbeitung in einem Reaktor mit überkritischem Wasser durchzuführen.

Algen sind für die Erzeugung von Biomasse, beziehungsweise Bioenergie, aus meiner Sicht, der Stein der Weisen!

Aber, obwohl der Gedanke, Algen für diese Aufgabenstellung einzusetzen, schon sehr alt ist, gibt es bisher in der Praxis weltweit noch keine großen Anlagen, die zeigen würden, dass die Bioenergiegewinnung mit ihnen so wunderbar funktioniert, wie ich es gerade behauptet habe. Woran liegt das?

Da aber immer mal wieder neue Interessenten im Büro von Professor Hilmar Franke auftauchen, hoffe ich, dass es bald zu einem ersten größeren Anlagenbau kommt.