"GrĂŒne" Energie aus Algen

Angesichts der Verknappung petrochemischer Rohstoffe und des Klimawandels ist die Entwicklung CO2-neutraler nachhaltiger Brennstoffe eine der drÀngendsten Herausforderungen unserer Zeit.

Energiepflanzen wie Raps oder Ölpalme sind wegen der Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion in die Diskussion geraten. Einen wichtigen Beitrag fĂŒr 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 fĂŒr 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 EnergietrĂ€ger wie Biodiesel gewinnen. Da Algen bei ihrem Wachstum zuerst die Menge an CO2 aufnehmen, die sie spĂ€ter bei der energetischen Nutzung wieder freisetzen, lĂ€sst sich Energie aus Algen im Gegensatz zu konventionellen EnergietrĂ€gern 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 fĂŒnfmal so viel Biomasse pro Hektar und enthalten 30 bis 40 Prozent energetisch nutzbare Öle", so Professor Clemens Posten, der diese Forschung am Institut fĂŒr Bio- und Lebensmitteltechnik am KIT leitet. Da sich Algen auch in ariden, also trockenen Gegenden kultivieren lassen, die sich fĂŒr den Landbau nicht eignen, bestehe kaum Konkurrenz zu den AgrarflĂ€chen. Dazu sind dort jedoch geschlossene Systeme notwendig.

GegenwĂ€rtig werden Algen in offenen Becken in sĂŒdlichen LĂ€ndern mit relativ geringer ProduktivitĂ€t 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 fĂŒnffach höherem Wirkungsgrad in Biomasse um als offene Becken." Die Plattenreaktoren stehen dabei senkrecht, Ă€hnlich wie Photovoltaikzellen. "So sieht jede Alge ein bisschen weniger Licht, die Anlage arbeitet dafĂŒr aber mit höherem Wirkunggsgrad", betont der Biologe und Elektrotechniker.

Die Algenproduktion funktioniert daher nicht nur in LĂ€ndern 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, dafĂŒr mĂŒsse man dort aber den Reaktorinhalt kĂŒhlen. Weitere Vorteile des geschlossenen Systems sind drastische Ersparnisse an Wasser und DĂŒngemitteln. 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 SĂŒd des KIT aufhört, setzt die Abteilung Hochleistungsimpulstechnik am Institut fĂŒr 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 MĂŒller, der die Abteilung leitet, zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie den Aufschluss von Pflanzenzellen wie Oliven, Weintrauben, Äpfeln, ZuckerrĂŒben 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 MĂŒller. "Bei unserem Verfahren werden Pflanzenzellen fĂŒr sehr kurze Zeit einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt. Dies fĂŒhrt zur Perforierung der Zellmembran und Freisetzung von Inhaltsstoffen".

Die Kooperation der beiden Arbeitsgruppen soll nun das vorhandene Know-how bĂŒndeln und nutzt dazu eine Anschubfinanzierung des KIT-Zentrums Energie. Geplant ist der Aufbau einer KIT-"Algenplattform" fĂŒr die energetische Nutzung von Mikroalgen. Mittelfristig sollen hierfĂŒr auf dem Campus Nord des KIT Pilot- und Demonstrationsanlagen entstehen unter Nutzung der rĂ€umlichen und infrastrukturellen Vorteile. "Damit knĂŒpfen 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 fĂŒr Photo-Bioreaktoren gering zu halten und gleichzeitig hocheffiziente Verfahren zur Ernte und fĂŒr den Aufschluss der Algen zu entwickeln.

Um den Kreislauf zur vollstĂ€ndigen 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 EnergietrĂ€ger wie Wasserstoff oder Methan umgewandelt werden.

In der Energieforschung ist das Karlsruher Institut fĂŒr Technologie (KIT) eine der europaweit fĂŒhrenden Einrichtungen: Das KIT-Zentrum Energie vereint grundlegende und angewandte Forschung zu allen relevanten Energieformen fĂŒr Industrie, Haushalt, Dienstleistungen und MobilitĂ€t. 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 fĂŒr Technologie schließen sich das Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft und die UniversitĂ€t Karlsruhe zusammen. Damit entsteht eine Einrichtung international herausragender Forschung und Lehre in den Natur- und Ingenieurwissenschaften. Im KIT arbeiten insgesamt 8000 BeschĂ€ftigte mit einem jĂ€hrlichen Budget von 700 Millionen Euro. Das KIT baut auf das Wissensdreieck For-schung - Lehre - Innovation. Es setzt neue MaßstĂ€be in der Nachwuchsförderung und zieht Spitzenwissenschaftler aus aller Welt an. FĂŒr die Wirtschaft fungiert das KIT als wichtiger Innovationspartner.
 
Dr. Elisabeth Zuber-Knost, Stabsabteilung Presse, Kommunikation und Marketing
Karlsruher Institut fĂŒr Technologie



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