Algentreibstoff, Algentreibstoff oder Algenöl ist eine Alternative zu flüssigen fossilen Brennstoffen, die Algen als Quelle für energiereiche Öle verwenden. Algenkraftstoffe sind auch eine Alternative zu allgemein bekannten Biokraftstoffquellen wie Mais und Zuckerrohr. Mehrere Unternehmen und Regierungsbehörden finanzieren Anstrengungen, um die Kapital- und Betriebskosten zu senken und die Produktion von Algentreibstoffen kommerziell rentabel zu machen. Ähnlich wie bei fossilen Brennstoffen, setzen Algenbrennstoffe CO2 frei, wenn sie verbrannt werden, aber Algenbrennstoffe und andere Biokraftstoffe setzen im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen nur CO2 frei, das kürzlich durch Photosynthese aus der Atmosphäre entfernt wurde, als die Algen oder Pflanzen wuchsen. Die Energiekrise und die weltweite Nahrungsmittelkrise haben das Interesse an Algakultur (Landwirtschaftsalgen) für die Herstellung von Biodiesel und anderen Biokraftstoffen auf landwirtschaftlich nicht geeigneten Flächen geweckt. Zu den attraktiven Eigenschaften von Algenbrennstoffen gehört, dass sie mit minimaler Auswirkung auf Süßwasserressourcen angebaut werden können, unter Verwendung von Salzlösung und Abwasser hergestellt werden können, einen hohen Flammpunkt haben und biologisch abbaubar sind und für die Umwelt relativ unschädlich sind, wenn sie verschüttet werden. Algen kosten aufgrund der hohen Kapital- und Betriebskosten mehr pro Masseneinheit als andere Biokraftstoffpflanzen der zweiten Generation, sollen aber zwischen 10 und 100 Mal mehr Treibstoff pro Flächeneinheit liefern. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten schätzt, dass, wenn Algenkraftstoff den gesamten Erdölbrennstoff in den Vereinigten Staaten ersetzen würde, er 15.000 Quadratmeilen (39.000 km2) benötigen würde, was nur 0,42% der US-Karte oder ungefähr die Hälfte der Landfläche von Maine. Dies ist weniger als 1/7 der Maisfläche, die im Jahr 2000 in den Vereinigten Staaten geerntet wurde.
Der Leiter der Algal Biomass Organization stellte 2010 fest, dass Algentreibstoff 2018 die Preisparität gegenüber Öl erreichen könnte, wenn er Steuergutschriften für die Produktion gewährt würde. Im Jahr 2013 sagte Exxon Mobil Chairman und CEO Rex Tillerson, dass Exxon nach vier Jahren (und 100 US-Dollar) nach einem Engagement von bis zu 600 Millionen US-Dollar in einem Joint Venture mit J. Craig Venters Synthetic Genomics im Jahr 2009 zurückging Millionen, als es feststellte, dass Algentreibstoff „wahrscheinlich weiter“ als 25 Jahre von der kommerziellen Lebensfähigkeit entfernt ist. Auf der anderen Seite haben Solazyme, Sapphire Energy und Algenol unter anderem den kommerziellen Verkauf von Algen-Biokraftstoff in den Jahren 2012 und 2013 bzw. 2015 begonnen. Bis 2017 wurden die meisten Bemühungen aufgegeben oder auf andere Anwendungen umgestellt, von denen nur noch wenige übrig blieben.
Geschichte
1942 schlugen Harder und Von Witsch als erste vor, dass Mikroalgen als Quelle von Lipiden für Nahrung oder Treibstoff angebaut werden. Nach dem Zweiten Weltkrieg begann die Forschung in den USA, Deutschland, Japan, England und Israel über Kultivierungstechniken und technische Systeme für den Anbau von Mikroalgen in größeren Mengen, insbesondere Arten der Gattung Chlorella. In der Zwischenzeit zeigte HG Aach, dass Chlorella pyrenoidosa durch Stickstoffmangel induziert werden konnte, um bis zu 70% ihres Trockengewichts als Lipide zu akkumulieren. Da der Bedarf an alternativen Transportmitteln nach dem Zweiten Weltkrieg nachgelassen hatte, konzentrierte sich die Forschung zu dieser Zeit auf die Kultivierung von Algen als Nahrungsquelle oder in einigen Fällen auf die Abwasserbehandlung.
Das Interesse an der Verwendung von Algen für Biokraftstoffe wurde während des Ölembargos und Ölpreisanstiegs in den 1970er Jahren wiederbelebt, was das US-Energieministerium dazu veranlasste 1978 das Aquatische-Arten-Programm zu initiieren. Das Aquatische-Arten-Programm gab $ 25 Millionen über 18 Jahre mit dem Ziel aus Entwicklung flüssiger Transportkraftstoffe aus Algen, die mit erdölbasierten Kraftstoffen wettbewerbsfähig wären. Das Forschungsprogramm konzentrierte sich auf die Kultivierung von Mikroalgen in offenen Außenteichen. Diese Systeme sind kostengünstig, aber anfällig für Umweltstörungen wie Temperaturschwankungen und biologische Invasionen. 3.000 Algenstämme wurden aus dem ganzen Land gesammelt und auf erwünschte Eigenschaften wie hohe Produktivität, Lipidgehalt und thermische Toleranz untersucht, und die vielversprechendsten Stämme wurden in die SERI Mikroalgensammlung des Solar Energy Research Institute (SERI) in Golden aufgenommen. Colorado und für weitere Forschung verwendet. Zu den wichtigsten Ergebnissen des Programms gehört, dass schnelles Wachstum und hohe Lipidproduktion sich gegenseitig ausschließen, da erstere hohe und letztere wenig Nährstoffe benötigten. Der Abschlussbericht legt nahe, dass Gentechnik erforderlich sein könnte, um diese und andere natürliche Einschränkungen von Algenstämmen zu überwinden, und dass die ideale Art je nach Ort und Jahreszeit variieren könnte. Obwohl erfolgreich nachgewiesen wurde, dass eine großtechnische Produktion von Algen für Treibstoff in Freiluftteichen möglich ist, versagte das Programm zu Kosten, die mit Erdöl konkurrieren könnten, insbesondere als die Ölpreise in den 1990er Jahren sanken. Selbst im besten Fall wurde geschätzt, dass nicht extrahiertes Algenöl 59-186 USD pro Barrel kosten würde, während Erdöl 1995 weniger als 20 USD pro Barrel kostete. Daher wurde das Aquatische-Arten-Programm 1996 unter dem Budgetdruck aufgegeben.
Andere Beiträge zur Erforschung von Algen-Biokraftstoffen stammen indirekt aus Projekten, die sich auf unterschiedliche Anwendungen von Algenkulturen beziehen. Zum Beispiel hat das japanische Forschungsinstitut für innovative Technologie für die Erde (RITE) in den 1990er Jahren ein Forschungsprogramm mit dem Ziel eingeführt, Systeme zur CO2-Fixierung mittels Mikroalgen zu entwickeln. Obwohl das Ziel nicht die Energieproduktion war, haben mehrere von RITE durchgeführte Studien gezeigt, dass Algen mit Rauchgas aus Kraftwerken als CO2-Quelle gezüchtet werden können, eine wichtige Entwicklung für die Forschung mit Algenbiobrennstoffen. Andere Arbeiten, die sich auf die Gewinnung von Wasserstoffgas, Methan oder Ethanol aus Algen sowie Nahrungsergänzungsmitteln und pharmazeutischen Verbindungen konzentrieren, haben ebenfalls dazu beigetragen, die Forschung zur Produktion von Biokraftstoffen aus Algen zu unterstützen.
Nach der Auflösung des Programms für aquatische Arten im Jahr 1996 kam es zu einer relativen Flaute in der Forschung mit Algenbiobrennstoffen. Dennoch wurden verschiedene Projekte in den USA vom Department of Energy, dem Department of Defense, der National Science Foundation, dem Landwirtschaftsministerium, nationalen Labors, staatlichen und privaten Mitteln sowie in anderen Ländern finanziert. In jüngster Zeit haben die steigenden Ölpreise in den 2000er Jahren das Interesse an Algen – Biokraftstoffen wiederbelebt, und die Finanzierung durch US – Bundesstaaten hat zugenommen, zahlreiche Forschungsprojekte werden in Australien, Neuseeland, Europa, dem Nahen Osten und anderen Teilen der Welt finanziert Eine Welle privater Unternehmen ist in das Feld eingetreten (siehe Unternehmen). Im November 2012 tätigten Solazyme und Propel Fuels den ersten Verkauf von Algenkraftstoff, und im März 2013 begann Sapphire Energy mit dem kommerziellen Verkauf von Algen-Biokraftstoff an Tesoro.
Nahrungsergänzung
Algenöl wird als eine Quelle von Fettsäureergänzung in Nahrungsmittelprodukten verwendet, da es einfach und mehrfach ungesättigte Fette, insbesondere EPA und DHA, enthält. Sein DHA-Gehalt entspricht in etwa dem von Lachsöl.
Brennstoffe
Algen können in Abhängigkeit von der Technik und dem verwendeten Teil der Zellen in verschiedene Arten von Brennstoffen umgewandelt werden. Der Lipid- oder ölige Teil der Algenbiomasse kann extrahiert und in Biodiesel durch ein Verfahren, ähnlich dem, das für jedes andere Pflanzenöl verwendet wird, umgewandelt oder in einer Raffinerie in „Drop-In“ -Ersatzstoffe für Kraftstoffe auf Erdölbasis umgewandelt werden. Alternativ oder im Anschluss an die Lipidextraktion kann der Kohlenhydratgehalt von Algen zu Bioethanol oder Butanol-Treibstoff vergoren werden.
Biodiesel
Biodiesel ist ein Dieselkraftstoff, der aus tierischen oder pflanzlichen Lipiden (Ölen und Fetten) gewonnen wird. Studien haben gezeigt, dass einige Algenarten 60% oder mehr ihres Trockengewichts in Form von Öl produzieren können. Da die Zellen in wässriger Suspension wachsen, wo sie einen effizienteren Zugang zu Wasser, CO2 und gelösten Nährstoffen haben, sind Mikroalgen in der Lage, große Mengen an Biomasse und nutzbarem Öl entweder in Hochtalgenteichen oder Photobioreaktoren zu produzieren. Dieses Öl kann dann in Biodiesel umgewandelt werden, der für die Verwendung in Automobilen verkauft werden könnte. Die regionale Erzeugung von Mikroalgen und die Verarbeitung zu Biotreibstoffen werden den ländlichen Gemeinschaften wirtschaftliche Vorteile bringen.
Da sie keine strukturellen Verbindungen wie Cellulose für Blätter, Stängel oder Wurzeln produzieren müssen und weil sie in einem reichen Nährmedium schwimmen können, können Mikroalgen schnellere Wachstumsraten haben als terrestrische Pflanzen. Außerdem können sie einen viel höheren Anteil ihrer Biomasse in Öl umwandeln als herkömmliche Pflanzen, z. B. 60% gegenüber 2-3% für Sojabohnen. Die pro Flächeneinheit erzielte Ausbeute an Öl aus Algen wird auf 58.700 bis 136.900 L / ha / Jahr geschätzt, abhängig vom Lipidgehalt, was 10 bis 23 mal so hoch ist wie die nächststärkste Pflanze, Ölpalme, bei 5 950 L / ha / Jahr.
Das Programm für aquatische Arten des US-Energieministeriums (1978-1996) konzentrierte sich auf Biodiesel aus Mikroalgen. Der Abschlussbericht legte nahe, dass Biodiesel die einzige praktikable Methode sein könnte, um genügend Treibstoff zu produzieren, um den gegenwärtigen weltweiten Dieselverbrauch zu ersetzen. Würde Algen-Biodiesel die jährliche Weltproduktion von 1,1 Mrd. Tonnen konventionellem Diesel ersetzen, wäre eine Landfläche von 57,3 Mio. Hektar erforderlich, was im Vergleich zu anderen Biokraftstoffen sehr günstig wäre.
Biobutanol
Butanol kann aus Algen oder Diatomeen hergestellt werden, wobei nur eine solarbetriebene Bioraffinerie verwendet wird. Dieser Kraftstoff hat eine Energiedichte, die 10% geringer ist als bei Benzin und größer als die von Ethanol oder Methanol. In den meisten Benzinmotoren kann Butanol anstelle von Benzin ohne Modifikationen verwendet werden. In einigen Tests ist der Butanolverbrauch ähnlich dem von Benzin und liefert, wenn er mit Benzin gemischt wird, eine bessere Leistung und Korrosionsbeständigkeit als die von Ethanol oder E85.
Der grüne Abfall, der von der Algenölextraktion übrig bleibt, kann zur Herstellung von Butanol verwendet werden. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Makroalgen (Algen) durch Bakterien der Gattung Clostridia zu Butanol und anderen Lösungsmitteln fermentiert werden können.
Biogasolin
Biogasolin ist Benzin, das aus Biomasse hergestellt wird. Wie herkömmlich hergestelltes Benzin enthält es zwischen 6 (Hexan) und 12 (Dodekan) Kohlenstoffatome pro Molekül und kann in Verbrennungsmotoren verwendet werden.
Methan
Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, kann aus Algen in verschiedenen Verfahren hergestellt werden, nämlich Vergasung, Pyrolyse und anaerobe Vergärung. Bei Vergasungs- und Pyrolyseverfahren wird Methan unter hoher Temperatur und hohem Druck extrahiert. Die anaerobe Vergärung ist eine einfache Methode, um Algen in einfache Bestandteile zu zerlegen, die dann unter Verwendung von Mikroben wie säurebildenden Bakterien in Fettsäuren umgewandelt werden, gefolgt von der Entfernung von festen Partikeln und schließlich der Zugabe von methanogenen Bakterien zur Freisetzung eines Methan enthaltenden Gasgemisches. In einer Reihe von Studien konnte gezeigt werden, dass Biomasse aus Mikroalgen durch anaerobe Vergärung in Biogas umgewandelt werden kann. Um die Gesamtenergiebilanz von Mikroalgenkultivierungsvorgängen zu verbessern, wurde daher vorgeschlagen, die in Abfallbiomasse enthaltene Energie durch anaerobe Vergärung zu Methan zur Erzeugung von Elektrizität zurückzugewinnen.
Ethanol
Das Algenol-System, das von BioFields in Puerto Libertad, Sonora, Mexiko, vermarktet wird, nutzt Meerwasser und Industrieabgase zur Herstellung von Ethanol. Porphyridium cruentum hat sich auch als potentiell geeignet für die Ethanolproduktion erwiesen, da es eine große Menge an Kohlenhydraten akkumulieren kann.
Grüner Diesel
Algen können zur Herstellung von „grünem Diesel“ (auch bekannt als erneuerbarer Diesel, Hydrotreating-Pflanzenöl oder von Wasserstoff abgeleiteter erneuerbarer Diesel) durch einen Hydrobehandlungsraffinerieprozess verwendet werden, der Moleküle in kürzere Kohlenwasserstoffketten zerlegt, die in Dieselmotoren verwendet werden. Es hat die gleichen chemischen Eigenschaften wie erdölbasierter Diesel, was bedeutet, dass keine neuen Motoren, Pipelines oder Infrastruktur für die Verteilung und Verwendung benötigt werden. Es muss noch zu Kosten hergestellt werden, die mit Erdöl konkurrieren können. Während das Hydrotreating derzeit der gebräuchlichste Weg ist, um brennstoffähnliche Kohlenwasserstoffe über Decarboxylierung / Decarbonylierung herzustellen, gibt es ein alternatives Verfahren, das eine Reihe wichtiger Vorteile gegenüber der Hydrotreating-Methode bietet. In dieser Hinsicht ist die Arbeit von Crocker et al. und Lercher et al. ist besonders bemerkenswert. Für die Ölraffination wird derzeit an der katalytischen Umwandlung von erneuerbaren Kraftstoffen durch Decarboxylierung gearbeitet. Da der Sauerstoff in Rohöl in ziemlich niedrigen Mengen in der Größenordnung von 0,5% vorhanden ist, ist die Desoxygenierung bei der Erdölraffination nicht von großer Bedeutung, und es sind keine Katalysatoren speziell für die Hydrobehandlung von Oxygenaten formuliert. Daher ist eine der kritischen technischen Herausforderungen, die Hydrodesoxygenierung von Algenölprozessen ökonomisch durchführbar zu machen, mit der Erforschung und Entwicklung effektiver Katalysatoren verbunden.
Kerosin
Versuche mit Algen als Biokraftstoff wurden bereits 2008 von Lufthansa und Virgin Airlines durchgeführt, obwohl es wenig Hinweise darauf gibt, dass die Verwendung von Algen eine vernünftige Quelle für Biokraftstoffe ist. Bis zum Jahr 2015 wurde der Anbau von Fettsäuremethylestern und Alkenonen aus den Algen, Isochrysis, als mögliches Biokraftstoff-Ausgangsmaterial untersucht.
Ab 2017 gab es wenig Fortschritte bei der Herstellung von Kerosin aus Algen, mit einer Prognose, dass bis 2050 nur noch 3 bis 5% des Treibstoffbedarfs aus Algen bereitgestellt werden könnten. Weitere Algenunternehmen, die sich Anfang des 21. Jahrhunderts als Basis für die Herstellung von Kerosin entschieden Eine Algenbiokraftstoffindustrie hat ihre Geschäftsentwicklung entweder auf andere Rohstoffe, wie Kosmetika, Tierfutter oder Spezialölprodukte, eingestellt oder umgekehrt.
Spezies
Die Erforschung von Algen zur Massenproduktion von Öl konzentriert sich hauptsächlich auf Mikroalgen (photosynthetische Organismen mit einem Durchmesser von weniger als 0,4 mm, einschließlich der Kieselalgen und Cyanobakterien) im Gegensatz zu Makroalgen, wie Seetang. Die Präferenz für Mikroalgen ist hauptsächlich auf ihre weniger komplexe Struktur, schnelle Wachstumsraten und hohen Ölgehalt (für einige Arten) zurückzuführen. Es werden jedoch einige Untersuchungen zur Verwendung von Meeresalgen für Biokraftstoffe durchgeführt, wahrscheinlich aufgrund der hohen Verfügbarkeit dieser Ressource.
Seit 2012 untersuchen Forscher an verschiedenen Standorten weltweit die folgenden Arten auf ihre Eignung als Massenölproduzenten:
Botryococcus braunii
Chlorella
Dunaliella tertiolecta
Gracilaria
Pleurochrysis carterae (auch CCMP647 genannt).
Sargassum, mit dem 10-fachen der Ausgangsleistung von Gracilaria.
Die Menge an Öl, die jeder Algenstamm produziert, ist sehr unterschiedlich. Beachten Sie die folgenden Mikroalgen und ihre verschiedenen Ölausbeuten:
Ankistrodesmus TR-87: 28-40% Trockengewicht
Botryococcus braunii: 29-75% dw
Chlorella sp .: 29% dw
Chlorella protothecoides (autotrophe / heterotrophe): 15-55% dw
Crypthecodinium cohnii: 20% dw
Cyclotella DI- 35: 42% dw
Dunaliella tertiolecta: 36-42% dw
Hantzschia DI-160: 66% dw
Nannochloris: 31 (6-63)% dw
Nannochloropsis: 46 (31-68)% dw
Nannochloropsis und Biokraftstoffe
Neochloris oleoabundans: 35-54% dw
Nitzschia TR-114: 28-50% dw
Phaeodactylum tricornutum: 31% dw
Scenedesmus TR-84: 45% dw
Schizochytrium 50-77% dw
Stichococcus: 33 (9-59)% dw
Tetraselmis suecica: 15-32% dw
Thalassiosira pseudonana: (21-31)% dw
Darüber hinaus wurde Ulva aufgrund seiner hohen Wachstumsrate als Brennstoff für den SOFT-Zyklus (SOFT steht für Solar Oxygen Fuel Turbine), ein Kreislauf-Energieerzeugungssystem, das für den Einsatz in trockenen, subtropischen Gewässern geeignet ist, untersucht Regionen.
Andere verwendete Spezies schließen Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Sargassum, Gracilaria, Prymnesium parvum und Euglena gracilis ein
Nährstoffe und Wachstumsfaktoren
Licht ist das, was Algen in erster Linie für das Wachstum benötigen, da es der limitierendste Faktor ist. Viele Unternehmen investieren in die Entwicklung von Systemen und Technologien zur Bereitstellung von künstlichem Licht. Eine davon ist OriginOil, die einen Helix BioReactorTM entwickelt hat, der eine rotierende vertikale Welle mit niederenergetischen Lichtern in einem Helixmuster aufweist. Die Wassertemperatur beeinflusst auch die metabolischen und reproduktiven Raten von Algen. Obwohl die meisten Algen bei niedrigerer Wassertemperatur mit geringer Geschwindigkeit wachsen, kann die Biomasse von Algengemeinschaften aufgrund des Fehlens von Weideorganismen groß werden. Die mäßige Zunahme der Wasserstromgeschwindigkeit kann auch die Algenwachstumsraten beeinflussen, da die Rate der Nährstoffaufnahme und der Grenzschichtdiffusion mit der gegenwärtigen Geschwindigkeit zunimmt.
Neben Licht und Wasser sind auch Phosphor, Stickstoff und bestimmte Mikronährstoffe nützlich und essentiell für Algenwachstum. Stickstoff und Phosphor sind die zwei wichtigsten Nährstoffe, die für die Algenproduktivität benötigt werden, aber andere Nährstoffe wie Kohlenstoff und Kieselsäure sind zusätzlich erforderlich. Von den benötigten Nährstoffen ist Phosphor einer der wichtigsten, da er in zahlreichen Stoffwechselprozessen verwendet wird. Die Mikroalgen D. tertiolecta wurden analysiert, um festzustellen, welcher Nährstoff das Wachstum am stärksten beeinflusst. Die Konzentrationen von Phosphor (P), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Zink (Zn), Mangan (Mn) und Molybdän (Mo), Magnesium (Mg), Kalzium (Ca), Silizium (Si) und Schwefel ( S) Konzentrationen wurden täglich unter Verwendung von induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) -Analyse gemessen. Unter allen diesen Elementen, die gemessen wurden, führte Phosphor zu dem dramatischsten Abfall mit einer Verringerung von 84% im Verlauf der Kultur. Dieses Ergebnis zeigt, dass Phosphor in Form von Phosphat in hohen Mengen von allen Organismen für den Stoffwechsel benötigt wird.
Es gibt zwei Anreicherungsmedien, die ausgiebig verwendet wurden, um die meisten Algenarten zu züchten: Walne Medium und das Guillard’s F / 2 Medium. Diese kommerziell erhältlichen Nährlösungen können die Zeit für die Vorbereitung aller Nährstoffe reduzieren, die für das Wachstum von Algen benötigt werden. Aufgrund ihrer Komplexität im Herstellungsprozess und der hohen Kosten werden sie jedoch nicht für große Kulturoperationen verwendet. Daher enthalten Anreicherungsmedien, die für die Massenproduktion von Algen verwendet werden, nur die wichtigsten Nährstoffe mit Düngemitteln der landwirtschaftlichen Klasse anstelle von Düngemitteln des Labortyps.
Anbau
Algen wachsen viel schneller als Nahrungspflanzen und können hunderte mal mehr Öl pro Flächeneinheit produzieren als konventionelle Pflanzen wie Raps, Palmen, Sojabohnen oder Jatropha. Da die Algen einen Erntezyklus von 1 bis 10 Tagen haben, erlaubt ihr Anbau mehrere Ernten in einem sehr kurzen Zeitrahmen, eine Strategie, die sich von derjenigen unterscheidet, die mit einjährigen Pflanzen verbunden ist. Darüber hinaus können Algen auf Flächen angebaut werden, die für Landpflanzen ungeeignet sind, einschließlich trockener Böden und Böden mit übermäßig salzhaltigem Boden, wodurch der Wettbewerb mit der Landwirtschaft minimiert wird. Die meisten Forschungen zur Algenkultivierung konzentrierten sich auf das Wachstum von Algen in sauberen, aber teuren Photobioreaktoren oder in offenen Teichen, die billig in der Wartung sind, aber anfällig für Verunreinigungen sind.
Geschlossenes System
Der Mangel an Ausrüstung und Strukturen, die benötigt werden, um mit dem Wachstum von Algen in großen Mengen zu beginnen, hat die weitverbreitete Massenproduktion von Algen für die Biokraftstoffproduktion verhindert. Ziel ist die maximale Nutzung bestehender landwirtschaftlicher Prozesse und Hardware.
Geschlossene Systeme (nicht der Freiluft ausgesetzt) vermeiden das Problem der Kontamination durch andere von der Luft eingebrachte Organismen. Das Problem für ein geschlossenes System besteht darin, eine billige Quelle für steriles CO2 zu finden. Mehrere Experimentatoren haben herausgefunden, dass das CO2 aus einem Schornstein gut für das Wachstum von Algen funktioniert. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sind einige Experten der Ansicht, dass die Algenzucht für Biokraftstoffe als Teil der Kraft-Wärme-Kopplung durchgeführt werden muss, wo sie Abwärme nutzen und die Verschmutzung auffangen kann.
Photobioreaktoren
Die meisten Unternehmen, die Algen als Biokraftstoffquelle nutzen, pumpen nährstoffreiches Wasser durch Kunststoff- oder Borosilikatglasröhren („Bioreaktoren“), die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind (sogenannte Photobioreaktoren oder PBR).
Die Durchführung eines Züchterrechts ist schwieriger als die Verwendung eines offenen Teichs und kostspieliger, kann jedoch ein höheres Maß an Kontrolle und Produktivität bieten. Darüber hinaus kann ein Photobioreaktor wesentlich einfacher in ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem integriert werden als Teiche oder andere Methoden.
Offener Teich
Offene Teichsysteme bestehen aus einfachen in Grundteichen, die oft durch ein Schaufelrad gemischt werden. Diese Systeme haben im Vergleich zu Closed-Loop-Photobioreaktorsystemen einen geringen Strombedarf, Betriebskosten und Kapitalkosten. Fast alle kommerziellen Algenproduzenten für hochwertige Algenprodukte verwenden offene Teichsysteme.
Rasenschrubber
Der Algenwäscher ist ein System, das in erster Linie für die Reinigung von Nährstoffen und Schadstoffen aus dem Wasser mit Algenrasen entwickelt wurde. ATS ahmt die Algenrasen eines natürlichen Korallenriffs nach, indem es nährstoffreiches Wasser aus Abfallströmen oder natürlichen Wasserquellen aufnimmt und über eine geneigte Oberfläche pulsiert. Diese Oberfläche ist mit einer rauhen Plastikmembran oder einem Sieb beschichtet, das es ermöglicht, dass sich natürlich vorkommende Algensporen absetzen und die Oberfläche besiedeln. Sobald die Algen gefunden sind, können sie alle 5-15 Tage geerntet werden und können 18 Tonnen Algenbiomasse pro Hektar und Jahr produzieren. Im Gegensatz zu anderen Methoden, die sich hauptsächlich auf eine einzige ertragreiche Algenart konzentrieren, konzentriert sich diese Methode auf natürlich vorkommende Algenpolykulturen. Daher ist der Lipidgehalt der Algen in einem ATS-System gewöhnlich niedriger, was ihn für ein fermentiertes Brennstoffprodukt, wie Ethanol, Methan oder Butanol, geeigneter macht. Umgekehrt könnten die geernteten Algen mit einem hydrothermalen Verflüssigungsprozess behandelt werden, der die Produktion von Biodiesel, Benzin und Kerosin ermöglicht.
Es gibt drei Hauptvorteile von ATS gegenüber anderen Systemen. Der erste Vorteil ist eine höhere Produktivität gegenüber offenen Teichsystemen. Die zweite ist niedrigere Betriebs- und Kraftstoffproduktionskosten. Das dritte ist die Beseitigung von Kontaminationsproblemen aufgrund der Abhängigkeit von natürlich vorkommenden Algenarten. Die prognostizierten Kosten für die Energieproduktion in einem ATS-System betragen 0,75 $ / kg im Vergleich zu einem Photobioreaktor, der 3,50 $ / kg kosten würde. Aufgrund der Tatsache, dass der primäre Zweck von ATS darin besteht, Nährstoffe und Schadstoffe aus dem Wasser zu entfernen, und diese Kosten erwiesenermaßen niedriger sind als bei anderen Methoden der Nährstoffentfernung, könnte dies einen Anreiz für die Verwendung dieser Technologie zur Nährstoffentfernung bieten Primärfunktion, mit Biokraftstoffproduktion als ein zusätzlicher Vorteil.
Treibstoffproduktion
Nach dem Ernten der Algen wird die Biomasse typischerweise in einer Reihe von Schritten verarbeitet, die sich je nach Art und gewünschtem Produkt unterscheiden können; Dies ist ein aktiver Bereich der Forschung und ist auch der Engpass dieser Technologie: die Kosten der Extraktion ist höher als die erzielten. Eine der Lösungen besteht darin, Filterzubringer zu verwenden, um sie zu „essen“. Verbesserte Tiere können sowohl Lebensmittel als auch Brennstoffe liefern. Eine alternative Methode, die Algen zu extrahieren, besteht darin, die Algen mit bestimmten Arten von Pilzen zu züchten. Dies bewirkt eine biologische Ausflockung der Algen, was eine leichtere Extraktion ermöglicht.
Austrocknung
Oft werden die Algen dehydriert, und dann wird ein Lösungsmittel wie Hexan verwendet, um energiereiche Verbindungen wie Triglyceride aus dem getrockneten Material zu extrahieren. Dann können die extrahierten Verbindungen unter Verwendung von industriellen Standardverfahren zu Brennstoff verarbeitet werden. Zum Beispiel werden die extrahierten Triglyceride mit Methanol umgesetzt, um Biodiesel durch Umesterung zu erzeugen. Die einzigartige Zusammensetzung der Fettsäuren jeder Spezies beeinflusst die Qualität des resultierenden Biodiesels und muss daher bei der Auswahl von Algenarten für den Einsatzstoff berücksichtigt werden.
Hydrothermale Verflüssigung
Ein alternativer Ansatz, Hydrothermale Verflüssigung genannt, verwendet ein kontinuierliches Verfahren, bei dem die geernteten Algen hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt werden – 350 ° C (662 ° F) und 3.000 Pfund pro Quadratzoll (21.000 kPa).
Zu den Produkten gehört Rohöl, das mit einem oder mehreren Aufbereitungsverfahren zu Flugbenzin, Benzin oder Diesel weiterveredelt werden kann. Der Testprozess wandelt zwischen 50 und 70 Prozent des Kohlenstoffs der Algen in Treibstoff um. Andere Ausgänge umfassen sauberes Wasser, Brenngas und Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor und Kalium.
Nährstoffe
Nährstoffe wie Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K) sind wichtig für das Pflanzenwachstum und sind wichtige Teile von Dünger. Siliziumdioxid und Eisen sowie einige Spurenelemente können ebenfalls als wichtige marine Nährstoffe angesehen werden, da das Fehlen von einem das Wachstum oder die Produktivität in einem Gebiet begrenzen kann.
Kohlendioxid
Sprudelndes CO2 durch Algenkultivierungssysteme kann die Produktivität und den Ertrag (bis zu einem Sättigungspunkt) stark erhöhen. In der Regel werden pro Tonne erzeugter Algenbiomasse (trocken) etwa 1,8 Tonnen CO2 genutzt, wobei dies je nach Algenart variiert. Die Glenturret Distillery in Perthshire, Großbritannien – Heimat des berühmten Grouse Whiskey – sickert CO2 aus der Whisky-Destillation durch einen Mikroalgen-Bioreaktor. Jede Tonne Mikroalgen absorbiert zwei Tonnen CO2. Scottish Bioenergy, die das Projekt leiten, verkaufen die Mikroalgen als hochwertige, proteinreiche Nahrung für die Fischerei. In Zukunft werden sie die Algenrückstände nutzen, um durch anaerobe Vergärung erneuerbare Energie zu gewinnen.
Stickstoff
Stickstoff ist ein wertvolles Substrat, das für das Algenwachstum genutzt werden kann. Verschiedene Stickstoffquellen können als Nährstoff für Algen mit unterschiedlichen Kapazitäten verwendet werden. Nitrat erwies sich als die bevorzugte Stickstoffquelle hinsichtlich der Menge an gewachsener Biomasse. Harnstoff ist eine leicht verfügbare Quelle, die vergleichbare Ergebnisse zeigt, was sie zu einem ökonomischen Ersatz für die Stickstoffquelle bei der Algenkultivierung in großem Maßstab macht. Trotz der deutlichen Zunahme des Wachstums im Vergleich zu einem stickstofflosen Medium wurde gezeigt, dass Veränderungen des Stickstoffgehalts den Lipidgehalt in den Algenzellen beeinflussen. In einer Studie führte Stickstoffentzug für 72 Stunden dazu, dass der Gesamtfettsäuregehalt (pro Zelle) um das 2,4-fache anstieg. 65% der gesamten Fettsäuren wurden in Ölkörpern im Vergleich zur ursprünglichen Kultur zu Triacylglyceriden verestert, was darauf hinweist, dass die Algenzellen eine Neusynthese von Fettsäuren verwendeten. Es ist wichtig, dass der Lipidgehalt in Algenzellen hoch genug ist, während angemessene Zellteilungszeiten aufrechterhalten werden, so dass Parameter, die beide maximieren können, untersucht werden.
Abwasser
Eine mögliche Nährstoffquelle sind Abwässer aus der Behandlung von Abwässern, landwirtschaftlichen Abwässern oder Hochwasserabflüssen, alle derzeit Hauptschadstoffe und Gesundheitsrisiken. Dieses Abwasser kann jedoch keine Algen direkt befördern und muss zuerst durch Bakterien durch anaerobe Faulung verarbeitet werden. Wenn Abwasser nicht verarbeitet wird, bevor es die Algen erreicht, wird es die Algen im Reaktor kontaminieren und zumindest einen Großteil der gewünschten Algenbelastung abtöten. In Biogasanlagen wird organischer Abfall oft in eine Mischung aus Kohlendioxid, Methan und organischem Dünger umgewandelt. Organischer Dünger, der aus dem Fermenter kommt, ist flüssig und fast für das Algenwachstum geeignet, muss jedoch zuerst gereinigt und sterilisiert werden.
Die Nutzung von Abwasser und Meerwasser anstelle von Süßwasser wird aufgrund der anhaltenden Erschöpfung der Süßwasserressourcen stark befürwortet. Schwermetalle, Spurenmetalle und andere Verunreinigungen im Abwasser können jedoch die Fähigkeit von Zellen zur biosynthetischen Produktion von Lipiden verringern und auch verschiedene andere Vorgänge in der Maschinerie von Zellen beeinflussen. Das gleiche gilt für Meerwasser, aber die Schadstoffe werden in verschiedenen Konzentrationen gefunden. Daher ist Düngemittel in Agrarklasse die bevorzugte Quelle von Nährstoffen, aber Schwermetalle sind wiederum ein Problem, insbesondere für Stämme von Algen, die für diese Metalle anfällig sind. In offenen Teichsystemen kann die Verwendung von Algenstämmen, die mit hohen Konzentrationen von Schwermetallen umgehen können, verhindern, dass andere Organismen diese Systeme befallen. In einigen Fällen wurde sogar gezeigt, dass Algenstämme in relativ kurzen Zeiträumen über 90% von Nickel und Zink aus industriellen Abwässern entfernen können.
Umweltbelastung
Im Vergleich zu terrestrischen Biotreibstoff-Pflanzen wie Mais oder Sojabohnen führt die Produktion von Mikroalgen zu einem viel geringeren Flächenabdruck aufgrund der höheren Ölproduktivität der Mikroalgen als bei allen anderen Ölpflanzen. Algen können auch auf marginalen Flächen angebaut werden, die für gewöhnliche Feldfrüchte nutzlos sind und einen niedrigen Erhaltungswert haben, und sie können Wasser aus Salz-Aquiferen verwenden, das für die Landwirtschaft oder das Trinken nicht geeignet ist. Algen können auch auf der Oberfläche des Ozeans in Taschen oder schwimmenden Screens wachsen. Somit könnten Mikroalgen eine Quelle sauberer Energie mit geringen Auswirkungen auf die Versorgung mit adäquaten Nahrungsmitteln und Wasser oder den Erhalt der Artenvielfalt darstellen. Der Algenanbau erfordert auch keine externen Subventionen für Insektizide oder Herbizide, wodurch jegliches Risiko der Erzeugung von Pestizidabfallströmen beseitigt wird. Außerdem sind Algen-Biokraftstoffe viel weniger toxisch und zersetzen sich viel leichter als Kraftstoffe auf Erdölbasis. Aufgrund der Entflammbarkeit brennbarer Brennstoffe besteht jedoch die Gefahr von Umwelteinwirkungen, wenn diese entzündet oder verschüttet werden, wie dies bei Entgleisungen von Zügen oder Lecks in einer Pipeline der Fall sein kann. Diese Gefahr ist im Vergleich zu fossilen Brennstoffen aufgrund der Fähigkeit, Algen-Biobrennstoffe viel lokalisierter zu produzieren, und aufgrund der insgesamt geringeren Toxizität zwar verringert, die Gefahr besteht jedoch immer noch. Daher sollten Algen-Biokraftstoffe bei Transport und Verwendung in ähnlicher Weise wie Erdöl-Brennstoffe behandelt werden, wobei jederzeit ausreichende Sicherheitsmaßnahmen vorhanden sein müssen.
Studien haben ergeben, dass der Ersatz fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen wie Biokraftstoffe die CO2-Emissionen um bis zu 80% reduzieren kann. Ein auf Algen basierendes System könnte etwa 80% des CO2 aus einem Kraftwerk aufnehmen, wenn Sonnenlicht verfügbar ist. Dieses CO2 wird zwar später beim Verbrennen des Brennstoffs in die Atmosphäre freigesetzt, dieses CO2 wäre jedoch in die Atmosphäre gelangt. Die Möglichkeit, die gesamten CO2-Emissionen zu reduzieren, liegt daher in der Verhinderung der Freisetzung von CO2 aus fossilen Brennstoffen. Im Vergleich zu Kraftstoffen wie Diesel und Petroleum und sogar im Vergleich zu anderen Biokraftstoffquellen erzeugt die Produktion und Verbrennung von Algenbiokraftstoff keine Schwefeloxide oder Stickoxide und produziert eine verringerte Menge an Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und reduziert Emission anderer schädlicher Schadstoffe. Da terrestrische Pflanzenquellen für die Produktion von Biokraftstoffen einfach nicht über die Produktionskapazität verfügen, um den aktuellen Energiebedarf zu decken, könnten Mikroalgen eine der wenigen Optionen sein, die sich dem vollständigen Ersatz fossiler Brennstoffe annähern.
Die Produktion von Mikroalgen umfasst auch die Möglichkeit, Salzabfälle oder Abfall-CO2-Ströme als Energiequelle zu verwenden. Dies eröffnet eine neue Strategie für die Produktion von Biokraftstoff in Verbindung mit der Abwasserbehandlung und die Produktion von sauberem Wasser als Nebenprodukt. Bei Verwendung in einem Mikroalgen-Bioreaktor werden geerntete Mikroalgen signifikante Mengen organischer Verbindungen sowie Schwermetallverunreinigungen aufnehmen, die aus Abwasserströmen absorbiert werden, die ansonsten direkt in die Oberfläche und in das Grundwasser abgegeben würden. Darüber hinaus ermöglicht dieser Prozess auch die Rückgewinnung von Phosphor aus Abfällen, die ein wesentliches, aber seltenes Element in der Natur sind – deren Reserven in den letzten 50 Jahren vermutlich aufgebraucht sind. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Algenproduktionssystemen, um nicht-punktuelle Quellenverschmutzung in einem System zu beseitigen, das als Algenrasen-Wäscher (ATS) bekannt ist. Dies hat gezeigt, dass Stickstoff und Phosphor in Flüssen und anderen großen Gewässern, die von Eutrophierung betroffen sind, reduziert werden können, und es werden Systeme gebaut, die in der Lage sind, täglich bis zu 110 Millionen Liter Wasser zu verarbeiten. ATS kann auch verwendet werden, um Verschmutzungen von Punktquellen zu behandeln, wie das oben erwähnte Abwasser, oder um Viehabwasser zu behandeln.