Eine neue Rohstoff- und Energiequelle

Biomasse muss in der Zukunft einen Teil der fossilen Brennstoffe ersetzen, denn die Bundesregierung hat sich ambitionierte Ziele für den Einsatz erneuerbarer Energien im Verkehr gesetzt. Meist stellen Energie­pflanzen wie Mais, Raps und Zuckerrüben das Rohmaterial dafür. Zu den flächenintensiven Kultur­pflanzen existiert aber auch eine Alternative: Mikroalgen. Sie stehen nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, wachsen sehr schnell und könnten zur CO2-Bindung eingesetzt werden.

Auf einen Blick

Im Rahmen des Projektes Algen-Bioraffinerie erstellte das Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bio­verfahrenstechnik (IGB) eine Studie, in der Produk­tionsbedingungen sowie aufeinander aufbauende Nutzungspfade für und mögliche Produkte aus Mikroalgen eingehend untersucht wurden. Die Studie definierte die nächsten Schritte, die anstehen, damit in der Zukunft der neue Rohstoff Algen-Biomasse vollständig und abfallfrei in Chemikalien, Werkstoffe, Energiegüter sowie Lebensmittelprodukte umgewandelt werden kann.

Wirtschaftlich und nachhaltig: Der 10^-1 Ansatz

Das Interesse, Algen als neuen Energieträger und Rohstofflieferanten zu nutzen, ist groß. Allerdings gab es im Jahr 2010 weltweit noch keine Bioraffinerie auf Algenbasis. Das liegt nicht zuletzt auch an den hohen Investitionen, die erforderlich sind, um eine Algen­raffinerie, eine Mikroalgenproduktion sowie die anschließende Verwertung aller Rohstoffbestandteile im industriellen Maßstab einzurichten. Die größten Anteile an den Produktionskosten für die Algen machen die Investitionskosten für die Anlage (49 Prozent) und die Personalkosten (28 Prozent) aus.

Zusätzlich gab es im Jahr 2010 noch keine ausreichen­den analytischen Vorarbeiten, die die technischen und wirtschaftlichen Potenziale genau definierten.

Die wichtigste Voraussetzung für den Einsatz des nachwachsenden Rohstoffs Mikroalge im industriellen Maßstab ist die Kostenreduktion um den Faktor zehn entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Im Fokus der Studie stand deshalb der 10^-1 Ansatz. Dieses Konzept nimmt den Herstellungspreis der Mikroalgen (Stand 2010) unter die Lupe. Nur wenn sich dieser um mindestens den Faktor zehn verringert, wäre die neue klimafreundliche Rohstoff­quelle auch für eine Anwendung in der Chemie lukrativ.

Erreicht werden kann dies durch den Einsatz von Groß­anlagen sowie durch neue Dimensionen in der Serien­fertigung von Reaktorkomponenten zur Algenkultivierung. Erst dann können Massenprodukte für Chemie und Lebensmittel im mittleren und unteren Preis­segment zu einem konkurrenzfähigen Betrag hergestellt werden.

Algen – die Multitalente

Algen beinhalten überraschend viele wirtschaftlich verwertbare Bestandteile. Neben den berühmten Omega-3-Fettsäuren und Beta-Carotin, die zusammen nur einen Bruchteil des Rohstoffmaterials ausmachen, bestehen Algen aus Proteinen, Lipiden (Öle) und Kohlenhydraten. In der Massenproduktion bieten sich für jeden dieser Bestandteile verschiedene Verarbeitungs­wege an, die zu vielen unterschiedlichen Endprodukten führen können.

Diese können wiederum Erdölprodukte ersetzen: So ist es zum Beispiel möglich, aus den Fetten über verschiedene Verarbeitungs­stufen Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kunststoffen, Lacken und Farben, Biodiesel, Kerosin oder Schmierölen zu gewinnen. Die Zucker­ver­bindungen liefern Ethanol, das als Kraftstoff aber auch als Ausgangsstoff für Vorstufen der Plastikherstellung dient. Nicht zuletzt eignet sich der Proteinanteil zum Beispiel als Futtermittel für die Fisch­aqua­kultur. Am Ende bleibt ein unterschiedlich zusammen­gesetzter Algenrest übrig. Aber auch dieser lässt sich noch verwerten und zum Beispiel zu Biogas, Synthesegas oder Wasserstoff weiterverarbeiten.

Algenkultivierung im offenen Becken und im Photobioreaktor

Mikroalgen sind einzellige, phototrophe (das heißt sich zur Lichtquelle hinwendende) Organismen. Damit sind sie in der Lage, das Sonnenlicht effizienter zu nutzen als andere Pflanzen. Sie weisen eine höhere Biomasse­produktivität auf.

Für die Kultivierung der Mikroorganismen eignen sich zwei konkurrierende Verfahren. Etabliert ist bereits das System offener Becken (Englisch: open pond). Solche Algenproduktionsanlagen stehen in den USA, Israel und Japan. Diese Art der Kultivierung erlaubt jedoch nur eine geringe Prozesskontrolle, bringt hohe Erntekosten mit sich und erzeugt Algen mit einem geringen Fettgehalt. Alternativ dazu gewährleistet das geschlossene System der Photobioreaktoren schnelles Wachstum und hohe Biomasse­konzen­trationen. Es passt damit optimal zu den phototrophen Eigen­schaften der Algen. Die Reaktoren sorgen für eine künstliche Durchmischung der Biomasse, die damit das Licht deutlich besser verwerten kann und schnell erntereif wird.

Die Studie empfiehlt diesen zweiten Anlagentyp auch, weil dadurch exakt reproduzierbare und optimierbare Kultivierungs­bedingungen gegeben sind.

Die Pilotanlage

Praktischer Hintergrund bei der Erstellung der Studie war der Plan des Fraunhofer Instituts, im Rahmen der Errichtung des Chemisch-Biologischen Prozess­zentrums am Industriestandort Leuna eine Algen­produktions­anlage im Pilotmaßstab zu bauen. Dazu mussten nicht nur innovative Prozess- und Verwer­tungs­konzepte entwickelt werden. Zusätzlich bewerteten die Forscherinnen und Forscher die Markt­potenziale und untersuchten die Herstellungs­bedingungen für die Algen.

• Was sollte das Projekt erreichen?

  • Darstellung der Nutzungspfade und Verwertungsoptionen für Mikroalgen;
  • Definition des Forschungs- und Entwicklungsbedarfs für diesen Bereich;
  • Schaffung der Grundlagen für die Erprobung der Algenkultivierung innerhalb einer Pilotanlage;
  • verstärkter Einsatz von Biomasse als Rohstoffquelle und damit verbundene CO2-Reduktion.

• Was hat das Projekt erreicht?

  • Erkenntnisgewinn, dass Algen prinzipiell flächenintensive Energiepflanzen in der Zukunft ersetzen könnten und durch die ergänzende Nutzung der Algen zur CO2 Bindung ein Mehrwert erzeugt werden kann;
  • Konzeptentwicklung für die Errichtung einer Pilotanlage;
  • Darstellung der Nutzungspotenziale für den Einsatz von Algen in der Massenproduktion.

• Wie ging es weiter?

  Das Fraunhofer Institut etablierte bis 2012 das Chemisch-Biotechnologische Prozesszentrum am Standort Leuna und baute eine Algenproduktionsanlage im Pilotmaßstab.

Beitrag zum Klimaschutz

Mit der Studie zeigt die Fraunhofer-Gesellschaft die Potenziale der Algenverwertung im Rahmen einer Bioraffinierie auf. Sie bietet einen doppelten Klima­nutzen: Zum einen liefern die Mikroorganismen alle Vorteile eines nachwachsenden Materials. Die aus der Biomasse herstellbare, höchst umfangreiche Produkt­palette kann viele Erzeugnisse aus Rohöl oder anderen fossilen Rohstoffen klimaneutral ersetzen. Die Emissionen, die bei der stofflichen Nutzung von Erdöl oder Kohle entstehen, könnten damit eingespart werden – vorausgesetzt, die Industrie stellt ihre Ver­fahren auf die neue Materialquelle um.

Zum anderen könnten Abgasströme, wie etwa aus Ver­brennungs­prozessen in Kraftwerken, Zementfabriken oder der chemischen Industrie zur Düngung der Algen genutzt werden. Algen benötigen neben den Nährstoffen Stick­stoff, Phosphor und Kalium zum Wachsen CO₂ und könnten somit CO₂ aus Abgasströmen binden – bis zu 1,85 Kilogramm CO₂ pro Kilogramm Algenmasse.

• Checkliste der Erfolgsfaktoren

  • Vor der Errichtung von Pilotanlagen sind gründliche Vorstudien sinnvoll, die die Potenziale identifizieren und vorhandene Erfahrungen bündeln;
  • um die Potenziale der Algen-Biomasse genau zu beschreiben, muss die gesamte Wertschöpfungskette Berücksichtigung finden.

Tipps und Tricks für interessierte Institutionen

Das Konzept der Algen-Bioraffinerie ist ein aussichtsreicher Ansatz, die Kraftstoffproduktion mit der Vermeidung und Minderung von CO₂ zu verbinden. Noch ist allerdings weitere Forschung sowie die Erprobung von Konzepten in Pilotprojekten notwendig.

Geeignete Algen auswählen

Es gibt viele verschiedene Mikroalgen. Ein wichtiges Forschungsfeld ist daher die Überprüfung von Algenstämmen nach Kriterien, die für die Wirt­schaft­lichkeit des Gesamtsystems ausschlag­gebend sind (das sogenannte Algenscreening).

Zu diesen Kriterien gehören die Inhaltsstoffe der Mikro­organismen, die Wachstums­geschwindigkeit auch unter Freiland­bedingungen sowie die optimalen Temperatur- und Lichtverhältnisse. Zur Optimierung sollten Algen­stämme gesucht werden, die Nährstoffe aus Abwässern oder Gärresten aus Biogasanlagen umbauen können.

Wachstum optimieren

Für die Herstellung des Rohstoffs Mikroalge muss auch die Photobioreaktor-Technologie weiterentwickelt werden. Die Produktionskosten der Anlagen aber auch die Steuerung der Wachstumsprozesse sollten durch gezielte wei­tere Forschungsprojekte in Pilot- und Demonstrationsanlagen optimiert werden.

Verarbeitungsschritte der Algen noch besser analysieren

Für jeden Prozessschritt besteht noch weiterer Forschungsbedarf. Chemische, thermische und/oder mechanische Prozesse müssen entwickelt oder optimiert werden, die aus der feuchten Biomasse die wasser- und fettlöslichen Bestandteile schonend extrahieren.

Darüber hinaus sind weitere thermo­chemische, chemokatalytische und bio­tech­nologische Verfahren gefragt, die eine wertsteigernde Parallelverarbeitung der Öle, Kohlenhydrate und Eiweiße ermöglichen. Der Anschluss an bestehende Technologien zur Verarbeitung von Pflanzenöl wäre außerdem sinnvoll.

Weiter auf dem Weg zur Algen-Bioraffinerie

Das Fraunhofer Institut empfiehlt in seiner Studie die Forschung, Entwicklung und Innovation entlang der gesamten Bioraffinerie-Wertschöpfungskette vom Rohstoff über die Verfahren und Prozesse der Primär- und Sekundärraffination bis hin zum Endprodukt. Außerdem ist es nötig, nachhaltige Bioraffinerie­konzepte rasch vom Forschungsstadium in die Serienreife kommerzieller Anlagen zu überführen.