Steigende Treibhausgasemissionen und die Verknappung fossiler Ressourcen sind zwei der herausforderndsten Themen auf der globalen Agenda, die die Weltbevölkerung vor ihre intrinsische ökologische Verantwortung stellen. Mikroalgen gelten als schnellwachsender Rohstoff zur Produktion von Biokraftstoffen und können zur Bindung von Kohlendioxid eingesetzt werden. Bisher ist die Trocknung der Algenbiomasse, die der Verwendung in konventionellen thermochemischen Konversionsverfahren vorangehen muss, einer der hauptsächlichen kostentreibenden Faktoren. Die Arbeitsgruppe für Katalytische Verfahrenstechnik am Paul Scherrer Institut (Villigen, CH) entwickelt derzeit einen innovativen Prozess zur Produktion von Biomethan durch katalytische Vergasung in superkritischem Wasser. Dieser Prozess hat bei der Nutzung von Algenbiomasse gegenüber konventionellen Verfahren einen klaren Vorteil, da mit hohen Feuchtigkeitsgehalten gearbeitet werden kann und Nährstoffe potentiell zurückgewonnen werden können. In dieser Studie wird ein Prozess von der Kultivierung von Mikroalgen auf Basis von Rauchgasen aus einem thermischen Kraftwerk bis zur Einspeisung des Biomethans in ein vorhandenes Erdgasnetz zur Abschätzung der Methangestehungskosten ökonomisch analysiert.

Textprobe: Kapitel 3.5.2, Methananreicherung: Für die Anreicherung von Methan sind Druckwechseladsorption, Gaswäsche, Nieder- und Hochdruckmembranseparation sowie kryogene Gaswäsche bekannt. 3.5.2.1, Druckwechseladsorption (PSA): Es handelt sich hierbei um ein Trocken-Anreicherungsverfahren, das sich die unterschiedliche Adsorption von CH4 und CO2 bei erhöhtem Druck an einem Molekularsieb zunutze macht [Hornbachner, Hutter et al. 2005]. Das Kohlendioxid bindet sich schneller und stärker an den Feststoff als Methan. Druckwechseladsorption wird im englischen als ‘Pressure Swing Adsorption’ bezeichnet, daher werden solche Anlagen oft als PSA-Anlagen bezeichnet. PSA-Anlagen bestehen in der Regel aus vier Adsorptionseinheiten. Während einer Periode mit hohem Druck wird eine Adsorptionseinheit mit Rohgas durchströmt. Dabei wird das CO2 solange adsorbiert, bis das Kohlenstoffmolekularsieb gesättigt ist. Nun wird der Biogasstrom durch eine nächste Adsorptionseinheit geleitet, um das gesättigte Kohlenstoff-Molekularsieb regenerieren zu können. Der Druck wird dazu reduziert und das desorbierte CO2 abgesaugt. 3.5.2.2, Gaswäsche: CO2 und H2S können aus dem Rohgasstrom auch ausgewaschen werden. Dazu kann entweder die Druckwasserwäsche oder die Wäsche mit bestimmten Waschflüssigkeiten (z.B. Monoethanolamin MEA) angewendet werden. Druckwasserwäsche: Dieses Verfahren beruht auf der physikalischen Eigenschaft der Lösung von Gasen in Flüssigkeiten. Die Löslichkeit steigt mit zunehmendem Druck an. Neben den unerwünschten Komponenten CO2 und H2S wird aber auch eine kleine Menge Methan gelöst. Um die Verluste gering zu halten, wird die Waschflüssigkeit in einen Flash-Tank geleitet. Hier desorbiert ein Gas mit hohem CH4-Gehalt. Es wird wieder in die Absorptionskolonne rückgeführt. Die Waschflüssigkeit gelangt, nachdem sie entspannt wurde, in die Desorptionskolonne. Um die gelösten Gase auszutreiben, wird der Druck reduziert und/oder Wärme zugeführt. Zusätzlich wird Luft im Gegenstrom durch die Flüssigkeit geblasen. Monoethanolamin-Wäsche: Das Verfahren ist mit dem der Druckwasserwäsche vergleichbar. Allerdings werden in diesem Fall die unerwünschten Gasbestandteile nicht durch physikalisches Lösen, sondern durch chemisches Binden an eine Waschflüssigkeit entfernt. Um den Vorgang zu beschleunigen, werden Druck und Temperatur erhöht. Die mit CO2 und H2S beladene Waschflüssigkeit wird in einem reversiblen Reaktionsschritt wieder regeneriert. Neben Wasser ist Monoethanolamin die am häufigsten verwendete Waschflüssigkeit [Hornbachner, Hutter et al. 2005]. Es gibt aber noch weitere Mittel, die für die Gaswäsche einsetzbar sind. 3.5.2.3, Niederdruck-Membranseparation: Prinzipiell ist diese Variante keine klassische Membrantrennung, sondern eine Kombination aus Absorptions- und Membrantechnologie. Ein spezielles Absorbens wird dabei durch mikroporöse, hydrophobe Membrane bzw. Membranmodule geleitet. Die an der Membranaußenfläche vorbeiströmenden Gasmoleküle im Biogas werden durch die vergrößerten Kontaktflächen aufgenommen. 3.5.2.4, Hochdruckmembrantrennung: Dünne Membrane aus Celluloseacetat, Polysulfonen, Silikonen oder Polycarbonaten [Hornbachner, Hutter et al. 2005] dienen der Abtrennung einiger Komponenten aus dem Rohgas. Durch die unterschiedliche Permeabilität der Gasbestandteile können CO2- und H2S-Moleküle die Membran schneller durchwandern als Methanmoleküle. Im Falle einer Celluloseacetat-Membran beträgt die Permeabilität von CO2 rund das Zwanzigfache der Permeabilität von CH4. Um den Trennvorgang zu beschleunigen, wird mit erhöhtem Druck gearbeitet. 3.5.2.5, Kryogene Gastrennung: Die einzelnen Komponenten von Biogas besitzen unterschiedliche Kondensationstemperaturen. Die kryogene Gastrennung macht sich diesen Umstand zunutze. Der erste Schritt besteht in der Verdichtung des Rohgases auf 65 bis 80 bar. Zur Auftrennung dieser beiden Komponenten bedient man sich einer kryogenen Trennstufe. Durch Fremdkälte und Entspannungskälte wird das Gasgemisch auf die für die Trennung notwendigen Temperaturen abgekühlt. 4, Methodische Werkzeuge: Unter Berücksichtigung zahlreicher Faktoren wird eine Investitionsrechnung für die hydrothermale Vergasung von Algenbiomasse aus bereits vorgereinigtem Rauchgas bis zur Einspeisung in ein vorhandenes Erdgasnetz erstellt. Um die Gefahren, die mit der Unsicherheit einer solchen Investition verbunden sind, besser abzuschätzen, wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Dabei werden die wichtigen Faktoren der Investitionsrechnung unter ceteris-paribus- Bedingungen verändert, und es wird untersucht, welche Faktoren das Ergebnis maßgeblich beeinflussen. Das Modell SIMSALG basiert auf der Microsoft® Excel Tabellenkalkulationssoftware, die für die mehrparametrige Sensitivitätsanalyse durch Palisade® DecisionSuite® erweitert wurde. Sankey-Diagramme wurden mit dem SC&C Software-Paket SDraw© Version 3.1 unter Lizenz des Paul Scherrer Instituts erstellt. Die Eingangsdaten für die Modellbildung wurden der wissenschaftlichen Literatur entnommen und aus Erfahrungswerten der Versuchsanlage des PSI bestimmt. 5, Modellauswahl: 5.1, Algenspezies: Etwa 80% aller Organismen leben in aquatischen Ökosystemen. Die Biodiversität an photosynthetisch aktiven Mikroorganismen ist enorm. Vorsichtige Schätzungen gehen von etwa 100.000 Spezies aus, die meisten davon großteils unerforscht. Algen sind - mit Ausnahme der prokaryotischen Spirulina - photosynthetische Eukaryoten (Lebewesen mit Zellkern und Zellmembran, die mehrere Chromosomen haben). Sie können in zehn Gruppen eingeteilt werden [Barsanti und Gualtieri 2006 S. 16ff]: Cyanophyta und Prochlorophyta, Glaukophyta, Rhodophyta, Heterokontophyta, Haptophyta, Cryptophyta, Dinophyta, Euglenophyta, Chlorarachniophyta und Chlorophyta. Die Klassifikation basiert auf Eigenschaften wie der Pigmentation, der chemischen Speicherung des Produkts aus dem photosynthetischen Prozess, der Organisation der photosynthetischen Membranen und anderen Eigenschaften. Die größte Gruppe bilden die Chlorophyta (Grünalgen) mit etwa 7000 Arten. Sie stellen etwa 2/5 aller Meeresalgen und 3/5 aller Süßwasseralgen. Es ist nicht Gegenstand dieser Arbeit, auf die genaueren Charakteristika der einzelnen Algen einzugehen. Angemerkt sei an dieser Stelle nur, dass sich durch die enorme Vielzahl an Algen ein weites Spektrum an ökonomisch verwertbaren Produkten ergibt. So wird beispielsweise von dem in Hawaii ansässigen Unternehmen Cyanotech [2008], das eine der weltweit größten Algenkulturen betreibt, aus der Grünalge (Chlorophyta) Haematococcus pluvialis das Nahrungsergänzungsmittel Asthaxantin gewonnen, das auch in Sonnencreme verwendet wird. Derzeit sind Makroalgen ökonomisch bedeutsamer als Mikroalgen. [Renneberg und Süssbier 2007]. Getrocknete Makroalgen dienen in Japan und China als kostengünstige Grundlage für Suppen. Die wichtigsten Mikroalgen stammen aus zwei verschiedenen Klassen: Die als Blaualgen bezeichneten prokaryotischen Blaubakterien (Cyanophyta) und die eukaryotischen Grünalgen (Chlorophyta). Trotz der Vielzahl an Organismen wurden bis 2003 nur drei Mikroalgengattungen in industriellem Maßstab gezüchtet [Huntley und Redalje 2007]. Diese Arten werden bei Kultivierung in Open Ponds, aufgrund ihrer speziellen Lebensbedingungen, nicht durch intrusive Spezies kontaminiert: Spirulina platensis: Spirulina gehören zu den Blaubakterien, ihre Zellwand besteht, wie die der Bakterien, aus Mucoproteiden [Renneberg und Süssbier 2007] und ist durch die menschlichen Verdauungsenzyme gut aufspaltbar. Spirulina besteht aus 150 bis 300 Einzelzellen und kann eine länge bis zu 0,5 mm erreichen. Dunaliella salina: sind einzellige, bewegliche Flagellaten. Ihre auffälligste Eigenschaft ist ihre hohe Salztoleranz. Sie treten daher massenhaft in austrocknenden salzhaltigen Gewässern auf. Zum Ausgleich des externen osmotischen Drucks lagern sie hohe Mengen an Glycerin an. Neben Glycerin wird auch ?-carotin aus dieser Alge industriell gewonnen [Renneberg und Süssbier 2007 S. 174]. Chlorella: sind durch eine feste Cellulosewand umhüllt, dadurch chemisch schwer angreifbar und gegen mechanische Belastungen sehr beständig. Diese Eigenschaften sind für für die Kultivierung im industriell relevanten Maßstab vorteilhaft, da eine beträchtliche mechanische Beanspruchung der Organismen durch die möglichst turbulent strömende Algensuspension und die dazu erforderlichen Pumpprozesse verbunden ist. Chlorella weist einen hohen Anteil an Chlorophyl auf zeigt hohe Wachstumsraten.

• Mikroalgen

• CO2 Mitigation

• Photobioreaktor

• Biogas

• Massenkultivierung

• Produktgas

• Nährstoffrecycling