Der Klimawandel, der steigende CO2-Ausstoß sowie die Endlichkeit fossiler Ressourcen stellen uns und kommende Generationen vor große Herausforderungen. Ein Umdenken der Menschheit in Kombination mit neuen Technologien und Methoden der Energiegewinnung kann uns helfen, diese bevorstehenden Herausforderungen zu lösen und die Erde für künftige Generationen zu erhalten. Einen viel versprechenden Weg für die Lösung dieser Herausforderungen stellt die Energiegewinnung aus Mikroalgen dar. Dieses Buch gibt einen Einblick in die aktuellen Verfahren und den Stand der Mikroalgentechnologie mit dem Fokus auf eine nachhaltige Energie- und Kraftstoffbereitstellung. In diesem Kontext wird sowohl auf den Organismus Mikroalge als auch auf die Zucht- und Ernteverfahren sowie verschiedene Kombinationen der technischen Verfahren eingegangen. Den Schwerpunkt stellen die aus Mikroalgen herstellbaren Endprodukte und die zur Herstellung notwendigen Stoffströme dar. Anhand diverser Beispiele wird eine ökonomisch, ökologisch und sozial nachhaltige Integration der Algenfarmen in bestehende Stoffströme und Anlagen aufgezeigt. Aufgrund der Aktualität des Themas ist dieses das erste Buch im deutschen Sprachraum, welches einen Einblick in diese Thematik gewährt.

Textprobe: Kapitel 4.1, Direktnutzung: 4.1.1, Anaerobe Vergärung: Das technisch einfachste Verfahren, die in den Algen enthaltene Energie nutzbar zu machen, ist die anaerobe Vergärung. Hierbei kann die erzeugte Biomasse direkt nach der ersten Stufe des Entwässerungsverfahrens, der Vergärung, in einem Fermenter zugeführt werden. In diesem zersetzen Bakterien die Biomasse unter Ausschluss von Luft zu Methan und CO2. Das erzeugte Biogas weist je nach eingesetzter Algenart einen Methangehalt von 70 – 85 % auf. Der hohe Methangehalt im Vergleich zu anderen Gärsubstraten resultiert aus dem hohen Proteingehalt der Algenbiomasse. Zu beachten ist, dass die Methanausbeute um bis zu 10 % gemindert werden kann, wenn bei der Flokkulation Chemikalien zum Einsatz kommen. Durch die anaerobe Vergärung lassen sich die kostenintensiven Schritte bei der Energiegewinnung mittels Mikroalgen umgehen. Sowohl die zweite Stufe der Entwässerung als auch die Extraktion des Algenöls und dessen energieintensive Umwandlung in Biotreibstoffe sind nicht nötig. Ein weiterer Vorteil der Biogasproduktion besteht darin, dass sich die eingesetzten Nährstoffe relativ einfach zurückgewinnen lassen. Die Energie wird der Biomasse in Form von Methan entzogen, wobei die Nährstoffe in Form von Kompost und nährstoffreichem Wasser im Fermenter zurück bleiben. Diese Rückstände können entnommen werden und stellen einen Input für die Landwirtschaft oder Mikroalgenproduktion dar. Das gewonnene Biogas weist neben dem genannten Methangehalt Verunreinigungen durch CO2, Wasserdampf und geringe Mengen an Schwefelwasserstoff (H2S) auf. In dieser Qualität kann das Gas zur Strom- und Wärmeerzeugung in Blockheizkraftwerken genutzt werden. Um es zu einem Substitut für Erdgas (Biomethan) und einspeisefähig zu machen, sind noch folgende Verfahrensschritte notwendig: Entschwefelung, Trocknung, CO2-Abscheidung, Konditionierung und Verdichtung. Eine Pilotanlage, welche die Aufreinigung mittels Mikroalgen bewerkstelligt, wird in Kapitel 5.2.3 vorgestellt. Da die Techniken zum Anbau der Mikroalgen bis dato noch verhältnismäßig teuer sind und Biogas nur ein Produkt geringen Wertes darstellt, ist diese Methode momentan nur dort wirtschaftlich, wo Algen oder Extraktionsrückstände als Nebenprodukt anfallen. Diese Thematik wir in Kapitel 4.3 gesondert behandelt. 4.1.2, Thermische Nutzung: Auch eine rein thermische Verwertung der Biomasse ist möglich. Hierfür muss die Biomasse getrocknet werden, um dann über einen Verbrennungsprozess in Strom und Wärme gewandelt zu werden. Da für die Verbrennung eine sehr geringe Restfeuchte der Biomasse nötig ist, sind bereits im Vorfeld große Mengen an Energie zur Trocknung notwendig. (Siehe auch Kapitel 3.4.2) Dieser Aufwand hat einen stark negativen Einfluss auf die Gesamtbilanz des Verfahrens und lässt sich nur über eine großflächige solare Trocknung umgehen. Da diese Flächen mit den Flächen für die Kultivierungssysteme konkurrieren würden, wird dieses Verfahren im weiteren Verlauf der Untersuchung nicht betrachtet. 4.1.3, Gewinnung hochpreisiger Wertstoffe: Bedingt durch den geringen finanziellen Wert den Energie darstellt, gibt es bis heute kein Unternehmen, das Algenbiomasse ausschließlich für die Energieproduktion herstellt und dabei gewinnbringend arbeitet. Bezogen auf die reine Energieproduktion ist Algenbiomasse immer noch teurer als jede andere erneuerbare und nicht erneuerbare Energieform. Es existieren jedoch wesentlich mehr Anwendungsgebiete für den Einsatz von Mikroalgen als die reine Energiebereitstellung. So gibt es weltweit viele Produkte, die nur aus Algen hergestellt werden können. Dazu zählen diverse Nahrungsergänzungsmittel (Health & Functional food), Kosmetika, Pharmaprodukte, Futterzusatzmittel, Düngerprodukte, Farbstoffe und bestimmte Fettsäuren. Deren Marktwert liegt weit über dem, den Energie aufweist. Die Preise dieser Produkte weisen eine große Spannweite auf: Am unteren Ende bewegt sich die Nahrungsmittelergänzung mittels Spirulina-Algen für 8 € / kg. Danach folgt die Nahrung für Wasserorganismen mittels Nannochloropsis-Algen, hier liegt der Preis bei rund 500 € / kg. Für die Vorstufe des Vitamin-A, dem ß-Carotin, liegen die Kosten bei ca. 1.000 € / kg. Am oberen Ende der Skala liegt eine sehr hochwertige Fettsäure, deren Preis pro Kilogramm rund 28.000.000 € beträgt (hiervon werden von der Firma Spectra Stable Isotopes jährlich etwa 400 g. produziert). Hochpreisige Produkte werden in der Untersuchung nicht weiter behandelt, da sie für die Energieversorgung nicht relevant sind. Trotzdem sind sie für den Gesamtkontext wichtig, da sie Kosten in der Kraftstoffproduktion durch hohe Gewinne wieder ausgleichen können. Die Rückstände können nach der Extraktion der hochwertigen Inhaltsstoffe wieder einer energetischen Nutzung zugeführt werden. 4.2, Weiterverarbeitung des Algenöls: Sollen aus der Algenbiomasse hochwertige Kraftstoffe hergestellt werden, müssen die enthaltenen Fette und Öle von der restlichen Biomasse getrennt werden. Diese Trennung kann mittels mechanischer, thermischer, chemischer oder enzymatischer Verfahren bewerkstelligt werden. Nach der erfolgreichen Extraktion kann das Algenöl in weiteren Prozessschritten zu Kraftstoffen veredelt werden. 4.2.1, Aufreinigung des Algenöls: Die einfachste Anwendung für Algenöl besteht in der unraffinierten Nutzung als Pflanzenöl. Bevor es jedoch als Kraftstoff verwendet werden kann, muss das Algenöl gereinigt werden, um überschüssiges Wasser sowie Lösungsmittel und Verunreinigungen zu entfernen. Gängige Methoden hierfür sind Filtration und Destillation. Das gereinigte Pflanzenöl kann als Dieselersatz oder als Brennstoff für Heizungsanlagen verwendet werden. Aufgrund der höheren Viskosität und der niedrigeren Cetanzahl des Pflanzenöls sind an konventionellen Dieselmotoren in der Regel Modifikationen notwendig. Diese bestehen unter anderem in der Erhitzung des Pflanzenöls vor dessen Eintritt in die Einspritzanlage, wodurch sich die Viskosität verringert. Dies beugt negativen Effekten wie Ablagerungen in den Einspritzdüsen, der Brennkammer und dem Kraftstoffsystem vor. Die Vorteile bei der Verwendung von Pflanzenöl gegenüber fossilem Diesel sind der verringerte Ausstoß an CO2, Rußpartikeln, sowie die stark geminderten Feinstaubemissionen. Auch Verunreinigungen durch Schwefel und Schwermetalle entfallen weitestgehend. 4.2.2, Chemische Umesterung: Die überwiegende Mehrzahl der heute produzierten Biodiesel-Kraftstoffe wird über chemische Umesterung aus Lipiden gewonnen. Da die in Algen enthaltenen Lipide in ihrem Aufbau denen der Landpflanzen sehr ähnlich sind, kann die Umesterung auch bei Algenöl angewandt werden. Das chemische Verfahren läuft bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von etwa 60 °C ab, wodurch sich ein sehr geringer Energiebedarf im Vergleich zu thermischen Wandlungsverfahren ergibt. Dieser Prozess kann sowohl kontinuierlich, als auch im Batch-Verfahren ablaufen. Bei der Umesterung werden chemische Triglyceride mit Methanol oder einem anderen Alkohol in Gegenwart eines Katalysators gemischt. Bei der Reaktion werden die unerwünschten Triglyceride zu Diglyceriden und schließlich zu Monoglyceriden umgewandelt. Am Ende der Reaktion bleiben noch Glyzerin und Biodiesel übrig. Das Glyzerin wird abgetrennt und stellt einen Rohstoff für Produkte der Kosmetikindustrie dar. Die chemische Umesterung ist ein ausgereiftes Verfahren, das seit Jahrzehnten im Einsatz ist. Das dabei gewonnene Biodiesel ist ungiftig und biologisch abbaubar. Weitere Vorteile gegenüber fossilem Diesel sind: Die geringere Viskosität, welche zu verbesserten Kaltstarteigenschaften und verminderten Motorgeräuschen führt, sowie hohe Schmierfähigkeit, die die Lebensdauer des Motors verlängert. Bei dem Verfahren der Umesterung können Eigenschaften des eingesetzten Algenöls in das Endprodukt überführt werden, wodurch sich mit der Wahl der Algenkulturen und deren Eigenschaften auch die Qualität und die Eigenschaften des Endproduktes beeinflussen lassen. Ein Problem, welches bei der Verwendung von Biodiesel auftritt, ist sein Lösungsmittelverhalten. Der Diesel löst die in Dichtungen und Schläuchen enthaltenen Weichmacher, wodurch die Teile mit der Zeit verspröden und undicht werden. Die Frage, ob die Emissionen von Biodiesel gesundheitsschädlicher sind, als die fossilen Diesels, ist noch nicht abschließend geklärt und wird momentan in mehreren Studien untersucht.

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Alexander Buck hat nach seiner ersten Ausbildung zum Assistent für Informationstechnik, eine zweite Lehre als Elektroniker für Informationstechnik absolviert. Während seines Zivildienstes vertiefte er sein Wissen in umweltbezogenen Themen und engagierte sich in einer sozial-ökologischen Einrichtung. Dies und seine persönlichen Interessen beeinflussten seine Studienwahl maßgeblich. 2012 schloss er sein Studium als Wirtschaftsingenieur für Umwelt und Nachhaltigkeit in Berlin ab. Heute arbeitet er als Projektingenieur in der freien Wirtschaft.