Mikroalgen: Essen Kohlendioxid und spucken Bioöl aus

Science and Technology Daily-Reporter Yong Li und Praktikant Shan Qianlan

Übermäßiger Kohlendioxidausstoß ist eine der Hauptursachen für die globale Erwärmung. Wie können wir Kohlendioxid reduzieren? Kann man es beispielsweise „essen“? Es ist erstaunlich, dass winzige Mikroalgen einen so „guten Appetit“ haben. Sie können nicht nur Kohlendioxid „essen“, sondern auch „Kohlenstoff“ in „Öl“ umwandeln.

Außerordentlicher Professor Huang Yun vom Schlüssellabor für Niedrigenergie-Nutzungstechnologie und -systeme des Bildungsministeriums an der Fakultät für Energie- und Stromtechnik der Universität Chongqing wies darauf hin, dass die Frage, wie Kohlendioxid effektiv genutzt werden kann, zu einem zentralen Thema für Wissenschaftler auf der ganzen Welt geworden sei. Mikroalgen, winzige, uralte Organismen, seien aufgrund ihrer Fähigkeit, „Kohlenstoff“ in „Öl“ umzuwandeln, für uns ein guter Helfer bei der Kohlenstoffbindung und Emissionsreduzierung.

Winzige Mikroalgen können „Kohlenstoff“ in „Öl“ umwandeln

Die winzigen Mikroalgen können „Kohlenstoff“ in „Öl“ umwandeln, was mit den Bestandteilen der Mikroalgen zusammenhängt. „Die in Mikroalgen reichhaltigen Ester und Zucker sind gute Rohstoffe für die Herstellung flüssiger Kraftstoffe.“ Liao Qiang, Dekan der Fakultät für Energie- und Energietechnik der Universität Chongqing und Leiter des Schlüssellabors für Niedrigenergie-Nutzungstechnologie und -system des Bildungsministeriums, stellte vor, dass Mikroalgen mithilfe von Solarenergie Kohlendioxid in Triglyceride mit hoher Energiedichte umwandeln können. Aus diesen Ölmolekülen lässt sich nicht nur Biodiesel herstellen, sie sind auch wichtige Rohstoffe für die Extraktion von nährstoffreichen ungesättigten Fettsäuren wie EPA und DHA.

„Die photosynthetische Effizienz von Mikroalgen ist die höchste aller Organismen auf der Erde, 10- bis 50-mal höher als die von Landpflanzen.“ Liao Qiang sagte, dass Mikroalgen auf der Erde schätzungsweise jedes Jahr etwa 90 Milliarden Tonnen Kohlenstoff und 13,8 Billionen Kilojoule Energie durch Photosynthese fixieren. Die nutzbare Energie entspricht etwa dem 4- bis 5-fachen des weltweiten jährlichen Energieverbrauchs und die Ressourcenmenge ist riesig.

Es wird davon ausgegangen, dass mein Land jedes Jahr etwa 11 Milliarden Tonnen Kohlendioxid ausstößt, wovon mehr als die Hälfte Kohlendioxid aus den Rauchgasen der Kohleverbrennung ist. Der Einsatz von Mikroalgen zur photosynthetischen Kohlenstofffixierung in kohlebetriebenen Industriebetrieben kann den Kohlendioxidausstoß erheblich reduzieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Technologien zur Reduzierung der Rauchgasemissionen von Kohlekraftwerken bietet die Technologie zur Kohlenstofffixierung und Emissionsreduzierung durch Mikroalgen die Vorteile einer einfachen Prozessausrüstung, einer einfachen Bedienung und eines umweltfreundlichen Schutzes. Darüber hinaus bieten Mikroalgen den Vorteil großer Populationen, einfacher Kultivierung und der Fähigkeit, in Ozeanen, Seen, salzhaltigen und alkalischen Böden, Sümpfen und an anderen Orten zu wachsen.

Liao Qiang sagte, dass Mikroalgen aufgrund ihrer Fähigkeit, den Kohlendioxidausstoß zu verringern und saubere Energie zu produzieren, sowohl im In- als auch im Ausland große Aufmerksamkeit erfahren hätten.

Allerdings ist es nicht einfach, Mikroalgen, die in der Natur frei wachsen, zu „guten Mitarbeitern“ für die Kohlenstofffixierung in industriellen Produktionslinien zu machen. Wie züchtet man Algen künstlich? Welche Mikroalge kann Kohlenstoff besser fixieren? Wie kann die Kohlenstofffixierungseffizienz von Mikroalgen verbessert werden? Dies sind schwierige Probleme, die Wissenschaftler lösen müssen.

Machen Sie die Kohlenstoffbindung zu einem „Verlustgeschäft“

Im vergangenen Dezember wurde im Kraftwerk Haifeng der China Resources Group in der Sonderkooperationszone Shenzhen-Shantou der erste säulenförmige Mikroalgen-Photosynthesereaktor des Landes zur Reduzierung und Umwandlung von Kohlendioxid aus den Abgasen von Kohlekraftwerken fertiggestellt. Das Projekt beherrscht die hochmoderne Kerntechnologie der Nutzung von Mikroalgen zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen aus Rauchgasen in Kohlekraftwerken, überwindet technische Engpässe wie den großen Platzbedarf herkömmlicher Start- und Landebahnbecken und die geringe Effizienz bei der Kohlendioxidnutzung und realisiert einen groß angelegten, effizienten und kostengünstigen Prozess zur Kohlenstofffixierung durch Mikroalgen. Es wird berechnet, dass der Mikroalgen-Photosynthesereaktor vom Säulentyp im Vergleich zum herkömmlichen Mikroalgenreaktor mit Start- und Landebahnbecken den Mikroalgenertrag und die Kohlendioxidfixierung pro Mu um das Fünffache erhöht hat. Der Säulenreaktor verfügt über eine kompakte Struktur und hervorragende Lichtverhältnisse, wodurch der Platzbedarf der Mikroalgen-Kohlenstofffixierungsanlage erheblich reduziert wird.

„Dieses Projekt bietet einen wirtschaftlich machbaren technischen Weg für die groß angelegte Industrialisierung der Reduzierung der Kohlendioxid-Emissionen aus Rauchgasen in meinem Land.“ Als Verantwortlicher für das Projekt „Technologie zur Reduzierung von Kohlendioxid-Rauchgas-Mikroalgen-Emissionen“ des Nationalen Schlüssel-F&E-Programms „Saubere und effiziente Nutzung von Kohle und neue Energiespartechnologien“ hat Professor Cheng Jun von der Fakultät für Energie- und Energietechnik der Universität Chongqing einige Berechnungen durchgeführt. Die Kosten für die Abscheidung und Verflüssigung von 99 % Kohlendioxid aus dem Rauchgas eines Kohlechemiewerks betragen weniger als 100 Yuan/Tonne, und die Kosten für die Reinigung, Abscheidung und Komprimierung von 15 % Kohlendioxid aus dem Rauchgas eines Kohlekraftwerks betragen etwa 250 Yuan/Tonne. Wenn es nicht genutzt werden kann, kostet die Versiegelung Geld. Für Unternehmen ist dies ein Verlustgeschäft, doch durch die Kohlenstofffixierung durch Mikroalgen kann eine Kohlenstoffverwertung erreicht und ein wirtschaftlicher Mehrwert geschaffen werden. Derzeit kann auf dem Markt eine Tonne Algenpulver in Lebensmittelqualität für 40.000 Yuan verkauft werden, und der Preis für Algenpulver in Futtermittelqualität beträgt 10.000 bis 20.000 Yuan pro Tonne. Wenn mithilfe unserer Technologie neben einem Kohlechemieunternehmen eine Produktions- und Verarbeitungsanlage für Mikroalgen gebaut wird, können die mit Kohlendioxid angereicherten Mikroalgen zu wertvollem Algenpulver verarbeitet werden, das als Gesundheitsprodukt, Kosmetika und Tierfutter verwendet werden kann.

Im Industriepark Otog Banner in der Stadt Ordos in der Inneren Mongolei wurde das landesweit größte Demonstrationsprojekt zur Kohlendioxidfixierung durch Mikroalgen errichtet, das jährlich 10.000 Tonnen Kohlendioxid in Lebensmittelqualität (damit sind Kohlendioxidprodukte gemeint, die in der Lebensmittelindustrie verwendet werden) aus Rauchgasen fixieren kann. Der jährliche wirtschaftliche Produktionswert kohlenstofffixierender Mikroalgen beträgt mehr als 200 Millionen Yuan. Für die Spirulina im Ejin Banner wurde die Anerkennung als landwirtschaftliches Produkt mit nationaler geografischer Angabe beantragt. Derzeit werden die Ergebnisse der Kohlenstofffixierung dieser Mikroalgen in Shandong, Jiangsu, Guangxi, Hainan und anderen Orten industrialisiert und gefördert.

Die Produktion von Mikroalgenöl muss die technische Forschung noch beschleunigen

„Obwohl die Kohlenstofffixierung durch Mikroalgen industrialisiert wurde, ist es noch ein weiter Weg, bis Mikroalgen Öl produzieren können.“ Liao Qiang sagte, dass die wichtigsten Methoden zur Verwendung von Mikroalgen zur Herstellung von Biokraftstoffen der direkte Esteraustausch, die mikrobielle Fermentation, Pyrolyse, Vergasung, hydrothermale Verflüssigung usw. seien. Bei der Verwendung von Methoden wie Pyrolyse oder Vergasung sei es notwendig, die Algen vollständig zu trocknen, was viel Energie verbrauche. Bei der Esteraustauschmethode, bei der feuchte Algen direkt als Rohmaterial verwendet werden, ist zur Ölextraktion aufgrund der großen Wassermenge die Zugabe großer Mengen Methanol, Ethanol und anderer organischer Lösungsmittel erforderlich, was leicht zu einer sekundären Umweltverschmutzung führen kann. Außerdem ist eine anschließende Trennung und Verbesserung der Ölqualität erforderlich. Die Technologie und das System sind komplex, die Kosten sind hoch, die Sicherheit ist mangelhaft und eine Industrialisierung ist schwierig.

Die Forschung meines Landes zur Energiegewinnung aus Mikroalgenbiomasse wurde jedoch nie eingestellt. Mein Land verfügt derzeit über starke Forschungs- und Entwicklungskapazitäten in der Grundlagenforschung zur Energiegewinnung aus Mikroalgenbiomasse und hat in vielen Bereichen, von der hochdichten Kultivierung von Mikroalgen über Dehydration und Konzentration bis hin zur Energieumwandlungstechnologie, viel innovative Forschungsarbeit geleistet.

Auf der experimentellen Plattform für photosynthetische Kohlenstofffixierung durch Mikroalgen und Produktion von komplementärem Biokraftstoff auf Basis mehrerer Energieträger, die im Schlüssellabor für Niedrigenergienutzungstechnologie und -system des Bildungsministeriums an der Fakultät für Energie- und Stromtechnik der Universität Chongqing errichtet wurde, können Mikroalgen durch Photosynthese Kohlendioxid aus Abgasen sowie Stickstoff und Phosphor aus Abwasser in Biomasse umwandeln. Die Forscher zerstörten die Mikroalgenzellen und extrahierten organische Bestandteile wie Öle und Zucker aus den Zellen, die weiter zur Herstellung sauberer Kraftstoffe wie Bioöl und Biogas verwendet werden können.

Die Mikroalgenindustrie hat einige einzigartige Vorteile. Große Algen müssen im Meer gezüchtet werden, Mikroalgen können jedoch überall gezüchtet werden. Sie müssen lediglich Meerwasser in Glastanks oder Reaktoren füllen. Solange Sonnenlicht, Kohlendioxid, Stickstoff, Phosphor und Kalium vorhanden sind, kann es weiter wachsen. Nachdem die reifen Mikroalgen durch Zentrifugieren entfernt wurden, kann das Wasser recycelt werden. In der Wüste scheint viel Sonnenschein, was eine sehr gute Voraussetzung ist.

„Wenn wir 5 % der Meeresfläche meines Landes oder alle Wüsten, Halbwüsten und Salz- und Alkaligebiete meines Landes für den Anbau von Mikroalgen nutzen können, können wir theoretisch mehr als 7 Milliarden Tonnen Kohlendioxid binden, die durch die Kohleverbrennung in meinem Land freigesetzt werden, und 3,8 Milliarden Tonnen Biomasse produzieren.“ Liao Qiang sagte, dass Mikroalgen eine sehr vielversprechende Bioenergiequelle seien, aber Umfang und Kosten seien zwei große Probleme, die die Industrialisierung der Mikroalgenölproduktion einschränkten. Um Mikroalgen zu einer echten Bioenergiequelle zu machen, ist es einerseits notwendig, die Investitionen in Forschung und Entwicklung zu erhöhen, um Durchbrüche bei Schlüsseltechnologien für die Biokraftstoffproduktion zu erzielen. Andererseits müssen wir die Entwicklung der Mikroalgenenergie und der Technologie zu ihrer Ressourcennutzung als langfristiges Unterfangen betrachten. Wir müssen der Spitzengrundlagenforschung große Bedeutung beimessen und uns auf Durchbrüche bei den wichtigsten technischen Engpässen konzentrieren. Wir müssen die hochwertigen Inhaltsstoffe der Mikroalgen, wie etwa DHA, EPA und Lutein, voll ausnutzen, d. h. zunächst die hochwertigen Inhaltsstoffe extrahieren und sie bei der Herstellung von Gesundheitsprodukten, Kosmetika und Futtermitteln verwenden und sie dann als Energie nutzen, um den Wert der Produkte zu steigern.