Algen: Der ultimative Biotreibstoff? [DE]

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Da traditionelle Biotreibstoffe unter Beschuss stehen die  Nahrungsmittelpreise in die Höhe zu treiben und verheerende Verwüstungen anzurichten, verstärken Industrielle nun  die Forschung in Algen als nachhaltige Alternative – aber viele Hindernisse bleiben noch bestehen,  bevor Öl aus Algen  seinen Weg in unsere Autos und Flugzeuge finden wird.

Im Dezember 2008 hat die EU als Teil ihrer Verhandlungen über ihr Energie- und Klimapaket ein Abkommen unterzeichnet, zehn Prozent ihres Treibstoffbedarfs aus erneuerbaren Quellen zu beziehen, darunter Biokraftstoffe, Wasserstoff und CO2-neutraler Strom (EURACTIV vom 5. Dezember 2008). 

"Das verbindliche Ziel von 10 %, das alle Mitgliedstaaten erreichen sollen, sollte daher als der Anteil des Endenergieverbrauchs im Verkehrssektor definiert werden, der insgesamt aus erneuerbaren Quellen zu decken ist und nicht allein aus Biokraftstoffen", so der endgültige Text der Richtlinie über erneuerbare Energien.  

Die Richtlinie über erneuerbare Energien verpflichtet die Union sicherzustellen, dass Biokraftstoffe im Vergleich zu fossilen Brennstoffen mindestens 35 Prozent CO2-Einsparungen bieten. Die Zahl steigt im Jahr 2017 auf 50 und im Jahr 2018 auf 60 Prozent.  

Die Bedingung ist mit wachsenden Sorgen über die Nachhaltigkeit der so genannten Biokraftstoffe der ersten Generation verbunden die zurzeit auf dem Markt sind, wie Biodiesel und Bioethanol, die aus landwirtschaftlichen Pflanzen wie Mais, Zuckerrüben, Palmöl und Raps gewonnen werden.  

Die Richtlinie schreibt auch vor, dass die EU Schritte unternehmen sollte, die Entwicklung von Biokraftstoffen der zweiten und dritten Generation in der Gemeinschaft und weltweit zu fördern und die landwirtschaftliche Forschung und Wissensproduktion in diesen Bereichen zu stärken. 

Zweite Generation der Biokraftstoffe steht Herausforderungen gegenüber

Da Ethanol und Diesel für die Erhöhung der Nahrungsmittelpreise und ihre Gefährdung der Artenvielfalt unter Beschuss stehen, hat die EU sich zu Biokraftstoffen der 'zweiten Generation' als sauberere Alternative verpflichtet. 

Biokraftstoffe der zweiten Generation werden aus ligno-zellulärer Biomasse – dem holzartigen Teil von Pflanzen – gewonnen, die nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion steht. Die Quellen dafür sind Reste der Ernten oder der Holzbearbeitung, so wie Blätter, Baumrinden, Stroh oder Holzspäne und die nicht essbaren Teile von Mais und Weizen. 

Jedoch ist die Umwandlung der holzartigen Biomasse in flüssige Zuckerarten teuer und erfordert kostspielige Verfahren bei denen Vorbehandlungen und Fermentierung mit speziellen Enzymen eingesetzt werden, was bedeutet, dass die Biotreibstoffe der zweiten Generation bisher noch nicht im Großen Stil wirtschaftlich produziert werden können.   

Es ist unwahrscheinlich, dass die Biokraftstoffe der zweiten Generation bis 2020 wettbewerbsfähig sein werden, sagte die Gemeinsame Forschungsstelle der Europäischen Kommission in einer Studie von 2008. Und wenn sie dies tun sollten, dann werden sie zum größten Teil ohnehin importierte Biomasse verwenden, fügte die GFS hinzu, da die jüngsten Studien darauf hinweisen, dass nicht genug Holz zur Verfügung stehen wird, um den Energiebedarf zu decken und die europäische Holzindustrie trotzdem weiterhin mit Rohstoffen zu versorgen.

Algen: Hohe Erträge, kein Wettbewerb um Land

Um diese Probleme zu bewältigen wenden sich einige neue Unternehmen an so genannte Biokraftstoffe der dritten Generation.
Das US-Ministerium für Energie definiert Pflanzen wie ganzjährige Gräserarten, schnell wachsende Bäume und Algen als solche die "ausschließlich für die Treibstoffproduktion vorgesehen" sind. Diese werden normalerweise nicht zur Lebensmittelproduktion angebaut und haben besonders hohe Anteile an Biomasse, so das Ministerium.  

Führend unter ihnen sind Algen. Sie werden als die effizientesten Organismen der Welt betrachtet, weil sie ein rasches Wachstum (einige von ihnen können ihre Größe an einem Tag verdoppeln) und einen hohen Gehalt an Ölen aufweisen.

Forschung über Algen zur Massenproduktion von Öl konzentriert sich hauptsächlich auf Mikroalgen oder Phytoplankton – Organismen die in der Lage sind Photosynthese durchzuführen und kleiner als 0,4 Millimeter im Durchmesser sind.

"Algen können mehr Biomasse und mehr Biotreibstoffmoleküle viel effizienter produzieren als jede Landpflanze", sagt Greg Mitchell von der Universität Kalifornien, San Díego (UCSD). Zum Beispiel können Algen 100 Mal mehr Pflanzenöl als Sojabohnen und 10 Mal mehr als Ölpalmen", erklärte er gegenüber dem WIPO-Magazin, einer Zeitschrift der World Intellectual Property Organisation.

Dem US-Ölgiganten ExxonMobil zufolge, der kürzlich ein 600 Millionen US-Dollar teures Forschungs- und Entwicklungsprojekt über das Thema startete, könnten Algen ca. 20000 Liter Kraftstoff pro Hektar im jeweiligen Produktionsjahr liefern. Die ungefähren Erträge anderer Kraftstoffquellen sind weitaus niedriger stellte der Konzern fest. 

  • Palmen: ca. 6000 Liter pro Hektar
  • Zuckerrohr: 4500 Liter pro Hektar
  • Mais: 2500 Liter pro Hektar pro Jahr 
  • Soja: 500 Liter pro Hektar pro Jahr 

Als Konsequenz brauchen Algen viel weniger Land um zu wachsen als konventionelle Biokraftstoffe, was das Potential für Konflikt mit der Nahrungsmittelproduktion abschwächen würde, die mit der verstärkten Kultivierung von Energiepflanzen einhergeht.  

Kein Bedarf an Süßwasser

Algen haben viele weitere Vorteile. Neben höheren Ernteerträgen sind sie in der Lage auf Meer- oder Abwasser zu wachsen, was das Anzapfen knapper Süßwasserressourcen zur Bewässerung vermeidbar machen würde.  

Algen wachsen am besten in Salzwasser, das nahezu unbegrenzt zur Verfügung steht sagte Raffaelo Garofalo, Exekutivdirektor bei der European Algae Biomass Association (EABA). Die Mikroorganismen scheinen verschmutztes Meerwasser besonders zu mögen, das ihnen dabei hilft exponentielle Wachstumsraten zu erzielen.
“In allen verschmutzen Meeresgewässern gibt es das Phänomen, welches natürlicherweise Eutrophierung genannt wird, was bedeutet, dass ein übermäßiges Wachstum von Algen stattfindet“, sagt Garofalo. „Genau weil Verschmutzung übermäßige Nährstoffe für Algen mit sich bringt, wachsen sie exponentiell.“

Die Idee sagt er, sei den Algen das verschmutzte Wasser mit durchsichtigen Plastikröhren anzufüttern, indem man verwendet was Industriespezialisten einen Bio-Reaktor nennen. Die Algen absorbieren die Verschmutzung als Nährstoff, und das Wasser kann dem Meer sauberer zurückgegeben werden als es war bevor es hereinkam, erklärt er. In der Zwischenzeit wachsen die Algen zu Biomasse heran, welche für Biokraftstoffe verwendet werden kann.

Als Ergebnis können die Algen auf do genannten Grenzertragsflächen wachsen, so wie Wüstengebieten wo das Grundwasser salzhaltig ist. Daneben können sie sich auch von Nährstoffen aus Abwasser ernähren, unter anderem von verschmutztem Wasser das von der Öl- und Gasindustrie produziert wird. 

CO2-Recycling

Außerdem haben Mikroalgen gezeigt, dass sie schneller wachsen wenn sie mit CO2 "gefüttert" werden, dem hauptsächlichen Verursacher der globalen Erwärmung. Wenn es in einen Photobioreaktor injiziert wird, hilft das CO2 der Pflanze schneller zu wachsen  und bietet gleichzeitig einen Weg das CO2 zu recyceln. 

Wenn die Algen neben Fabriken oder Kraftwerken angebaut werden, könnte dies sogar für die Industrie Perspektiven bereitstellen ihre Emissionen zu reduzieren. 
"Man könnte zum Beispiel Algen neben einem Zementwerk oder einem thermo-elektrischen Werk ansiedeln und das CO2 das aus der Kraftwerk austritt, in den Bioreaktor leiten", erklärt Garofalo. "Dies bedeutet, dass das CO2, anstatt dass es aus dem Schornstein kommt, in den Bioreaktor geht um Algen zu produzieren, die ein zweites Mal als Kraftstoff verbrannt werden und erst dann in die Atmosphäre gehen. So kann das gleiche CO2 zwei Mal wieder verwendet werden."

In Arizona hat GreenFuel – ein privates Unternehmen - eine große Bandbreite an Algen-Kraftstoffanlagen entwickelt, welche die CO2-Emissionen von einem nahe liegenden Kraftwerk, der Arizona Public Service Redhawk Power Facility verwendet. Die Anlage, welche 2005 eröffnet wurde, gewann 2006 den Preis 'Platts Emissions Energy Project' des Jahres.

Kosten sind die größte Herausforderung

Dennoch bleiben eine Reihe von Herausforderungen bestehen, bevor die Algen etablierte kommerzielle Anwendung finden können. Vor allem Unsicherheiten über die Kosten, stellen bislang das größte Hindernis dar.

Verschiedene Algenarten kosten typischerweise zwischen fünf bis zehn US-Dollar pro Kg Trockenmasse, so Berichte der US-Regierung und weitere Forschung versucht Wege zu finden, die Anlage- und Betriebskosten zu senken, um die Herstellung von Algenöl rentabel zu machen. 
Bernard Raemy, Vizepräsident der Carbon Capture Corporation (CCC), einer US-amerikanischen Firma die behauptet führend in der aufstrebenden Algen-Biokraftstoff-Wirtschaft zu sein, erkennt an, dass Algen einigen Herausforderungen gegenüber stehen. Im Gespräch mit dem WIPO Magazin sagte Raemy, diese umfassen die Ernte, Entwässerung, Trocknung, Fettextraktion und Umwandlung der Algen, Koordinierte Forschungsvorhaben werden benötigt um die Forschung aus dem Labor heraus zu holen und auf den Markt zu bringen.

Herausforderung der Forschung: Kosten senken

In den USA haben seit den 1950er Jahren mehrere F&E Vorhaben stattgefunden. Das größte war das Aquatic Species Programme, das im Jahr 1978 vom US-Ministerium für Energie gestartet wurde. Das Programm ist auf das Finden der besten Zellstämme spezialisiert, die den höchsten Fettgehalt hervorbringen und gleichzeitig Temperaturfluktuationen standhalten sollen, besonders wenn sie in Außenbecken kultiviert werden.

Über 3000 Stämme Mikroalgen wurden gesammelt und untersucht, deren Zahl sich im Laufe der Zeit auf 300 reduzierte. Jedoch wurde kein einzelner Stamm gefunden der in allen Arten von Wasser- und Temperaturbedingungen perfekt wächst und das Programm wurde 1996 eingestellt, als die amerikanischen Benzinpreise auf 26 Dollar pro Liter sanken. 

Einer Revision des US-amerikanischen Labors für erneuerbare Energie (NREL) steht die Kultivierung von Algen im Freien verschiedenen Herausforderungen gegenüber, darunter:

  • Temperaturschwankungen die die Produktivität und das Wachstum beeinflussen können;
  • Die Invasion von heimischen Mikroalgenspezies die den kultivierten Stamm zerstören können;
  • Wasserverlust aufgrund von Verdunstung;
  • Niedrigere Fettgehälter von Algen die in Teichen kultiviert werden.   

In Photobioreaktoren kultivierte Algen werfen andere Probleme auf:

  • Das Finden der richtigen Art von Plastik oder Glas für die transparente Rohre, um Akkumulierung und Verdunkelung durch die Algen zu vermeiden; 
  • Die Kosten Wasser über Pipelines zu transportieren wenn die Algen in Wüstengebieten angebaut werden;
  • Hohe Betriebskosten der Anlagen.  

Es bleibt daher immer noch eine offene Frage ob Algen am besten in Photobioreaktoren oder in offenen Teichen angebaut werden sollen. Denn die wirtschaftlichen Aspekte sind ein großer Teil des Problems, da eine weit verbreite Massenproduktion der Algen für Biokraftstoffe von den Kosten der Ausstattung und der Strukturen die für die Produktion in Großem Stil notwendig sind beeinträchtigt werden kann. 

 „Für die meisten Anwendungen mit Algen befinden wir uns noch in der Grundlagenforschung“, sagt Garofalo. „Es werden noch Forschungen unternommen, um die Algenarten oder -familien zu identifizieren, welche am besten geeignet sind, um Biokraftstoffe zu produzieren. Es wird noch erforscht, welche die beste Bio-Reaktorform ist oder ob Kunststoff am besten dafür geeignet ist."

Ernte und Ölextraktion

Dann kommt die Frage auf, wie man die Pflanzen erntet. „Weil Algen Mikroorganismen von einer Größe zehn Mal kleiner als ein Haar sind, kann man sie zum Beispiel nicht mit einem Netz ernten“, sagt Garofalo.

Erntemöglichkeiten umfassen Zentrifugation oder chemische Ausflockung, wodurch alle Mikroalgen zusammengepresst werden, aber auch hier werden hohe Kosten mit solchen Prozessen verbunden sein.

Bei allen Algenspezies scheinen die Ernte und die Extraktion davon die entscheidensten Schritte in der Produktion algenbasierter Biokraftstoffe zu sein, so eine Studie die unter FP7, dem Forschungsprogramm der Europäischen Kommission durchgeführt wurde. 

Das Projekt, das sich Aquafuels nennt soll Forscher und die Wirtschaft zusammenbringen, um die europäische Algenforschung in Zukunft reibungsloser ablaufen zu lassen. 

Da die Ölpreise jedoch wieder steigen, wird die Forschung mit erneutem Enthusiasmus aufgenommen. Der amerikanische Biokraftstoff-Aktionsplan, der im Oktober 2008 veröffentlicht wurde scheint auf Gentechnik zu bauen: "Die dritte Generation der Rohmaterialien sollte entwickelt werden, Dürre und Belastungen standzuhalten, den Dünger- und Wasserverbrauch effizienter zu machen und eine effiziente Umwandlung zu garantieren", so der Plan. 

Zukünftige Rentabilität von Algen geht  über Biosprit hinaus 

Laut der European Algae Biomass Association (EABA), liegt der Schlüssel zur zukünftigen kommerziellen Rentabilität darin zu verstehen, dass der Nutzen von Algen weit über die pure Verwendung als Biosprit hinausgeht. 

"Es wird niemals möglich sein Biodiesel oder Bioehtanol aus Algen-Biomasse wirtschaftlich zu produzieren, wenn wir nicht an die Nebenprodukte denken. Zum Beispiel wenn man Biodiesel produziert, besteht die Alge zu 25 bis 30% aus Flüssigkeit oder Öl. Aber was machen Sie mit den restlichen 70%? Wir nennen das Nebenprodukt, aber tatsächlich ist es dasselbe Produkt hinsichtlich des Gewichts".

Abgesehen von Biokraftstoffen und Düsenkraftstoffen sagt die AEBA, dass andere Anwendungsbereiche Nährstoffe, Pharma-, Tierfutter- oder Bioprodukte umfassen. In allen diesen Sektoren haben Algen und Wasserpflanzen ein außergewöhnliches Potential eine richtige Revolution in Richtung einer vollständig nachhaltigen Wirtschaft zu erreichen, glaubt die Vereinigung.

Da die hohen Ölpreise die Motivation zum Finden von Alternativen antreiben, zeigen die Ölmultis verstärktes Interesse an Algentreibstoffen. 

Der amerikanische Ölkonzern ExxonMobil startete in Zusammenarbeit mit Synthetic Genomics kürzlich ein 600 Millionen schweres Forschungsprogramm, um Biokraftstoffe aus photosynthetischen Algen zu testen, zu entwickeln und zu produzieren. 

"Obwohl noch erhebliche Arbeit und Jahre der Forschung und Entwicklung bevorstehen, könnten algenbasierte Treibstoffe helfen, die wachsende Nachfrage nach Verkehrskraftstoffen stillen, aber trotzdem Treibhausgasemissionen reduzieren", sagte Michael Dolan, Senior Vizepräsident von ExxonMobil. 

Dolan sagte, dass die Forschung sich zunächst auf verschiedene Algenstämme konzentrieren werde, um ihr jeweiliges Treibstoff-Potential herauszufinden. Die zweite Phase werde versuchen die beste Methode zur Algenproduktion im großen Stil herauszufinden: Offene oder geschlossene Teiche, oder Photobioreaktoren. Die letzte Phase wird die Entwicklung kleiner bis mittelgroßer Pflanzen bedeuten, mit einer Aussicht auf ein kommerzielles Modell, von dem Dolan sagte, dass es fünf bis zehn Jahr entfernt sein könnte. 

Im Erfolgsfall könnten Bioöle von photosyntetischen Algen dafür verwendet werden eine  ganze Reihe Kraftstoffe herzustellen, darunter Benzin, Diesel und Kerosin, die den gleichen Vorraussetzungen entsprechen wie die derzeitigen Kraftstoffe. 

Im Dezember 2007, baute der britisch-niederländische Ölgigant Shell ein Forschungszentrum in Hawaii, um die Rentabilität ausgewählter Algenstämme zu untersuchen.

Die Anlage wird nur unveränderte, marine Spezies von Mikroalgen in offenen Teichen anbauen und geschützte Technologie verwenden. Shell sagte, dass Algen ihre Masse mehrere Male am Tag verdoppeln könnten und mindestens 15 Mal mehr Öl pro Hektar produzieren als Alternativen wie Raps, Palmen, Soja oder Jatropha. Einige Algenspezies wachsen so schnell, dass sie ihre Größe vier bis fünf Mal am Tag verdoppeln, sagten die Firma und hob das Potential für die großspurige kommerzielle Produktion hervor.  

"Algen haben ein großartiges Potential als nachhaltige Rohmaterialien zur Herstellung von dieselähnlichen Treibstoffen und haben einen sehr kleinen CO2-Fußabdruck", sagte Graeme Sweeney, Vizepräsident der Abteilung Kraftstoffe der Zukunft und CO2 bei Shell. "Diese Demonstration wird ein wichtiger Test der Technologie sein und besonders der Wirtschaftlichkeit". 

UOP, ein Tochterunternehmen von Honeywell  und Boeing, hat sich mit führenden Fluggesellschaften zusammengeschlossen und die Algal Biomass Organisation (ABO) gegründet, ein Branchenverband der zum Ziel hat, Algenkraftstoffe zur Nutzung in Flugzeugen zu testen und zu entwickeln. Air New Zealand, Continental, Virgin Atlantic und Boeing werden über die neue Organisation zusammenarbeiten, um langfristige Investitionen und Innovation in Algen als Energieart durchzusetzen. 

Bis Mai 2009 habe die Organisation vier erfolgreiche Testflüge mit verschiedenen Mischungen von Biotreibstoffen durchgeführt, unter anderem Algen, Camelina und Jatropha, sagte Bill Glover Direktor der Umweltstrategie bei Boeing. Der internationale Ausschuss der Kraftstoffe und Chemikalien überprüft, könnte die pflanzenbasierten Biokraftstoffe innerhalb eines Jahres zertifizieren sagte Glover und meinten sie könnten sofort als  einfacher Ersatz verwendet werden. 

"Es gibt in verschiedenen Sektoren erhebliches Interesse am Potential von Algen als Energiequelle und nirgendwo ist das evidenter als in der Luftfahrt", sagte Glover. "Luftverkehr leistet einen entscheidenden Beitrag zum globalen Wirtschaftswachstum, wird aber durch die Rekordsteigerungen der Spritpreise bedroht. Zusammen erkennen wir, dass Algen das potential haben, diese Kosten zu senken und gleichzeitig zur verbesserten Umweltbilanz des Luftfahrtsektors beitragen.    

In einer Stellungnahme sagte die Algal Biomass Organisation (ABO), dass Algensprit jährlich bis zu ungefähr 20000 bis 50000 Liter pro Hektar landwirtschaftlich nicht nutzbarem Boden liefern können und ein zentraler Teil der Gesamtstrategie zur Reduzierung der Abhängigkeit vom Erdöl sein können, ohne mit Nahrungspflanzen zu konkurrieren.  

Raffaelo Garofalo,  Exekutivdirektor  der European Algae Biomass Association (EABA) sagt, es gebe viele potentielle Vorteile von der Verwendung von Algen in der Biospritproduktion, besonders da sie nicht mit dem Land konkurrieren müssten, das für Lebensmittel genutzt wird. 

Jedoch warnt Garofalo vor übereifrigem Enthusiasmus, da weiterhin viele Herausforderungen besten bleiben. Außerdem weigert sich Garofalo Prognosen zu stellen, wann die Technologie tatsächlich rentabel werden könnte. "Es wäre nicht verantwortungsvoll Ihnen Daten zu nennen. Was wir vermeiden wollen ist eine Art Internet-Blase wo Menschen über Mengen und Preise der Mikro-Algen in der Zukunft spekulieren.

"Es gibt eine Menge an Investitionen in die Forschung, und diese Forschung wird von der Überzeugung angetrieben, dass die Verbesserung der Erträge zu erreichen sind. Es ist eine Frage der Zeit."

  • Dezember 2008: EU Staats- und Regierungschefs einigen sich auf revidierte Richtlinie über erneuerbare Energien, darunter ein 10 Prozent Ziel von "Grünen Treibstoffen" bis 2020 (EURACTIV vom 5. Dezember 2008).
  • 5. Dezember 2010: Frist für alle EU-Länder die Richtlinie zu erneuerbaren Energien zu erfüllen. 
  • 2012: EU Länder sollen ersten Bericht über nationale Maßnahmen einreichen, die zur Respektierung der Nachhaltigkeitskriterien unternommen wurden. 
  • Bis Dezember 2014: Kommission soll die Richtlinie über Treibhausgasemissionen revidieren und verfügbare Technologien mit einbeziehen. 
  • 2017: Treibhausgaseinsparungen von Biokraftstoffen sollen Minimum von 50 Prozent erreichen.  
  • 2018: Treibhausgaseinsparungen von Biosprit sollen Minimum von 60 Prozent erreichen. 
  • 2018: Kommission soll Energieplan für den Zeitraum nach 2020 präsentieren. 
  • 2020: Gebot für Transportsektor 10 Prozent seiner Energie aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen, unter anderem aus Biosprit. 

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