Forschung an Algen als Energiepflanzen

Neue Einsatzfelder werden vor allem in der Treibstoffproduktion von Biodiesel, Biogas und Biowasserstoff gesehen. Denn Algen schlagen alle Landpflanzen mit einer 15-80 mal höheren Produktivität, so der Fachbereich Phototrophe Biotechnologie der FH Lausitz in Brandenburg, der zusammen mit dem IGV Institut für Getreideverarbeitung GmbH und internationaler Kooperationen nicht nur in Deutschland ein Zentrum dieses Biotechnologiezweiges darstellt.

Mikroalgen unter dem MikroskopQuelle: Paul Roessler, DOE/NREL
Mikroalgen wie Grünalgen oder Cyanobakterien (Blaualge) gelten als Energiepflanzen der Zukunft. Quelle: Paul Roessler, DOE/NREL

Algen enthalten im Vergleich zu anderen traditionellen Ölsaaten wie z.B. Raps, Sonnenblumenkerne oder Sojabohnen bis zu zehnfach höhere Fettanteile und können je nach Bedingungen bis zu 70% ihres Eigengewichts an Öl produzieren, das zu biologischem Rohöl weiterverarbeitet zu fast jedem erdenklichen Treibstoff raffiniert werden könnte.

Nach einer Hochrechnung von Herwig Brunner vom FHI für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik eröffnen Algen im Vergleich zu Raps eine mindestens fünf- bis siebenfach höhere Ölausbeute pro Jahr. Nach Angaben des Forschungsverbunds Greenhouse Gas Mitigation Project unter Leitung der Jacobs-Universität Bremen, wird erwartet, mit geschlossenen Algen-Bioreaktoren bis zu 12.000 Tonnen/km² an Biokraftstoff pro Jahr  herstellen zu können. Damit würden mit 230.000 Hektar nur 2% der Gesamtackerfläche in Deutschland benötigt, um den jährlichen Dieselbedarf Deutschlands zu decken. Der Rapsanbau würde für das gleiche Ziel 22 Millionen Ackerfläche benötigen, was gut ein Drittel mehr Ackerfläche bedeutet, als in Deutschland an Gesamtackerfläche überhaupt zur Verfügung steht. Unter optimierten Bedingungen sollen damit Ertragssteigerungen um das 15-75 fache an Algen-Biodiesel im Vergleich zu Raps möglich sein.

Daneben entsteht bei Rapsdiesel Glycerin als Abfallprodukt und die pflanzliche Biomasse enthält noch bis zu 80% schwer aufschließbare Lignozellulose-haltige Reststoffe. Algen sind hingegen Lignin-frei und enthalten kein Glycerin. Algenstämme, die mehr Kohlenhydrate als Öl bzw. kohlenhydratreiche Algenabfälle produzieren, lassen sich analog zu zucker- oder stärkehaltigen Pflanzen zu Ethanol fermentieren.

Erträge ausgewählter Kulturpflanzen

*aktueller Biomasse-Ertrag aus verschiedenen Feldstudien mit gegenwärtig verwendeten Algen aus dem NREL ASP-Programm 

**erwarteter Ertragswert mit einem angenommenen Ölgehalt von 60%  

Quelle: NREL, Global Petroleum Club

Algen sind außerdem äußerst genügsam und besitzen eine gute Kultivierbarkeit, insbesondere an Orten, die für Industrien nicht nutzbar sind. Gerade an Küstenregionen oder Salzwasserquellen, die keine Trinkwasserqualität besitzen, treten Algen im Vergleich zu anderen Energiepflanzen nicht in Konkurrenz zur Nutzung der landwirtschaftlichen Nutzfläche für Lebens- oder Futtermittel. Die nahrhaften Algenreste können sogar als Futtermittel verwendet werden. Algen sind zudem das ganze Jahr über kultivierbar, vorausgesetzt, sie erhalten genügend Sonnenlicht. Darüber hinaus benötigen die phototrophen Organismen keine Düngemittel und ihre Herstellung verbraucht keine fossilen Energieträger für Landbearbeitung und Transport. Stattdessen können sie zum CO₂-Abbau aus der Atmosphäre oder aus Abgasen der Industrie durch CO₂-Emissions-Kopplung mit Kraftwerken verwendet werden. Denn durch die stärker werdende gesetzliche Limitierung des CO₂-Ausstoßes werden die ungeheuren CO₂-Bindungsfähigkeiten der Algen für die Entwicklung einer nachhaltigen Umwelttechnologie zur Senkung des Treibhausgases CO₂ immer gefragter.

Algen galten als Kraftstoffquelle bislang als zu teuer

Die Nutzung von Algen als Rohstoff ist nicht neu. Bereits 1978 rief in Amerika das Energieministerium (Department of Energy, DOE) mit der Gründung des Aquatic Species Program (ASP) eine Förderstrategie ins Leben, die speziell Algen als erneuerbare Energiequelle zur Biodiesel-Produktion untersuchen sollte. Von insgesamt 300 gesammelten Mikroalgen wurden schließlich zwei Stämme (Ankistrodesmus sp. und Boekelovia sp.) ausgewählt und hinsichtlich Wachstumsbedingungen und Lipidgehalt näher untersucht. Nach 20 Jahren Forschung fasste das National Renewable Energy Laboratory (NREL) 1998 die Ergebnisse dieser Untersuchungen in einer Studie zusammen (siehe Download) und stellte zunächst fest, dass die Nutzung von Algen aufgrund unschlagbar billiger Rohölpreise und aufwendiger Verfahren zur Kultivierung und Ölextraktion aus der Algenmasse nicht rentabel sei. Zuviel direktes Sonnenlicht tötet Algen, Überwachsung und zuviel Sauerstoff hemmt ihr Wachstum, eingeblasenes CO₂ als Nährstoffquelle kann die empfindlichen Zellen zerreißen. Die Kultivierung in offenen Tanks ist ungeschützt gegenüber Regenfällen oder zu starken Verdunstungen, was zu Verschiebungen der pH-Konzentrationen oder zu einem Überwachsen durch anderer lokale Algenarten führte. Ein weiteres Problem liegt in der technischen Umsetzung der Energiegewinnung im industriellen Maßstab  - beispielsweise bei der Entwicklung geeigneter Trennungsverfahren.

Mittlerweile glauben die Wissenschaftler vom NREL allerdings, dass aufgrund der neuer technologischer Entwicklungen und der veränderten Klimapolitik das Projekt erneut gestartet werden könnte. Fortschritte in der Biotechnologie sollen nun dabei helfen, Algen als Ersatzstoff für Treibstoffe zu verwirklichen. Möglichkeiten zur Kultivierung von Algen in großen Algenfarmen, wie sie in Asien bereits üblich sind, stoßen daher auch in Deutschland auf zunehmendes Interesse.