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Ein faseroptisch beleuchteter Photobioreaktor für die Reduktion von CO 2 aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke C.Schneider, Universität Duisburg-Essen.

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Präsentation zum Thema: "Ein faseroptisch beleuchteter Photobioreaktor für die Reduktion von CO 2 aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke C.Schneider, Universität Duisburg-Essen."—  Präsentation transkript:

1 Ein faseroptisch beleuchteter Photobioreaktor für die Reduktion von CO 2 aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke C.Schneider, Universität Duisburg-Essen

2 2 Das ist die Lage: Alle vorhandenen fossilen Brennstoffe stammen aus Photosynthese: => aus vorhandener O 2 -Menge folgt: 4x t C auf der Erde vorhanden Photosynthese ist wichtigste CO 2 –Senke (nach Würfel:Physik der Solarzellen,SpektrumAkad. Verlag, Heidelberg, 1995)

3 3 Die Photosynthese verwandelt Lichtenergie in chemisch gebundene Energie 6CO 2 + 6H 2 OC 6 H 12 O 6 + 6O 2 Dunkelreaktion Lichtreaktion h·ν

4 4 Was ist ein Photobioreaktor? Ein Bioreaktor ist ein Behälter, in dem Mikroorganismen in einem Nährmedium kultiviert werden, um entweder die Zellen selbst, Teile von ihnen oder eines ihrer Stoffwechselprodukte zu gewinnen. (z.B.: Braukessel, Kläranlagen) Ein Photobioreaktor ist ein Bioreaktor für Zellen, die zusätzlich Licht benötigen.

5 5 Was produziert ein Photobioreaktor? Sauerstoff Biomasse Wasserstoff (bestimmte Organismen : Purpurbakterien, Grünalgen, Cyanobakterien)

6 6 Grünalgen(Chlamydomonas) Purpurbakterien (Enterobacter cloacae) C 6 H 12 O 6 CO 2 O2O2 H2OH2O H2H2 H2OH2O h·ν CO 2 O2O2 Wasserstoffproduktion in einem Verbundreaktor (nach Rechenberg)

7 7 Photobioreaktor CO 2 Licht H2H2 Energie Brennstoff- zelle CO 2 - produzierendes Gewerbe Algen Biomasse Abwasseraufbereitung Landwirtschaft (Düngung, Futter) Mikrobiologie Nahrungsmittel (Farbe,Vitamine, Kohlenhydrate) O2O2

8 8 I0I0 I = I 0 - dI dxl Lambert-Beer'sches-Gesetz k = Absorbtionskoeffizient Z = Eindringtiefe In realen Suspensionen: Z wenige mm! Das Problem.

9 9 Tubuläre Photobioreaktoren Links: 20 L Rechts: 2 L, Ø 80 mm Flachbett-Photobioreaktor 8 L, Ø 40 mm Quelle : N. Waschewski, Ruhr-Universität Bochum 2D-Photobioreaktoren - schlecht vergrößerbar

10 10 Realisierung nach Bayless, Univ. of Ohio Lichtwellenleiter bringen das Licht in das Volumen !

11 11 3D-Photobioreaktoren -vergrößerbar

12 12 Die Sonne liefert das Licht für die Photosynthese !

13 13 Die Lichtsammlung Parabolspiegel fokussiert das Sonnenlicht direkte Einspeisung in Lichtwellenleiter LWL leiten Sonnenlicht in Bioreaktor Realisierung nach Bayless, Univ. of Ohio

14 14 Gesamtkonzept Photobioreaktor H 2, O 2 CO 2

15 15 Abschätzungen Es entstehen ca. 500 kg Biomasse/ t CO 2 In Deutschland stehen 1050kWh/a (Deutscher Wetterdienst) Damit benötigt man ca. 50m 2 Kollektorfläche für die Umwandlung von 1 Tonne CO 2 in Biomasse pro Jahr! Haushalt mit kWh Gasheizung/a produziert ca. 4.8 t CO 2 /a m 2 Kollektorfläche erforderlich ( für Deutschland ) ( n. A.Wagner, topmanagerteam.com )

16 16 Vergleich mit Wald Baum : 200 t CO 2 / ha. 100a } 100 Jahre! (aus www. CO 2 Management.de, 2007) Photobioreaktor: pro ha: 200 t CO 2 /Jahr!

17 17 Vielen Dank ! CO 2 H2H2

18 18 Zentrale oder dezentrale Anlagen? Optische Fasern sind (noch) nicht gut genug für Langstrecken bei hoher Leistung Grossanlage erfordert ca. 50km 2 ! Growianeffekt?! => Optimierungsaufgabe ( Fasern, Kollektoren, Algen als Rohstoffe)

19 19 Anforderungen an den Photobioreaktor Organismen Belichtung Nährstoffzufuhr Prozessüberwachung (pH-Wert, Sauerstoffkonzentration, Temperatur) Entgasung

20 20 Wir sollten was tun, auch um eine wirtschaftliche Chance zu nutzen! Bayless bezeichnet inzwischen seine Biomasse als green petroleum Wir sollten klein anfangen und stetig wachsen (50 m2/t CO2) Wirtschaftliche Anreize: - Emissionszertifikate? - Biomasse vermarktbar?

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22 22 Wasserstoff wird sauber produziert. Bisher : Reformierung für 2H 2 - Moleküle entsteht ein CO 2 - Molekül Elektrolyse – Strom – CO 2 Der Vorteil.

23 23 Erste Realisierung eines faseroptischen Bioreaktors (n.Gerbsch, 1997) Seitab- strahlende Fasern Simulation des Lichtfeldes Skalierbar!

24 24 Numerische Apertur ist Maß für den maximalen Winkel, unter dem ein Strahl auf die LWL-Frontfläche auffallen kann, um einen geführten Modus anzuregen. Einkopplung in Einzelfaser Numerische Apertur Einfallender Lichtkegel Mantel n 2 Kern n 1 n0n0 αGαG

25 25 Gaseintrag:Blasen im µm Bereich in ca. 6 m Wassertiefe Klärwerk: Sauerstoff in 6m Wassertiefe Blasen im µm Bereich Gaszufuhr unter Druck

26 26 CO 2 -Kreislauf

27 27 Zusammensetzung der Blattfarbstoffe: Carotinoide, Chlorophyll a und b. Engelmann'scher Bakterienversuch Photosyntheserate ist prop. zur Menge des freigesetzten Sauerstoffs durch Algen => je mehr Sauerstoff desto mehr Bakterien

28 28 Germany: kWh/am2 = W/m2 Spain: 2000kWh/am2 = 230 W/m2 Sahara: 2500 kWh/am2 = 285 W/m2

29 29 Lichtwellenleiter Langstreckentransport des Lichtes möglich Ideale Ausleuchtung eines Volumens bei hoher Absorption Idealvorstellung: Raum wird durch regelmäßige Anordnung von Lichtquellen ausgefüllt, wie ein Kristall dem kommt ein Fasergitter nahe

30 30 Neue Fasern: Hohlfasern

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34 34 Vergleich mit Wald Buche: 230 t CO 2 /ha. 100a Eiche: 220 t CO 2 / ha. 100a Esche: 220t CO 2 / ha. 100a Kiefer: 170 t CO 2 / ha. 100a } 100 Jahre! (aus www. CO 2 Management.de, 2007) Photobioreaktor: pro ha: 200t CO 2 /Jahr!


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