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Physical aspects with photobioreactors for algae.

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Präsentation zum Thema: "Physical aspects with photobioreactors for algae."—  Präsentation transkript:

1 Physical aspects with photobioreactors for algae

2 Institut Angewandte Physik Fakultät für Physik Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg AG Prof. Dr. H. Franke

3 Contents 1.motivation: the CO 2 -problem 2.photosynthesis on an industrial level? 3.Requirements for PBR`s with algae 4.Energetic aspects 5.Algae,(some species)examples 6.Suspension with 3 phases: gas,cells,EPS 7.Light as a limiting factor 8.Electric properties 9.Achieved applications

4 1Keeling_Kurve Gipfel des Mauna Loa Sägezahn zeigt Jahreszeitliche Schwankungen

5 CO 2 CO 2 ist ein Klima-Gas (Treibhauseffekt) - fossile Brennstoffe: -C + O 2 CO 2 + Δ W (ca. 20 MJ/kg) -IR-Spektrum: Rückführung in C- Kreislauf

6 6 2.Die Photosynthese: Reaktionsgleichung 6CO 2 + 6H 2 OC 6 H 12 O 6 + 6O 2 Dunkelreaktion Lichtreaktion h·ν

7 CO 2 -Kreislauf

8 Photosynthese in industr. Maßstab?: PBR PBRs dienen der CO 2 Fixierung Derzeitig drei Probleme welche die Effizienz begrenzen: Die Beleuchtungstechnik Die Regelungstechnik Die Erntetechnik

9 2. Kreislaufwirtschaft

10 Weitere Argumente für kompakte PBR´s Welternährung: die landgestützte Pflanzenproduktion kann in Zukunft Die Welternährung nicht mehr leisten Fläche: gesamte nutzbare Fläche Wasser: Algen benötigen weniger als…

11 Vorbild :Cyanobakterien im Carbon: Fossile Brennstoffe Alle vorhandenen fossilen Brennstoffe stammen aus Photosynthese: => aus vorhandener O 2 -Menge folgt: 4x t C auf der Erde vorhanden davon bis 1992 gefunden: 10.4x10 12 t SKE (nach Würfel:Physik der Solarzellen,SpektrumAkad. Verlag, Heidelberg, 1995)

12 4. Photo-Bioreaktoren Rohstoffe + Licht Traditionell: Freiland, Teiche Labor: Röhren=> LED´s - zur Produktion spezieller Stämme - zur Erforschung neuer Photosysteme

13 4.Energetische Betrachtungen Energie aus Sonnenlicht: In Mitteleuropa: ca.1MWh/y m 2 - nur ein Teil des Spektrums ausgenutzt -8 Photonen / CO 2 -Molekül - T bestimmt Reaktionsgeschwindigkeiten? Ernte: typisch 1g BM/l - trocknen: 1l Wasser verdampfen?

14 Energiebilanz In der Pflanzenzucht: 1% < η< 6 % Gründe: spektrale Verluste -68 % Reflexion an Blättern -20% Sättigungseffekte-50% Produkt Verluste: 0.12x 0.4=0.05 Ziel: η 20-30% Energiebilanz Photosynthese Summenreaktion: 6CO H 2 O C 6 H 12 O6 + 6 O 2 pro CO 2 Molekül: 8 Photonen 14.4 eV Bindungsenergie der Einheit CH 2 O : 4.95 eV η = 4.95/ 14.4 = 34%: Literatur über Stoffkreislauf η = 38 %:

15 Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO 2 /h 62.9 m 2 5kW 2.2 kg CO 2 /h 315 m 2 10 kW4.4 kg CO 2 /h 629 m 2 Pro Tonne CO 2 entstehen 680 kg Biomasse

16 Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO 2 /h 62.9 m 2 5kW 2.2 kg CO 2 /h 315 m 2 10 kW4.4 kg CO 2 /h 629 m 2 Pro Tonne CO 2 entstehen 680 kg Biomasse

17 4.Photobiol. Wirkungsgrad η = Chem. Energie / opt. Energie Theoretischer Wert: ca. 33% Chem. Energie: z.B. Brennwert ca. 20 MJ/kg Landwirtschaft: wenige % Energiepflanzen: 5-7% Labor: mit gepulsten LED´s: % abhängig vom System, T!

18 4. Photosynthese: Wellenlängen Engelmann'scher Bakterienversuch Photosyntheserate ist prop. zur Menge des freigesetzten Sauerstoffs durch Algen je mehr Sauerstoff desto mehr Bakterien

19 Photobiol. Wirkungsgrad

20 5.Grössenverhältnisse

21 5. Algen, Beispiele ScenedesmusWildstamm: Faden +Einzeller

22 5. Thermophiler Wildstamm

23 Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO 2 /h 62.9 m 2 5kW 2.2 kg CO 2 /h 315 m 2 10 kW4.4 kg CO 2 /h 629 m 2 Pro Tonne CO 2 entstehen 680 kg Biomasse

24 Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO 2 /h 62.9 m 2 5kW 2.2 kg CO 2 /h 315 m 2 10 kW4.4 kg CO 2 /h 629 m 2 Pro Tonne CO 2 entstehen 680 kg Biomasse

25 6. Optik Sonnenlicht -Sammeln -Leiten: hohle Leiter mit r=99.8% - Verteilen in 3D: Stäbe, Röhren, Bündel Künstliches Licht: Röhren, LED´s

26 6.Becken mit 100m 2: sc_struktur, fcc, hcp

27 6.Ausleuchtung des Volumens

28 6.Probleme :Biofilme

29 6. Blasenstrudel

30 7. Elektrische Eigenschaften AK K+ NO3-

31 7.Ernte: Elektrokoagulation Elektrokoagulation Elektroden Material: Fe / Fe Al / Al Variierte Parameter: Stromstärke Elektrolysezeit pH-Wert Konzentration Messung: OD[750nm] / TM [mg/L] SAK[436nm] SSH 2h[mL]

32 Ernte im 240l Behälter (30Wh)

33 8.Anwendungen in sonnenreichen Ländern: Biomasse - Futtermittel / Düngemittel -Bioethanol -Biodiesel Algen als Biofilter - Geruchsfilter - Abluftreinigung von C-Verbindungen


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