Ein faseroptisch beleuchteter Photobioreaktor für die Reduktion von CO2 aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke C.Schneider, Universität Duisburg-Essen

Das ist die Lage: Alle vorhandenen fossilen Brennstoffe stammen aus Photosynthese: => aus vorhandener O2-Menge folgt: 4x 1014 t C auf der Erde vorhanden Photosynthese ist wichtigste CO2 –Senke (nach Würfel:“Physik der Solarzellen“,SpektrumAkad. Verlag, Heidelberg, 1995)

Die Photosynthese verwandelt Lichtenergie in chemisch gebundene Energie 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 Dunkelreaktion Lichtreaktion Lichtreaktion Dunkelreaktion

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.

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

Wasserstoffproduktion in einem Verbundreaktor (nach Rechenberg) Grünalgen (Chlamydomonas) Purpurbakterien (Enterobacter cloacae) H2O CO2 H2O C6H12O6 CO2 O2

H2 CO2 Photobioreaktor O2 Licht Brennstoff-zelle Energie CO2-produzierendes Gewerbe H2 CO2 Photobioreaktor O2 Licht Brennstoff-zelle Nahrungsmittel (Farbe,Vitamine, Kohlenhydrate) Landwirtschaft (Düngung, Futter) Algen Abwasseraufbereitung Mikrobiologie Energie Biomasse

Das Problem. Lambert-Beer'sches-Gesetz I = I0 - dI I0 k = Absorbtionskoeffizient Z = Eindringtiefe dx l In realen Suspensionen: Z wenige mm!

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

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

3D-Photobioreaktoren -vergrößerbar

Die Sonne liefert das Licht für die Photosynthese !

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

Gesamtkonzept Photobioreaktor CO2

Abschätzungen Es entstehen ca. 500 kg Biomasse/ t CO2 In Deutschland stehen 1050kWh/a (Deutscher Wetterdienst) Damit benötigt man ca. 50m2 Kollektorfläche für die Umwandlung von 1 Tonne CO2 in Biomasse pro Jahr! Haushalt mit 27.000 kWh Gasheizung/a produziert ca. 4.8 t CO2/a 150-220 m2 Kollektorfläche erforderlich ( für Deutschland ) ( n. A.Wagner, topmanagerteam.com )

Vergleich mit Wald Baum : 200 t CO2 / ha .100a } 100 Jahre! (aus www. CO2Management.de, 2007) Photobioreaktor: pro ha: 200 t CO2/Jahr!

CO2 H2 Vielen Dank !

Zentrale oder dezentrale Anlagen? Optische Fasern sind (noch) nicht gut genug für Langstrecken bei hoher Leistung Grossanlage erfordert ca. 50km2! „Growianeffekt“?! => Optimierungsaufgabe ( Fasern, Kollektoren, Algen als Rohstoffe)

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

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?

Der Vorteil. Wasserstoff wird sauber produziert. Bisher : Reformierung für 2H2 - Moleküle entsteht ein CO2 - Molekül Elektrolyse – Strom – CO2

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

Einkopplung in Einzelfaser Numerische Apertur Einfallender Lichtkegel n0 αG Mantel n2 Kern n1 Numerische Apertur ist Maß für den maximalen Winkel, unter dem ein Strahl auf die LWL-Frontfläche auffallen kann, um einen geführten Modus anzuregen.

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

CO2-Kreislauf

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

Germany: 900-1200kWh/am2 =100-135W/m2 Spain: 2000kWh/am2 = 230 W/m2 Sahara: 2500 kWh/am2 = 285 W/m2

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

Neue Fasern: Hohlfasern

Vergleich mit Wald Buche: 230 t CO2 /ha.100a Eiche: 220 t CO2/ ha. 100a Esche: 220t CO2/ ha .100a Kiefer: 170 t CO2 / ha .100a } 100 Jahre! (aus www. CO2Management.de, 2007) Photobioreaktor: pro ha: 200t CO2/Jahr!