Physical aspects with photobioreactors for algae

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 motivation: the CO2-problem
photosynthesis on an industrial level? Requirements for PBR`s with algae Energetic aspects Algae,(some species)examples Suspension with 3 phases: gas,cells,EPS Light as a limiting factor Electric properties Achieved applications

4 1Keeling_Kurve Gipfel des Mauna Loa Sägezahn zeigt Jahreszeitliche
Schwankungen

5 CO2 CO2 ist ein Klima-Gas (Treibhauseffekt) - fossile Brennstoffe:
C + O CO2 + Δ W (ca. 20 MJ/kg) IR-Spektrum: Rückführung in C- Kreislauf

6 2 .Die Photosynthese: Reaktionsgleichung
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 Dunkelreaktion Lichtreaktion Lichtreaktion Dunkelreaktion

7 CO2-Kreislauf

8 Photosynthese in industr. Maßstab?: PBR
PBRs dienen der CO2 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 O2-Menge folgt: 4x 1014 t C auf der Erde vorhanden davon bis 1992 gefunden: 10.4x1012t 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 m2 -nur ein Teil des Spektrums ausgenutzt -8 Photonen / CO2-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: 6CO2 + 6 H2O→ C6H12O6 + 6 O2 pro CO2 Molekül: 8 Photonen 14.4 eV Bindungsenergie der Einheit CH2O : 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 CO2/h ≈62.9 m2 5kW kg CO2/h ≈ 315 m2 10 kW kg CO2/h ≈ 629 m2 Pro Tonne CO2 entstehen 680 kg Biomasse

16 Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung
1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 5kW kg CO2/h ≈ 315 m2 10 kW kg CO2/h ≈ 629 m2 Pro Tonne CO2 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 Scenedesmus Wildstamm: Faden +Einzeller

22 5. Thermophiler Wildstamm

23 Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung
1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 5kW kg CO2/h ≈ 315 m2 10 kW kg CO2/h ≈ 629 m2 Pro Tonne CO2 entstehen 680 kg Biomasse

24 Abschätzungen : Kollektorfläche und thermische Leistung
1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 5kW kg CO2/h ≈ 315 m2 10 kW kg CO2/h ≈ 629 m2 Pro Tonne CO2 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 100m2: „sc_struktur, fcc, hcp“

27 6.Ausleuchtung des Volumens

28 6.Probleme :Biofilme

29 6. „Blasenstrudel“

30 7. Elektrische Eigenschaften
NO3- K+

31 7.Ernte: 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