Innovationspotenzial von Biokraftstoff aus Algen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Biokraftstoffe der ersten Generation
1.3 Biokraftstoffe der zweiten Generation
1.4 Vergleich von Biokraftstoffen der ersten mit der zweiten Generation
1.5 Verwendung von Biokraftstoff aus Algen für kommerzielle Systeme

2 Technische Realisierungsmöglichkeiten
2.1 Algenarten zur Biokraftstoffgewinnung
2.2 Massenproduktion von Mikroalgen
2.3 Biodieselherstellung aus Mikroalgen

3 Innovationspotenzial
3.1 Innovationsspezifische Einflussgrößen
3.1.1 Relative Vorteilhaftigkeit der Innovation
3.1.2 Kompatibilität der Innovation
3.1.3 Komplexität der Innovation
3.1.4 Beobachtbarkeit der Innovation
3.1.5 Reifegrad der Innovation
3.2 Innovationsmerkmale
3.2.1 Unsicherheit
3.2.2 Komplexität
3.2.3 Konfliktgehalt
3.2.4 Neuheitsgrad

4 Persönliches Resümee

5 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb.1: Prozesskonzept für die Biodieselherstellung aus Mikroalgen...

Abb.2: Wirkung der relevanten Faktoren auf den Innovationserfolg

Abb.3: Innovationsmerkmale und ihre Beziehungsstruktur

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabellenverzeichnis

Tab.1: Vergleich wichtiger Eigenschaften von Biokraftstoffen der ersten mit Biokraftstoffen der zweiten Generation

1 Einleitung

Eine immer höhere Nachfrage an fossilen Brennstoffen, sowie ein steigender Rohölpreis, steigert auch die Anforderung nach neuen und alternativen Lösungen. Eine der Vielversprechendsten sind dabei Biokraftstoffe. Als Biokraftstoff werden Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren oder Heizungen bezeichnet, die aus Biomasse hergestellt werden.

Grundprodukt für einen vielseitigen Biokraftstoff können dabei Meeresalgen sein, die sehr schnell wachsen, reich an pflanzlichem Öl sind und in Meerwasserbecken angebaut werden können, so dass nur wenig fruchtbares Land und Sü1wasser in Anspruch genommen wird. Sie können ihre Masse mehrmals täglich verdoppeln und ergeben bedeutend mehr Öl pro Hektar als Alternativen wie Raps, Palmen oder Soja. Langfristig könnten Algenanbauanlagen ebenfalls das Potenzial haben, CO2-Abgase von Industrieanlagen, wie beispielsweise Kraftwerken, direkt zu absorbieren oder einzufangen.

Diese Bachelorarbeit setzt sich im Allgemeinen mit den Möglichkeiten der technischen Umsetzung für Biokraftstoff aus Algen auseinander, um im Speziellen das Innovationspotenzial dieses Zukunftsprodukts einzuschätzen. Für die Einschätzung des Innovationspotenzials werden die innovationsspezifischen Einflussgrö1en und die Innovationsmerkmale, die im dritten Semester des Studiengangs Innovationsmanagement, im Fach Innovationsmanagement, gelehrt wurden, angewendet.

Diese Bachelorarbeit setzt sich rein mit den technischen Möglichkeiten der Produktion und Umsetzung auseinander, da es sonst den vorgegebenen Umfang der Arbeit überschreiten würde. Die wirtschaftliche Betrachtung des Themas kann Titel für die weitere Arbeit sein.

1.1 Problemstellung

Zentrale Bedeutung jeder Volkswirtschaft ist die nachhaltige Versorgung von Wirtschaft und Bevölkerung zu sichern. Hier kommt den nachwachsenden Rohstoffen aus einer Reihe von Gründen eine besondere Bedeutung zu. Es kann nach der stofflichen Nutzung Bioenergie gewonnen werden. Hier gibt es starke Motive, wie zum Beispiel der Reduktion des Erdölbedarfes, um vor weiteren globalen Umweltbeeinträchtigungen zu schützen. Flächenhafte Verschmutzungen in den Förderländern und Belastungen der Meeresökosysteme könnten gelindert werden. Ebenso kann die Abhängigkeit von Krisenregionen durch Bioenergie gemindert werden. Sicherheitsexperten der USA meinen, durch die Erzeugung von Energie auf eigenem Territorium kann der Geldfluss in Krisenregionen, sowie die entsprechende Militärpräsenz verringert werden.

Bisherige Ansätze der Biomasseerzeugung zeigten eine geringe und noch eher unbefriedigende Effizienz. Die Ökobilanz für Biodiesel aus Raps (RME, Rapsmethylester) zeigt leider keine Vorteile gegenüber dem konventionellen Dieselkraftstoff. Einen Fortschritt zeigen so genannte Biokraftstoffe zweiter Generation. Hierbei wird ein höherer Hektar-Ertrag durch die Verwendung der ganzen Pflanze, statt nur der Ölfrüchte, erwirtschaftet. Wenn Bioenergie jedoch einen erheblichen Beitrag zur Energieerzeugung liefern soll, so sind Effizienzsteigerungen um Zehnerpotenzen notwendig. Eine Lösung liefern natürliche Mikroalgen, die im Vergleich zu Landpflanzen mehr als zehnfache Biomasseerträge produzieren können. Aktuelle Arbeiten über biologische Strukturen aus Mikroalgen, Bakterien oder entsprechenden Zellkompartimenten lassen Effizienzsteigerungen um eine weitere Zehnerpotenz erwarten. Wegen des hohen Oberflächen-Volumen Verhältnisses der geringen Rückvermischung, verspricht der Einsatz von Mikroalgenreaktoren aus der Mikroverfahrenstechnik eine erhebliche Produktivitätssteigerung gegenüber klassischen
Röhrenreaktoren.¹

Ein weiterer Aspekt konnte bei einem Interview von Herrn Bruce Nussbaum, Journalist, Redakteur und Herausgeber des U.S. Magazins „Business week“, gefunden werden.

Mehrere Jahre lang fokussierte man sich in den USA auf Biokraftstoff aus Maisanbau und Sojabohnen. Die Erfahrungen waren unterschiedlich. Auf der einen Seite wurde dadurch die Ethanol Produktion gefördert, auf der anderen Seite wurde aus einem Nahrungsmittel für den Menschen eine neue Energiequelle. Hier gibt es Bedenken, dass der Nahrungsmittelpreis ansteigen könnte. Bei Biokraftstoffen aus Algen, was kein Nahrungsmittel für den Menschen darstellt, gibt es dieses Risiko nicht. Es kann zudem im industriellen Ma1stab, bei relativ niedrigen Kosten, wachsen und besitzt ein hohes Innovationspotenzial, das sich in den nächsten drei bis fünf Jahren zeigen wird.²

1.2 Biokraftstoffe der ersten Generation

Die Biokraftstoffe der ersten Generation werden entweder aus zuckerhaltigen oder ölhaltigen Pflanzen hergestellt, die mit Nahrungsmittel konkurrieren. Die zuckerhaltigen Pflanzen werden durch Vergärung zu Ethylalkohol, die ölhaltigen Pflanzen durch Auspressen und Verestern zu Dieselkraftsoffen. Das derzeitige Kernproblem bei Biokraftstoffen der ersten Generation liegt in der CO2 Bilanz. Sie benötigen für ihre Erzeugung noch zu gro1e Mengen an fossilem Kraftstoff.³

Die Verwendung von Biokraftstoffen erster Generation, an Stelle von konventionellem Rohöl gilt bislang bei vielen Lösungen als nicht effizient und zu kostspielig.

1.3 Biokraftstoffe der zweiten Generation

Biokraftstoffen der zweiten Generation, werden aus heutiger Sicht weit mehr Chancen eingeräumt.

Insgesamt scheinen die Ma1nahmen zu Gunsten eines Übergangs von ölbasierten zu Biokraftstoffen in ökologischer, wie auch ökonomischer Sicht eine kostenaufwendige Option zur Bewältigung des Problems der Treibhausgasemissionen darzustellen. Der Herstellung und Einführung von Biokraftstoffen der zweiten Generation, die bei Gewährleistung derselben Energieeffizienz wie die Biokraftstoffe der ersten Generation, wahrscheinlich grö1ere ökologische Vorteile bringen und weniger negative Umwelteffekte haben, sollte unter Umständen mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden.⁴

Grundprodukt für den vielseitigen Biokraftstoff der zweiter Generation können dabei Meeresalgen sein, die sehr schnell wachsen, reich an pflanzlichem Öl sind und in Meerwasserbecken angebaut werden können, sodass nur wenig fruchtbares Land und Sü1wasser in Anspruch genommen werden. Sie können ihre Masse mehrmals täglich verdoppeln und ergeben bedeutend mehr Öl pro Hektar als Alternativen wie Raps, Palmen oder Soja. Langfristig könnten Algenanbauanlagen ebenfalls das Potenzial haben CO2-Abgase von Industrieanlagen, wie beispielsweise Kraftwerken direkt zu absorbieren oder einzufangen.

1.4 Vergleich von Biokraftstoffen der ersten, mit der zweiten Generation

In der nachfolgenden Tabelle 1 werden einige wichtige Parameter wie Biodieselausbeute, Leistungsdichte, Verfügbarkeit, sowie Leistungsdichte im Jahresmittel von Biokraftstoffen der ersten Generation, mit Biokraftstoffen der zweiten Verglichen, um den ökologischen Vorteil von Biokraftstoffen der zweiten Generation deutlicher hervor zu bringen. Als Vertreter der Biokraftstoffe der ersten Generation wurde Rapsmethylester, auch bekannt als Biodiesel, herangezogen. Dieser darf bis zu 5% dem Dieseltreibstoff für Kraftfahrzeuge beigemischt werden und kann als häufigster Vertreter von Biokraftstoffen erster Generation gesehen werden. Der Vertreter von Biokraftstoffen der zweiten Generation ist in diesem Fall Öl aus Algen, da sich diese Arbeit primär mit diesem Biokraftstoff beschäftigt.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich steigt die Biodieselausbeute pro Hektar Anbaufläche um den Faktor 37,5, auf 60 Tonnen pro Hektar, wobei die Verfügbarkeit als ganzjährig zu betrachten ist. Des Weiteren zeigt sich eine höhere Leistungsdichte im Jahresmittel beim Biokraftstoff der zweiten Generation. Auf diese Unterschiede wird im Kapitel 3.1.1. noch genauer eingegangen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab.1: Vergleich wichtiger Eigenschaften von Biokraftstoffen der ersten mit Biokraftstoffen der zweiten Generation⁵

1.5 Verwendung von Biokraftstoff aus Algen für kommerzielle Systeme

Um Biokraftstoff aus Algen für bestehende Maschinen der LKW-, Flugzeug-, Automobil- und Verteidigungsindustrie anwenden zu können wird gerade weltweit intensivste Forschung betrieben. Beispielsweise haben die Vereinigten Staaten von Amerika bis Februar 2008 5,5 Billionen Euro in bereits existierende Erdölraffinerien, Ölspeicher, Pipelines und eine Vertriebsinfrastruktur für die Implementierung von Biokraftstoffen aus Algen investiert. Die Alternative, Biokraftstoff aus Algen kann in Zukunft bei den Erdölraffinerien als so genanntes „drop-in“ Produkt mitverarbeitet werden. Das Endprodukt ist kompatibel mit den Anwendungen der Automobil- und Flugzeugindustrie. Für einen Diesel-Biokraftstoff müssen die Forscher Algenstämme mit kurzen Kohlenwasserstoffketten entwickeln, um ähnlich molekulare Eigenschaften, wie beim Dieselkraftstoff zu erreichen. Diese besitzen dann ähnliche, molekulare Eigenschaften bei unterschiedlicher Temperatur- und Umgebungsbedingung. Für die Flugzeug- und Verteidigungsindustrie müssen Stämme der Blau- und Grünalge mit längeren Kohlenwasserstoffketten gebaut werden um ähnliche Eigenschaften wie beim Treibstoff Kerosin, zu erreichen. Besonders interessant ist der Biokraftstoff aus Algen für die Flugzeugindustrie, die in Zukunft mit Abgasbestrafungen rechnen müssen. Bei Biokraftstoff aus Algen, der kohlendioxidneutral ist, können diese Auflagen umgangen werden. Viele Firmen versuchen nun im Speziellen Biokraftstoff aus Algen mit Kohlenwasserstoffketten, ähnlich dem von Leichtpetroleum- Kraftstoffen, herzustellen, die direkt in Raffinerien weiterverarbeitet werden können.⁶

2 Technische Realisierungsmöglichkeiten

2.1 Algenarten zur Biokraftstoffgewinnung

Die Photosynthese, die seit Jahrmillionen in der Evolution optimiert worden ist, verwertet CO2 mit Hilfe des grünen Farbstoffes Chlorophyll, Sonnenlicht und Wasser um Biomasse aufzubauen. Algen haben den Wechsel von anaeroben zu aeroben Bedingungen auf der Erde geschaffen, da Landpflanzen erst zu einem späteren Zeitpunkt entstanden sind. Selbst heute noch tragen marine Mikroalgen rund 50% der gesamten Photosyntheseleistung auf der Erde.⁷

Algen gehören zu den ältesten pflanzlichen Organismen, die die Erde besiedeln. Zurzeit sind über 30 000 Arten, dieser 570 Mio. Jahre alten Pflanzengruppe bekannt. Die Arten unterscheiden sich vor allem durch unterschiedliche Kombinationen ihrer Assimilationsfarbstoffe, sowie durch unterschiedliche Reservestoffe, die in der Photosynthese aufgebaut werden. Ein unterschiedlicher Farbstoffzusatz bedingt die verschiedene Färbung, nach der man die wichtigsten

Gruppen, die Blau-, Grün-, Braun- und Rotalge, unterscheidet. Für die
Biokraftstoffgewinnung sind vorwiegend mikroskopisch kleine Einzeller, so genannte Mikroalgen, interessant.

Aus Kohlendioxid, Sonnenlicht und Mineralien war es den Mikroalgen in Millionen von Jahren möglich, die irdische Sauerstoff-Atmosphäre, fossile Brennstoffe und mineralische Sedimente für Tier und Mensch zu produzieren. Mikroalgen zeichnen sich vor allem durch den hohen Proteingehalt, mit einem kompletten Spektrum an essentiellen und nicht essentiellen Aminosäuren sowie hochmolekulare und komplex zusammengesetzte Polysaccharide (Kohlenhydrate) aus. Des Weiteren beinhalten sie Fette und Fettsäuren, Mineralstoffe und Spurenelemente, wie Kalzium, Phosphor, Eisen, Magnesium, Zink, Chrom und Selen, Pigmente, sowie Vitamine wie Vitamin E, Vitamin C und die B Vitamine B1, B2, B3, B6 und B12.⁸

2.2 Massenproduktion von Mikroalgen

Mikroalgen stellen durch Photosynthese regenerative Energie her und sind somit eine ökologisch, wie ökonomisch nachhaltige Alternative zum Verbrauch von fossilen Rohstoffen. Entscheidend hierfür ist, wie kostengünstig Mikroalgen in Massen produziert werden können. Dafür werden Photobioreaktoren benötigt, die mit der Ausnutzung von Sonnenenergie, hohe Biomassekonzentrationen, bei gleichzeitig hoher Produktivität, erreichen. Nur für eine geringe Anzahl von Mikroalgen können offene Becken und Kanäle für die Massenanzucht verwendet werden, da sie unter extremen Bedingungen wachsen. Der Großteil der Wertstoffproduzenten sind Photobioreaktoren, die für eine axenische, also keimfreie, Massenkultur nötig sind. So wurden Airlift-, Blasensäulen- und Röhrenreaktoren unterschiedlichster Bauart entwickelt, die aber alle nur eine Kontrolle von verschiedenen Prozessparametern (pH-Wert, Temperatur, Durchmischung), mit untergeordneter Bedeutung, erlauben.

Die wichtigsten Faktoren sind jedoch Lichtverfügbarkeit und Lichtintensität. Ohne diese findet keine Biomasseproduktivität statt. Da die Lichtintensität mit steigendem Abstand zur Reaktoroberfläche abnimmt, trifft dies vor allem bei Kulturen mit hoher Zelldichte zu. In Photobioreaktoren sind Algenzellen an der Reaktoroberfläche hohen Lichtintensitäten ausgesetzt, die wiederum Photoinhibition, also eine Überbelichtung, bewirken können, während Algenzellen mit steigendem Abstand zur Reaktoroberfläche nur geringe Lichtintensitäten erhalten, die wachstumslimitierend sind. Da hohe Zellkonzentrationen wichtigster Parameter für eine wirtschaftliche Algenproduktion sind, muss die Zelle in optimal beleuchteter Reaktorzone gehalten werden. Dies erfolgt durch gezielten Transport, der mittels geeigneter Frequenzen die Zellen durch die unterschiedlichen Lichtzonen des Reaktors führt. Ziel ist eine homogene, optimale Lichtausnutzung des Reaktors.⁹ Somit hängt die Ausbeute der Biomasseproduktivität von einem lichtoptimalen Transport der Algenzellen ab.

[...]

¹ Vgl. Ackermann, Inge (2007): Mikrotechnik für eine effiziente Bioenergieerzeugung. Konzeptpapier. Dresden: Deutsches Bundesministerium für Bildung und Forschung. S. 5.

² Vgl.: Nussbaum, Bruce: private communication [Stand 07.04.2009].

³ Vgl.: Basshuysen, Richard/Schäfe, Fred (2009): Biokraftstoff.http://www.motorlexikon.de/?I=9405&R=B [Stand 04.03.2009].

⁴ Vgl.: Gurria, Angel (2007): OECD- Organisation for Economic Co-operation and Development. Environmental outlook to 2030. Paris: OECD PUBLICATIONS. S. 6.

⁵ Quelle: Stolten, Detlef (2008): Der 4. Deutsche Wasserstoff Congress 2008 – Tagungsband. Jülich: Forschungszentrum Jülich GmbH. S. 16.

⁶ Vgl.: Thurmond, Will (2008): algae biofuels: commercialisation outlook. http://www.emerging-markets.com/algae/BiofuelsInternational_AlgaeCommercializationOutlook_February2008_Emergin gMarketsOnline.pdf [Stand 07.04.2009].

⁷ Vgl.: Ackermann (2007): Mikrotechnik. S. 5.

⁸ Vgl.: Pulz, Otto (2002):Bereich Biotechnologie. http://www.igv-gmbh.de/deutsch/bt.htm [Stand 02.03.2009].

⁹ Vgl.: Mappus, Stefan (2005): Erde 2.0 – technologische Innovationen als Chance für eine nachhaltige Entwicklung?. Bd.1. Berlin: Springer. S. 220 f