Ein faseroptisch beleuchteter Photobioreaktor

für die Reduktion von

CO2 aus dem Rauchgasfossiler Kraftwerke

C.Schneider, Universität Duisburg-Essen

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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)

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Die Photosynthese verwandelt Lichtenergie in chemisch gebundene Energie

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

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akti

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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.

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Was produziert ein Photobioreaktor?

• Sauerstoff

• Biomasse

• Wasserstoff (bestimmte Organismen : Purpurbakterien, Grünalgen, Cyanobakterien)

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GrünalgenGrünalgen(Chlamydomonas)(Chlamydomonas)

PurpurbakterienPurpurbakterien(Enterobacter (Enterobacter

cloacae)cloacae)C6H

12O

6

CO2

O2

H2O

H2

H2O

h·νh·ν

CO2

O2

Wasserstoffproduktion in einem Verbundreaktor (nach Rechenberg)

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PhotobioreaktorCO

2

Licht

H2

Energie

Brennstoff-zelle

CO2-produzierendes Gewerbe

Algen

Biomasse

Abwasseraufbereitung

Landwirtschaft(Düngung, Futter)

Mikrobiologie

Nahrungsmittel (Farbe,Vitamine, Kohlenhydrate)

O2

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I0

I = I0 - dI

dx l

Lambert-Beer'sches-Gesetz

k = AbsorbtionskoeffizientZ = Eindringtiefe

In realen Suspensionen: Z wenige mm!

Das Problem.

0k ZI I e

9

Tubuläre PhotobioreaktorenLinks: 20 LRechts: 2 L, Ø 80 mm

Flachbett-Photobioreaktor8 L , Ø 40 mm

Quelle : N. Waschewski, Ruhr-Universität Bochum

2D-Photobioreaktoren - schlecht vergrößerbar

10Realisierung nach Bayless, Univ. of Ohio

Lichtwellenleiter bringen das Licht in das Volumen !

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3D-Photobioreaktoren -vergrößerbar

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Die Sonne liefert das Licht für die Photosynthese !

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Die LichtsammlungDie Lichtsammlung

Parabolspiegel fokussiert das Sonnenlicht→ direkte Einspeisung in Lichtwellenleiter

LWL leiten Sonnenlicht in Bioreaktor

Realisierung nach Bayless, Univ. of Ohio

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Gesamtkonzept Photobioreaktor

H2, O2

CO2

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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 )

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Vergleich mit Wald

• Baum : 200 t CO2 / ha .100a } 100 Jahre!(aus www. CO2Management.de, 2007)

• Photobioreaktor: pro ha: 200 t CO2/Jahr!

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Vielen Dank !

CO2 H2

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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)

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Anforderungen an den Photobioreaktor

• Organismen

• Belichtung

• Nährstoffzufuhr

• Prozessüberwachung (pH-Wert, Sauerstoffkonzentration, Temperatur)

• Entgasung

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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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• Wasserstoff wird sauber produziert.

• Bisher : Reformierung für 2H2 - Moleküle entsteht ein CO2 - Molekül

• Elektrolyse – Strom – CO2

Der Vorteil.

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Erste Realisierung eines faseroptischen Bioreaktors (n.Gerbsch, 1997)

• Seitab-strahlende Fasern

• Simulation des Lichtfeldes

• Skalierbar!

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Numerische Apertur ist Maß für den maximalen Winkel, unter dem ein Strahl auf die LWL-Frontfläche auffallen kann, um einen geführten Modus anzuregen.

n 0 sin = n1 sin '

⇒ n 0 sin =n 1 sin ' = n1 cos G

'=90−G

Einkopplung in Einzelfaser Numerische AperturNumerische AperturEinfallender Lichtkegel

Mantel n2

Kern n1

n0α

G

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Gaseintrag:Blasen im µm Bereich in ca. 6 m Wassertiefe

• Klärwerk:

Sauerstoff in 6m Wassertiefe

Blasen im µm Bereich

• Gaszufuhr unter Druck

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CO2-Kreislauf

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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

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• Germany: 900-1200kWh/am2=100-135W/m2

• Spain:2000kWh/am2= 230 W/m2

• Sahara: 2500 kWh/am2= 285 W/m2

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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

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Neue Fasern: Hohlfasern

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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!