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Biokraftstoffe aus Algen

Seit 2009 arbeitet ExxonMobil gemeinsam mit Synthetic Genomics Inc. (SGI) an der Erforschung und Entwicklung von Biokraftstoffen aus Algen als nachhaltige, emissionsarme Alternative zu fossilen Kraftstoffen.

Die Vorteile von Biokraftstoffen aus Algen

Gegenüber herkömmlichen Biokraftstoffen haben Biokraftstoffe aus Algen den Vorteil, dass sie in Salzwasser wachsen und auch bei schwierigen Umweltbedingungen gedeihen, ohne Flächen für die Lebensmittelproduktion oder große Mengen an Süßwasser zu beanspruchen. Aus Algen gewonnenes Öl kann möglicherweise auch in normalen Raffinerien zu Kraftstoffen weiterverarbeitet werden, die sich nicht von herkömmlichem Dieselkraftstoff mit hoher Energiedichte unterscheiden. Das Öl lässt sich eventuell auch als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Chemikalien nutzen.

Darüber hinaus kann der Anbau von Algen auch für die Umwelt von Nutzen sein. Algen verbrauchen CO2 und haben im Gegensatz zu herkömmlichen Brennstoffen das Potential, Treibhausgase abzubauen. 2012 veröffentlichten Forscher des MIT, von ExxonMobil und von SGI in der Fachzeitschrift ‚Environmental Science and Technology‘ einen Bericht, der zu dem Schluss gelangte, dass Biokraftstoffe aus Algen, wenn entscheidende Forschungshindernisse überwunden werden, über den gesamten Lebenszyklus rund 50 Prozent weniger Treibhausgase ausstoßen als Kraftstoffe auf Erdölbasis.

Algen: Biokraftstoff der zweiten Generation

Zu Biokraftstoffen der ersten Generation, die aus essbaren Feldfrüchten wie zum Beispiel Mais gewonnen werden, gibt es unter Wissenschaftlern es eine rege Debatte über den Kohlenstoff-„Rucksack". Viele Beiträge in der wissenschaftlichen Literatur legen den Schluss nahe, dass der direkte Ausstoß von Treibhausgasen während des Lebenszyklus niedriger als bei fossilen Brennstoffen ist, indirekte Konsequenzen der Erschließung von Biokraftstoffen der ersten Generation einschließlich einer veränderten Nutzung von Forst- und Agrarflächen jedoch zu einem insgesamt höheren Ausstoß an Treibhausgasen als bei Kraftstoffen auf Erdölbasis führen könnten.

Aus diesem Grund treibt ExxonMobil die Erforschung von Biokraftstoffen der zweiten Generation voran und will herausfinden, wie man sie zukünftig bestmöglich nutzen kann. Biokraftstoffe der zweiten Generation sind als solche definiert, die aus nicht essbaren Feldfrüchten, aus Rückständen von Feldfrüchten oder aus biologisch erzeugtem Gas hergestellt werden und daher das Nahrungsmittelangebot nicht belasten. Beispiele hierfür sind Algen, Maisstengel, Rutenhirse oder Methan, das von Mikroben in Mülldeponien erzeugt wird.

Forschungsdurchbruch in 2017

Mit Hilfe eines neu entwickelten zelltechnischen Verfahrens ist es dem gemeinsamen Forschungsteam von ExxonMobil und SGI gelungen, einen Algenstamm zu modifizieren und den Ölanteil der Algen von 20 auf mehr als 40 Prozent zu erhöhen. Dafür konnten Forscher einen genetischen Schalter ausfindig machen, über den sich beim Algenstamm Nannochloropsis gaditana die Umwandlung von Kohlenstoff in Öl optimal einstellen lässt. Das Team führte eine Machbarkeitsstudie durch und kam zu dem Ergebnis, dass sich die Lipidfraktion des zellularen Kohlenstoffs der Alge im Vergleich zu den Elternpflanzen - bei gleichbleibenden Wachstumseigenschaften - verdoppeln lässt.

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Eintritt in neue Phase in 2018

In 2018 trat das gemeinsame Forschungsprogramm von ExxonMobil und SGI zu Biokraftstoffen aus Algen in eine weitere, entscheidende Phase ein, die dazu beitragen kann, dass bis 2025 die Produktion von 10.000 Barrel Biokraftstoff aus Algen pro Tag technisch realisierbar ist.

Bei einem PKW Kraftstoffverbrauch von 7,3 Liter auf 100 km und einer durchschnittlichen Fahrleistung von 13.400 km pro Jahr (Daten Umwelt-/Kraftfahrtbundesamt) könnten ungefähr 580.000 Autos pro Jahr mit Biokraftstoff aus Algen angetrieben werden. Dies entspräche ca. 1,2 Prozent aller in Deutschland zugelassenen Pkw. Zum Vergleich: Am 1.1.2018 waren in Deutschland knapp 54.000 (0,1%) Elektrofahrzeuge zugelassen.

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Zu der neuen Phase gehört unter anderem eine Feldstudie in Kalifornien, bei der in mehreren in sich geschlossenen Freilandbecken das Wachstum natürlicher Algenstämme erforscht wird. Die Studie wird ExxonMobil und SGI ein besseres Verständnis zu grundlegenden verfahrenstechnischen Parametern wie Viskosität und Fließverhalten geben, die sich in einem Labor nicht problemlos nachbilden lassen. Die Ergebnisse dieser Studie werden wichtige Erkenntnisse dazu liefern, wie sich die Technologie für eine Produktion auf kommerziellem Niveau skalieren lässt.

Die Freilandtests der neuen Programmphase sind ein bedeutender Schritt zur Bestimmung des weiteren Wegs hin zu einer Produktion in industriellem Maßstab.

Vijay Swarup, Vice President ExxonMobil Research and Engineering Company

Herausforderung für die Forschung

Bevor die Herstellung von Biokraftstoffen aus Algen in einer wirtschaftlich sinnvollen Größenordnung möglich ist, müssen noch einige entscheidende Hürden überwunden werden. Deshalb arbeiten wir daran, einige grundlegende Fragen zu beantworten, wie z. B.:

  • Warum nutzen Algen nur einen relativ kleinen Teil der verfügbaren Lichtenergie?
  • Mit welchen Hilfsmitteln kann man den Wirkungsgrad von Algen bei der Ausnutzung des Lichts erhöhen und die Produktionscharakteristika verbessern?
  • Wie entwickelt man einen Organismus, der erheblich mehr Bio-Öl produziert?

Die zentrale Schwierigkeit besteht darin, dass Algen von Natur aus wesentlich mehr Licht einfangen, als sie schließlich in Biokraftstoffe umwandeln können. Nur eine begrenzte Menge Licht erreicht die Oberfläche eines Beckens, und wir wollen die Algen dazu bringen, dieses Licht so effizient wie möglich zu nutzen. Die Menge an ungenutztem Sonnenlicht fällt je nach Algenart und Wachstumsbedingungen stark unterschiedlich aus, kann aber 80 Prozent und mehr betragen. ExxonMobil und SGI betreiben Grundlagenforschung mit dem Ziel, die Menge an nicht genutztem Sonnenlicht zu verringern und die Biomasse-Produktivität durch die Steigerung des Photosynthese-Wirkungsgrads einzelner Algenzellen zu erhöhen. Zur Verwirklichung dieses Ziels arbeitet SGI an Algenzellen, die nur die Menge an Licht absorbieren, die sie auch wirklich nutzen können.

Forschung und Entwicklung im Bereich der Biokraftstoffe aus Algen ist ein langfristiges Unterfangen. Seit dem Beginn der Zusammenarbeit haben ExxonMobil und SGI viel gelernt und wir arbeiten weiter am Aufbau der biologischen Instrumente, Kompetenzen und Kenntnisse, die zur Überwindung der technischen Hürden notwendig sind.

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