Treibstoff aus Algen

Die Nachfrage nach Energie steigt weltweit. Umso wichtiger ist es, erneuerbare Energiequellen zu finden, die nachhaltig bewirtschaftet werden können. Die Produktion von Treibstoff aus Algen stellt vielversprechende Möglichkeiten in Aussicht.

Nachhaltige Treibstoffe

In Zukunft müssen Treibstoffe nach den Kriterien der Nachhaltigkeit produziert werden, wie sie der ISO-Standard (ISO13065 1) definiert. Auch biologische Treibstoffe haben diesen Anforderungen zu entsprechen. Dabei gilt es, den Ausstoss von Treibhausgas, die Erneuerbarkeit der Energiequellen, die Biodiversität wie auch ökologische, wirtschaftliche und gesellschaftliche Aspekte zu berücksichtigen. Die Zeitschrift „Renewable and Sustainable Energy Reviews“ zählt 2010 rund 70 Initiativen auf, die sich mit der Herstellung oder der Regulierung nachhaltiger Bioenergie befassen.1 Diese Zahl stieg in den letzten Jahren stark an.

Algen als vielversprechende Alternative

Sogenannte Biotreibstoffe der dritten Generation, die durch Algen erzeugt werden, gelten als vielversprechende Alternative zu anderen Biotreibstoffen.2 Denn anders als Biotreibstoffe, die aus Getreide oder Zuckerrohr hergestellt werden, konkurrenzieren Algen den Anbau von Lebensmitteln nicht. Algen können im Meer gezüchtet werden und gedeihen auch in Brack- oder Abwasser, so dass Algenfarmen keine landwirtschaftlichen Flächen beanspruchen. Algen sind zudem technisch besser handhabbar als Biotreibstoffe der zweiten Generation, die aus Holz und Zellulose erzeugt werden. Mikroalgen sind Kleinstalgen, deren Wachstum nur geringe Ansprüche stellt. Sie ernähren sich wie die Pflanzen von Kohlendioxid und gewinnen Energie aus Licht. In kurzer Zeit können sie beträchtliche Mengen an Fetten, Eiweissen und Kohlenhydraten erzeugen. Die Fette können sowohl zu Biotreibstoffen als auch zu wertvollen Derivaten umgewandelt werden und so allmählich einen beträchtlichen Teil der fossilen Treibstoffe ersetzen.3 Wenn mit Algen der Einsatz fossiler Treibstoffe reduziert werden kann, so kann verhindert werden, dass zusätzliches Kohlendioxid in die Atmosphäre eingeführt wird.

Algenproduktion für Treibstoff in der Forschungsanstalt AgriLife in Texas. Bild: Texas A&M AgriLife.
Algenproduktion für Treibstoff in der Forschungsanstalt AgriLife in Texas. Bild: Texas A&M AgriLife.

Algen für die Treibstoffproduktion optimieren

Allerdings ist die Frage noch offen, ob die Fette, die für die Erzeugung von Biotreibstoff erforderlich sind, genügend effizient produziert werden können. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, haben Wissenschaftler der Scripps Institution für Ozenaographie an der Universität von San Diego ein Gen ausgeschaltet, das für den Fettabbau der Alge Thalassiosira pseudonana zuständig ist. Damit ermöglichten sie eine erhöhte Anreicherung von Fetten in den Algen, ohne dabei das Wachstum der Algen zu bremsen.4 Dieser Ansatz stellt eine Vorstufe zur Synthetischen Biologie dar, da bisher nur einzelne Gene verändert wurden. In einem nächsten Schritt wäre es denkbar, den gesamten Lipidstoffwechsel der Alge noch stärker zu optimieren indem weitere Gene ausgeschaltet oder auch neue Gene hinzugefügt würden. Parallel dazu könnten auch andere Eigenschaften der Alge verbessert werden. So wird beispielsweise daran gearbeitete, die Photosynthese in den Algen effizienter zu machen oder ihnen Widerstandsfähigkeit gegen bestimmte Algenkrankheiten zu verleihen.5

Video: Anreicherung von Lipiden in Mikroalgen

Wieso ist das Synthetische Biologie?

Während der natürliche Prozess der fossilen Treibstoffentstehung, d.h. die unter Ausschluss von Sauerstoff vor sich gehende Zersetzung toter Organismen, typischerweise Millionen von Jahren dauert, braucht der synthetische Prozess auf der Grundlage von Algenkulturen, nur einen Bruchteil dieser Zeit und hängt von der natürlichen Vegetationsperiode der Algen ab. Um eine effiziente Treibstoffproduktion zu ermöglichen, muss besonders die Fettproduktion verbessert werden. Während die Veränderung von einzelnen Genen bereits erste Erfolge gezeigt hat, könnte zukünftig mit Hilfe der Synthetischen Biologie der gesamte Lipidstoffwechsel der Algen optimiert soweit weitere Eigenschaften verbessert werden.

Aktivitäten in der Schweiz

In seiner Botschaft zur Schweizerischen Energiestrategie 2050 hält der Bundesrat fest, dass vermehrt erneuerbare Energie erzeugt und die dazu erforderliche Forschung koordiniert werden sollten.6

Das Weltressourcenforum 2013, das im Oktober 2013 in Davos stattfand, widmete sich den Biotreibstoffen aus Algen. Der Anlass wurde gemeinsam von der HSR Rapperswil,7 der FHNW Windisch,8 dem PSI Villigen,9 der EMPA10 und der EPFL11 organisiert.

Der seit 2014 laufende nationale Forschungsschwerpunkt "NCCR Molecular Systems Engineering" beinhaltet ein Projekt zur Veränderung von Algenzellen, unter anderem mit dem Ziel die Effizienz der Photosynthese zu verbessern.12

Folgen für die Gesellschaft

Die ungenügende Effizienz bei der Bildung von Fetten scheint der Knackpunkt zu sein, für den die Forschung Lösungen entwickeln muss, damit Algen in grossem Mass zur Erzeugung von Biotreibstoff genutzt werden können. Da dies die technische Herstellung von Algenstämmen erfordert, werden Produktionssysteme entwickelt, in denen diese Stämme gedeihen können und die zugleich eine Freisetzung in die Umwelt verhindern. Dabei kann auf Produktionssysteme zurückgegriffen werden, die sich nach heutigem Stand der Technik bereits bewährt haben und die sich bei den unterschiedlichsten biotechnologischen Verfahren als sicher erwiesen haben. 

 

Referenzen

  1. van Dam J et al. (2010) From the global efforts on certification of bioenergy towards an integrated approach based on sustainable land use planning. Sustainable and Renewable Energy Reviews 14 (9): 2445-3258. Link
  2. Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften (SATW) (2009) Biotreibstoffe – Chancen und Grenzen. Link
  3. Brennan L and Owende P (2010) Biofuels from microalgae—A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Sustainable and Renewable Energy Reviews 14 (2): 557-577. Link
  4. Trentacoste EM et al. (2013) Metabolic engineering of lipid catabolism increases microalgal lipid accumulation without compromising growth. PNAS 110 (49): 19748–19753. Link
  5. Georgianna DR and Mayfield SP (2012) Exploiting diversity and synthetic biology for the production of algal biofuels. Nature 488 (7411): 329-35. Link
  6. Schweizerischer Bundesrat (2013) Botschaft zum ersten Massnahmenpaket der Energiestrategie 2050. Link
  7. Hochschule für Technik Rapperswil. Link
  8. Institut für Biomasse und Ressourceneffizienz, Fachhochschule Nordwestschweiz. Link
  9. Catalytic Process Engineering, Paul Scherrer Institut. Link
  10. EMPA. Link
  11. Schwitzguebel et al. (2012) Towards the sustainable cultivation of microalgae for the production of biofuels and added-value chemicals. Keynote lecture at the 27th Congress of the Phycological Society of Southern Africa, Qolora, South Africa. EPF Lausanne. Link
  12. NCCR Molecular Systems Engineering. Molecular Systems Engineering of Algae – The Construction of Molecular Factories Based on a Phototroph Platform. Link

Einteilung der Biotreibstoffe

Erste Generation

Treibstoff aus Pflanzenfrüchten, z.B. Rapsöl oder Getreidestärke

Zweite Generation

Treibstoff aus ganzen Pflanzen oder nicht-essbaren Pflanzenteilen, z.B. Zellulose aus Holz oder Stroh

 

Dritte Generation

Treibstoff aus Algen

 

  • Publikationen

SATW (2015) Erneuerbare statt fossile Rohstoffe - eine Chance für die Schweiz
  • 2015

Erneuerbare statt fossile Rohstoffe – eine Chance für die Schweiz

Was sind geeignete Quellen für erneuerbare Rohstoffe? Wie können aus diesen Gebrauchs- und Wertstoffe hergestellt werden? Was sind Bioraffinerien? Wo liegt die grosse Wertschöpfung? Was sind die Chancen für die Schweiz?

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