Der Traum von fetten Algen

Ölanreicherung in Nannochloropsis-Algen, konfokale Mikroskopie. Rot - Chlorophyll, gelb - Öl. Für die meisten Algen in der Abbildung macht das Öl einen beträchtlichen Teil des Zellvolumens aus. Bild: Elisa Corteggiani/CC BY-SA 3.0

Von den Besonderheiten der Biokraftstoffgewinnung aus Mikroalgen

Während sich die jüngsten Entwicklungen des Ölpreises hemmend auf die Arbeit an Biokraftstoffen auswirkte, liegt das größte Hindernis für deren Produktion im kommerziellen Maßstab bei den Herstellungskosten, die eine Folge grundlegender biologischer Sachzwänge sind. Zwar sind die Prognosen vieler Beteiligter deutlich zurückhaltender als noch vor zehn Jahren, doch wird der Traum von Biokraftstoffen aus Mikroalgen nach wie vor von Medien und Industrie am Leben erhalten.

Die Autoren der Biofuelwatch-Studie "Microalgae Biofuels - Myth and Risks" haben vier Mythen isoliert, die dabei häufig bemüht werden, obwohl sie einer gründlicheren Betrachtung nicht standhalten:

  • Mikroalgen produzieren Biokraftstoffe lediglich aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid.
  • Mikroalgen können bei geringem Flächenbedarf große Mengen an Kraftstoff produzieren.
  • Mikroalgen-Kraftstoffe sind eine klimafreundliche Alternative zu ihren fossilen Pendants und können zur Abscheidung und zum Recycling von Kohlenstoff verwendet werden oder gar zu "kohlenstoff-negativen" Kraftstoffen werden.
  • Der Einsatz kommerzieller Mikroalgen-Biokraftstoffe steht unmittelbar bevor.

Das Wachstum von Mikroalgen ist stark abhängig von der Verfügbarkeit von Nährstoffen. Sollen Kraftstoffe in kommerziellen Größenordnungen hergestellt werden, müssten beträchtliche Nährstoffmengen bereitgestellt werden. Zwar ist aus der Abwasserbehandlung die Fähigkeit von Algen bekannt, effektiv Nährstoffe aus Abwässern entfernen zu können. Doch ist dieser Prozess nicht unmittelbar auf die Biokraftstoffherstellung übertragbar, die Monokulturen und kontrollierte Bedingungen bei gleichzeitiger Vermeidung einer Kontamination durch die Schadstofffracht erfordern.

Große Mengen Wasser sind notwendig, bei dem außerdem Anforderungen an verschiedene Parameter wie pH-Wert oder den Salzgehalt zu berücksichtigen sind, je nach gewählter Mikroalge. Einige Studien gehen von mehr als 3000 Liter Wasser für jeden erzeugte Liter Biokraftstoff aus. In Gegenden mit optimaler Sonneneinstrahlung und Temperatur stehen oftmals nur begrenzte Wasservorkommen zur Verfügung. Marine Mikroalgen können in Meerwasser kultiviert werden, doch birgt das die Gefahr, dass Konkurrenten, Räuber oder Krankheiten eingeschleppt werden.

Für ein maximales Mikroalgen-Wachstum sind größere Mengen an Kohlendioxid nötig. Das Problem: In der Luft liegt das Gas nur sehr verdünnt vor. Es muss angereichert oder in Form löslicher anorganischer Karbonate bereitgestellt werden. Mit der Photosynthese steigt der pH-Wert, der wiederum Einfluss auf die Verfügbarkeit des Kohlendioxids hat.

Auch die richtige Versorgung mit Licht ist eine Frage des Optimums. Algen haben im Laufe der Evolution die Fähigkeit erworben, Licht über einen breiten Spektralbereich ausnutzen zu können, was ihnen bei Bedingungen zugute kommt, die das Eindringen des Lichts in die Wassersäule behindern. Stehen die Algen zu dicht, wird das Wachstum der unteren Lagen eingeschränkt. Bekommen sie hingegen zu viel Licht, werden die Zellen beschädigt.

Eine andere Schwierigkeit: der nötige Kompromiss zwischen Algenwachstum und Lipidbildung. Letztere ist das Ziel, sie soll Ersteres nicht ausbremsen. Die mangelnde Kontrolle dieser Balance gilt als eins der größten Hemmnisse auf dem Weg zur Kommerzialisierung.

Es ist die Biochemie der Photosynthese selbst, die einer kommerziellen Erzeugung von Biokraftstoffen im Wege steht. Die Leistungsfähigkeit des Enzyms RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase) ist der gewichtigste Einzelfaktor, der die Grenzen der Produktivität bestimmt. Bild: Bernd Schröder, nach Daten der Protein Data Bank

Das Argument der Herstellung großer Mengen Biokraftstoffe auf kleinen Landflächen, die die Konkurrenz zur Landnutzung für die Nahrungsmittelproduktion oder Beeinträchtigungen der Biodiversität von vornherein ausschließen soll, ist ebenfalls löchrig. Es gilt zum Beispiel nicht für die Kultivierung heterotropher Mikroalgen, die mit Produkten aus dem landwirtschaftlichen Anbau von Monokulturen wie Zuckerrohr ernährt werden.

Und auch der Flächenbedarf zur Kultivierung photosynthetischer Mikroalgen ist beträchtlich. Der ergibt sich aus den durch die Effizienz der Photosynthese auferlegten Beschränkungen, die zu logistischen Problemen derjenigen Projekte führt, die das Kohlendioxid ihren Algen gleich in Werksnähe zuführen wollen. Denn einige Mikroalgen-Unternehmen zapfen mit ihren Algenkulturen den Rauchgas-Ausstoß großer Industriebetriebe der Stahl-, Zement- oder Energiebranche an. Hierzu gesellt sich ein weiteres Problem: Algen, die in einer Rauchgasatmosphäre gedeihen, sind nicht notgedrungen auch die, die den Erwartungen an die Lipidproduktion entsprechen.

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