SIEMENS

Zum Algen-Ex würden die Forscher der Universität Queensland in Australien wohl niemals greifen. Im Gegensatz zu manchem Teichgärtner sind sie stolz auf das tiefgrüne Wasser in ihren Freilandbecken. Schließlich tun die Algen hier nur Gutes. Via Photosynthese entfernen sie Kohlendioxid (CO₂) aus der Luft und produzieren dabei Biomasse: Öle, Fette und Proteine, die sich zu Biosprit, Tierfutter oder in Medikamenten umsetzen lassen. „Versorgt mit CO₂-reichen Kraftwerksabgasen könnten sie bis zu 120 Tonnen Kohlendioxid pro Hektar und Jahr binden“ sagt Dr. Manfred Baldauf, Chemiker bei Siemens Corporate Technology (CT) in Erlangen. Ein Wald in Mitteleuropa bringt es auf der gleichen Fläche auf gerade einmal zehn und selbst schnell wachsendes Chinaschilf nur auf rund 50 Tonnen des Treibhausgases. Nicht nur deshalb würden Algenfarmen vergleichsweise wenig Fläche für den Nahrungsmittelanbau blockieren. Denn sie können auch auf Brachflächen und künftig vielleicht sogar in Meeren oder Flüssen betrieben werden.

Siemens unterstützt die Freilandtests der australischen Wissenschaftler finanziell und entwickelt in einem Leuchtturmprojekt der CT neue Technologien für die algengestützte CO₂-Nutzung. Der Konzern prüft aber auch Alternativmethoden, etwa die Methan- und Methanolproduktion aus Kohlendioxid und Wasserstoff. Baldauf und sein Team haben ein großes Ziel vor Augen: aus dem Klimakiller CO₂ einen umweltfreundlichen Kassenknüller zu machen.

Welche Rolle Algen dabei spielen werden, wagt Baldauf noch nicht vorherzusagen. Sicher ist, dass ein Durchbruch nur mit effizienten Technologien gelingen kann. „Mit den heute verfügbaren Verfahren würde sogar mehr CO₂ freigesetzt als gebunden“, erklärt er. Schuld daran sind neben dem Betrieb des Bioreaktors vor allem die Prozessschritte Ernte und Trocknung, die immense Mengen Energie verschlingen. Abhilfe ist jedoch in Sicht: Die Siemens-Forscher arbeiten an zwei besonders effizienten Erntetechnologien.

Üblicherweise werden heute die Algen abzentrifugiert oder durch eine Filtration abgetrennt. „Energiesparender ist die so genannte Elektroporation“, verrät Baldauf. Dabei sorgen Elektroden im Algenwasser für eine hochfrequente Wechselspannung und zerstören Strukturen, die die Algen normalerweise im Wasser schweben lassen. Die grünen Mehrzeller sinken dann zu Boden und das Wasser darüber wird in den Reaktor zurückgepumpt. „Wir untersuchen außerdem, ob durch die gepulsten elektrischen Felder auch die Zellwände der Algen aufbrechen“, sagt der Forscher. Das wäre eine erwünschte Nebenwirkung, denn dann könnten die Öle, die man etwa für die Biospritproduktion braucht, leichter extrahiert werden.

Neue Ernteverfahren. Bei einer weiteren Methode der Algenernte mischen die Siemens-Forscher mikrometerkleine Magnetit-Teilchen unter die Algen und schicken das so präparierte Algenwasser über eine rotierende Magnettrommel. Die Magnetit-Partikel bleiben an den Algen und beide zusammen am Magneten hängen. „Dann müssen die Algen allerdings wieder von den Teilchen befreit werden. Wie das am besten geht, versuchen wir gerade herauszufinden“, berichtet Baldauf. Nicht jede Alge eignet sich zudem für jedes Ernteverfahren. Um geeignete Spezies zu finden, arbeiten die Forscher mit Wissenschaftlern der Universität Bielefeld zusammen.

Als weiterer Partner entwickelt das Karlsruher Institut für Technologie verschiedene Bioreaktoren, um die Kosten für die Algenzucht zu senken. Auch Fabriken oder Kraftwerke, die in der Nähe einer Algenfarm liegen, könnten die Ökologie und Ökonomie des CO₂-Recyclings verbessern: mit den CO₂-haltigen Abgasen und der Abwärme, die beim Trocknen hilft und in kalten Monaten für das nötige „Wohlfühlklima“ sorgt. Algen gedeihen am besten bei Temperaturen zwischen 20 und 30 Grad Celsius.

Bei den Endprodukten der grünen CO₂-Verwertung setzen die Siemens-Forscher auf Biosprit oder Tierfutter. Man könnte sogar beides parallel produzieren: den Biosprit aus den Algenölen und die Futtermittel aus den Resten. Wirtschaftlich lassen sich schon heute Nahrungsergänzungsmittel, Pharmaka oder Kosmetika aus Algenbestandteilen herstellen, denn sie können zu weit höheren Preisen verkauft werden als der Biodiesel an der Tankstelle. „Die Produktmengen sind aber viel zu klein, um signifikante Mengen CO₂ zu binden“, moniert der Chemiker.

Im Projekt untersuchen die Forscher außerdem, ob und wie sich eine hydrothermale Carbonisierung der Biomasse effizient erreichen lässt. Dabei wird die Algenernte mit Wasser in einem geschlossenen Gefäß auf fast zweihundert Grad erhitzt. Es entsteht unter anderem elementarer Kohlenstoff, der zum Beispiel als Aktivkohle zur Abwasserreinigung eingesetzt oder schlicht deponiert werden kann. „Der große Vorteil ist, dass CO₂ dann langfristig aus dem Verkehr gezogen wäre“, meint Baldauf.

Auch jenseits des Leuchtturmprojekts haben CT-Forscher ein CO₂-Recycling durch Algen fest im Visier. Prof. Maximilian Fleischer arbeitet – unterstützt vom Gentechnik-Experten und CTO des Siemens-Sektors Healthcare, Cord Stähler – unter anderem an genetisch veränderten Algenzellen. Das klare Ziel: Die Superzellen sollen den Biokraftstoff Ethanol produzieren. Die als Cyanobakterien bezeichneten Blaualgen etwa verwandeln CO₂ durch Photosynthese vor allem in Zucker. Ein zusätzliches Gen könnte dafür sorgen, dass aus dem süßen Zucker noch in der Algenzelle Ethanol entsteht. „Wir wollen damit mittelfristig Gesamtwirkungsgrade zwischen 15 und 20 Prozent erreichen“, meint Stähler.

Häuser werden zu Bäumen. Ähnliche Wirkungsgrade streben die Forscher auch für ein zweites Projekt an: die künstliche Photosynthese. Dabei reagiert CO₂ aus der Luft mit Wasser, Sonnenlicht und einem geeigneten Katalysator chemisch zu Methanol und Sauerstoff. „Methanol kann dann zum Beispiel in einer Brennstoffzelle zur Strom- und Wärmeproduktion genutzt werden“, berichtet Fleischer. Die Vision: Mit Wasser gefüllte Reaktormodule – zur Sonne durch Glas geschützt und auf der Rückseite mit einer CO₂-durchlässigen Membran versehen – könnten ganze Gebäudefassaden bekleiden und Häuser quasi zu Bäumen werden lassen.

Bis allerdings mit Photosynthese-Strategien nennenswerte CO₂-Mengen gebändigt werden, hat eine andere Technologie den Durchbruch vielleicht schon geschafft. „Die Methanol- oder Methanproduktion aus CO₂ und Wasserstoff, der etwa mit Hilfe von Wind- oder Sonnenstrom erzeugt werden kann, ist bereits heute technisch umsetzbar“, sagt Baldauf.

Das Stuttgarter Startup-Unternehmen SolarFuel will 2013 eine erste Anlage beim Autohersteller Audi in Betrieb nehmen. Siemens entwickelt derzeit einen besonders effizienten und dynamischen Elektrolyseur zur Wasserstoffproduktion (S.100). Mit solch „grünem“ Wasserstoff und dem CO₂ möchte der Chemiekonzern und Projektpartner Bayer dann Polyurethan herstellen, einen wichtigen Rohstoff für Schaumstoffe und Lacke.

Ob die CO₂-Metamorphose zum wertvollen Rohstoff für Massenprodukte wirklich gelingt, ist heute noch nicht ganz klar. Doch die positiven Anzeichen häufen sich. So gibt es auch für Algenprodukte aus Kohlendioxid schon erste potenzielle Abnehmer. Baldauf zufolge haben unter anderem das Luftfahrtunternehmen EADS, Fluggesellschaften, der Mineralölproduzent Neste Oil und Viehzüchter ihr Interesse bereits bekundet.