BG2Algae

In Deutschland sind derzeit rund 9600 Biogasanlagen in Betrieb, von denen etwa 90% mit Blockheizkraftwerken (BHKW) gekoppelt sind. Diese ermöglichen eine effiziente Nutzung des erzeugten Biogases zur gleichzeitigen Strom- und Wärmeerzeugung. Dabei entstehende Nebenströme wie CO₂, Abwärme und nährstoffreiche Gärrückstände bleiben jedoch häufig ungenutzt. Durch Kopplung mit algenbiotechnologischen Verfahren können diese Ressourcen für die Erschließung neuer Produkte genutzt und Treibhausgasemissionen reduziert werden. Mikroalgen können das anfallende CO₂ als C-Quelle für ihr Wachstum nutzen und mit Hilfe der überschüssigen Wärme aus dem BHKW ganzjährig kultiviert werden. Die dabei entstehende Biomasse, die reich an Proteinen, ungesättigte Fettsäuren, Vitaminen, Mineralstoffen und Antioxidantien ist, kann als Futtermittel in der Tierhaltung oder als Phytostimulans und Düngemittel im Pflanzenanbau vermarktet werden.

Zum Zeitpunkt des Projektbeginns war nach Kenntnisstand der Projektpartner die technische und betriebliche Integration einer Mikroalgenproduktion in einen bestehenden landwirtschaftlichen Betrieb mit Biogasanlage in der Praxis nicht etabliert. Eine Recherche in der Patentdatenbank DEPATISnet ergab keine relevanten Schutzrechte, die eine wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse einschränken würden.

Ziel des Verbundprojekts zwischen dem landwirtschaftlichen Betrieb Ulrich Iffert und dem Kompetenzzentrum Algenbiotechnologie der Hochschule Anhalt war die Entwicklung und Erprobung eines innovativen Nutzungskonzepts: Durch den Einbau von einfachen Kultivierungssystemen für Mikroalgen in leerstehende Stallgebäude sollte ein umweltfreundliches Bewirtschaftungsverfahren etabliert werden, das ungenutzte Stoff- und Energieströme einer thermophilen NaWaRo-Biogasanlage mit gekoppelter Strom-Wärmeerzeugung verwertet.

Zu diesem Zweck sollten in den Bestandsgebäuden einer ehemaligen Hühnerzuchtanlage mehrere kleinere sowie zwei 90 m³ Open Pond Systeme einschließlich Separations- und Trocknungsanlage errichtet werden, die die Anzucht, Produktion, Ernte und Trocknung hochwertiger Algenbiomasse ermöglichen. Die existierende Biogasanlage liefert neben CO₂ auch Abwärme für eine temperierte Algenkultivierung.

Durch die gezielte Umnutzung der vorhandenen Bausubstanz wird ein Neubau vermieden und der Altbestand einer sinnvollen Folge­nutzung zugeführt: der witterungsunabhängigen Produktion hochwertiger Algenbiomasse. Die produzierte Biomasse sollte durch Trocknung und Pelletierung zu einem Futterzuschlagstoff für Pferdefutter verarbeitet werden, um eine zusätzliche Wertschöpfung im landwirtschaftlichen Betrieb zu generieren. Für alle Prozessschritte standen überschüssiger Strom und Wärme aus dem BHKW zur Verfügung.

Bislang fehlen praxistaugliche Informationen für Biogasanlagenbetreiber, die dabei helfen, tragfähige Konzepte zur wirtschaftlichen Nutzung von Algenbiomasse zu entwickeln. Auf Grundlage der Projektergebnisse sollte daher auch ein anwendungsorientierter Leitfaden zur Algenkultivierung und Biomasseverarbeitung einschließlich Analytik erstellt werden.

Zur Umsetzung des Projektes wurde in einen bestehenden landwirtschaftlichen Betrieb mit Biogasanlage und gekoppelter Strom- und Wärmeerzeugung (BHKW) ein Algenkultivierungssystem mit Separations- & Trocknungsanlage integriert (Abbildung 1). Folgende Teilschritte wurden realisiert:

1. Errichtung des Algenkultivierungssystems (Raceway-Pond) mit Separations- & Trocknungsanlage
2. Kopplung an die bestehende Biogasanlage mit BHKW und Wärmetauscher
3. Erprobung des Systems zur Sequestrierung von CO₂, Wärmeemissionen und Gärrest
4. Testung und Etablierung der Algenproduktion für die Futtermittelproduktion
5. empirische Untersuchungen der Algenbiomasse- und Substratzusammensetzung
6. Bilanzierung der Stoff- und Energieströme und der Wirtschaftlichkeit unter Real-Betrieb

Life-Cycle-Analysen der Kopplung von Biogasanlage und Algenkultivierungssystem zur Produktion von Futter- und Düngemitteln sowie des damit verbundenen Rohstoffaufwandes

Die im Projekt erzielten Ergebnisse sind in Teil II des Abschlussberichtes beschrieben und umfassen:

• Umbau alter Stallungen und Errichtung der Kultivierungssysteme (Versuchsstall: 3 Vorkulturponds à 2.000 L, 1 Inokulatpond 20.000 L; Produktionsstall: Vorbereitung zur Errichtung von 2 Produktionsponds à 90.000 L),
• Auswahl eines geeigneten Algenstammes (Arthrospira platensis) durch Analyse der Biomassezusammensetzung (elementare Zusammensetzung, Pigmentgehalt, Lipidgehalt),
• Optimierung der Kultivierungsbedingungen durch Adaption des Nährmediums, Gärrestuntersuchungen, CO₂-Verwertung,
• Auswahl einer geeigneten Ernte-, Separations- und Trocknungsstrategie durch Auswahl eines geeigneten Filtermaterials,
• Schulung des Personals im landwirtschaftlichen Betrieb hinsichtlich Medienherstellung, Anzucht der Algen, täglicher Beprobung, Erntezeitpunkt und Troubleshooting,
• Produktentwicklung/Entwicklung einer Futtermittelrezeptur mit Schadstoffanalyse (Schwermetalle) und mikrobiologischer Analyse der erzeugten Biomasse,
• Prozessoptimierung hinsichtlich Vorkulturbereitstellung und Einhaltung der Wasserqualität,

Technologietransfer durch Erstellung eines anwendungsorientierten Leitfadens zur Etablierung einer Mikroalgenkultivierung im landwirtschaftlichen Betrieb.