BRANKA MANUELA (AT)
BRANKA MANUELA (AT)
WO2007025145A2 | 2007-03-01 |
JPH09276648A | 1997-10-28 | |||
JPH03154616A | 1991-07-02 |
SANJAY NAGARKAR ET AL: "Cyanobacteria-dominated biofilms: a high quality food resource for intertidal grazers", HYDROBIOLOGIA, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, DO, vol. 512, no. 1-3, 1 January 2004 (2004-01-01), pages 89 - 95, XP019244620, ISSN: 1573-5117
Ansprüche: 1) Verfahren zur Fixierung von Kohlenstoff und zur Energieerzeugung, umfassend die Schritte: - Herstellung von aquatischer Biomasse mittels CO2 und Sonnenlicht - Verbrennung der aquatischen Biomasse. 2) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aquatische Biomasse im Meer und/oder in Zuchtbecken hergestellt wird. 3) Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aquatische Biomasse aus der Gruppe bestehend aus Bakterien, Algen, Plankton, Pilzen, Gräsern und Mischungen daraus ausgewählt ist. 4) Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Bakterien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus E-Coli-Bakterien und Cyanobakterien eingesetzt werden. 5) Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bakterien über Einschleusung eines Plasmids gentechnisch verändert wurden. 6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bakterien über das Plasmid Chlorophyll erzeugen. 7) Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Biomasse vor der Verbrennung chemische Grundstoffe und/oder Feinchemikalien gewonnen werden. 8) Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Grundstoffe bzw. Feinchemikalien aus der Gruppe bestehend aus Zucker, Biodiesel, Wasserstoff, Ethanol, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen ausgewählt sind. 9) Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt der Verbrennung der Biomasse eine Trocknung oder Vortrocknung der Biomasse durchgeführt wird. 10) Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trocknung oder Vortrocknung der Biomasse die Abwärme des Verbrennungsvorganges verwendet wird. 11) Verfaliren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung in einem Kraftwerk mit einer Leistung von 0,1 kW bis 100.000 MW erfolgt. 12) Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung in einer mit Sauerstoff angereicherten Atmosphäre durchgeführt wird. 13) Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas der Verbrennung in die aquatische Biomasse eingeleitet wird, um das Wachstum derselben durch Temperatur und CO2-Düngung zu steigern. 14) Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung katalytisch erfolgt. 15) Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aquatische Biomasse zwischen 0,1 und 100% in Co-Feuerung zu konventionellen Brennstoffen wie Erdöl, Öl, Gas oder Kohle eingesetzt wird. |
Stand der Technik
80-90% der weltweiten Primärenergie werden über Verbrennung erzeugt [I]. Ein Großteil der Energieträger ist fossilen Ursprungs. Auch ein großer Teil der chemischen Grundstoffe werden aus fossilen Rohstoffen erzeugt, etwa CO, HCHO, H 2 , CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 2 H 3 , C 3 H 6 , HCOOH, Ethanol oder Ethylenoxid. Steigende Preise (Verknappung von Erdöl) und ein verstärktes Umweltbewusstsein (globale Erwärmung) haben der Energiegewinnung aus Biomasse in den letzten Jahren starken Auftrieb verliehen. Das Spektrum an verfügbaren Technologien ist hier sehr breit; Neben der direkten Verfeuerung von Abfallen aus der Landwirtschaft werden auch gezielt sog. „Energy Crops" angebaut, aus denen Brennstoffe gewonnen werden können.
Die aus Biomasse gewonnenen Brennstoffe sind fest (z.B. Holzpellets), flüssig (z.B. Bio- Ethanol, Bio-Butanol) oder gasförmig (Biogas). Die Verfahren zur Umwandlung von Biomasse in flüssige oder gasförmige Brennstoffe sind chemischer Natur (z.B. Vergasung von Biomasse in Wirbelschichtanlagen), physikalischer Natur (z.B. Auspressen von Ölsamen) oder biologischer Natur (z.B. anaerobe Gärung). Die Energieausbeute bei der direkten Verbrennung ist zumeist am besten. Durch Kraft- Wärme Kopplung kann der Wirkungsgrad gesteigert werden. Energie aus Biomasse ist generell umweltfreundlich, allerdings muss die gesamte Kette betrachtet werden. So ist beispielsweise Methan um ein Vielfaches klimawirksamer als Kohlendioxid. Dadurch können Leckagen bei einer Biogasanlage, die zur Freisetzung von Methan führen, eine Biogasanlage dazu bringen, stärker zum Global Warnung beizutragen als beispielsweise ein Ergaskraftwerk.
Ein relativ neuer Zweig ist die Energiegewinnung aus Biomasse, welche im Meer erzeugt bzw. geerntet werden kann, sogenannte aquatische Biomasse. So lässt sich aus Algen Biodiesel gewinnen.
Aquatische Biomasse ist aus folgenden Gründen vorteilhaft:
- keine Konkurrenz zu Lebensmitteln, wie dies etwa bei Energy Crops der Fall ist
- hohe Effizienz
- Algen sind sehr genügsam und benötigen keine spezielle Düngung.
Auf dem Gebiet der Energiegewinnung aus aquatischer Biomasse durch Gewinnung energiereicher Verbindungen wie etwa Biodiesel sind weltweit eine große Anzahl von Forschungsinstituten und Firmen tätig. Es ist bekannt, dass Algen im Meer zur Gewinnung von Biodiesel [2] und zur CO 2 -Fixierung [3] eingesetzt werden können, siehe auch Patentschrift [8].
Die DE 2 74 36 18 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von Kraftstoffen aus Pflanzen, Algen, Bakterien und Pilzen. CN 101033405 beschreibt die Pyrolyse von Algen zur Gewinnung von festen und flüssigen Kraftstoffen. WO2007128800 beschreibt ein Verfahren, Biomasse in flüssige Brennstoffe und in Chemikalien umzuwandeln.
Die Effizienz der Kohlenstoff-Fixierung in energiereichen Verbindungen durch Algen ist höher als bei konventioneller Biomasse (am Festland). Daher wird Verfahren, welche Biodiesel aus Algen gewinnen, großes Potential zugesprochen als Verfahren der dritten Generation. Es kann davon ausgegangen werden, dass Verbrennungsprozesse noch einige Jahrzehnte die dominierende Energiequelle sein werden [7].
Die Umwandlung von aquatischer Biomasse in beispielsweise Biodiesel oder die Verpressung zu Ölen sind aber sehr aufwändige Prozesse, bei denen nicht der gesamte Energieinhalt des Rohstoffs genutzt wird.
Hintergrund ist, dass die gewonnenen Treibstoffe (Öle, Biodiesel) einen hohen Energieinhalt pro dm 3 haben und sich daher zur Energiespeicherung und Freisetzung in mobilen Anwendungen eignen.
Die Energiegewinnung in großen, stationären, kalorischen Kraftwerken erfolgt traditionell durch fossile Brennstoffe. Teilweise wird auch Biomasse (Feststoffe) verfeuert, meistens in Co-Feuerung. Eine Verbrennung von nicht am Festland gewonnener Biomasse in Kraftwerken hat bisher keine Beachtung gefunden.
Offenlegung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung von Kohlenstoff und Energieerzeugung, umfassend die Schritte:
- Herstellung von aquatischer Biomasse mittels CO 2 und Sonnenlicht
- Verbrennung der aquatischen Biomasse
Unter aquatischer Biomasse wird erfindungsgemäß Biomasse verstanden, die in Gewässern gezüchtet, hergestellt, oder gewonnen werden kann. Dazu zählen beispielsweise Algen, Pilze und Bakterien. Unter Energieerzeugung wird erfindungsgemäß die Produktion von Wärme und/oder Kraft, beispielsweise Elektrizität, verstanden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt ein Plasmid für die gentechnische Modifizierung von Bakterien. Figur 2 zeigt das Schema des Verfahrens zur Energieerzeugung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Überlegung, anstelle einer aufwändigen Gewinnung von Brennstoffen aus Biomasse aus einfach und günstig zu gewinnender Biomasse, nämlich aquatischer Biomasse, durch direkte Verbrennung Energie zu erzeugen.
Unter „aquatischer Biomasse" ist im Sinne dieser Erfindung Biomasse zu verstehen, welche in Wasser entstanden ist oder hergestellt wurde. Unter "Wasser" sind hier Reaktoren, Becken, Seen, marine Gewässer wie Meere, und Flüsse verschiedenster Größe zu verstehen, und zwar sowohl mit Salzwasser als auch mit Süßwasser.
Die aquatische Biomasse kann pflanzlich oder tierisch sein. Insbesondere hat sich gezeigt, dass Algen, Plankton (Phytoplankton, Zooplankton), Gräser, Pilze und Bakterien vorteilhafte Biomasse sind. Bei der aquatischen Biomasse kann es sich um natürlich vorkommende Biomasse oder Designerorganismen (also gentechnisch veränderte) Organismen handeln, sowie jedes Gemenge daraus.
Bevorzugt werden als aquatische Biomasse Bakterien eingesetzt.
Bakterien wachsen viel schneller als Algen, daher sind sie prädestiniert zur Fixierung von Kohlenstoff aus CO 2 . Die so gewonnene Biomasse kann anschließend erfindungsgemäß zur umweltfreundlichen und effizienten Energiegewinnung durch Verbrennung eingesetzt werden.
Die Bakterien sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus E-Coli-Bakterien und Cyanobakterien. Weitere einsetzbare Bakterien sind jene der Gruppen Chlamydiae, Chlorobi, Planctomycetes, Proteobacteria, Firmicutes und Spirochaetes.
Die bevorzugt eingesetzten Bakterien sind dadurch gekennzeichnet, dass sie in Wasser leben und möglichst anspruchslos sind.
Einige dieser Bakterien sind phototroph, also zur Photosynthese fähig, etwa die Cyanobakterien. Andere Mechanismen zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht sind auch möglich.
In einer vorteilhaften Ausführung dieses Patents werden Cyanobakterien (auch Blaualgen genannt) eingesetzt. Es können „reine" Cyanobakterien verwendet werden, aber auch Organismen, welche Cyanobakterien in Blatthöhlungen, Knöllchen, etc., besitzen, wie etwa Algenfarne (Azolla).
Die eingesetzten Bakterien können zum Beispiel über Einschleusung eines Plasmids genetisch modifiziert sein.
In einer vorteilhaften Ausführung werden Cyanobaktieren und E-CoIi Bakterien mit speziellen Plasmiden eingesetzt. Ein Plasmid ist ein typischerweise zirkuläres DNA-Molekül, welches in den Bakterienzellen vorkommt, aber nicht zum Bakterienchromosom zählt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Chlorophyllbzw. Chlorophyll-Gen- tragendes Plasmid bzw. ein Plasmid, welches Chlorophyll produziert, in die Bakterien (Blaualgen oder E-CoIi) eingeschleust. Durch die bekannte, sehr effiziente Proteinsyntheseleistung der E-CoIi Bakterien wird eine Anreicherung des Cholorophyll- Proteins erreicht.
Das Bakterium produziert nun sehr rasch und effizient Chlorophyll. Dieses Chlorophyll produziert unter Einwirkung von Sonnenlicht nun Zucker und/oder andere organische, energiereiche Stoffe (Kohlenhydrate, Öle, etc.).
Durch die Bakterien wird so eine bessere Ausnützung der Sonnenenergie gegenüber normalen Pflanzen erzielt.
Speziell diese gentechnisch veränderten Bakterien, wie unten beschrieben, weisen folgenden Vorteil auf: Im Gegensatz zu Pflanzen (Energy Crops, Algen, etc.), welche nur so viel Chlorophyll produzieren, wie sie zur Herstellung des für sie nötigen Zuckers benötigen, kann mit diesen Bakterien signifikant schnelleres Wachstum erzielt werden. Dadurch wächst pro Zeit- und Flächeneinheit mehr Biomasse aus Bakterien als aus Algen oder sonstigen Pflanzen.
Alternativ zu oder zusammen mit den Bakterien können als aquatische Biomasse Algen, Pilze oder andere Organismen eingesetzt werden.
Besonders geeignet sind dabei Algen aus der Gruppe bestehend aus Grünalgen, Rotalgen, Braunalgen, Kieselalgen, Goldalgen, gelbgrüne Algen, Glaucophyta, Haptophyta, Schlundgeißler, Euglenozoa, Dinozoa, Raphidophyceae, Chlorarachniophyta und Picobiliphyta. Picobiliphyta ist besonders vorteilhaft, da närstoffarmes Meerwasser zur Zucht ausreicht.
Auch die erfindungsgemäß eingesetzten Algen können genetisch modifiziert sein.
Aus der aquatischen Biomasse können vor der Verbrennung chemische Grundstoffe und/oder Feinchemikalien gewonnen werden. Die chemischen Grundstoffe bzw. Feinchemikalien sind bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Zucker, Biodiesel, Wasserstoff, Ethanol, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen ausgewählt.
Vor dem Schritt der Verbrennung der Biomasse kann bevorzugt eine Trocknung oder Vortrocknung der Biomasse durchgeführt werden.
Zur Trocknung oder Vortrocknung der Biomasse kann bevorzugt die Abwärme des Verbrennungsvorganges verwendet werden. Von Trocknung wird im Sinne dieser Erfindung gesprochen, wenn nur ein Schritt involviert ist. Falls zumindest ein zweiter Schritt der Trocknung folgt, wird der erste Schritt bzw. die ersten Schritte als "Vortrocknung" bezeichnet.
Weitere bevorzugte Ausfuhrungsformen sind in den Unteransprüchen angeführt.
Im Folgenden wird die Erfindung schrittweise näher anhand der bevorzugten Verwendung von Bakterien erläutert:
Schritt 1: Fixierung von Kohlenstoff durch im Wasser lebende Organismen wie etwa Bakterien unter Einwirkung von Sonnenlicht. Produktion von aquatischer Biomasse
In Schritt 1 wird Kohlenstoff in aquatischer Biomasse fixiert. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Kohlenstoff aus CO 2 in Bakterien fixiert.
Gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden modifizierte Blaualgen oder E-CoIi Bakterien zur Fixierung von Kohlenstoff eingesetzt.
Die Entwicklungsschritte und Einfülirungstechnik von Plasmiden sind den aktuellen Current protocols [4] zu entnehmen (Standardverfahren der
Mikrobiologie/Molekulargenetik/chemischen Analyse). Kurz zusammengefasst enthält das benötigte Plasmid in einer vorteilhaften Ausführungsform folgende Teile: Zum ersten einen für Bakterien geeigneten Promotor, alle Exons des Cholorophyllgens mit PoIy-A tail und eine entsprechende Codierung einer Antibiotikumresistenz zur Selektion der plasmidtragenden E. coli bzw. Blaualgen. Für eine Übersicht siehe Figur 1 (exemplarisches Beispiel).
Die Abkürzung "Amp" in Figur 1 bedeutet Ampillizin-Resistenz
Details finden sich auch in Patentschrift [9].
Die Blaualgen und/oder E-CoIi Bakterien können in der freien Natur oder einem geeigneten Zuchtbecken gehalten werden.
Das Zuchtbecken sollte so beschaffen sein, dass die Temperatur zwischen 10 und 60°C (vorteilhaft ist 37°C), der pH-Wert zwischen 3 und 11 (vorteilhaft ist etwa 8), der NaCl-Gehalt 0-5% (vorteilhaft ist 0,9%) liegt bzw. eingestellt werden kann.
Zur Aufzucht vor der Aussetzung hat sich folgende Nährlösung bewährt:
Casein 10g
Hefeextrakt 5 g
NaCl 5 g
NH 4 Cl i g
KH 2 PO 4 *2H 2 O 3 g
Na 2 HPO 4 *2H 2 O 6 g
H 2 O 90Og-IOOOg
Glukose 4-4Og
MgSO 4 *7H 2 O 24,65 g -246,5 g
Auch andere Nährlösungen sind möglich. Das Zuchtbecken kann demnach Süßwasser, Salzwasser (Meerwasser) oder eine Mischung daraus enthalten. Um das Wachstum zu beschleunigen, kann CO 2 bzw. ein CO 2 enthaltendes Gas durch das Medium des Zuchtbeckens geleitet werden. Dies ist auch vorteilhaft, um den entstehenden Sauerstoff auszutreiben. Es ist möglich, dem Zuchtbecken bzw. dem Wachstumsraum der Organismen Abgase oder CO 2 aus dem nachfolgenden Verbrennungsprozess zuzuführen.
Der Gehalt an Bakterien im Zuchtbecken kann von 0,001 bis 98% (Masse) liegen.
Das Plasmid produziert durch Ablesung Chlorophyll. Dieses Chlorophyll befindet sich nun im Bakterium, wo es unter Sonneneinstrahlung z.B. Zucker produziert; Dieser Zucker und/oder andere organische, energiereiche Verbindungen werden im Bakterium angereichert. Diese Anreicherung kann so lange betrieben werden, bis das Bakterium daran stirbt. Durch saure Gärung kann das Bakterium den Zucker auch zu Ethanol umwandeln. Es ist auch möglich, Wasserstoff freizusetzen, wie dies bereits für das Bakterium Clostridium tyrobutyricum JMl gezeigt wurde [5].
Die energiereichen Verbindungen können nun aus dem Zuchtbecken abgezogen werden, entweder wenn sie sich im Bakterium oder in der Lösung außerhalb befinden.
Die Bakterien vermehren sich durch Zellteilung mit einer Verdoppelungsrate von 10 Minuten bis 10 Stunden, typischerweise 3 Stunden.
Es ist möglich, im Zuchtbecken nur Blaualgen oder E-CoIi Bakterien zu halten. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform befinden sich weitere Organismen in diesem Zuchtbecken, die auf biologischem Weg andere energiereiche Verbindungen aus den Stoffwechselprodukten der Blaualgen bzw. E-CoIi Bakterien herstellen, wie z.B. H 2 , Ethanol, Methanol, CO, HCHO, CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 2 H 4 , C 3 H 6 , HCOOH, Ester oder Lipide.
Auch ist es möglich, die E-CoIi Bakterien oder Blaualgen so über Plasmide zu modifizieren, dass diese nicht nur Chlorophyll erzeugen, sondern auch gezielt Stoffwechselprodukte in der gewünschten Ausbeute und/oder Selektivität.
Das kann über ein gemeinsames, aber auch über zwei oder mehrere verschiedene Plasmide erreicht werden.
Es ist auch möglich, mittels einem oder mehrerer geeigneter Plasmide Kohlenwasserstoffe wie Öle oder Biodiesel in Bakterien wie E-CoIi oder Blaualgen zu erzeugen. Letztendlich aber besteht der Zweck des erfϊndungsgemäßen Verfahrens in der Verbrennung der gewonnenen Biomasse. Davor können optional kleine Moleküle, die hier als chemische Grundstoffe bezeichnet werden, gewonnen werden. Dazu zählen z.B. H 2 , CO und CH 4 , aber auch C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 3 H 6 , HCHO und andere.
Wie in Figur 2 gezeigt ist, können bei der Produktion bereits chemische Grundstoffe wie H 2 , CO und oder CH 4 freigesetzt und abgezogen werden.
Im Sinne dieser Erfindung sind 2 Wege möglich:
a) Produktion von aquatischer Biomasse auf „natürliche Weise" durch Sonnenlicht und/oder b) Produktion von aquatischer Biomasse durch anthropogenen Einfluss und Unterstützung.
Mit a) ist beispielsweise die Ernte von natürlich in Gewässern vorkommenden Organismen gemeint.
Schritt 2: Abtrennung der bakteriellen Biomasse
Die Bakterien können durch verschiedene Verfahren von der wässrigen Zuchtlösung getrennt werden (Einsammeln, Ernten). Bewährt haben sich Zentrifugieren, Fällen, Flocken oder Aussalzen, Filtern, Filtrieren, Sieben, Pressen, Flotation. Der Wassergehalt kann zwischen 0,1 und 99% liegen. In den meisten Fällen liegt die gewonnene Biomasse als Suspension bzw. "Slurry" vor.
Bei der Abtrennung können, ebenso wie in Schritt 1, chemische Grundstoffe freigesetzt werden, die abgezogen und verwertet werden können, beispielsweise H 2 , CO und/oder CH 4 .
Schritt 3: Aufbereitung
Dieser Schritt ist optional. Es können durch diverse Prozesse nach dem Stand der Technik eine oder mehrere Stoffe abgetrennt oder die Biomasse bzw. ein Teil davon umgewandelt werden.
Möglich ist z.B. die Gärung oder Fermentation. Biogas, Wasserstoff, etc., können so gewonnen werden. Zweck der Aufbereitung ist die Gewinnung von gasförmigen, festen oder flüssigen Stoffen, die nicht direkt der Verbrennung zugeführt werden. Der Rest der aquatischen Biomasse gelangt zu Schritt 4. Die Verweilzeit der aquatischen Biomasse in Schritt 3 kann bis zu 2000 Stunden betragen.
Schritt 4: Trocknung/Vortrocknung
Die bakterielle Biomasse kann unter anderem folgendermaßen getrocknet bzw. vorgetrocknet werden:
• Durch Einwirkung von Sonnenlicht
• Durch Nutzen der Abwärme aus einem Verbrennungsprozess.
Ersteres ist für Klärschlamm bereits bekannt (Kalogeo-Verfahren) [6]
Unter Trocknung wird die Entfeuchtung verstanden, d.h. die gänzliche oder teilweise Abtrennung von Wasser.
In Schritt 4 erfolgt bevorzugt zunächst eine Vortrocknung oder Trocknung der Biomasse. Gleichzeitig oder anstatt kann die Temperatur des Slurry aus aquatischer Biomasse und dessen Druck erhöht werden.
Die Energie zur Vortrocknung oder Trocknung kann aus einer oder mehreren der folgenden Quellen stammen:
- Sonnenenergie
- Nutzung der Abwärme aus dem Verbrennungsprozess
- Nutzung geothemischer Energie
Die Trocknung oder Vortrocknung kann auch durch Entwässerung durch Anlegen von Unterdruck oder durch ein anderes geeignetes Verfahren, etwa eine Membrantechnologie erfolgen.
Nach der Trocknung bzw. Vortrocknung kann die Biomasse gelagert werden. Der Feuchtegehalt beträgt 0,1 bis 99%. Im Falle eines immer noch hohen oder unveränderten Feuchtegehalts werden lediglich Temperatur und/oder Druck des Slurries erhöht.
Der Slurry aus Biomasse und Wasser (Nährlösung, Süßwasser, Salzwasser o. ä.) kann im Trocknungsschritt gleichzeitig auf erhöhte Temperatur und erhöhten Druck gebracht werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden diese Schritte kombiniert. Schritt 5: Pyrolyse, Vergasung
Durch Pyrolyse oder Vergasung (optional) kann ein Teil der aquatischen Biomasse zu gasförmigen Produkten (z.B. CO, H 2 , CH 4 ) umgesetzt und abgezogen werden. Nach dem Stand der Technik ist das Verfahren der „Polygeneration" bekannt. Entscheidend ist, dass ein fester oder flüssiger Rest an aquatischer Biomasse verbleibt, der Schritt 7 zugeführt wird.
Es ist auch möglich, Kohlenstoff abzuscheiden. Dieser kann in der chemischen Industrie eingesetzt werden oder aber auch eingelagert werden.
Schritt 6: Mechanische Aufbereitung
Im nächsten Schritt, welcher ebenfalls optional ist, kann die Biomasse zu Pellets, Barren oder Pulver gepresst oder gemahlen werden. Auch eine Sprühtrocknung ist möglich. Es ist möglich, diverse Zuschlagstoffe hinzuzufügen, um die Pressung zu hantierbarem Stückgut zu ermöglichen.
Schritt 7: Verbrennung
Die Verbrennung der aquatischen Biomasse in einem Kraftwerk, also einer Einrichtung zur Energiegewinnung (Wärme und/oder Kraft wie Elektrizität), ist der wesentliche Schritt der vorliegenden Erfindung.
Es gelangt dabei, nicht wie im Stand der Technik bekannt, nur eine einzelne aus Biomasse gewonnene gasförmige oder flüssige Komponente zur thermischen Verwertung, sondern Biomasse selbst (ggf. in abgereichter Form nach Abzug von z.B. CO, H 2 oder CH 4 , siehe oben).
Die thermische Verwertung erfolgt hierbei von der nach den Schritten 1 bis 6 behandelten Biomasse.
Auch eine katalytische Verbrennung der Biomasse ist möglich. Hierbei kann die Biomasse feucht oder auch gar nicht getrocknet sein.
Ebenso ist die Verbrennung in einer mit Sauerstoff angereicherten Atmosphäre sowie die Verbrennung bei hohen bzw. tiefen Temperaturen möglich („Wet combustion", siehe beispielsweise [10]). Die Verbrennung erfolgt bevorzugt durch Einbringung der Biomasse in ein hierfür vorgesehenes Kraftwerk der Größe 0,1 kW bis 100.000 MW. Dieses Kraftwerk kann kontinuierlich betrieben werden. Dabei kann die aquatische Biomasse als alleiniger Brennstoff, aber auch als Co-Feuerung verbrannt werden. Eine typische, geeignete Technologie ist die Wirbelschichtverbrennung oder die Rostfeuerung.
Die Biomasse kann, je nach Feuchtegehalt, auf unterschiedliche Art eingebracht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Erfindung erfolgt dies durch:
- Einblasen von Staub (Korngröße etwa 1 nm bis 10 mm). Das ist typischerweise bei Feuchtegehalten von 0, 1 bis 10% möglich.
- Einbringen von Stückgut (Korngröße etwa 1 mm bis 10 cm). Das ist typischerweise bei Feuchtegehalten von 5 bis 50% möglich.
- Einbringen der in Wasser suspendierten Biomasse. Typischerweise wird das Wasser/Biomassegemisch bei erhöhtem Druck (1-300 bar) und erhöhter Temperatur (50 bis 400°C) eingebracht und verdüst/zerstäubt, um ein rasches Verdampfen des Wassers zu ermöglichen. Das Aufheizen der Suspension aus Biomasse und Wasser erfolgt durch Solarenergie oder durch die Abwärme aus dem Verbrennungsprozess, wie bereits weiter oben offengelegt.
Es ist darauf zu achten, dass speziell bei mariner Biomasse und bei Biomasse, welche durch Aussalzen gewonnen wurde, ein hoher Salzgehalt vorliegt. Vor allem Chlor und Alkalimetalle führen zu Korrosion in der Brennkammer und im Rauchgassystem.
Im nächsten Schritt wird die Energie aus dem Brennstoff in nutzbare Energie umgewandelt. Das kann erfolgen durch:
- Aufheizen von Wasser in Rohren, welche dem Brennraum/dem Rauchgassystem zugewandt sind bzw. durch diesen verlaufen. Der entstehende Wasserdampf kann nach dem Stand der Technik in einer Turbine zur Stromerzeugung genutzt werden.
- Kondensieren des Wasserdampfs im Rauchgas. Dieser Wasserdampf ist im Wesentlichen das verdampfte Wasser aus der Biomasse-Suspension sowie ein Teil der Verbrennungsprodukte. Das Kondensieren kann direkt in einer zweiten Kammer, oder nach einer Turbine, die vom Abgas angetrieben wurde, erfolgen.
Das Kraftwerk wird vorteilhafterweise in Kraft- Wärme Kopplung betrieben. Ein Teil der Wärme (0-100%) wird zur Trocknung bzw. Vortrocknung der Biomasse verwendet. Das ist insbesondere vorteilhaft, wenn kein Abnehmer für Wärme zur Verfügung steht.
Die solare Trocknung kann nach dem Stand der Technik in Anlehnung an Patentschrift [6] erfolgen.
Vor allem die Verbrennung einer Suspension aus Biomasse und Wasser, auch „Slurry" genannt, ist vorteilhaft. Dieser Slurry hat einen Wasseranteil von 1 bis 99%.
Durch die hohe Verdampfungsenergie des Wassers ist die Verbrennungstemperatur teilweise deutlich niedriger als in regulären kalorischen Kraftwerken. Dadurch wird die Bildung von thermischem NOx verhindert.
Der Druck im Brennraum kann von 0,1 bis 100 bar betragen, die Temperatur 100 bis 2200°C.
Der in den Brennraum in einer vorteilhaften Ausfuhrungsform dieser offen gelegten Erfindung eingebrachte Slurry weist bei der Zerstäubung in den Brennraum einen Druck von 1 bis 2000 bar (absolut) auf. Seine Temperatur kann zwischen 4 und 800 0 C liegen, vorteilhaft zwischen 50 und 400°C.
Es ist möglich, die Verbrennung in einer Atmosphäre von 5 bis 100% Sauerstoff durchzuführen. Durch Abgasrückführung kann die Wärmeenergie des Abgases weiter ausgenützt werden.
Es ist auch möglich, die Verbrennung durch den Einsatz von Katalysatoren zu beschleunigen.
Die Verbrennungsabgase können in das Zuchtbecken (Meer, See, Fluss, etc.) eingeleitet werden, um dort durch Temperaturerhöhung und/oder CO 2 -Düngung das Wachstum der Biomasse zu beschleunigen.
CO 2 -Sequestrierung ist ebenfalls möglich, siehe hierzu den Stand der Technik.
Die einzelnen Schritte sowie die Kraftwerkstechnologien können als Stand der Technik angesehen werden. Nach dem Stand der Technik befinden sich Kraftwerke, vor allem große, kalorische, auf dem Festland (onshore) und sind stationär. Falls der Brennstoff im Meer oder auf einem geeigneten Gewässer geerntet wird, ist es unter Umständen vorteilhaft, das Kraftwerk näher an den Ort der Gestehung zu bringen.
Das kann erfolgen, indem das Kraftwerk offshore auf einer geeigneten Plattform installiert wird oder sogar mobil ist, etwa durch Bau auf einem Schiff-ähnlichen Grundkörper. Speziell im Falle eines stationären „Offshore-Kraftwerks" ist es möglich und vorteilhaft, in der näheren Umgebung „Zuchtbehältnisse" zu schaffen, in denen die Biomasse wachsen und geerntet werden kann.
Als Zuchtbecken eignen sich u.a. flache Behältnisse, beispielsweise mit Meerwasser geflutete Bereiche von küstennahen Wüsten. Wird Wirbelschichttechnologie zur Verbrennung angewandt, stören auch größere Mengen Sand im Slurry nicht.
Figur 2 illustriert die oben dargestellten Schritte 1 bis 7 eines bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch.
Literaturverzeichnis :
[1] Jürgen Warnatz, Ulrich Maas, Robert W. Dibble, Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation, Springer, Berlin, 4. Auflage, ISBN 978-3540259923 (2006).
[2] Han Xu, Xiaoling Miao, Qingyu Wu, High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters, Journal of Biotechnology 126(4), 499-507(2006).
[3] Lewis M. Brown, Kathryn G. Zeiler, Aquatic biomass and carbon dioxide trapping, Energy Conversion and Management 34 (9-11) 1005-1013 (1993).
[4] http://www.currentprotocols.corn/WileyCDA/ (2008).
[5] Ji Hye Jo, Dae Sung Lee, Donghee Park, Jong Moon Park, Biological hydrogen production by immobilized cells of Clostridium tyrobutyricum JMl isolated from a food waste treatment process, Bioresource Technology 99(14), 6666-6672 (2008).
[6] EP 1 378 494 (Priorität AT 3442002), Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung biogener Reststoffe, insbesondere von Schlämmen (Process and apparatus for treating biogenic residues, in particular Sludges), Tecon Engineering GmbH, 07.01.2004.
[7] M. Lackner, F. Winter, B. Geringer, F. Winter, M. Lackner, Chemie im Motor, Chemie in unserer Zeit, 39(4), 246 - 254 (2005).
[8], EP 1928994, Method, apparatus and System for biodiesel production from algae, Solix Biofuels lnc, 11.06.2008.
[9] EP1924601, Expression of Proteins in E.Coli, Novo Nordisk AS, 28.05.2008
[10] US3920506, Wet combustion of waste liquors, 18.11.1975.
[11] WO2007128800, Process for the conversion of biomass to liquid fuels and specialty chemicals, Bioecon Internat. Holding NV, 15.11.2007.
Next Patent: METHOD FOR TREATING CELLULOSE MOLDINGS