Verfahren und Anlage zum Klimaschutz durch maximierte Nettoproduktion von Sauerstoff Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Klimaschutz durch maximierte Nettoproduktion von Sauerstoff bei gleichzeitiger Nettoreduktion von Kohlendioxid durch die Nutzung relevant umweltschädigender industrieller und landwirtschaftlicher Abprodukte. Sie beinhaltet die ganzjährige Erzeugung von Sauerstoff bei einem kontinuierlichen Verbrauch von Kohlendioxid unter Verwendung spezieller Arten von Mikroalgen durch die Schaffung eines künstlichen Wachstumsmilieus, da diese Mikroalgen weder unter europäischen Klimabedingungen noch in natürlichen Gewässern gedeihen. Die Technologie wird vorzugsweise dort eingesetzt, wo Kohlendioxid in konzentrierter Form auftritt. Die Schaffung der Voraussetzungen zur Anwendung dieser Maßnahmen werden mit einem verhältnismäßig geringem technischen Aufwand vorzugsweise unter Verwendung vorhandener Zusatzstoffe, nicht industriell weiterverwertbarer Wärmeenergie kommerzieller Anlagen, alternativen Energiequellen und geeigneter räumlicher Bedingungen geschaffen.

Stand der Technik Es ist eine Tatsache, dass der Mensch durch die Verwertung des für sein Leben notwendigen Planeten Erde rücksichtslosen Raubbau statt sinnvoller Nutzung betreibt. Dies wird deutlich durch eine fortschreitende Klimaänderung, verursacht durch den anthropogenen Treibhauseffekt, der dazu führt, dass Spurengase wie Kohlendioxid und Methan die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre schwächen, die schützende Ozonhülle ausdünnen und somit das Eindringen vermehrter ultravioletter Strahlung ermöglichen, die das Leben auf der Erde gefährden. Der dadurch bedingte Verlust von Grünpflanzen, durch deren Aufnahme von Kohlendioxid und der sich daran anschließenden

Wandlung zu Sauerstoff das ökologische System im Gleichgewicht gehalten wird, führt dazu, dass das Klimasystem in seiner Gesamtheit zu kollabieren droht und eine Sauerstoffverknappung bei allen sauerstoffabhängigen Lebensarten auftreten kann. Es ergibt sich die Frage, wie das anthropogene Kohlendioxidproblem bei gleichzeitiger Sauerstofferzeugung gelöst werden kann. Einen Teil der Lösung des Problems hat uns die Natur aufgezeigt ; es gilt nur, der Natur mit entsprechenden technischen Mitteln zu helfen.

Es ist bekannt, dass Mikroalgen zur Herstellung von Medikamenten, Nahrungsergänzungsstoffen sowie Futter-und Düngemitteln in angelegten Plantagen gezüchtet und weiter verarbeitet werden. Derartige Anlagen befinden sich vorzugsweise in tropischen und subtropischen Regionen, wo ein für das Wachstum dieser Algen günstiges Klima herrscht. Das sind vor allem Wärme und Sonnenlicht. Für das Gedeihen der Mikroalgen ist das in Europa und adäquaten Zonen herrschende gemäßigte Klima nicht optimal.

Es ist bekannt, dass das Vermögen von Pflanzen und Algen durch deren Fotosynthese für die Umwandlung von Kohlendioxid in Sauerstoff an das Vorhandensein von Energie, im Wesentlichen in Form von Sonnenlicht, gebunden ist und daher dem Jahresgang der Sonneneinstrahlung unterliegt, während die anthropogene Kohlendioxidfreisetzung das ganze Jahr über erfolgt und insbesondere in derjenigen Jahreszeit Spitzenwerte erreicht, in der die Sonneneinstrahlung besonders niedrig ist. Folglich hat die natürliche Vegetation in den kühleren Klimazonen eine zumindest jahreszeitlich begrenzte Wirkung auf die Reduzierung der freigesetzten Kohlendioxidmengen.

Es ist andererseits bekannt, dass beim Verbrennen von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl und Erdgas zur Energie-und Wärmegewinnung große Mengen Kohlendioxid entstehen, die als Ursache für eine globale langfristige Klimaerwärmung über den anthropogenen Treibhauseffekt angesehen werden.

Um eine solche globale Klimaerwärmung abzuwenden, sind zahlreiche Maßnahmen eingeleitet worden. Zu diesen Maßnahmen gehören die Energieeinsparung, die rationelle Nutzung von Energieressourcen, der Einsatz alternativer Energien wie Solarenergie, Windenergie, Erdwärme und dergleichen.

Auf Grund des hohen Energiebedarfs der Industrieländer und der zukünftig steigenden Energienachfrage der Entwicklungs-und Schwellenländer haben diese Alternativenergien eine nur sehr begrenzte Wirkung. Es besteht daher notwendigerweise ein sehr großer Bedarf für Initiativen zur Senkung der erzeugten Mengen an Kohlendioxid, vor allem in den Industriestaaten.

Weiterhin sind aus DE 197 21 280 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur fotobiologischen Trennung von kohlendioxid-und methanhaltigen Gasgemischen bekannt. Dabei wird das Kohlendioxid aus dem Gasgemisch durch lichtinduzierte Assimilation und anschließende Dissimilation einer Algenkultur entfernt, wobei die Algenkultur in kurzen Abständen zwischen einem Zustand, in dem sie unter Lichteinwirkung Kohlendioxid aufnimmt und einem Zustand der Dunkelheit, in dem sie das Kohlendioxid abgibt, wechselt und anschließend das bei der Dissimilation freigesetzte Kohlendioxid in einem Fotosynthesereaktor durch Algenkulturen in Algenbiomasse und Sauerstoff umgewandelt wird.

Vom Botanischen Institut der Universität Köln ist bekannt, dass durch die Nutzung von Abgasen eines Kalkbrennofens der C02-Ausstoß reduziert und in einem Bioreaktor Algenbiomasse produziert wird. Der durch Fotosynthese freigesetzte Sauerstoff wird an die Umwelt abgegeben.

Aus der von Franziska Jander verfassten Dissertation"Massenkultur von Mikroalgen mit pharmazeutisch nutzbaren Inhaltsstoffen unter Verwendung von CO2 und NaHCO3, gewonnen aus den Abgasen eines Blockheizkraftwerkes"der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts- Universität zu Kiel ist weiterhin bekannt, dass ein Teil des Kohlendioxidausstoßes eines mit Erdgas betriebenen Blockheizkraftwerkes zur Verbesserung des Wachstums von Algenkulturen genutzt werden kann.

Aufgabenstellung Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anlage zur Anwendung des Verfahrens und zum Klimaschutz durch maximierte Nettoproduktion von Sauerstoff durch den Einsatz von naturnahen Mikroalgenkulturen vorwiegend zur Reduzierung der durch die Verbrennung fossiler und biologischer Energieträger

erzeugten Kohlendioxidmengen im großen Maßstab und andererseits die Fotosynthese-Möglichkeiten der Mikroalgen in Zonen des gemäßigten Klimas in kontinuierlicher Weise tages-und jahreszeitunabhängig zur Erzeugung von Sauerstoff zu nutzen.

Die Technologie basiert auf den 3 Hauptelementen der Fotosynthese, nämlich LICHT LUFT WASSER 6 COz + 6H20 *- CeHi206 + 602 Die Klimaschutz-Formel der Anwendungstechnologie lautet, bezogen auf die der Fotosynthese Kohlendioxid + industrielle und landwirtschaftliche Abprodukte + Wasser (+ alternative Energie) LiCht Kohlehydrate + Sauerstoff Gleichzeitig entstehen biologische und ökonomisch wertvolle Endprodukte zur Herstellung von Medikamenten, Nahrungsergänzungs-, Futter-und Düngemitteln und für weitere probiologische und technische Anwendungsgebiete.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass nach den Merkmalen des Hauptanspruchs mit vollständig bzw. überwiegend vorhandenen Mitteln und erneuerbaren Energiequellen gearbeitet wird. Dazu gehört vorrangig die Herstellung eines künstlichen Wachstumsmilieus für Mikroalgen in naturnahen großflächigen Kulturen unter europäischen Klimabedingungen. Zur Schaffung dieser künstlichen Lebensräume für Mikroalgen ist Europa durch seine hohe Industrialisierung geradezu prädestiniert. Denn gerade hier entstehen die industriellen, nicht genutzten Abprodukte, die zur Schaffung des für die Mikroalgen geeigneten Milieus genutzt werden. Zur Schaffung eines solchen Milieus trägt die Nutzung dieser industriell nicht mehr verwertbaren Abprodukte bei.

Dazu gehört z. B. die ungenutzte Wärmeenergie aller energieerzeugenden Industriezweige. Mit der Wärmeenergieerzeugung verbunden ist die Entstehung von Kohlendioxid.

Vorteilhafterweise wird dieses Kohlendioxid, auch in chemisch gewandelten Formen, zur Intensivierung der Wachstumsrate der Mikroalgenkulturen genutzt, weil deren Sauerstoffabgabe dadurch vergrößert wird. Besonders günstig gedeihen die Mikroalgen in salzhaltigen Medien (nicht Meerwasser). Vorteilhaft ist es, wenn Kalilagerstätten zur Verfügung stehen, da aus den Restkalisalzen mit Hilfe der Chloralkali-Elekrolyse Natronlauge (NaOH) gewonnen wird, in diese Natronlauge das Abgas-C02 eingeleitet und sich damit Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) bildet. Die Algenkulturen können bei dieser biotechnischen Verfahrensweise das Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) besser verwerten. Ein weiteres, vor allem bei der industriellen Tierhaltung in der Landwirtschaft entstehendes und für die Umwelt schädliches Abprodukt, die Gülle, wird als zusätzliche Nährlösung zur sodahaltigen Wachstumskultur in definierten Mengen beigegeben, um eine größere Wachstumsgeschwindigkeit der Algenkulturen pro Wachstumsperiode zu erreichen und damit die Fotosyntheseprozesse der Algen effizienter zu gestalten. Gleichzeitig wird damit die Abgabe des Spurengases Methan in die Atmosphäre verringert.

Äußerst nachhaltig zeigt sich der Nutzen des Verfahrens bei der Verstromung von Biomasseabfällen (i. d. F. forstwirtschaftliche Reste). Die durch die Nutzung der dabei entstehenden industriellen Abprodukte, wie Kohlendioxid und Restwärme, erzeugte neue Biomasse basiert auf einem ökologisch sowie ökonomisch sinnvollen Kreislauf. Es wird"grüner"Strom erzeugt ; und gemäß der erfinderischen Anwendung die Wandlung des Kohlendioxids in Sauerstoff erreicht und dies bei gleichzeitig über 100-fach höherer Sauerstoffabgabe an die Umwelt, als die Ausgangsbiomasse hätte je erreichen können.

Dadurch, dass die Sauerstoff-Umsatzrate der Mikroalgen weit über der Umsatzrate der natürlichen Vegetation wie Bäume, Strauchwerk, Gras und dergleichen liegt, sind Mikroalgen besonders geeignet, gemäß dem angestrebten Klimaschutz, Kohlendioxid mit einer viel höheren Effektivität kontinuierlich, tages- und jahreszeitunabhängig in Sauerstoff umzuwandeln, als dies die übliche, uns allgemein bekannte Vegetation ermöglicht. Birke pro mz CO2-Bindung 0 2, 2 Kg Fotosynthese 5 - 6 Monate im Jahr Sauerstoffabgabe 2,2 Kg Mikroalgen pro m2 bei minimal 7 Wachstumsperioden jährlich Spirulina platensis C02-Bindung 18 Kg Sauerstoffabgabe 570 Kg Clorella vulgaris C02-Bindung 27 Kg Sauerstoffabgabe 870 Kg

Ausführungsbeispiele Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen und dazugehörigen Zeichnungen, in denen 2 bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens in einem ökologisch und ökonomisch sinnvollen System zur Erzeugung von elektrischen Strom und Sauerstoff durch den Verbrauch von Kohlendioxid unter Verwendung von Mikroalgen für ein Biomassekraftwerk in einem 1. Ausführungsbeispiel und Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Erzeugung von Sauerstoff unter Verwendung der Mikroalge Spirulina platensis für eine Sport- und Veranstaltungsanlage in einem 2. Ausführungsbeispiel.

Für jedes der beiden Ausführungsbeispiele wird eine spezifische Bezeichnung verwendet, durch die eine spätere Verbreitung der Erfindung erleichtert werden soll.

1. Ausführungsbeispiel-SpiruLipp Dieses Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 betrifft eine Anlage zum Klimaschutz zur maximierten Nettoproduktion von Sauerstoff bei gleichzeitiger Nettoreduktion von Kohlendioxid unter Nutzung von COs-Abgasen, sodahaltigem Wasser, zusätzlichen Nährlösungen, der Abwärme und der

Fotosynthesemöglichkeiten der Mikroalgen am Beispiel eines Biomassekraftwerks. Das Biomassekraftwerk befindet sich in einem Gebiet mit einer stillgelegten Kaligrube, die sich als Wärmespeicher eignet. Zur Erzeugung von Wärme und elektrischem Strom werden im Kraftwerk nicht mehr industrie- ökonomisch verwertbare biologische Abfälle (Frischholz aus der Forstwirtschaft) verbrannt.

Der fotosynthetische Reaktionsprozess Kohlendioxid/Sauerstoff erfolgt durch natürliche Umwandlungsprozesse in Algenkulturen. Diese befinden sich in mehreren Becken, deren Größe nach der geforderten Leistungsfähigkeit so bemessen ist, dass das vom Kraftwerk produzierte Kohlendioxid im Wesentlichen vollständig in Sauerstoff umgewandelt werden kann. Als Algen werden vorzugsweise Spirulina platensis und Chlorella vulgaris verwendet.

Um einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Sauerstoff zu erreichen, müssen optimale Bedingungen geschaffen werden. Zu diesen gehört die Anreicherung des Wachstumsmilieus der Algenkulturen mit Abgas-COs, das diesen über Pump-und Steuersysteme geregelt, und über Verteilerdüsen direkt zur C02-Sollbegasung und zur Herstellung des pH- Wertes zugeführt wird. Diese Düsentechnik dient gleichzeitig der sanften Umwälzung der Algen zur Auslösung des Flashing Light Effects (der Lichtaufnahme) und der Vermeidung von für die Algen schädlichen Schereffekten.

Der andere Teil des Abgas-CO2wird zur Bindung des Kohlendioxids in Natronlauge (NaOH) geleitet, die mit Hilfe der Chloralkali-Elektrolyse und der Kalisalze mit Alternativenergie erzeugt, das C02 bindet und Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) bildet. Durch das Natriumhydrogencarbonat und der Beigabe einer definierten Menge tierischer Gülle als zusätzliche Nährlösung wird ein optimaler Wachstumsprozess der Mikroalgen erreicht.

Die Mischung aus Abgas-C02, Natriumhydrogencarbonat und Gülle wird den Algenkulturen Spirulina platensis (3 % NaHCO3, Abgas-C02 zur Steuerung des pH-Werts der Nährlösung auf einen pH-Wert von 10 bis 11 sowie einer

definierten Güliemenge) und der Chlorella vulgaris (0,5 % NaHCO3, Direktverwertung von 1 % Abgas-C02, pH-Wert 8 über Abgas-C02- Steuerung sowie einer definierten Güllemenge) zugegeben und die Mikroalgen verwerten über die fotosynthetischen Reaktionen das Kohlendioxid, das Natriumhydrogencarbonat sowie die Güllebeigabe zu Sauerstoff und Biomasse.

Diese zum obigen Vorgang benötigte Natronlauge (NaOH) wird durch die Chloralkali-Elektrolyse aus dem in diesem Ausführungsbeispiel ausreichend zur Verfügung stehenden Kali-Rohsalzen gewonnen. Es ist ökologisch vorteilhaft, alternativen oder Nachtstrom zu verwenden.

Bei einer Erwärmung der Algenkulturen auf einen Sollwert von +27°C bis +30°C wird durch deren intensiveres Wachstum die Sauerstoffproduktion erhöht. Diese Erwärmung der Algenkulturen kann durch eine direkte oder indirekte Nutzung der Abwärme des Kraftwerkes erfolgen. Bei der direkten Nutzung wird die Abwärme in Abhängigkeit von der Temperatur der Algenkulturen diesen geregelt zugeführt. Bei der indirekten Nutzung wird die Abwärme zunächst in einen Wärmespeicher geleitet. Vorzugsweise können Grubenbaue (unterirdische Hohlräume) als natürliche Wärmespeicher des Kalibergwerkes dienen. Vorteilhaft ist, dass derartige Grubenbaue ganzjährig eine konstant hohe Temperatur (um +35° C) aufweisen.

Die Abwärme des Kraftwerkes wird durch ein als geschlossener Kreislauf angelegtes Rohrleitungssystem in die Grubenbaue geleitet und verbleibt dort vorzugsweise in einer künstlich angelegten Salzsole als Speichermedium.

Entsteht bei den Algenkulturen Wärmebedarf, wird diese fehlende Bedarfsmenge vom Speichermedium zugeführt.

Um den Prozess der Sauerstofferzeugung kontinuierlich betreiben zu können, muss eine ständige Lichteinwirkung auf die Algenkultur gewährleistet sein.

Deshalb muss bei unzureichenden Lichtverhältnissen, vor allem nachts, eine künstliche Beleuchtung vorgesehen werden.

Die Größe der Becken mit den Algenkulturen, die Temperatur, die Lichteinwirkung sowie die Konzentration des Abgas-C02, des

Natriumhydrogencarbonates (NaHCO3) und der Gülle können so optimiert werden, dass eine hohe Sauerstoffausbeute erreicht wird.

Die ausgewählten Mikroalgenarten erreichen gegenüber Pflanzen ein wesentlich intensiveres Wachstum und damit die ideale Fähigkeit zur Mehrproduktion von Sauerstoff. So beträgt die Vermehrungsrate der Spirulina platensis bei optimalen Verhältnissen in 45 Tagen ca. das 130-fache, das der Chlorella vulgaris ca. das 350-fache. Die Spirulina platensis wird trotz ihrer geringeren Vermehrungsrate bevorzugt, da sich deren Inhaltsstoffe besser nutzen lassen.

Die durch ihr Wachstum überschüssigen Mikroalgen werden regelmäßig geerntet und einer Verwertung zugeführt.

Insbesondere Natriumhydrogencarbonat (NaHCOs) fördert das Wachstum der Alge Spirulina platensis, da deren Ursprungswachstumskulturen Sodaseen sind, die in Europa nicht existieren. Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Soda stehen in Mitteleuropa durch den hier betriebenen Salzbergbau in ausreichender Menge zur Verfügung, wobei es sich in den meisten Fällen um auf Halde gelagerte Kalisalze handelt, für die es bislang keine ausreichenden Möglichkeiten der Nutzung gab bzw. die bislang keiner Nutzung zugeführt werden konnten.

Wenn, wie hier im Ausführungsbeispiel, die Sauerstoffproduktion direkt neben einem Kraftwerk betrieben wird, das sich in unmittelbarer Nähe solcher Kalisalzvorkommen befindet, entsteht zusätzlich noch der Vorteil eines geringen Transportweges.

Weiterhin ist es von erheblicher Bedeutung, dass mit der hohen Sauerstoffproduktion der Mikroalgenkulturen der COs-Ausstoß eines Biomassekraftwerkes fast vollständig verhindert und so ein wesentlicher Beitrag zum Umweltschutz geleistet wird, da der gewonnene Sauerstoff wiederum zur effizienteren Verbrennungstechnologie und damit zu einer Verminderung des C02-Abgasvolumens genutzt werden kann.

Die Sauerstofferzeugung kann kontinuierlich unabhängig von der Tages-und Jahreszeit erfolgen.

2. Ausführungsbeispiel-SpirOLymp Dieses 2. Ausführungsbeispiel betrifft die Anwendung der Technologie zur Erzeugung von Sauerstoff, um die Sauerstoffunterversorgung großer Menschenansammlungen zu vermeiden. Es wird als SpirOLymp bezeichnet.

Mit diesem Verfahren wird das Ziel verfolgt, bei vorwiegend seitlich rundum geschlossenen Objekten, wie z. B. Sportstadien, die zumeist auf einer konisch- kesselartigen Bauweise basieren und oben teilweise oder vollständig offen sind, die von Menschenansammlungen verbrauchte Atemluft durch mit Sauerstoff angereicherte Frischluft auszutauschen. In der Zeichnung nach Fig. 2 ist ein Stadion 1 in konisch-kesselartiger Bauweise schematisch dargestellt. Bei ungünstigen Bedingungen wie hohe Lufttemperaturen und keiner oder nur geringer natürlicher Luftbewegung vollzieht sich der Prozess der Lufterneuerung langsamer als für einen erforderlich konstanten Sauerstoffanteil der Atemluft nötig ist. Die Akteure und Zuschauer sind somit gesundheitsschädigenden Bedingungen ausgesetzt. Deshalb ist die Zielstellung für dieses Ausführungsbeispiel darauf gerichtet, in das Stadion 1 mit Sauerstoff angereicherte frische Atemluft einzuleiten. Dieser Sauerstoff wird in einer Mikroalgenkultur 2 in drei Becken durch die Fotosynthese produziert. Verwendet wird die Mikroalge Spirulina platensis. Zweckmäßigerweise wird die Mikroalgenkultur 2 auf das Volumen des Stadioninneren (Kubatur) ausgerichtet. Der auf der Grundlage der Fotosynthese durch die Mikroalge Spirulina platensis außerhalb des Stadions 1 produzierte Sauerstoff wird in den benötigten Mengen kontinuierlich entnommen, gesammelt und von einer an geeigneter Stelle errichteten Verdichterstation 3 möglichst gleichmäßig verteilt und über eine mit Austrittsöffnungen 4 versehene Ringleitung 5 in den Stadioninnenraum 6 geleitet. Während die warme verbrauchte sauerstoffarme Luft nach oben entweicht, strömt die mit Sauerstoff angereicherte Atemluft nach.

Das Verfahren hat den Vorteil, dass durch Steuerung der Wärmezufuhr, der zugeführten Nährlösungen und der künstlichen Beleuchtung 10 die Algenkultur den Erfordernissen bei Stadionruhe angepasst werden kann. Die trotz dieser Reduzierungsmaßnahmen bei Nichtbenutzung des Stadions entstehenden

Sauerstoffmengen werden dem Rasen 7 des Stadions als Wachstumsförderer und/oder dem Hauptgebäude 8 des Stadions 1, in dem sich zahlreiche Trainingstätten befinden, zur Atemluftverbesserung zugeführt.

Gleiches gilt für geschlossene große Räume. So eignet sich die Sauerstoffanreicherung der Atemluft besonders für Hallen 9, in denen Großveranstaltungen durchgeführt werden. Hierbei wird ebenfalls nach der Raumkubatur die Mikroalgenkultur 2A konzipiert. Im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Anwendung bei oben offenen Objekten wird jedoch die verbrauchte Atemluft abgesaugt und der Algenkultur Spirulina platensis als kohlendioxidhaltiges Gas zur pH-Wertsteuerung der Mikroalgenkultur 2A zugeführt. Je nach vorgesehener Dosierungsmenge der Sauerstoffzufuhr kann die Biomasse mit Hilfsmitteln wie C02-Gas, Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3), dosierten Güllegaben 11 und zusätzlicher Wärme-sowie Lichteinwirkung zur erhöhten Sauerstoffabgabe angeregt werden.

Dadurch kann auch die Größe der Mikroalgenkultur verringert werden. Auch hier wird die gewachsene Algenmasse geerntet und einer Weiterverarbeitung zugeführt.

Weitere Anwendungsbeispiele sind unter anderem Krankenhäuser, öffentliche Einrichtungen und Institutionen, Industrieobjekte sowie Großveranstaltungszentren.