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Ein faseroptisch beleuchteter Photobioreaktor
für die Reduktion von
CO2 aus dem Rauchgasfossiler Kraftwerke
C.Schneider, Universität Duisburg-Essen
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2
Das ist die Lage:
• Alle vorhandenen fossilen Brennstoffe stammen aus Photosynthese:
=> aus vorhandener O2-Menge folgt:4x 1014 t C auf der Erde vorhanden
• Photosynthese ist wichtigste CO2 –Senke
(nach Würfel:“Physik der Solarzellen“,SpektrumAkad. Verlag, Heidelberg, 1995)
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3
Die Photosynthese verwandelt Lichtenergie in chemisch gebundene Energie
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Du
nk
elre
akti
on
Du
nk
elre
akti
on
Lic
htr
eak
tion
Lic
htr
eak
tion
h·ν
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4
Was ist ein Photobioreaktor?
• Ein Bioreaktor ist ein Behälter, in dem Mikroorganismen in einem Nährmedium kultiviert werden, um entweder die Zellen selbst, Teile von ihnen oder eines ihrer Stoffwechselprodukte zu gewinnen. (z.B.: Braukessel, Kläranlagen)
• Ein Photobioreaktor ist ein Bioreaktor für Zellen, die zusätzlich Licht benötigen.
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5
Was produziert ein Photobioreaktor?
• Sauerstoff
• Biomasse
• Wasserstoff (bestimmte Organismen : Purpurbakterien, Grünalgen, Cyanobakterien)
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6
GrünalgenGrünalgen(Chlamydomonas)(Chlamydomonas)
PurpurbakterienPurpurbakterien(Enterobacter (Enterobacter
cloacae)cloacae)C6H
12O
6
CO2
O2
H2O
H2
H2O
h·νh·ν
CO2
O2
Wasserstoffproduktion in einem Verbundreaktor (nach Rechenberg)
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7
PhotobioreaktorCO
2
Licht
H2
Energie
Brennstoff-zelle
CO2-produzierendes Gewerbe
Algen
Biomasse
Abwasseraufbereitung
Landwirtschaft(Düngung, Futter)
Mikrobiologie
Nahrungsmittel (Farbe,Vitamine, Kohlenhydrate)
O2
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8
I0
I = I0 - dI
dx l
Lambert-Beer'sches-Gesetz
k = AbsorbtionskoeffizientZ = Eindringtiefe
In realen Suspensionen: Z wenige mm!
Das Problem.
0k ZI I e
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9
Tubuläre PhotobioreaktorenLinks: 20 LRechts: 2 L, Ø 80 mm
Flachbett-Photobioreaktor8 L , Ø 40 mm
Quelle : N. Waschewski, Ruhr-Universität Bochum
2D-Photobioreaktoren - schlecht vergrößerbar
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10Realisierung nach Bayless, Univ. of Ohio
Lichtwellenleiter bringen das Licht in das Volumen !
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11
3D-Photobioreaktoren -vergrößerbar
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12
Die Sonne liefert das Licht für die Photosynthese !
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13
Die LichtsammlungDie Lichtsammlung
Parabolspiegel fokussiert das Sonnenlicht→ direkte Einspeisung in Lichtwellenleiter
LWL leiten Sonnenlicht in Bioreaktor
Realisierung nach Bayless, Univ. of Ohio
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14
Gesamtkonzept Photobioreaktor
H2, O2
CO2
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15
Abschätzungen
• Es entstehen ca. 500 kg Biomasse/ t CO2
• In Deutschland stehen 1050kWh/a(Deutscher Wetterdienst)
• Damit benötigt man ca. 50m2
Kollektorfläche für die Umwandlung von
1 Tonne CO2 in Biomasse pro Jahr!
• Haushalt mit 27.000 kWh Gasheizung/a
produziert ca. 4.8 t CO2/a
• 150-220 m2 Kollektorfläche erforderlich ( für Deutschland )
( n. A.Wagner, topmanagerteam.com )
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16
Vergleich mit Wald
• Baum : 200 t CO2 / ha .100a } 100 Jahre!(aus www. CO2Management.de, 2007)
• Photobioreaktor: pro ha: 200 t CO2/Jahr!
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Vielen Dank !
CO2 H2
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Zentrale oder dezentrale Anlagen?
• Optische Fasern sind (noch) nicht gut
genug für Langstrecken bei hoher Leistung
• Grossanlage erfordert ca. 50km2!
„Growianeffekt“?!
=> Optimierungsaufgabe
( Fasern, Kollektoren, Algen als Rohstoffe)
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19
Anforderungen an den Photobioreaktor
• Organismen
• Belichtung
• Nährstoffzufuhr
• Prozessüberwachung (pH-Wert, Sauerstoffkonzentration, Temperatur)
• Entgasung
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Wir sollten was tun, auch um eine wirtschaftliche Chance zu nutzen!
• Bayless bezeichnet inzwischen seine Biomasse als „green petroleum“
• Wir sollten klein anfangen und stetig wachsen (50 m2/t CO2)
• Wirtschaftliche Anreize:
- Emissionszertifikate?
- Biomasse vermarktbar?
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21
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• Wasserstoff wird sauber produziert.
• Bisher : Reformierung für 2H2 - Moleküle entsteht ein CO2 - Molekül
• Elektrolyse – Strom – CO2
Der Vorteil.
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23
Erste Realisierung eines faseroptischen Bioreaktors (n.Gerbsch, 1997)
• Seitab-strahlende Fasern
• Simulation des Lichtfeldes
• Skalierbar!
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24
Numerische Apertur ist Maß für den maximalen Winkel, unter dem ein Strahl auf die LWL-Frontfläche auffallen kann, um einen geführten Modus anzuregen.
n 0 sin = n1 sin '
⇒ n 0 sin =n 1 sin ' = n1 cos G
'=90−G
Einkopplung in Einzelfaser Numerische AperturNumerische AperturEinfallender Lichtkegel
Mantel n2
Kern n1
n0α
G
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25
Gaseintrag:Blasen im µm Bereich in ca. 6 m Wassertiefe
• Klärwerk:
Sauerstoff in 6m Wassertiefe
Blasen im µm Bereich
• Gaszufuhr unter Druck
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26
CO2-Kreislauf
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27
Zusammensetzung der Blattfarbstoffe: Carotinoide, Chlorophyll a und b.
• Engelmann'scher Bakterienversuch
• Photosyntheserate ist prop. zur Menge des freigesetzten Sauerstoffs durch Algen => je mehr Sauerstoff desto mehr Bakterien
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28
• Germany: 900-1200kWh/am2=100-135W/m2
• Spain:2000kWh/am2= 230 W/m2
• Sahara: 2500 kWh/am2= 285 W/m2
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29
Lichtwellenleiter
• Langstreckentransport des Lichtes möglich• Ideale Ausleuchtung eines Volumens bei hoher
Absorption• Idealvorstellung: Raum wird durch regelmäßige
Anordnung von Lichtquellen ausgefüllt, wie ein Kristall
• dem kommt ein „Fasergitter“ nahe
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30
Neue Fasern: Hohlfasern
![Page 31: Ein faseroptisch beleuchteter Photobioreaktor für die Reduktion von CO 2 aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke C.Schneider, Universität Duisburg-Essen](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6449795902118ba74b/html5/thumbnails/31.jpg)
31
![Page 32: Ein faseroptisch beleuchteter Photobioreaktor für die Reduktion von CO 2 aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke C.Schneider, Universität Duisburg-Essen](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6449795902118ba74b/html5/thumbnails/32.jpg)
32
![Page 33: Ein faseroptisch beleuchteter Photobioreaktor für die Reduktion von CO 2 aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke C.Schneider, Universität Duisburg-Essen](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6449795902118ba74b/html5/thumbnails/33.jpg)
33
![Page 34: Ein faseroptisch beleuchteter Photobioreaktor für die Reduktion von CO 2 aus dem Rauchgas fossiler Kraftwerke C.Schneider, Universität Duisburg-Essen](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062622/55204d6449795902118ba74b/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Vergleich mit Wald
• Buche: 230 t CO2 /ha.100a
• Eiche: 220 t CO2/ ha. 100a
• Esche: 220t CO2/ ha .100a
• Kiefer: 170 t CO2 / ha .100a } 100 Jahre!
(aus www. CO2Management.de, 2007)
• Photobioreaktor: pro ha: 200t CO2/Jahr!