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 CO
2-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
Die
Klimaschutz-Formel der Anwendungstechnologie lautet, bezogen auf
die der Fotosynthese
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-CO2 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 Wachstumspenode 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.
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:
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
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 1 betrifft eine
Anlage zum Klimaschutz zur maximierten Nettoproduktion von Sauerstoff
bei gleichzeitiger Nettoreduktion von Kohlendioxid unter Nutzung
von CO2-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-CO2,
das diesen über
Pump- und Steuersysteme geregelt, und über Verteilerdüsen direkt
zur CO2-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-CO2 wird zur Bindung
des Kohlendioxids in Natronlauge (NaOH) geleitet, die mit Hilfe
der Chloralkali-Elektrolyse und der Kalisalze mit Alternativenergie
erzeugt, das CO2 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-CO2, Natriumhydrogencarbonat
und Gülle
wird den Algenkulturen Spirulina platensis (3 % NaHCO3,
Abgas-CO2 zur Steuerung des pH-Werts der
Nährlösung auf
einen pH-Wert von 10 bis 11 sowie einer definierten Güllemenge)
und der Chlorella vulgaris (0,5 % NaHCO3,
Direktverwertung von 1 % Abgas-CO2, pH-Wert
8 über
Abgas-CO2-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-CO2, 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 (NaHCO3) 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 CO2-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 CO2-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 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 CO2-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.
