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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine maritime Anlage zur Gewinnung eines Energieträgers.
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Stand der Technik
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In
Zeiten knapper werdender fossiler Energieträger, steigenden Energiebedarfes
und globaler Klimaerwärmung
steigt der Bedarf an CO2 neutraler Energiegewinnung.
Die Erzeugung von Energie aus nachwachsenden Rohstoffen spielt somit
in Zukunft eine bedeutende Rolle bei der Deckung des Energiebedarfes.
Gegenwärtig
werden landwirtschaftlich angebaute Rohstoffe zur nachhaltigen Energieerzeugung
genutzt. Im wesentlichen wird bei der energetischen Nutzung nach
Pflanzen mit hohem bzw. niedrigem Anteil an holzigen Substanzen
unterschieden.
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Holzige
Pflanzen bzw. Pflanzenprodukte werden überwiegend getrocknet und primär thermisch
verwertet. Die bei der Verbrennung entstehende thermische Energie
kann mittels der Kette Dampferzeugung/Dampfturbine/Generator in
Biomassekraftwerken in elektrische Energie umgewandelt werden. Weitere
Verwertungsalternativen für
holzige Pflanzen bestehen in der Gewinnung und Nutzung von Pyrolyseprodukten
sowie in der Umwandlung in flüssige
Energieträger/Treibstoffe
(BiomassToLiquid – BTL).
Bei der in Biomassekraftwerken vorwiegend genutzten Biomasse handelt
es sich um Holz aus Wäldern.
Aufgrund des langsamen Wachstums von Bäumen wird verstärkt die
Nutzung schnell wachsender holziger Gräser (z. B. Roggen, Weizen)
in Biomassekraftwerken betrieben. Anbau und Nutzung dieser Biomasse
in Heizkraftwerken steht in unmittelbarer Konkurrenz zur Lebens-
bzw. Futtermittelproduktion. Genauso verhält es sich bei der Ethanolgewinnung
aus Getreide, bei der Methanolgewinnung aus Mais und bei der Biodieselgewinnung
aus Raps. Diese Konkurrenz um landwirtschaftliche Flächen führt zu Preiserhöhungen und
ggf. Versorgungsengpässen
bei Lebensmitteln.
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Pflanzen
bzw. Pflanzenprodukte mit geringem Anteil holziger Substanzen können in
Biogasanlagen (BGA) in die beiden Hauptkomponenten Methan und Kohlendioxid
umgewandelt werden. Biogas wird gegenwärtig v. a. zur direkten Strom-
und Wärmeerzeugung
an der BGA genutzt oder nach Abtrennung störender Gasbestandteile in das
Erdgasnetz eingespeist. Substrate für BGA sind ganz allgemein pflanzliche
und tierische Biomasse.
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Zur
Biogaserzeugung werden landwirtschaftliche Reststoffe, Industrieabfälle und
in gesteigertem Ausmaß speziell
zur Energieerzeugung angebaute Energiepflanzen wie z. B. Mais eingesetzt.
Bei landwirtschaftlichen Reststoffen und Industrieabfällen handelt
es sich um begrenzt zur Verfügung
stehende Substrate. Speziell zur Energiegewinnung angebaute Energiepflanzen
wachsen auf Flächen,
die ebenso zur Versorgung der Bevölkerung mit Lebensmitteln eingesetzt
werden können.
Damit steht der Energiepflanzenbau in direkter Konkurrenz mit der
Lebensmittelproduktion. Der Ausweitung der Biogastechnik bei Verwendung
Ackerbau basierter Substrate ist somit eine relativ enge Grenze
gesetzt.
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Neben
dem Verbrauch von landwirtschaftlicher Nutzfläche machen sich bei größeren BGA
und bei Biomassekraftwerken die mit dem Aufbau eines Kraftwerks
einhergehenden Folgen negativ bemerkbar. Diese Folgen sind insbesondere:
- • großer Platzbedarf
in der Nähe
zur Anbaufläche
- • hohes
Verkehrsaufkommen
- • Lärm
- • Geruch
bzw. Emissionen
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Zur
Verringerung der Stoffströme
und zur Reduzierung des Separationsaufwandes werden Anlagen zur
Vergärung
nachwachsender Rohstoffe mit möglichst
geringen Wassergehalten betrieben. Die Anforderungen an Rührwerke
und Pumpen sind unter diesen Betriebsbedingungen extrem hoch.
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Bei
Anlagen zur Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz wird das Gas mittels
apparativ aufwendiger Systeme größtenteils
vom Kohlendioxid und Spurenbestandteilen befreit. Der Energiebedarf
dieser Systeme ist relativ hoch. So verbraucht die Druckwasserwäsche von
Biogas ca. 15% bis 20% der im Gas enthaltenen Energie. Ein großer Teil
dieser Energie wird zur Regeneration des Waschwassers eingesetzt.
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Wesentliche
Probleme des Standes der Technik sind also:
- • Konkurrenz
um Anbauflächen
mit Lebens- und Futtermitteln
- • Landschaftsverbrauch
durch die Anlagen
- • hoher
anlagentechnischer und energetischer Aufwand zur Vergärung nachwachsender
Substrate in BGA
- • hoher
anlagentechnischer und energetischer Aufwand zur Gasaufbereitung
in BGA
- • Beschränkung auf
1–2 Erntezyklen
pro Jahr
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Darstellung der Erfindung
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Hier
setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet
ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anlage zur Gewinnung eines
Energieträgers
bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
maritime Anlage zur Gewinnung eines Energieträgers gemäß unabhängigem Anspruch 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Beispielen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine im Bereich einer Meeresoberfläche angeordnete
maritime Anlage zur Gewinnung eines Energieträgers bereit. Die Anlage umfasst
zumindest eine maritime Biomasseanbaufläche, zumindest eine Biomasseerntevorrichtung
und zumindest eine Vorrichtung zur Umwandlung der durch die maritime
Biomasseanbaufläche
aufgebauten Biomasse in einen Energieträger.
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Die
erfindungsgemäßen Anlagen
befinden sich nicht auf dem Festland sondern im Meer, womit das
Problem des Landschaftsverbrauchs wesentlich entschärft wird.
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Unter
Meer versteht man die miteinander verbundenen Gewässer der
Erde, die die Kontinente umgeben, im Gegensatz zu den auf Landflächen liegenden
Binnengewässern.
Unter den Begriff „Meer" fallen also die
Ozeane „Arktischer
Ozean" (Nordpolarmeer), „Atlantischer
Ozean" (Atlantik), „Indischer Ozean" (Indik), „Pazifischer
Ozean" (Pazifik
oder Stiller Ozean), „Südlicher
Ozean" (Südpolarmeer)
und deren Nebenmeere. Zu den Nebenmeeren gehören unter anderem das Chinesische
Meer, das Japanische Meer, das Karibische Meer, die Nordsee, die Ostsee,
das Mittelmeer, das Schwarze Meer, das Rote Meer und das Gelbe Meer.
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Bei
der Erfindung handelt es sich um Anlagen zur Gewinnung, zur Ernte
und zur Umwandlung von Biomasse.
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Bevorzugt
ist zumindest die Vorrichtung zur Umwandlung der Biomasse in einen
Energieträger auf
einem Schwimmkörper
angeordnet. Als besonders bevorzugtes Ausführungsform seien in diesem Zusammenhang
schwimmende Fermenter zur Umwandlung von Biomasse in Biogas genannt.
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Bevorzugt
weist die Biomasseanbaufläche eine
mittlere Wachstumsrate von 0,01 g pro m2 Meeresfläche und
Tag bis zu 25 g pro m2 Meeresfläche und
Tag auf. Insbesondere weist die Biomasseanbaufläche eine mittlere Wachstumsrate
von 1 g pro m2 Meeresfläche und Tag bis zu 10 g pro
m2 Meeresfläche und Tag auf.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform reichert
die Biomasseerntevorrichtung die Biomasse auf eine Konzentration
von zumindest 0,1 Gew.-% organischer Trockensubstanz an. Besonders
bevorzugt reichert die Biomasseerntevorrichtung die Biomasse auf
eine Konzentration von zumindest 1 Gew.-% organischer Trockensubstanz
an und insbesondere reichert die Biomasseerntevorrichtung die Biomasse
auf eine Konzentration von zumindest 5 Gew.-% organischer Trockensubstanz
an.
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Da
die Anlage erfindungsgemäß im Bereich einer
Meeresoberfläche
angeordnet ist, ergeben sich durch die Verwendung von Algen, Seetang,
Tang, Kelp, Nori, Purpurtang, Meerlattich, Seegras oder deren Gemische
als Biomasse besondere Vorteile, da eine einfache und kostengünstige Versorgung
der Anlage mit Biorohstoffen sicher gestellt werden kann.
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Bevorzugt
handelt es sich bei der Biomasse um Mikroalgen und/oder Makroalgen.
Besonders bevorzugt sind eukaryotische Algen und insbesondere bevorzugt
handelt es sich bei den eukaryotischen Algen um Bacillariophyceae,
Phaeophyceae, Rhodophyceae und/oder Chlorophyta.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
als Biomasse photosynthetische Bakterien verwendet werden. Bevorzugt
handelt es sich bei den photosynthetischen Bakterien um Cyanophyceae
(Blaualgen).
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Daneben
kann auch Plankton und/oder höhere
Meerespflanzen und/oder höhere
Tiere als Biomasse eingesetzt werden. Bei den verwendeten Tieren
handelt es sich bevorzugt um Krill.
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Bei
der Biomasseerntevorrichtung handelt es sich bevorzugt um eine Vorrichtung
zum Abmähen und/oder
Ausreißen
der Biomasse. Alternativ oder zusätzlich kann als Biomasseerntevorrichtung
eine Vorrichtung zur Filtration eingesetzt werden. Besonders bevorzugt
wird eine Vorrichtung zur Schwerkraftfiltration verwendet und insbesondere
eine Vorrichtung zur Schwerkraftfiltration ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Mikrosiebe, Bandfilter, Trommelbandfilter
und Trommelfilter.
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Daneben
kann vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur Sedimentation als Biomasseerntevorrichtung
zum Einsatz kommen.
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Außerdem kann
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
als Biomasseerntevorrichtung eine Vorrichtung zur Filtration ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Vakuumtrommelfilter, Kammerfilterpresse
und Schrägklärer eingesetzt
werden.
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Eine
weitere bevorzugte Alternative der Biomasseerntevorrichtung ist
eine Vorrichtung zur Zentrifugation.
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Gemäß weiteren
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der maritimen Biomasseanbaufläche um eine
Biomasseanbaufläche
am Meeresboden und/oder um im Meer gespannte Seile und/oder Netze.
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Als
Vorrichtung zur Umwandlung der Biomasse in einen Energieträger wird
bevorzugt ein Fermenter zur anaeroben Vergärung der Biomasse verwendet.
Besonders bevorzugt stellt der Fermenter einen Bestandteil einer
zur Umwandlung der Biomasse in einen Energieträger eingesetzten Biogasanlage dar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsformen
umfasst die erfindungsgemäße maritime
Anlage zusätzlich
zumindest einen Gasspeicher. Besonders bevorzugt wird ein druckloser
Gasspeicher, ein mit einem Druck bis zu 8 bar betriebener Gasspeicher
und/oder ein mit einem Druck bis zu 300 bar betriebener Gasspeicher
eingesetzt.
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Ebenfalls
bevorzugt können
Gasspeicher für verflüssigtes
Gas und/oder Gasspeicher für
Gashydrat zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsformen
umfasst die erfindungsgemäße maritime
Anlage zusätzlich
eine Vorrichtung zur Gaswäsche.
Besonders bevorzugt wird die Vorrichtung zur Gaswäsche mit
Meerwasser betrieben.
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Bevorzugt
wird als Vorrichtung zur Umwandlung der Biomasse eine Vorrichtung
zur Trocknung und zum Verheizen der Biomasse verwendet. Daneben
kann als Vorrichtung zur Umwandlung der Biomasse auch eine Vorrichtung
zur Trocknung und zur Pyrolyse der Biomasse verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsformen
umfasst die erfindungsgemäße maritime
Anlage zusätzlich
eine Vorrichtung zur chemischen Umwandlung des Energieträgers. Bevorzugt handelt
es sich bei der Vorrichtung zur chemischen Umwandlung des Energieträgers um
eine Vorrichtung zur Durchführung
des Fischer-Tropsch-Verfahrens und/oder um eine Vorrichtung zur
Umwandlung des Biogases in Methanol.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Schwimmkörper
am Meeresboden verankert. Besonders bevorzugt ist der Schwimmkörper an
zumindest einem im Meeresboden verankerten Windrad verankert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsformen
umfasst die erfindungsgemäße maritime
Anlage zusätzlich
eine Vorrichtung zum Ausbringen von Düngemitteln in die maritime
Biomasseanbaufläche.
Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung zum Ausbringen von Düngemitteln
eine Vorrichtung zum Ausbringen von Eisen-Salzen, eine Vorrichtung
zum Ausbringen von Kohlendioxid und/oder eine Vorrichtung zum Ausbringen
von Spurenelementen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsformen
umfasst die erfindungsgemäße maritime
Anlage mehrere, gegeneinander abgegrenzte maritime Biomasseanbauflächen. Besonders
bevorzugt sind die maritimen Biomasseanbauflächen gegeneinander und/oder
gegen die Meerwasserumgebung durch schwimmende Folienwände abgegrenzt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsformen
umfasst die erfindungsgemäße maritime
Anlage zusätzlich
eine Vorrichtung zum Transport des Energieträgers. Besonders bevorzugt handelt
es sich bei der Vorrichtung zum Transport des Energieträgers um
eine Gaspipeline.
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Ebenfalls
bevorzugt kann als Vorrichtung zum Transport des Energieträgers eine
Leitung für elektrischen
Strom eingesetzt werden. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei
um die mit einer Energieumwandlungseinheit eines Windrades verbundene
Leitung für
elektrischen Strom.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsformen
umfasst die erfindungsgemäße maritime
Anlage mehrere Biomasseerntevorrichtungen und/oder mehrere Vorrichtungen
zur Umwandlung von Biomasse in einen Energieträger. Besonders bevorzugt sind
die Biomasseerntevorrichtungen auf zumindest einem Schwimmkörper angeordnet.
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Die
erfindungsgemäßen Anlagen
nutzen Substrate, die nicht in Konkurrenz zur Lebensmittel- und
Tierfutter-Erzeugung produziert werden. Die Substrate können mit
geringem anlagentechnischen und energetischen Aufwand in den erfindungsgemäßen Anlagen
abgebaut werden.
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Biogas
kann in den erfindungsgemäßen Anlagen
mit im Vergleich zu konventionellen Biogasanlagen deutlich reduziertem
Aufwand aufbereitet werden.
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Durch
die Verwendung der erfindungsgemäßen Substrate
kann die Zahl der Erntezyklen erhöht werden und damit der Flächenverbrauch
verringert werden.
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Biomasse
wächst
im Meerwasser heran. Auf den Biomasseanbauflächen werden mittlere Wachstumsraten
von 0,01 g organische Trockensubstanz (oTS) pro m2 Meeresfläche und
Tag bis 25 g oTS pro m2 Meeresfläche und
Tag erreicht.
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Die
Biomasse wird mittels Ernteverfahren auf zumindest 0,1 Gew.-% aufkonzentriert
und in eine Einrichtung zur Umwandlung von Biomasse in einen Energieträger überführt.
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Die
Anlagenbauteile Biomasseanbaufläche, Biomasseerntevorrichtung
und die Einrichtung zur Biomassekonversion befinden sich im Meer.
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Bei
der in den erfindungsgemäßen Anlagen gewonnenen
und umgesetzten Biomasse handelt es sich um maritime Biomasse. Die
Biomasse kann sowohl pflanzlicher, als auch tierischer Natur (oder
beides) sein. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
werden Algen an der Anlage gezüchtet.
Dabei kann es sich um Mikro- und/oder Makroalgen handeln.
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Mikroalgen
sind eukaryotische, phototrophe, vorwiegend aquatische Mikroorganismen.
Mit Hilfe von Chlorophyllen und Lichtenergie erzeugen sie aus anorganischen
Stoffen organische Stoffe. Den erwähnten Mikroalgen gegenübergestellt
werden die hauptsächlich
im Meer lebenden, festgewachsenen Großalgen, die Makroalgen. Die
meisten dieser Pflanzen bestehen entweder aus einem verzweigten oder
unverzweigten Zellfaden oder einem blattähnlichen Gebilde, das verzweigt
oder unverzweigt sein kann. Merkmale wie bei uns von Land her bekannten Pflanzen
wie Wurzel, Stängel,
Blüten
oder Früchte gibt
es bei diesen sehr einfachen Pflanzen nicht. Wie die Mikroalgen
sind auch sie zu ihrem Gedeihen auf Phosphate und Nitrate aus dem
Wasser angewiesen. Ohne Wurzeln, nur mit einer plattenartigen Haftscheibe
am Untergrund festgewachsen, können
Algen aus dem Boden keine Nährstoffe
beziehen. Allenfalls ein ästhetisches
Problem erwächst
aus Anhäufungen von
verschiedenen im Sturm abgerissenen Makroalgenarten, die im Badebereich
umhertreiben können. An
den Strand geschwemmt kann dieses Algenmaterial nach einigen Tagen
wegen der beginnenden Fermentation zu einer Geruchsbelästigung
führen.
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Ein
Beispiel für
eine zur Kultivierung in Meerwasser geeignete Mikroalge ist Nannochloropsis
sp. Bei der Zugabe geeigneter Startkulturen und gezielter Düngung mit
Nitraten, Phosphaten, und Kalium können Wachstumsraten von 0,01
g/(m2d) bis 5 g/(m2d)
und maximale Biomassedichten von 10 g/m2 erreicht
werden.
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Ein
Beispiel für
eine Makroalge ist Laminaria sp. Bei der Zugabe von Eisendünger zum
Meerwasser können
Wachstumsraten von 0,01 g/(m2d) bis 5 g/(m2d) und maximale Biomassedichten von 10 g/m2 erreicht werden.
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Die
Seegräser,
kleinere Vertreter kommen auch in der Ost- und Nordsee vor, gehören, anders als
die Algen, zu den höheren
Pflanzen. Sie haben Wurzeln, Stängel,
Blätter,
Blüten
und Früchte.
Das Mittelmeerseegras bildet dichte Bestände von der Wasseroberfläche bis
in 40 m Tiefe. Seegräser
sind damit zur Kultivierung im Rahmen der erfindungsgemäßen Anlagen
bestens geeignet.
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Als
Biomasse können
eukaryotische Algen wie Bacillariophyceae (Synonym: Diatomeae bzw. Kieselalgen),
Phaeophyceae (Synonym: Braunalgen), Rhodophyceae (Synonym: Rotalgen)
oder Chlorophyta (Synonym: Grünalgen)
aber auch photosynthetische Bakterien wie Cyanophyceae (Synonym:
Blaualgen) verwendet werden.
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Zur
optimierten Kultivierung der Biomasse im Meer können Nährstoffe kontrolliert zugegeben
werden. Die Nährstoffe
können
zumindest teilweise aus dem Abbau der Biomasse gewonnen werden.
Die Zugabe aufbereiteter, synthetischer Nährstoffe wie z. B. Nitrate,
Phosphate, Kalium, Eisen, weitere Spurenelemente steigert die Biomasseproduktion.
Die Darreichung der Nährstoffe
kann durch Versprühen, Verklappen
oder durch Zugabe langsam sich lösender/dissoziierender
Feststoffe erfolgen.
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Die
neben der Algen- und Pflanzenbiomasse wachsenden Lebewesen, die
diesen phototrophen Organismen in der Nahrungskette folgen (z. B.
Zooplankton (Krill), andere Konsumenten ...) werden ebenfalls geerntet
und zur Energieerzeugung genutzt.
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Zusätzlich zur
maritimen Biomasse kann in den erfindungsgemäßen Anlagen noch ein geringerer
Anteil anderer (z. B. landwirtschaftlicher) Biomasse in Energieträger konvertiert
werden.
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Zur
Ernte der angebauten Biomasse werden die jeweils geeignetsten Methoden
angewandt. Diese Methoden stammen im Wesentlichen aus den nachfolgend
genannten:
- • Abmähen, Ausreißen
- • Schwerkraftfiltration:
Mikrosiebe, Bandfilter (Trommelbandfilter), Trommelfilter, Sedimentation
- • Filtration
unter Energieaufwand: Vakuumtrommelfilter, Kammerfilterpresse, Spezialmethoden wie
z. B. Schrägklärer, Lamellenseparator
- • Zentrifugation
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Zur
Abgrenzung der Felder bzw. zur Vermeidung ungewünschten Austrages an Dünger und/oder Biomasse
können
z. B. nachfolgend genannte Methoden eingesetzt werden:
- • Kultivierung
am Boden (Seegras, Caulerpa sp.)
- • Kultivierung
an Seilen/Netzen (z. B. Laminaria sp., Porphyra sp.) In beiden Fällen regenerieren sich
Reste der Organismen, die am Boden oder Seil verbleiben.
- • Kultivierung
von z. B. Mikroalgen an textilen, polymeren oder mineralischen Schwimmkörpern, die
in einem mehr oder weniger weiten Verbund (abgestimmt auf die Ernteanlage)
ausgebracht werden
- • schwimmende
Folienwand
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Die
in den erfindungsgemäßen Anlagen
kultivierte Biomasse wird an der Anlage in einen Energieträger konvertiert.
Der Begriff Energieträger
wird in dieser Schrift Stoffen zugewiesen, die die der Biomasse
innewohnende chemische Energie zumindest zum Teil zur weiteren Nutzung
speichern. Beispiele für
diese Energieträger
sind:
- • Biogas,
ein durch anaeroben Biomasseabbau gewonnenes Gasgemisch mit den
Hauptbestandteilen Methan und Kohlendioxid
- • Getrocknete
und ggf. pelletierte Biomasse
- • Pyrolyseprodukte
(gasförmige
und flüssige)
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Die
Nutzung der Energieträger
zur Energiegewinnung kann direkt an der Anlage erfolgen. Die Energieträger können aber
auch zur Energiegewinnung verbracht werden. Typische Methoden zur
Energiegewinnung aus den Energieträgern sind:
- • Verbrennung
in einer Verbrennungsmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie
und Wärme.
Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie mittels eines
Generators.
- • Umwandlung
chemischer in elektrische Energie in Brennstoffzellen, ggf. nach
vorgeschalteten Reformierreaktionen
- • Verbrennung
in einem Ofen zur Erzeugung thermischer Energie. Umsetzung thermischer
Energie in elektrische Energie mittels Dampferzeugung/Dampfturbine/Generator.
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In
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung wird Biogas als Energieträger erzeugt. Zur Biogasgenese
aus Biomasse kommen anaerob betriebene Fermenter zum Einsatz. Aufgrund der
hohen Feuchte des Gärsubstrates
und der geringen holzigen Anteile im Substrat kann der anlagentechnische
Aufwand zur Vermischung des Substrates gering gehalten werden. Die
Gefahr der Ausbildung stabiler Sink- und Schwimmschichten ist gering.
Die Durchmischung mittels Rührwerken
kann sporadisch erfolgen bzw. komplett wegfallen.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung wird ein schwimmender Fermenter mit ggf. flexibler
Hülle eingesetzt.
Diese Hülle
kann zumindest teilweise aus stabiler Kunststofffolie bestehen. In
derartigen schwimmenden, flexiblen Fermentern sorgt die permanente
Bewegung des Meeres für
eine Bewegung und Durchmischung des Fermenterinhaltes, so dass der
Eintrag weiterer mechanischer Energie nicht erforderlich ist.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung verfügen über Fermenter
mit starrer Hülle.
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Einige
Ausführungsformen
der Erfindung verfügen über fest
am Meeresgrund verankerte Fermenter.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Anlagen
wird die Biomasse in anaeroben Fermentern zumindest teilweise in
Biogas umgewandelt. Der Gärrest
des anaeroben Abbaus wird in das Meer überführt. Dort dient er als Dünger für die nächste Substratgeneration.
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In
bevorzugten Ausführungen
umfassen die erfindungsgemäßen Anlagen
Einrichtungen zur Biogasaufbereitung. Dabei wird das Biogas bevorzugt mittels
nasser Wäsche
mit Meerwasser zumindest teilweise vom enthaltenen CO2 und
weiteren polaren Spurenbestandteilen befreit. Besonders positiv
für eine
einfache und effektive Gaswäsche
ist:
- • Das
praktisch unbegrenzte Reservoir an Waschwasser. Das Wasser muss
nicht zur Wiederverwendung aufbereitet werden.
- • Der
leicht alkalische pH-Wert von Meerwasser sorgt für eine hohe Aufnahmekapazität für CO2 und damit für eine gute CO2 Abtrennung
bei geringem energetischen und anlagentechnischen Aufwand.
- • Das
ins Meerwasser überführte CO2 dient zumindest zum Teil wieder als Kohlenstoffquelle
für die
nächste
Substratgeneration.
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Andere
Arten der Biogasaufbereitung wie z. B. Membranseparation, Druckwechsel- und/oder Temperaturwechselabsorption
an verschiedenen Medien und Adsorptionsverfahren sind ebenso einsetzbar
wie die Wäsche
mit Meerwasser. Die Kombination verschiedener Aufbereitungsverfahren
ist ebenso möglich.
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In
erfindungsgemäßen Anlagen
erzeugtes Biogas kann direkt an der Anlage zur Erzeugung von Strom
und Wärme
genutzt, in andere chemische Formen umgewandelt, bis zum Abtransport
mit einem Schiff gespeichert oder mittels einer Rohrleitung verbracht
werden. Selbstverständlich
sind auch Mischnutzungen des Biogases denkbar.
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Die
Umwandlung von Biogas in Strom und Wärme direkt an der Anlage kann
mit den typischen, dem Stand der Technik entsprechenden Anlagen
wie z. B. Blockheizkraftwerk, (Mikro-)Gasturbine, Brennstoffzelle
oder Dampfturbine erfolgen. Die gewonnene elektrische Energie kann
dann über
Kabel zu den Verbrauchern transportiert werden. Synergien mit off shore
Windparks ergeben sich aus einer gemeinschaftlichen Nutzung der
Meeresfläche
und des Stromleitungsnetzes ans Land.
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Eine
Umwandlung von Biogas in andere chemische Formen kann z. B. zu längerkettigen
Kohlenwasserstoffen mittels der Fischer-Tropsch Synthese oder zu
Methanol erfolgen. Die Speicherung dieser flüssigen bzw. festen Produkte
bis zum Abtransport von der Anlage ist günstiger als die Speicherung
gasförmigen
Methans. Der Abtransport des gereinigten Biogases durch Tankschiffe
kann entweder mit geringer Verdichtung (ca. 6 bar bis 15 bar), mit
hoher Verdichtung (bis zu 300 bar), verflüssigt oder in Form von Clathraten
gebunden erfolgen. Neben dem Abtransport mit Schiffen ist die Verbringung
des ggf. gereinigten Gases durch Rohrleitungen denkbar.
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Die
erfindungsgemäßen Anlagen
können komplett
schwimmend oder zumindest teilweise am Meeresgrund fixiert ausgeführt sein.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Gewinnung
eines Energieträgers
unter Verwendung einer der oben beschriebenen maritimen Anlagen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
umfasst die Schritte Anbau von Biomasse in einer maritimen Biomasseanbaufläche, Ernten
der Biomasse mit Hilfe einer Biomasseerntevorrichtung und Umwandlung
der durch die maritime Biomasseanbaufläche aufgebauten Biomasse in
einen Energieträger.
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Bevorzugt
wird zumindest das Ernten der Biomasse mit Hilfe einer Biomasseerntevorrichtung
in Abständen
zwischen 5 Tagen und 180 Tagen wiederholt. Besonders bevorzugt wird
das Ernten der Biomasse mit Hilfe einer Biomasseerntevorrichtung
in Abständen
zwischen 10 Tagen und 30 Tagen wiederholt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird zusätzlich
der Schritt Ausbringen von Düngemitteln
auf die Biomasseanbaufläche
durchgeführt.
Besonders bevorzugt werden als Düngemittel Eisen-Salze,
Kohlendioxid und/oder Spurenelemente ausgebracht.
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Bevorzugt
wird als Umwandlung der durch die maritime Biomasseanbaufläche aufgebauten
Biomasse in einen Energieträger
eine Umwandlung in Biogas durchgeführt. In diesem Fall wird bevorzugt der
Fermenterüberlauf
als Düngemittel
ausgebracht.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird zusätzlich
der Schritt Reinigung des Biogases durch Waschen mit Meerwasser
durchgeführt.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Zur
Illustration der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele
angegeben. Selbstverständlich
soll die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt sein.
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Beispiel 1:
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Auf
offener See wird ein radialer Fleck mit Durchmesser von 2,5 km mit
Material aus dem Fermenterablauf gedüngt. Es wachsen überwiegend
Mikroalgen in dem gedüngten
Bereich. Der Fermenter befindet sich im Inneren eines Tankschiffes
und besitzt die Abmessungen 15 m Höhe, 20 m Breite und 160 m Länge. Das
Tankschiff bewegt sich mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1
km/h durch den gedüngten
Fleck und erntet die gewachsene Algenbiomasse bis zu einer Wassertiefe
von 1 m. Die Biomasse wird mittels Separatoren auf 1% oTS aufkonzentriert.
Die mittlere Verweilzeit der Biomasse im Fermenter beträgt 20 Tage.
Das entstehende Biogas wird durch eine ca. 10 m hohe, im Gegenstrom
mit frischem Meerwasser durchströmte
Wassersäule
geblasen. Polare Gasbestandteile werden bei der Wäsche annähernd vollständig entfernt.
Das verbrauchte Meerwasser transportiert das im Rohbiogas enthaltene
CO2 zur Kohlenstoffdüngung des Flecks ins Meer.
Durch Abkühlung
des Reingasstromes auf –15°C wird das
enthaltene Wasser auskondensiert und abgetrennt. Es verbleibt ein
Reingasstrom, der zu mindestens 92% aus CH4 besteht.
Das Reingas wird auf ca. 220 bar komprimiert und in einem zylindrischen
Druckgasspeicher mit 10 m Durchmesser und 11 m Höhe gespeichert. Der Gasspeicher
nach ca. 30 Tagen in den Speicher eines Tankschiffes oder in das
Gasnetz an einem nahegelegenen Hafen entleert.
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Beispiel 2:
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In
Küstennähe werden
bei Wassertiefen kleiner 40 m Makroalgen (z. B. Caulerpa sp.) oder
Seegräser
(Zosteraceae) kultiviert, die am Boden verankert sind oder in diesem
wurzeln. Die Organismen werden mittels eines an einem Boot befestigten
Mähwerkes
geerntet. In der Mitte des quadratischen Feldes mit ca. 2,2 km Kantenlänge befindet
sich eine fest am Meeresgrund verankerte Plattform. An dieser Plattform
ist ein im Meer schwimmender Folienfermenter befestigt. Die geerntete
Biomasse wird in den anaerob arbeitenden Fermenter eingefüllt und
dort innerhalb von 20 Tagen abgebaut. Der Fermenterauslauf wird
zur Düngung
des Feldes mit Eisensulfatlösung
versetzt und auf dem Feld ausgebracht. Das entstehende Biogas wird
durch eine ca. 10 m hohe, im Gegenstrom mit frischem Meerwasser
durchströmte
Wassersäule
geblasen. Polare Gasbestandteile werden bei der Wäsche annähernd vollständig entfernt.
Das verbrauchte Meerwasser transportiert das im Rohbiogas enthaltene
CO2 zur Kohlenstoffdüngung des Feldes ins Meer.
Durch Abkühlung
des Reingasstromes auf 5°C
wird das enthaltene Wasser auskondensiert und abgetrennt. Es verbleibt
ein Reingasstrom, der zu mindestens 92% aus CH4 besteht.
Das Reingas wird auf ca. 8 bar komprimiert und mittels einer Rohrleitung
ans Festland transportiert.
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Beispiel 3:
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In
Küstennähe werden
bei Wassertiefen kleiner 30 m Makroalgen (z. B. Porphyra sp. = Nori,
Gracilaria edulis oder Laminaria = Kombu) kultiviert: Die Algen
werden in küstennahen
Gewässern
in großem Stil
kultiviert. Nori zum Beispiel wird in der Gezeitenzone auf Netzen
angezüchtet,
die an im Meeresboden verankerten Gestängen aufgespannt sind. Bei Ebbe
werden die Pflanzen entblößt. Die
Thalli – also die "Blätter" der Algen – werden
bei der Ernte vom Netz abgerissen und getrocknet. An den Netzen
verbleiben die Thallusreste, die bis zur nächsten Ernte regenerieren.
Gracilaria edulis (Rotalge) wird an langen Seilen kultiviert. Algenteile
von 2,5 cm Länge wurden
als Startkultur verwendet. In 5 Monaten erreichen die Pflanzen eine
Länge von
30 cm und das mittlere Gewicht einer Pflanze beträgt 300 g.
Innerhalb von 10 Monaten kann dreimal geerntet werden. In der Mitte
des quadratischen Feldes mit ca. 2,2 km Kantenlänge befindet sich eine fest
am Meeresgrund verankerte Plattform. An dieser Plattform ist ein
im Meer schwimmender Folienfermenter befestigt. Die geernteten Makroalgen
werden in den anaerob arbeitenden Fermenter eingefüllt und
dort innerhalb von 20 Tagen abgebaut. Der Fermenterauslauf wird
zur Düngung
des Feldes mit Eisensulfatlösung
versetzt und auf dem Feld ausgebracht. Das entstehende Biogas wird
in 4 Gasmotor/Generator Kombinationen mit einer elektrischen Leistung
von jeweils 500 kW in elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Die erzeugte
Elektrizität
wird mittels eines Kabels ans Festland transportiert.
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Beispiel 4:
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In
Küstennähe werden
bei Wassertiefen kleiner 30 m Makroalgen kultiviert. Die Makroalgen
werden mittels eines an einem Boot befestigten Mähwerkes geerntet. In der Mitte
des quadratischen Feldes mit ca. 2,2 km Kantenlänge befindet sich eine fest
am Meeresgrund verankerte Plattform. Die geernteten Makroalgen werden
in einer mit der Abwärme
der Stromerzeugung betriebenen Trocknungsanlage auf eine Restfeuchte
kleiner 30 Gew.-% getrocknet. Die getrockneten Makroalgen werden
in einem Ofen verbrannt. Die heißen Verbrennungsgase werden
zum Betrieb einer Dampfturbine genutzt. Über die Dampfturbine wird ein
Generator zur Stromerzeugung angetrieben. Die erzeugte Elektrizität wird mittels
eines Kabels ans Festland transportiert. Die auf Temperaturen unter
90°C abgekühlten Verbrennungsgase werden,
wie bereits dargestellt, zur Trocknung der Algen verwendet. Die
bei der Verbrennung der Algen anfallende Asche wird zur Düngung des
Algenfeldes eingesetzt.
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Beispiel 5:
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In
Küstennähe werden
bei Wassertiefen kleiner 30 m Makroalgen kultiviert. Die Makroalgen
werden mittels eines an einem Boot befestigten Mähwerkes geerntet. In der Mitte
des quadratischen Feldes mit ca. 2,2 km Kantenlänge befindet sich eine fest
am Meeresgrund verankerte Plattform. Die geernteten Makroalgen werden
in einer mit der Abwärme
der Stromerzeugung betriebenen Trocknungsanlage auf eine Restfeuchte
kleiner 30 Gew.-% getrocknet. Die getrockneten Makroalgen werden
in einer Pyrolyseeinheit überwiegend
in gasförmige
Stoffe umgewandelt. Die Pyrolysegase werden in einem Blockheizkraftwerk
(BHKW) in Strom und Wärme
umgewandelt. Die erzeugte Elektrizität wird mittels eines Kabels
ans Festland transportiert. Die Abwärme des BHKW wird zur Trocknung
der Algen verwendet.
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Beispiel 6:
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In
Küstennähe werden
bei Wassertiefen kleiner 40 m Makroalgen kultiviert. Die Algen werden
mittels eines an einem Boot befestigten Mähwerkes geerntet und zu einer
in der Mitte der Anbaufläche
verankerten Plattform befördert.
An der Plattform befestigt befinden sich mehrere Fermenter, die
eine flexible Hülle
aufweisen und auf der Wasseroberfläche treiben, wodurch eine gute
mechanische Durchmischung des Fermenterinhalts ermöglicht ist.
Das Fermentersubstrat, sowie das entstehende Biogas werden über flexible
Leitungen von und zur Plattform transportiert. Die Plattform beinhaltet
alle notwendigen technischen Ausstattungen, wie Pumpen, Filter, Gasreinigung
etc., um den Substrat- und Gastransport zu gewährleisten und um das gesammelte
Biogas in einem BHKW zu verstromen. Die erzeugte Elektrizität wird mittels
eines Kabels ans Festland transportiert.