DE102009051927A1

DE102009051927A1 - Biosolares Kleinkraftwerk

Info

Publication number: DE102009051927A1
Application number: DE102009051927A
Authority: DE
Original assignee: MEHLHORN HARALD
Current assignee: MEHLHORN HARALD
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Hintergrund der Erfindung ist, eine Antwort zu finden auf die weltweiten Probleme der Energieversorgung und die damit verbundenen Kohlendioxidemissionen, mit möglichst dezentralen und vom Stromnetz unabhängigen Aufstellungsorten, basiert auf biologischen und biochemischen Prozessen. Die Erfindung beschreibt ein biosolares Kleinkraftwerk, in dem emissionsfrei in mehreren miteinander verknüpften Stoff- und Wärmekreisläufen Sonnenenergie in elektrische Energie transformiert wird.

Description

Aufgabenstellung ist, ein emissionsloses Kraftwerk zu konstruieren, das man dezentral aufstellen kann, und das auf biologischen und biochemischen Prozessen basiert.
Stand der Technik
1960 schlugen Oswald and Golueke in "The Biological Transformation of Solar Energy" grosse Raceway-Teiche vor, in denen Algen mit Kommunalabwassern und Kraftwerksabgasen kultiviert werden sollten. Die Biomasse sollte dann in Biogasanlagen in Methan umgewandelt werden. Dieses Ziel konnte bislang nicht erreicht werden. Dafür gibt es folgende Gründe:

A) Wahl der Mikroorganismen: Bisher wurden Grünalgen bevorzugt. Grünalgenreaktoren arbeiten wesentlich weniger effektiv als Blaualgen- und Bakterienreaktoren, weil bei Grünalgen Fixierungs- und Wachstumsraten bei etwa einem Fünftel liegen, sie geringere reaktive Oberfläche haben und zu Kettenbildung neigen.
B) Fressfeinde: verhindern häufig eine zufriedenstellende Ernte.
C) Lichtverhältnisse: Schichtenbildung und UV-Strahlung behindern das Wachstum.
D) Prozesstemperatur: In offenen Reaktoren gibt es keine Temperaturregelung.
E) CO2-Versorgung und Sauerstoff: Direkt in das Prozesswasser eingeführtes Abgas bläst aus in flachen Gewässern (offene Bioreaktoren) und bringt ohne Druckerhöhung nur eine lokale und kurzzeitige Aufkonzentration von CO2 im Prozesswasser. Geschlossene Bioreaktoren lösen die Probleme, sind aber für Energieproduktion zu teuer. Alle bisher benutzten System blasen den Sauerstoff in die Atmosphäre.
F) Düngung: Alle Bioreaktoren müssen nachgedüngt werden.
G) Energiebilanz: in bisherigen Designs negativ.

Verfahren

A) Wahl der Mikroorganismen: Die Auslegung der vorgeschlagenen Anlage basiert auf Synechocystis sp., einer Blaualge. Synechocystis sp. nutzt praktisch die gesamte Sonnenenergie mit Wellenlängen oberhalb von 360 nm. Bei 1016 nm (im infraroten Bereich) hat sie ein Wachstumsoptimum. Allerdings gibt es weit effektivere Mikroorganismen.
B) Fressfeinde: Blaualgen und Bakterien haben so gut wie keine Fressfeinde.
C) Lichtverhältnisse: Synechocystis sp. wächst auch bei mangelnder bzw. fehlender Sonneneinstrahlung. Die verwendeten Materialien vermindern UV-Stress.
D) Prozesstemperatur: Synechocystis a. beginnt rapides Wachstum bei 20°C. Sie hat ihr Wachstumsoptimum zwischen 30°C und 37°C. Das Wachstum endet bei 45°C. Der Bioreaktor wird mittels Abgaswärmenutzung im Wachstumsoptimum betrieben.
E) CO₂-Versorgung und Sauerstoff: Der Bioreaktor besteht im Prinzip aus transparenten Mehrschichtfolienschläuchen mit in diesem Beispiel 15.000 m2 Einstrahlungsfläche. Diese werden in einem System von speziell geformten und geneigten Furchen ausgelegt, sie enden im Erntekanal, der sich auch in einem Mehrschichtschlauch befindet. Die Systemgestalt haengt von der Geländeform ab. Der Erntekanal endet in der Ernteeinheit. In der Mischeinheit wird mittels Strahlpumpen eine stabile CO₂-Lösung erzeugt, in der sich bereits Mikroorganismen befinden. Bei Wassertemperaturen um 37°C können bis 1.7 g/l CO₂ gelöst werden. Die CO₂-Aufnahme der Synechocystis ist im bisher beobachteten Optimum 1,5 Gramm pro Liter und Tag. Die Verteilung im Bioreaktor übernehmen Mischdüsen, die nach dem Bunsenprinzip konstruiert sind. Die Mikroorganismen erzeugen Sauerstoff, der einen leichten Überdruck über dem Prozesswasser erzeugt. Der Überdruck wölbt den Folienschlauch aus. Zusammen mit dem warmen Prozesswasser sorgt der Effekt auch dafür, dass der Bioreaktor keine Schneelasten tragen muss, Regenwasser gut abläuft, und gegen Winddruck stabilisiert wird. Der Sauerstoff wird der Turbine zugeführt.
F) Düngung: Der in der Biogasanlage anfallende Dünger wird mit konventionellen Methoden aufbereitet und in den Bioreaktor zurückgeführt.
G) Energiebilanz: Positiv. Das hier beschriebene Beispiel erzeugt 6075 MWh pro Jahr mit einer 1 MW Turbine in 7500 Betriebsstunden und mit 19% Eigenverbrauch. Die Sonnenenergie auf 15,000 m2 ebener Einstrahlungsfläche beträgt in unseren Breiten ungefähr 15 GWh pro Jahr. Die Abwärme addiert 6 GWh, und erhöht die Prozesswassertemperatur in den 6,000 m3 Prozesswasser auf über 300 C. Bei einer Systemeffizienz unter 30% (5...8% Photosynthese mit Chlorophyll, 4...6% Photosynthese in der ”grünen Lücke” (500 nm–600 nm) mit Phycobilisomen, 6...12% durch Einstrahlung von Infrarotlicht, und bis 35% mit Eintrag der Abgaswärme, abzüglich Streuverluste) könnte das BSK 24 Stunden pro Tag zwischen dem 30. Januar und dem 8. November arbeiten. Bis zum 21. Dezember wuerde die Betriebszeit auf 10 Stunden pro Tag fallen, dann wieder steigen. Algenernte, Biogasanlage, Krafterzeugungseinheit: greifen auf bestehende Lösungen zurück.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

1960 schlugen Oswald and Golueke in ”The Biological Transformation of Solar Energy” grosse Raceway-Teiche vor [0002]

Claims

Verfahren zur emissionsfreien Transformation von Sonnenenergie in elektrische Energie, das dadurch gekennzeichnet ist, dass 1. die Krafterzeugung in einem geschlossenen Kreisprozess stattfindet, und namentlich alle Stoffkreisläufe geschlossen sind, 2. die Abwärme der Krafterzeugung im Kreisprozess verbleibt, im Bioreaktor die Optimierung der Wachstumsbedingungen von Mikroorganismen ermöglicht, und in der Ernteeinheit für die Aufbereitung der Biomasse zur Verfügung steht, 3. in der Mischeinheit ein System von Kreisel- und Strahlpumpen genutzt wird, 4. ein geschlossener Flachkanal-Bioreaktor verwendet wird, dergestalt, dass transparente Mehrschichtfolienschläuche in einem Flachkanalsystem ausgelegt werden, die in den Erntekanal münden, und in denen die Mikroorganismen mittels Mischdüsen versorgt und bewegt werden.