WO2005001104A1 - Verfahren und anlage zum klimaschutz durch maximierte nettoproduktion von sauerstoff - Google Patents

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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/59—Biological synthesis; Biological purification

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for climate protection through maximized net production of oxygen with simultaneous net reduction of carbon dioxide through the use of relevant environmentally harmful industrial and agricultural waste products. It includes the year-round production of oxygen with a continuous consumption of carbon dioxide using special types of microalgae by creating an artificial growth environment, since these microalgae do not thrive under European climatic conditions or in natural waters.
  • the technology is preferably used where carbon dioxide occurs in a concentrated form. The prerequisites for the application of these measures are created with relatively little technical effort, preferably using existing additives, non-industrial heat energy from commercial plants, alternative energy sources and suitable spatial conditions.
  • microalgae for the production of medicines, nutritional supplements as well as feed and fertilizers are grown and processed in plantations. Such systems are preferably located in tropical and subtropical regions, where the climate is favorable for the growth of these algae. This is primarily heat and sunlight. The temperate climate prevailing in Europe and adequate zones is not ideal for the growth of microalgae. It is known that the ability of plants and algae, through their photosynthesis to convert carbon dioxide to oxygen, is tied to the presence of energy, essentially in the form of sunlight, and is therefore subject to solar radiation during the year, while anthropogenic carbon dioxide release does the whole Year-round and especially in the season in which the
  • Sun exposure is particularly low.
  • natural vegetation in the cooler climates has an at least seasonal effect on reducing the amount of carbon dioxide released.
  • Numerous measures have been taken to avert such global warming. These measures include energy saving, the rational use of energy resources, the use of alternative energies such as solar energy, wind energy, geothermal energy and the like. Due to the high energy requirements of the industrialized countries and the future increasing energy demand from developing and emerging countries, these alternative energies have only a very limited impact. There is therefore a very great need for initiatives to reduce the amount of carbon dioxide produced, especially in the industrialized countries.
  • DE 197 21 280 C2 discloses a method and a device for the photobiological separation of gas mixtures containing carbon dioxide and methane.
  • the carbon dioxide is removed from the gas mixture by light-induced assimilation and subsequent dissimilation of an algal culture, the algal culture alternating at short intervals between a state in which it absorbs carbon dioxide under the action of light and a state of darkness in which it releases the carbon dioxide and then the carbon dioxide released during dissimilation is converted in a photosynthesis reactor by algal cultures into algal biomass and oxygen.
  • the technology is based on the 3 main elements of photosynthesis, namely LICHT LUFT WASSER 6 C0 2 + 6H 2 O Licht ⁇ C 6 H 12 O 6 + 6O 2
  • climate protection formula for application technology is based on that of photosynthesis
  • the generation of carbon dioxide is associated with the generation of thermal energy.
  • This carbon dioxide even in chemically converted forms, is advantageously used to intensify the growth rate of the microalgae cultures, because this increases their oxygen release.
  • Microalgae thrive particularly favorably in saline media (not sea water). It is advantageous if potash deposits are available, since sodium hydroxide solution (NaOH) is obtained from the residual potassium salts with the help of chloralkali electrolysis, the exhaust gas CO 2 is introduced into this sodium hydroxide solution and sodium hydrogen carbonate (NaHC0 3 ) is thus formed. With this biotechnical procedure, the algae cultures can better utilize the sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ).
  • Another waste product the manure that arises especially in industrial animal husbandry in agriculture and is harmful to the environment, is added as an additional nutrient solution to the soda-containing growth culture in defined amounts in order to achieve a higher growth rate of the algal cultures per growth period and thus the photosynthetic processes of the To make algae more efficient.
  • the emission of the trace gas methane into the atmosphere is reduced.
  • biomass waste generally forest residues
  • microalgae Due to the fact that the oxygen conversion rate of the microalgae is far above the conversion rate of the natural vegetation such as trees, shrubs, grass and the like, microalgae are particularly suitable in accordance with the desired climate protection, carbon dioxide with a much higher effectiveness in oxygen, regardless of the day and season to transform, as this enables the usual, well-known vegetation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the method in an ecologically and economically sensible system for generating electrical power and oxygen by the consumption of carbon dioxide using microalgae for a biomass power plant in a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the Method for generating oxygen using the microalgae Spirulina platensis for a sports and event facility in a second embodiment.
  • a specific designation is used for each of the two exemplary embodiments, by means of which a later dissemination of the invention is to be facilitated.
  • Embodiment - SpiruLipp This embodiment according to FIG. 1 relates to a system for climate protection for maximized net production of oxygen with simultaneous net reduction of carbon dioxide using CO 2 exhaust gases, water containing soda, additional nutrient solutions, the waste heat and the Photosynthetic possibilities of microalgae using the example of a biomass power plant.
  • the biomass power plant is located in an area with a disused potash mine, which is suitable as a heat store. In order to generate heat and electrical power, biological waste (fresh wood from forestry) that is no longer economically viable is burned in the power plant.
  • the photosynthetic reaction process carbon dioxide / oxygen takes place through natural conversion processes in algal cultures. These are located in several pools, the size of which is dimensioned according to the required performance so that the carbon dioxide produced by the power plant in the
  • Spirulina platensis and Chlorella vulgaris are preferably used as algae.
  • optimal conditions must be created. These include enriching the growth environment of the algal cultures with exhaust gas CO 2 , which is regulated by pump and control systems, and fed directly to the CO 2 target gas supply and the production of the pH value via distributor nozzles. This nozzle technology also serves to gently circulate the algae to trigger the flashing light effects (light absorption) and to avoid shear effects that are harmful to the algae.
  • the other part of the exhaust gas - CO2 is passed to bind the carbon dioxide in sodium hydroxide solution (NaOH), which uses chloralkali electrolysis and the potassium salts with alternative energy to generate, which binds CO 2 and forms sodium bicarbonate (NaHCO 3 ).
  • Sodium bicarbonate and the addition of a defined amount of animal manure as an additional nutrient solution ensures an optimal growth process for the microalgae.
  • the mixture of exhaust gas - CO 2 , sodium hydrogen carbonate and liquid manure is used in the algal cultures Spirulina platensis (3% NaHCO 3 , exhaust gas - CO 2 to control the pH value of the nutrient solution to a pH value of 10 to 11 and one defined amount of slurry) and Chlorella vulgaris (0.5% NaHCO 3 , direct utilization of 1% exhaust gas CO 2 , pH value 8 via exhaust gas - CO 2 control as well as a defined amount of slurry) and the microalgae utilize this via the photosynthetic reactions Carbon dioxide, sodium hydrogen carbonate and the addition of liquid manure to oxygen and biomass.
  • This sodium hydroxide solution (NaOH) required for the above process is obtained by chlor-alkali electrolysis from the crude potassium salts which are sufficiently available in this exemplary embodiment. It is ecologically beneficial to use alternative or night-time electricity.
  • the algae cultures are heated to a target value of + 27 ° C to + 30 ° C, their intensive growth increases the oxygen production.
  • This heating of the algae cultures can take place through direct or indirect use of the waste heat from the power plant.
  • the waste heat is supplied to the algae cultures in a controlled manner depending on the temperature. With indirect use, the waste heat is first conducted to a heat store.
  • Pit structures underground cavities
  • pit structures have a constantly high temperature (around + 35 ° C) all year round.
  • the waste heat from the power plant is conducted into the mine structure through a pipe system designed as a closed circuit and preferably remains there in an artificially created brine as a storage medium. If there is a need for heat in the algae cultures, this missing amount is supplied by the storage medium.
  • a constant exposure to light on the algae culture must be guaranteed. Therefore, artificial lighting must be provided in poor lighting conditions, especially at night.
  • the size of the pools with the algae cultures, the temperature, the exposure to light and the concentration of the exhaust gas C0 2 , the Sodium bicarbonates (NaHCO 3 ) and the manure can be optimized so that a high oxygen yield is achieved.
  • the selected microalgae species achieve a much more intensive growth compared to plants and thus the ideal ability to produce more oxygen.
  • the growth rate of Spirulina platensis is approximately 130 times in 45 days under optimal conditions, and that of Chlorella vulgaris approximately 350 times. Spirulina platensis is preferred in spite of its lower reproduction rate because its ingredients are easier to use.
  • the microalgae that are excessively grown are regularly harvested and recycled.
  • Sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) in particular promotes the growth of the algae Spirulina platensis, since its original growth cultures are soda lakes that do not exist in Europe.
  • a sufficient amount of raw materials for the production of soda is available in Central Europe through the salt mining operations here, whereby in most cases it is potash salts that have been dumped, for which there have so far been insufficient possibilities of use or which have so far not been used could become.
  • the oxygen production is operated directly next to a power plant which is in the immediate vicinity of such potassium salt deposits, there is also the advantage of a short transport route. Furthermore, it is of considerable importance that with the high oxygen production of the microalgae cultures the CO 2 emissions
  • Biomass power plant is almost completely prevented and a significant contribution to environmental protection is made, since the oxygen obtained can in turn be used for more efficient combustion technology and thus for a reduction in the CO 2 exhaust gas volume. Oxygen production can take place continuously regardless of the time of day and season. 2nd embodiment - SpirOLymp
  • This second exemplary embodiment relates to the use of the technology for generating oxygen in order to avoid the oxygen shortage of large crowds. It is called SpirOLymp.
  • SpirOLymp the technology for generating oxygen in order to avoid the oxygen shortage of large crowds.
  • Sports stadiums which are mostly based on a conical-kettle-like construction and are partially or completely open at the top, to exchange the breathing air consumed by crowds with fresh air enriched with oxygen.
  • a stadium 1 is shown schematically in a conical, boiler-like construction. In unfavorable conditions such as high air temperatures and little or no natural air movement, the process of renewing the air is slower than is necessary for a constant oxygen content in the breathing air.
  • the aim of this embodiment is to introduce fresh oxygen-enriched breathing air into the stadium 1.
  • This oxygen is produced in a microalgae culture 2 in three tanks by photosynthesis.
  • the microalgae Spirulina platensis is used.
  • the microalgae culture 2 is expediently aligned with the volume of the interior of the stadium (cubature).
  • the oxygen produced outside the stadium 1 on the basis of photosynthesis by the microalgae Spirulina platensis is continuously withdrawn in the required quantities, collected and distributed as evenly as possible by a compressor station 3 installed at a suitable location and via a ring line 5 provided with outlet openings 4
  • the method has the advantage that by controlling the heat supply, the nutrient solutions supplied and the artificial lighting 10, the algae culture can be adapted to the requirements when the stadium is at rest. The resulting despite these reduction measures when the stadium is not in use Amounts of oxygen are fed to the turf 7 of the stadium as a growth promoter and / or the main building 8 of the stadium 1, in which numerous training facilities are located, for improving the breathing air. The same applies to large, closed rooms.
  • the oxygen enrichment of the breathing air is particularly suitable for halls 9 in which
  • the microalgae culture 2A is also designed according to the spatial cubature. In contrast to the application described above for objects which are open at the top, however, the used breathing air is extracted and fed to the algal culture Spirulina platensis as a carbon dioxide-containing gas for pH control of the microalgae culture 2A. Depending on the envisaged dosage quantity of the oxygen supply, the biomass can be used with aids such as CO2 gas,
  • Sodium bicarbonate (NaHCOs), metered liquid manure 11 and additional heat and light can be stimulated to increase oxygen release. This can also reduce the size of the microalgae culture. Here too, the grown algae mass is harvested and sent for further processing.

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Abstract

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 von Mikroalgen durch die Schaffung eines künstlichen Wachstumsmilieus, da die Mikroalgen weder unter europäischen Klimabedingungen noch in natürlichen Gewässern gedeihen. Das Verfahren wird vorzugsweise dort eingesetzt, wo Kohlendioxid in konzentrierter Form auftritt. Die Schaffung der Voraussetzungen zur Anwendung des Verfahrens 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.

Description

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 CO2 -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 NaHCθ3, 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 C02 + 6H2O Licht ► C6H12O6 + 6O2
Die Klimaschutz-Formel der Anwendungstechnologie lautet, bezogen auf die der Fotosynthese
Kohlendioxid + industrielle und landwirtschaftliche Abprodukte + Wasser (+ alternative Energie) — Lιcht ► 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-CO2 eingeleitet und sich damit Natriumhydrogencarbonat (NaHC03) 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.
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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 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 Algen kulturen, 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 (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 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 CO2 - Gas,
Natriumhydrogencarbonat (NaHCOs), 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.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Klimaschutz durch maximierte Nettoproduktion von Sauerstoff bei gleichzeitiger Nettoreduktion von Kohlendioxid unter Verwendung von Mikroalgen, mittels Fotosynthese durch Umwandlung von Kohlendioxid, gekennzeichnet durch die Schaffung folgender Voraussetzungen in Zonen des gemäßigten Klimas
• die Mikroalgen werden zusammen mit Wasser und Kalisalzen in Becken als Kulturen angesetzt, • dem Wachtumsmilieu wird Abgas-Cθ2 zur pH - Wert-Steuerung zugeleitet,
• den Kulturen wird kontinuierlich eine bestimmte Menge Natriumhydrogencarbonat (NaHC03) und eine definierte Menge Gülle als Nährstoff zugeführt,
• die Kulturen werden auf eine optimale Temperatur erwärmt und auf dieser gehalten,
• die Kulturen werden unter Lichteinwirkung einer bestimmten Lichtstärke ausgesetzt,
• die durch ihr Wachstum überschüssigen Mikroalgen werden regelmäßig geerntet.
2. Verfahren zum Klimaschutz nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass als Mikroalgen die Arten (Sorten) Spirulina platensis und/oder Chlorella vulgaris verwendet werden.
3. Verfahren zum Klimaschutz nach den Ansprüchen 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, dass
• von einem Biomassekraftwerk das Kohlendioxid (CO2) aus dessen Abgasen und die Restwärme verwendet wird,
• aus dem, auf Halde eines Kalibergwerkes lagernden Kalisalzen durch Elektrolyse Natronlauge (NaOH) hergestellt wird, • der Strom für die Elektrolyse und das Kunstlicht aus alternativen Stromquellen und/oder Nachtstrom zur Verwendung kommen,
• aus dem Kohlendioxid (C02) und der Natronlauge (NaOH) Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) hergestellt wird und • definierte Güllemengen zur Nährstoffanreicherung der Mikroalgenkulturen zugeführt werden.
4. Verfahren zum Klimaschutz nach den Ansprüchen 1. und 3., gekennzeichnet dadurch, dass die Abwärme des Biomassekraftwerkes in einer stillgelegten Kaligrube durch ein als geschlossener Kreislauf angelegtes Rohrleitungssystem in die Grubenbaue geleitet und bei einem bei den Algenkulturen entstehenden Wärmebedarf diese fehlende Bedarfsmenge vom Speichermedium zugeführt wird.
5. Verfahren zum Klimaschutz nach den Ansprüchen 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, dass zur Versorgung eines Sport- und Veranstaltungszentrums mit Sauerstoff (O) außerhalb dieses Zentrums eine Mikroalgenkultur angelegt wird, von der aus der erzeugte Sauerstoff (O) gleichmäßig verteilt in das untere Stadioninnere geleitet wird, wobei die verbrauchte und erwärmte Luft nach oben entweicht.
6. Verfahren zum Klimaschutz nach den Ansprüchen 1., 2. und 5., gekennzeichnet dadurch, dass es zur Versorgung eines Gebäudes mit Sauerstoff (O) eingesetzt wird, wobei die Mikroalgenkultur zur Erzeugung des Sauerstoffs (O) außerhalb des Gebäudes vorgesehen ist und die verbrauchte Atemluft als CO2-behaftetes Gas der Mikroalgenkultur zugeführt wird.
7. Anlage zur Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1. und 2., gekennzeichnet durch • ein Becken für das Ansetzen einer Kultur von Mikroalgen zusammen mit Wasser und Kalisalzen, • ein System der Abgas- CO2 - Zuführung zur Herstellung des pH-Wertes des Wachstumsmilieus,
• einem ersten Behälter, in dem Natriumhydrogencarbonat (NaHC03) zur dosierten Zuführung für die Mikroalgenkultur bereitgestellt wird, • einem zweiten Behälter, in dem Gülle zur dosierten Zuführung für die Mikroalgenkultur als Nährstoff bereitgestellt wird,
• zur Erwärmung der Mikroalgenkultur auf eine bestimmte Temperatur eine Heizung vorgesehen ist, die durch die Abwärme einer Industrieanlage gespeist wird, • über der Mikroalgenkultur eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen wird, durch die die Kulturen bedarfsgerecht einer bestimmten Lichtstärke ausgesetzt werden und
• zum regelmäßigen Ernten der gewachsenen überschüssigen Mikroalgen eine Abschöpfvorrichtung vorgesehen ist.
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