In dieser Arbeit geht es darum, wie Mikroalgen in geschlossenen Kultivierungssystemen technologisch nutzbar gemacht werden können, um als Instrument des Geoengineerings die Konzentration von CO² in der Atmosphäre zu reduzieren und den Klimawandel zu stoppen.
Als Erstes wird der Begriff "Geoengineering" definiert, danach werden die Eigenschaften und das Potenzial der Algen am Beispiel verschiedener Technologien betrachtet. Abschließend findet eine praktische Bewertung statt.
In Anbetracht des immer deutlich werdenden Klimawandels ist die Menschheit dazu aufgefordert, zum einen ihren CO² Ausstoß drastisch zu reduzieren (Mitigation) und zum anderen Maßnahmen zu entwickeln, um das schon emittierte CO² zu binden (Adaption). Denn der Konsens der Internationalen Klimaforschung macht deutlich, dass die Klimaveränderungen hauptsächlich auf den Ausstoß von CO² und anderen sogenannten Treibhausgasen in die Atmosphäre zurückzuführen sind. So haben menschliche Emissionen dazu geführt, dass der CO² Gehalt um 40 Prozent höher ist als vor dem Beginn der Industrialisierung um 1750. Besonders die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl, Kohle und Gas haben zum Ausstoß dieses Treibhausgases geführt. Pflanzen können als natürliche Senken für Kohlendioxid fungieren, da sie während des Prozesses der Fotosynthese CO² in ihrer Biomasse binden. In diesem Zusammenhang können auch Algen eine Rolle spielen.
Forschungsthese:
„Mikroalgen in geschlossenen Kultivierungssystemen können technologisch nutzbar gemacht werden, um als Instrument des Geoengineerings die Konzentration von CO2 in der Atmosphäre zu reduzieren und den Klimawandel zu stoppen.“
Einleitung:
In Anbetracht des immer deutlich werdenden Klimawandels ist die Menschheit dazu aufgefordert zum einen ihren CO2 Ausstoß drastisch zu reduzieren (Mitigation) und zum anderen Maßnahmen zu entwickeln, um das schon emittierte CO2 zu binden (Adaption). Denn der Konsens der Internationalen Klimaforschung macht deutlich, dass die Klimaveränderungen hauptsächlich auf den Ausstoß von CO2 und anderen sogenannten Treibhausgasen in die Atmosphäre zurückzuführen sind (Bazzanella und Krämer 2017: 15). So haben menschliche Emissionen dazu geführt, dass der CO2 Gehalt um 40 Prozent höher ist als vor dem Beginn der Industrialisierung um 1750 (BMU 2021). Besonders die Verbrennung fossiler Brennstoffe, wie Öl, Kohle und Gas, haben zum Ausstoß dieses Treibhausgases geführt. Pflanzen können als natürliche Senken für Kohlendioxid fungieren, da sie während des Prozesses der Fotosynthese CO2 in ihrer Biomasse binden (BMU 2021). In diesem Zusammenhang können auch Algen eine Rolle spielen. „Der Weltklimarat geht davon aus, dass zur Erreichung der globalen Klimaziele auch technologische Umwelteingriffe notwendig sind. Forscher arbeiten an unterschiedlichen Lösungen des sogenannten Geoengineerings“ (Wehrmann 2020). Diese Arbeit soll die These „Mikroalgen in Algenkultivierungssystemen haben das Potential als Maßnahme des Geo-Engineerings die CO2 Konzentration in der Atmosphäre zu reduzieren" diskutieren. Als erstes wird der Begriff Geo-Engineering definiert, danach werden die Eigenschaften und das Potential der Algen am Beispiel verschiedener Technologien betrachtet. Abschließend soll eine praktische Bewertung stattfinden.
Definition Geoengineering
„Unter Geoengineering versteht man zielgerichtete, in großem Maßstab durchgeführte Eingriffe in das Klimasystem, die eine Verringerung der anthropogenen Erderwärmung bewirken sollen“ (Vöneky 2019, S. 6). Dazu zählen also alle bewussten Eingriffe in das Ökosystem, um so die Folgen des Klimawandels abzumildern (Wehrmann 2020). Geoengineering ist ein „[.] weit gefasster Begriff, hinter dem sich ganz unterschiedliche technologische Ideen und Methoden mit jeweils verschiedenen Risiken für Menschen und Ökosysteme verbergen“ (Unmüßig 2020). Das Ziel besteht darin, die globale Erwärmung der Atmosphäre zu verringern, wofür zwei verschiedene Umsetzungsansätze unterschieden werden. So ist zum einen die RM-Maßnahme zu nennen (engl. Solar Radiation Management), welche sich den Albedo Effekt zum Vorbild macht, also mit Hilfe von hellen oder reflektierenden Oberflächen die Rückstrahlung des Sonnenlichtes verstärkt (Vöneky 2019: 67). Auf diese Weise soll also die Aufnahme kurzwelliger Sonneneinstrahlung durch die Erde verringert und die Temperatur innerhalb der Atmosphäre reduziert werden. Die Kritik an dieser Methode ist, dass diese nur auf die Reduzierung der Temperatur abzielt und nicht das Grundproblem, also den CO2 Gehalt in der Atmosphäre, angeht. Der zweite Ansatz nennt sich „Carbon Dioxide Removal“ (kurz: CDR), auf welchen sich dieses Paper beschränkt. Dieser hat das Ziel, Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre zu entziehen, das CO2 zu binden und somit die Ursache für den Klimawandel zu bekämpfen (Umweltbundesamt 2011: 18). Auch Algen bieten das Potential, CO2 in ihrer Biomasse zu binden und somit in Konzepten des Geoengineerings zum Einsatz zu kommen. Ein Anwendungsfall dieser Maßnahme war die Speicherung von CO2 in den Weltmeeren. Hierfür sollten Ozeane mit Eisen gedüngt werden, um den Algenwachstum zu befördern. Dieses Vorhaben wurde jedoch nach mehreren kleinskaligen Feldversuchen durch das Londoner Protokoll seit 2013 untersagt, da die beteiligten Staaten besorgt über die potenzielle Schädigung und Verschmutzung des fragilen marinen Ökosystems waren (Caviezel 2014: 14-15). Aus diesem Grund wird sich diese Arbeit auf geschlossene Algenkultivierungssysteme begrenzen. Geschlossene Systeme haben eine hohe Prozessstabilität und Produktivität. Hierfür werden sogenannte Photobioreaktoren eingesetzt (Rübberdt 2016: 12). In einem Photobioreaktor werden die Mikroalgen unter einer regulierten Zugabe von Licht, CO2, Wasser und Nährstoffen gezüchtet. Durch diese geschlossenen und transparenten Platten-, oder Rohrreaktoren, wird die optimale Versorgung mit Licht gewährleistet (Rübberdt 2016: 10).
Potential von Mikroalgen
Im Folgenden soll genauer darauf eingegangen werden, welches Potential Mikroalgen zur Bindung von CO2 in Biomasse bergen.
Mikroalgen werden als die ersten Sauerstoffproduzenten der Erde betrachtet und gelten als wichtigster Primärproduzent von Biomasse. So wird geschätzt, dass die im Süß- und Salzwasser lebenden Algen, also sowohl mikroskopisch kleine Einzeller (Mikroalgen) als auch bis zu 30 m lange Riesentange (Makroalgen), jährlich etwa die gleiche Menge Kohlenstoffdioxid assimilieren und organische Substanzen biosynthetisieren, wie die höheren Pflanzen an Land (Bley 2009: 88). Obwohl Schätzungen von mehr als hunderttausend Algenarten ausgehen, wurden bisher weniger als zehntausend Algenarten klassifiziert. Außerdem werden von den klassifizierten Algenarten gerade einmal 20 Arten wirtschaftlich genutzt, was das Potential von Algen im Allgemeinen in der Forschung deutlich macht (Rübberdt 2016: 6). In dieser Arbeit soll sich jedoch auf die Mikroalgen beschränkt werden. „Unter dem Begriff Mikroalgen [...] [wird] ein Formenkreis von mikroskopisch kleinen photosynthetisch aktiven Organismen verstanden, die überwiegend in aquatischen Lebensräumen zu Hause sind“ (Rübberdt 2016: 6). „Die wesentlichen Bestandteile von Mikroalgen sind Proteine und Aminosäuren, Fette und Fettsäuren, Mineralstoffe und Spurenelemente, Pigmente, Vitamine und antioxidative Schutzkomponenten“ (Bley 2009: 89). Mikroalgen haben außerdem die Eigenschaft, dass sie Chlorophyll enthalten, welches wichtige Funktionen bei der Photosynthese übernimmt. Der biochemische Prozess der Photosynthese ermöglicht einen Großteil des Lebens auf unserem Planeten. Bei diesem Prozess wird Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre aufgenommen und mit Hilfe der Energie des Sonnenlichts und unter Verbrauch von Wasser zu Zucker, einem Energieträger, umgebaut. Dabei entsteht als Nebenprodukt Sauerstoff. Algen spielen eine grundlegende Rolle bei der Bindung von CO2 und sind ungefähr für ein Drittel der globalen Kohlenstoffbindung verantwortlich. Dies ist auf die besondere Anpassung der Algen an die Zusammensetzung der atmosphärischen Gase zurückzuführen. Die Algenorganelle Pyrenoid enthält das CO2-fixierende Enzym Rubisco. Pyrenoid verbessert die Kohlenstofffixierung, indem es Rubisco mit einer hohen Konzentration an CO2 versorgt und somit ein besonderes Potential birgt (Mackinder et al. 2016: 6).Als weiteren Punkt lässt sich nennen, dass Mikroalgen ganzjährlich geerntet werden können, also keine jahreszeitlichen Wachstumsperioden besitzen, was ihnen einen Vorteil gegenüber saisonabhängigen Ackerpflanzen verschafft. So ist der jährliche Ertrag von Biomasse bis zu 50 Mal höher als der von Getreide (siehe Abbildung 1) (Bley 2009: 89). Dabei geht es zu bedenken, dass das für die Photosynthese benötigte Licht die Produktivität bei der Herstellung von Biomasse beeinflusst. Die Lichtintensität hängt maßgeblich auch von der geographischen Lage ab. Zwar könnte man auch eine künstliche Belichtung erzeugen, allerdings würde diesen einen Hohen Energieverbrauch und Flächenverbrauch mit sich bringen und so ein Nachteil schaffen (TUHH 2021: 2-3).
Zur Kultivierung der Algen wird kein Trinkwasser benötigt, da diese auch in Salzwasser wachsen und durch einen geschlossenen Wasserkreislauf wird der Wasserverbrauch minimiert (Bley 2009: 90). „Außerdem muss keine wertvolle Ackerfläche verbraucht werden, sondern es können praktisch alle Gegenden genutzt werden, für die es sonst keine Ansprüche gibt. Dazu gehören Trockengebiete, Industriebrachen [.]“ oder Hausfassaden (Rübberdt 2016: 6).
Technologische Einsatzmöglichkeiten
In diesem Teil der Arbeit sollen zwei technologische Einsatzmöglichkeiten für die CDR Methode des Geoengineerings vorgestellt werden. Jedoch soll dies nur einen Einblick in die Vielfalt der Projekte geben, dieses Paper macht sich nicht zum Ziel jedes einzelne Projekt genau zu betrachten. Außerdem sollte bedacht werden, dass all diese Projekte bisher nur im Labormaßstab Anwendung fanden und bisher noch nicht im wirtschaftlichen Maßstab umgesetzt wurden.
Kultiviert man Mikroalgen in geschlossenen Systemen, kann die daraus gewonnene Biomasse nutzbar gemacht werden. Wie erwähnt, kann bis zum Fünffachen der Biomasse im Vergleich zur konventionellen Biomasseerzeugung gewonnen werden. Dabei werden 100 t Biotrockenmasse pro Hektar und Jahr als realistisch betrachtet (Rübberdt 2016: 6). Diese Biomasse kann in Biogasanlagen energetisch verwertet werden. „Interessanter ist jedoch die Nutzung des hohen Ölanteils in Mikroalgen für nachhaltige Biotreibstoffe“ (Rübberdt 2016: 9). Beim Einsatz dieser Technologie können so zudem Agrarflächen klassischer Energiepflanzen frei gemacht und rekultiviert werden, was ein weiteres Potential bei der Reduktion von CO2 Emissionen mit sich bringt und den Effekt so erhöht. Biokrafttreibstoffe haben außerdem gegenüber fossilen Energieträgern den Vorteil, dass sie sich in einer Kreislaufwirtschaft verwerten lassen und keine natürlichen CO2 Senken verbrauchen. (Rübberdt 2016: 6)
Aus Algen hergestellte Kohlefasern können als künstliche CO2 Senke fungieren. Außerdem könnte diese Technologie Materialien substituieren, welche derzeit hohe Treibhausgase verursachen, was zu einer Verdopplung des Effekts führen kann. So zeigt eine Studie, dass die Produktion von Stahl, Aluminium und Stahlbeton bis zu 21% der anthropogenen CO2 Emissionen ausmacht. Würde man dies durch Materialien aus Kohlenstofffasern ersetzen, hätte man nicht nur CO2 gebunden, sondern auch das bei der Herstellung emittierte CO2 eingespart. Der Prozess der Herstellung von Kohlefasern ist energie- und kosteneffizient und basiert auf der Gewinnung von Energie durch Sonnenstrahlung und effiziente Energierückgewinnung (Arnold et al. 2018). Dieses Beispiel zeigt, dass Algen durchaus das Potenzial haben, CO2 in der Atmosphäre zu reduzieren. Das setzt jedoch voraus, dass die so hergestellten Produkte nach ihrem Verbrauch nicht verbrannt werden. Es wird vorgeschlagen, die Abfälle verbrauchter Güter in alten Kohleflözen zu lagern, um so einen CO2 Speicher unter der Erde zu schaffen und das CO2 von der Atmosphäre zu abzuschotten (Arnold et al. 2018). „Aktuelle Forschungsergebnisse legen nahe, dass Produktionsprozesse mit Mikroalgen sich vergleichsweise leicht in bestehende Energie- und Stoffkreisläufe integrieren lassen (Nutzung von Abwasser, Salz- und Brackwasser, Abwärme und Abgasen) und dass eine Anpassung an lokale Umweltbedingungen möglich ist“ (Rübberdt 2016: 16).
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- Citation du texte
- Annalena Bernsee (Auteur), 2021, Geoengineering im Kampf gegen den Klimawandel. Die Nutzbarmachung von Mikroalgen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1042206
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