Biophotovoltaik: Strom aus Algen
Strom aus erneuerbaren Energien wie Sonnenlicht, Wind und Wasser ist längst bekannt. Doch auch Algen können elektrische Energie erzeugen. Wie diese Biophotovoltaik funktioniert, welche weiteren Möglichkeiten der Energiegewinnung Algen bieten und wo die Grenzen der Technik liegen, erfahren Sie in diesem Beitrag.
Lesezeit: 2-3 Minuten
Inhalt:
Das Wichtigste auf einen Blick
- Bei Biophotovoltaik wird ein kleiner Teil der bei der Photosynthese freigesetzten Elektronen durch einen Stromkreis geleitet, sodass Strom entsteht.
- Neben Algenstrom können Algen auch zur Wärmegewinnung und zur Herstellung von Biogas, Kraftstoff oder Wasserstoff eingesetzt werden.
- Der Strom aus Algen liefert bisher nur geringe Mengen, sodass die Technik eher für technische Kleinstverbraucher oder Forschungsprojekte eingesetzt wird.
Was ist Biophotovoltaik?
Der Begriff Biophotovoltaik kombiniert lebende Organismen mit der Photovoltaik-Technologie. Anders als bei einer herkömmlichen Photovoltaikanlage übernehmen jedoch keine Solarzellen aus Halbleitermaterialien die Stromerzeugung, sondern es werden photosynthetisch aktive Mikroorganismen eingesetzt.
Diese Mikroorganismen sind meist kleine Algen und Cyanobakterien. Letztere werden allgemeinhin auch als Blaualgen bezeichnet, gehören aber biologisch gesehen zu den Bakterien. Beide Arten können mithilfe von Sonnenlicht Photosynthese betreiben und Wasser und Kohlenstoffdioxid in Kohlenhydrate und Sauerstoff umwandeln.
Wie wird aus Algen Strom erzeugt?
Bei der direkten Stromerzeugung von Algen via Biophotovoltaik laufen mehrere biologische und technische Schritte ab. Folgendes passiert:
- Mikroorganismen kultivieren
Mikroalgen oder Cyanobakterien leben in einem Behälter mit Wasser, Kohlenstoffdioxid und den benötigten Nährstoffen. Dieser Behälter ist der Photobioreaktor. - Sonnenlicht trifft auf die Zellen
Die Organismen nehmen Lichtenergie auf und betreiben Photosynthese: Sie wandeln Kohlenstoffdioxid und Wasser in Kohlenhydrate und Sauerstoff um. - Elektronen werden exportiert
Während der Photosynthese werden Elektronen übertragen, die extrahiert und zur Stromerzeugung genutzt werden können. - Elektroden nehmen Elektronen auf
Die negativ geladene Anode sammelt die verfügbaren Elektronen. Von der Anode wandern sie über eine elektrische Leitung zur positiv geladenen Kathode. So entsteht durch die Elektronen der Algen ein elektrischer Strom.
Direkte Stromerzeugung
Bei der Biophotovoltaik werden Mikroalgen oder Cyanobakterien in einer mit Elektroden ausgestatteten Zelle gezüchtet. Die beim Stoffwechsel frei werdenden Elektronen werden aufgenommen und durch einen Stromkreis geleitet. So können Algen Strom erzeugen.
Indirekte Stromerzeugung
Algen lassen sich nach der Ernte sehr leicht weiterverarbeiten. Sie können zum Beispiel in einer Biogasanlage vergoren werden, indem Mikroorganismen die Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff zersetzen. Dabei entsteht ein Gasgemisch, das vor allem Methan enthält – ähnlich wie bei Erdgas. Dieses Biogas lässt sich aufbereiten und in einem Blockheizkraftwerk verbrennen, um indirekt Algenstrom zu erzeugen.
Wärmegewinnung
Algen können in durchsichtigen Behältern oder Rohrsystemen gezüchtet werden, durch die eine mit Mikroalgen versetzte Flüssigkeit fließt. Solche Photobioreaktoren werden in der Regel an einer Gebäudefassade angebracht, sodass die Sonneneinstrahlung das enthaltene Wasser erwärmt. Anschließend entzieht ein Wärmetauscher dem System einen Teil der Wärme. Sie kann beispielsweise für die Warmwasserbereitung verwendet werden.
Ein bekanntes Beispiel für so ein Algenhaus ist das BIQ in Hamburg. Es füttert die Algen mit Kohlenstoffdioxid und Nährstoffen, um in den Photobioreaktoren Algen zu züchten, die im nächsten Schritt weiter verwertet werden.
Erzeugung von Wasserstoff
Bestimmte Mikroalgen und Cyanobakterien können unter besonderen Bedingungen sogar Wasserstoff bilden. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, dass einige der beteiligten Enzyme empfindlich auf den Sauerstoff reagieren, der bei der Photosynthese entsteht. Forschende untersuchen deshalb unter anderem, wie sich die einzelnen Vorgänge zeitlich oder räumlich voneinander trennen lassen.
Übrigens: Einige Mikroalgen bilden große Mengen an Ölen und Fetten, die als Basis für Kraftstoffe weiterverarbeitet werden könnten. Jedoch ist die Herstellung dieses Algenkraftstoffs so energieintensiv, dass er nicht rentabel ist.
Fazit: Kann Biophotovoltaik die herkömmliche Stromerzeugung ersetzen?
Nein. Biophotovoltaik kann zwar Strom erzeugen, ist derzeit aber noch kein Ersatz für herkömmliche Photovoltaikanlagen oder andere Formen der Stromerzeugung. Die bisher erreichbare Leistung ist zu gering. Der Strom der Biophotovoltaik reicht nur für kleine Verbrauchsgeräte wie Sensoren, Messfühler oder Funksender aus.
Solche biophotovoltaischen Anlagen könnten aber an schwer zugänglichen Orten eingesetzt werden. Andere Verfahren nutzen Algen als Ausgangsstoff für Biogas, Wärme oder Wasserstoff. Diese Möglichkeiten befinden sich teilweise noch in der Entwicklung oder gehen mit einem hohen energetischen Aufwand einher.
