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Forschungsprojekt im Bereich erneuerbarer Energien: Aus Algen in den Tank

Fakultät für Technik: Prof. Dr. Ute Marx kooperiert mit der University of Queensland, Australien

Der Klimawandel und seine Folgen rücken mehr und mehr ins öffentliche Bewusstsein und die Wissenschaft ist sich einig, dass bis zum Jahr 2055 der Ausstoß von Treibhausgasen auf Netto-Null reduziert werden muss. Doch wie kann das bei steigender Weltbevölkerung und mindestens gleichbleibendem Lebensstandard erreicht werden? Die Entwicklung von Methoden zur effizienten und kostengünstigen Gewinnung erneuerbarer Energien verspricht Antworten auf die wirtschaftlichen, sozialen, politischen und ökologischen Fragen der Zukunft. Einen Beitrag hierzu liefert das Forschungsprojekt „Erneuerbare Energien: Solar Biofuels – aus Algen in den Tank“ einer Professorin der Hochschule Pforzheim. Prof. Dr. rer. nat. habil. Ute Marx von der Fakultät für Technik untersuchte am Centre for Solar Biotechnology an der University of Queensland im australischen Brisbane die Herstellung von Wasserstoff und erneuerbarem Diesel aus Algenbiomasse. Ihre Forschungsarbeit baut auf das Excel-basierende Tool TELCA (Techno-Economic and Life-Cycle Analysis) zur Modellierung großindustrieller Prozesse auf. Das Ziel der Wissenschaftlerin ist es, Algenbiotechnologiesysteme der Anwendungsreife näher zu bringen. „Es genügt nicht, Lösungsansätze nur zu diskutieren. Um wirklich etwas zu verändern, muss man potentiellen Investoren glaubhaft aufzeigen, dass Engagement für die Umwelt nicht nur moralisch notwendig, sondern im industriellen Maßstab auch wirtschaftlich lohnenswert ist“, so die Professorin im Bachelor-Studiengang Medizintechnik. Unter Berücksichtigung von mehr als 350 Parametern und ihren gegenseitigen Abhängigkeiten lassen sich mit TELCA komplexe industrielle Prozesse in Bezug auf technische Durchführbarkeit, Wirtschaftlichkeit, Energie- und CO2-Bilanz analysieren und optimieren. Auf diese Weise werde „das Risiko von Investitions- und Scale-Up-Entscheidungen für Investoren um ein Vielfaches verringert“, so Ute Marx.

Während ihres siebenmonatigen Forschungsaufenthalts Down Under rückte die Pforzheimer Professorin zunächst die Wasserstoffproduktion auf Grundlage der Biomasse von Mikroalgen in den Fokus. „Bezogen auf seine Masse ist Wasserstoff ein sehr effizienter Energieträger. Jährlich werden mehr als 30 Millionen Tonnen Wasserstoff produziert, 95 Prozent davon wird derzeit auf der Basis fossiler Brennstoffe gewonnen. Es werden also dringend Quellen für grünen Wasserstoff benötigt“, so die Expertin. Mit Hilfe von TELCA erarbeitete Ute Marx einen Weg, die Kosten der Wasserstoffproduktion aus Mikroalgenbiomasse konkurrenzfähig zur Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse durch Photovoltaik- oder Windstrom zu gestalten.

Auf Mikroalgen basierende Produktionssysteme sind schnell wachsende solarbetriebene „Zellfabriken“, die Sonnenenergie, CO2 und Nährstoffe nutzen, um Biomasse zu produzieren. Abhängig von der verwendeten Algenkultur und vom Verarbeitungsverfahren kann diese Biomasse in eine Vielzahl hochwertiger Produkte umgewandelt werden, wie zum Beispiel Biotreibstoffe, Biokunststoffe, Lebensmittel, pharmazeutische Produkte und andere Rohstoffe. Die Vorteile von Algenbioreaktoren gegenüber der Biotreibstoffproduktion auf Pflanzenbasis lägen auf der Hand, so Ute Marx: „Algen produzieren bis zu 20 Mal mehr Biomasse als klassische Pflanzen. Hierfür wird außerdem kein ackerbares Land benötigt, und somit existiert keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion.“

„Unsere Analysen haben gezeigt, dass der Großteil der Kosten für die Herstellung von aus Mikroalgen gewonnenen Brennstoffen mit der Biomasseproduktion verbunden ist“, so Ute Marx. Daher ihre ebenso ökologische, wie wirtschaftliche Idee zur Reduktion dieses Kostenfaktors: Die Ernte von natürlich vorkommenden Algenblüten im Meer und deren Weiterverarbeitung zu Bio-Rohöl noch auf dem Schiff im ersten und erneuerbarem Diesel in bestehenden Raffinerien an Land im zweiten Schritt. „Im Atlantik treiben in jüngerer Zeit gigantische Mengen der Makroalge Sargassum, die vor allem bei Strandungen zu großen ökologischen und wirtschaftlichen Problemen für Tourismus, Fischerei, Aquakultur, wildlebende Tiere und Ökosysteme führt. Im Juni 2018 summierten sich die schwimmenden Sargassum-Matten vom karibischen Meer entlang der Nordküste Südamerikas, über den Atlantik bis zur Westküste Afrikas auf eine Durchschnittsfläche von ~ 6000 km2 (> 20 Millionen Tonnen). Die Nutzung dieser natürlich vorhandenen Biomasse könnte einen Beitrag zur wirtschaftlichen Gewinnung von erneuerbarem Diesel leisten“, so Ute Marx, „wobei nur der Teil der Biomasse genutzt werden soll, der mit hoher Wahrscheinlichkeit stranden und in der Folge wiederum Methan und CO2 freisetzen würde.“

 „Ich hoffe, dass Forschungsarbeiten wie diese zu einem Umdenken in Politik, Industrie und Gesellschaft beitragen können“, so Ute Marx. Ihre Studien erfolgten im Rahmen eines offiziellen Forschungssemesters: Professorinnen und Professoren der Hochschule Pforzheim haben hier die Möglichkeit, sich für die Dauer eines Semesters von ihren Aufgaben in der Lehre freistellen zu lassen, um sich der Forschung zu widmen. Studierende der Hochschule Pforzheim sind im Rahmen von Projekt- und Abschlussarbeiten in die kontinuierliche Weiterentwicklung des Analyse-Tools TELCA sowie der Forschungsergebnisse eingebunden.

Ute Marx ist Professorin für Medizintechnik an der Hochschule Pforzheim. Der Schwerpunkt ihrer Lehrtätigkeit liegt auf den Fächern Technischer Vertrieb und Marketing sowie Molekularer Biophysik und Metabonomics. Ute Marx hat Chemie studiert und sich 2003 im Fach Biophysikalische Chemie habilitiert. Nach einem vierjährigen Auslandsaufenthalt an der University of Queensland, Brisbane, Australien, war sie mehrere Jahre bei der Firma Bruker BioSpin tätig. Während dieser Zeit absolvierte sie ein berufsbegleitendes MBA-Studium mit Schwerpunkt Industriemarketing/Technischer Vertrieb.

Hintergrund: Medizintechnik in Pforzheim studieren
Durch den demografischen Wandel, das verstärkte Gesundheitsbewusstsein und den medizinisch-technischen Fortschritt ist die Medizintechnik-Branche seit Jahren im Aufwind. In der Übersicht der Bundesländer nimmt Baden-Württemberg mit über 250 Unternehmen und mehr als 32.000 Beschäftigten im medizintechnischen Bereich eine führende Rolle ein. Auf diesen Aufwärtstrend hat die Hochschule Pforzheim mit der Einrichtung des Bachelor-Studiengangs Medizintechnik reagiert. Dieser wurde in enger Abstimmung mit Medizintechnik-Unternehmen der Region konzipiert und ging im Wintersemester 2012/2013 an den Start.

Über 140 Absolventen haben den Bachelor-Studiengang seither erfolgreich abgeschlossen und arbeiten in der Entwicklung, der Zulassung und im Vertrieb medizintechnischer Produkte, in der Beratung von Industrieunternehmen und öffentlichen Institutionen des Gesundheitswesens oder im Rahmen der Einrichtung, der Instandhaltung oder des Qualitätsmanagements in Kliniken und Laboren.