Ausgabe: 1/2011, Seite 90   -  Technik & Kommunikation

GRÜN IST DIE HOFFNUNG

Forschungsinstitute und Firmen sehen in Algen die Biosprit-Lieferanten der Zukunft. Viel Geld wird bereits in Zuchtanlagen investiert. Doch einfach ist in dieser Branche gar nichts.

von Tanja Krämer
 

DAS IMPERIAL VALLEY in Südkalifornien ist eine karge Wüstenlandschaft östlich von San Diego. Es gibt ein Gefängnis und eine Zuckerfabrik. Im Sommer steigt das Thermometer oft auf über 40 Grad im Schatten. Hin und wieder dreht ein Filmteam in den sandigen, mit Kakteen übersäten Hügeln einen Hollywood-Streifen. Regelmäßig durchsuchen Polizei-Patrouillen die Gegend nach illegalen Einwanderern von der na-hen mexikanischen Grenze. Dennoch reisen Menschen aus aller Welt hierher – genauer: zu einer staubigen Anlage, die sich abseits der Landstraße hinter einem gesicherten Tor versteckt. Es ist die Algenfarm des Unternehmens Carbon Capture Corporation. Für manchen Besucher ist sie der Ort, an dem die Energie der Zukunft entsteht. Denn hier wird versucht, aus Algen Biokraftstoff zu gewinnen.

Der Direktor der Anlage ist Jim DeMattia, ein Mittvierziger mit rot gebranntem Gesicht und Armen voller Sommersprossen. Die Augen hinter einer Sonnenbrille versteckt, blickt er über sein Reich aus festgefahrenem Lehm, in dem Gabelstapler verkrustete Furchen hinterlassen haben. Auf dem Gelände stehen rund 40 künstliche Teiche. Zwischen 3700 und 888 000 Litern fassen die Becken. In jedem dreht sich mit einschläferndem Rattern ein Schaufelrad. Staubkörnchen und Federn dümpeln in der grünen Brühe. Es riecht dezent nach Meer. In einem schlichten weißen Schuppen ist das firmeneigene Labor untergebracht, nebenan züchtet der Nachtwächter in einem Verschlag ein paar Hühner.

„Wer will, kann unsere Farm für seine Algen mieten“, sagt DeMattia, der Meeresbiologie studiert hat und seit mehr als zehn Jahren Aquakulturen betreibt. „Aber oft führen wir die Besucher einfach nur herum.“ Vertreter von Ölfirmen und Start-up-Unternehmen, Forscher aus Japan und aus Hawaii seien schon vorbeigekommen, denn: „Wir sind eine der größten Testanlagen der USA.“ Algen, glaubt DeMattia, sind die Öllieferanten der Zukunft. Die Mikroorganismen produzieren in ihren Zellen Lipide – wasserunlösliche Moleküle mit langen Ketten aus Kohlenwasserstoffen. Darunter sind viele sogenannte Triacylglycerine (früher: „Triglyceride“). In Raffinerien lassen sie sich in unterschiedliche Treibstoffvarianten verwandeln – zum Beispiel in Biodiesel, aber auch in Flugbenzin, das sehr gleichmäßig verbrennen muss und daher nur einen ganz bestimmten Kohlenwasserstoff-Mix enthalten darf.

DIE ÖLKRISE STAND PATE

Bei manchen Algenarten ist der Anteil der Lipide bei mehr als 50 Prozent ihrer Biomasse. So kamen Forscher schon während der ersten Ölkrise in den 1970er-Jahren auf die Idee, Algenzucht könnte die Abhängigkeit vom Erdöl verringern. Zwischen 1978 und 1996 steckten die US-Regierungen 25 Millionen Dollar in das sogenannte Aquatic Species Program. Mit ihm sollte geklärt werden, ob sich Biokraftstoffe aus den Mikroorganismen gewinnen lassen. Das Ergebnis lautete: Algenöl ist geeignet, aber verglichen mit Erdöl zu teuer. Die Forschung wurde eingestellt.

Doch seit 1996 ist der Ölpreis pro Barrel (159 Liter) von 20 auf mehr als 80 US-Dollar (Oktober 2010, Ölsorte Brent) gestiegen. Die Angst vor der Verknappung der Ressourcen geht um. Und plötzlich ist die Alge wieder gefragt. Mehr noch: Mancher sieht in ihr sogar die Grüne Revolution. So auch Stephen Mayfield, Direktor des San Diego Center for Algae Biotechnology. Das ist ein Zusammenschluss mehrerer renommierter Forschungsinstitute, darunter die Scripps Institution of Oceanography und die University of California in San Diego. Gemeinsam mit der Industrie versuchen die Wissenschaftler hier, die Ölgewinnung aus Algen rentabel zu machen. Als Testfarm nutzen sie die Algenzucht im Imperial Valley.

ERST MAL EINE FIRMA GRÜNDEN

Stephen Mayfield sitzt in seinem kleinen Büro auf dem quirligen Campus der University of San Diego. Nicht nur auf dem Schreibtisch, sogar auf dem Fußboden stapeln sich Papierberge, doch Mayfield stört das anscheinend nicht. Seit über 25 Jahren erforscht er die Mikroorganismen und ist so überzeugt von ihrem Potenzial, dass er und eine Gruppe Gleichgesinnter eine Algenspritfirma gegründet haben, Sapphire Energy. „Ich bin sicher, dass die Algen eines Tages wettbewerbsfähig sein werden“, sagt Mayfield, „die Frage ist nur, wann.“

Gegenüber den bisher kultivierten Energiepflanzen wie Mais, Zuckerrohr oder Raps haben Algen für die Ölproduktion zahlreiche Vorteile: Sie wachsen schnell, teilen sich oft und überleben sowohl in Salzwasser als auch in Brack- und Abwasser. Zum Leben brauchen sie nur Sonne, Nährstoffe und jede Menge Kohlendioxid. Großflächige Algenzucht ist deshalb ein prinzipieller Weg, um das schädliche Treibhausgas für eine Weile aus der Atmosphäre fernzuhalten – freilich nur so lange, bis der aus den Algen produzierte Biosprit verbrannt wird. Ein klarer Vorteil gegenüber dem konventionellen Pflanzenanbau ist: Weil die Becken für die Algenzucht theoretisch auf jeder beliebigen Brache aufgestellt werden können, die zu nichts anderem taugt, entsteht keine Konkurrenz zur Landwirtschaft und damit zur Nahrungsmittelproduktion. Diese Konkurrenz ist ein zentraler Kritikpunkt bei der Produktion von Biokraftstoff aus Mais und Raps.

AUCH BILL GATES INVESTIERT

Die Investitionen in Algen-Biosprit wuchsen in den vergangenen Jahren enorm: Flossen 2007 weltweit nur bescheidene 32 Millionen Dollar in die Algenforschung, waren es 2008 schon mehr als 300 Millionen Dollar – eine Million davon steckte Bill Gates in Sapphire Energy. Auch die US- Regierung nahm viel Geld in die Hand: Bis 2009 investierte sie mehrere Hundert Millionen Dollar, Anfang 2010 noch einmal 80 Millionen für die Erforschung von Biokraftstoffen – 78 Millionen davon für Algenöl.

Der Hintergrund: 2007 trat in den USA der „Energy Independence and Security Act“ inkraft. Er schreibt eine massive Steigerung des Anteils von Biokraftstoffen am Gesamtenergieverbrauch fest. 2022 sollen landesweit 136 Milliarden Liter Biosprit produziert werden – etwa ein Fünftel des derzeitigen Motorkraftstoff-Verbrauchs der US-Amerikaner, der 2008 bei 730 Milliarden Litern Benzin und Diesel lag. Die kritischen Stimmen werden immer lauter, wonach dieses Ziel mit Energiepflanzen wie Mais oder Zuckerrohr nicht erreicht werden kann. Also setzt man auf Algen. Doch es hapert bei der praktischen Umsetzung. „Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses ist ein Problem“, gibt Stephen Mayfield zu.

Als Erstes gilt es, die perfekte Alge zu finden, und damit gehen die Schwierigkeiten los. „Jede Algenart hat andere Eigenschaften“, erklärt Mayfield. Cyanobakterien etwa – früherer Name „Blaualgen“, heute zu den Bakterien gerechnet – wachsen schnell, liefern aber nur wenig Öl. Diatomeen („Kieselalgen“) hingegen produzieren viel Öl, aber ihre Schale enthält Silizium, das die Verarbeitungsprozesse stört. Grünalgen wiederum lassen sich wunderbar verarbeiten, wachsen aber nur in moderatem Tempo. Hat man endlich eine Alge gefunden, die den gewünschten Kriterien am besten entspricht, muss man prüfen, ob sie in großen Anlagen überlebensfähig ist – resistent gegen Krankheitskeime, ungenießbar für Fressfeinde, durchsetzungsfähig gegen Konkurrenten und anspruchslos, was Temperaturschwankungen angeht. Es ist die Suche nach der eierlegenden Wollmilchsau.

Hunderte verschiedener Algenstämme haben Mayfield und sein junges Team bereits auf diese Eigenschaften untersucht. Sie arbeiten in einem kleinen, modern eingerichteten Labor direkt auf dem Campus, wo die grünen Ein- oder Mehrzeller in sterilen Gläsern und Petrischalen gedeihen. Draußen in der Natur warten Zehntausende weitere darauf, für die Grüne Revolution rekrutiert zu werden. Welche Arten und Stämme er vielversprechend findet, will Mayfield nicht verraten: „Das ist eine wichtige Wettbewerbsinformation“, sagt er und lächelt. Die Konkurrenz in der Algenöl-Branche ist groß. Es gibt weltweit bereits mehr als 200 Firmen-Neugründungen, die aus den Algen flüssiges Gold machen wollen. Sie alle werben mit den möglichen Erträgen ihrer geheimen Ölquellen um Geschäftspartner – mit teils sehr unterschiedlichen Zahlen.

GRAU IST ALLE THEORIE

Der Mikrobiologe Al Darzins vom National Bioenergy Center in Colorado hat errechnet, dass man aus einem Algenstamm mit 50 Prozent Lipidanteil theoretisch 354 000 Liter Öl pro Hektar und Jahr gewinnen könnte. Dabei hat er den maximal möglichen Input an Sonnenenergie, die höchste Photosynthese-Rate und die bestmögliche Entwicklung der Biomasse als Variablen eingesetzt.

Die Praxis sieht jedoch anders aus, warnt Martin Ecke vor derlei Zahlenspielen. Der Chemiker und Geschäftsführer der Steinberg GmbH in Klötze/Sachsen-Anhalt, die Algen als Nahrungsergänzungsmittel produziert, unterstreicht: Keine Alge kann die gesamte theoretisch verfügbare Sonnenenergie nutzen. Auch wird das Lichtspektrum nur zu geringen Anteilen für den Aufbau an Algenbiomasse verwendet. Selbst Al Darzins kam in realistischeren Algen-Szenarien bereits zu wesentlich niedrigeren Zahlen: Er bezifferte den Ertrag an Algenöl auf 46 000 bis 60 500 Liter pro Hektar und Jahr – also auf ein Sechstel bis ein Siebtel des von ihm theoretisch ermittelten Maximalwertes. Aber selbst das bezeichnet Herbert Märkl, Spezialist für Bioverfahrenstechnik an der Technischen Universität Hamburg, noch immer als viel zu hoch.

Märkl, der lange selbst Algen gezüchtet hat, allerdings mit dem Ziel Nahrungsmittelproduktion, nennt weniger als 20 000 Liter Biokraftstoff pro Hektar und Jahr als realistische Ertragsprognose. Im Vergleich zu den jährlichen Hektarerträgen von Raps (900 Liter Biodiesel), Mais (3300 Liter Bioethanol) und Ölpalmen (4750 Liter Biodiesel) wäre das zwar immer noch sehr ansehnlich. Doch auch diese 20 000 Liter Biokraftstoff pro Hektar und Jahr kann bislang keine Algenfarm vorweisen. Die attraktiven Ausbeute-Zahlen in Broschüren und auf Internet-Seiten sind in der Regel lediglich im Labor erzielte Werte, die Investoren und Fördergelder anlocken sollen. Aber nicht einmal die Ausbeute-Angaben in Fachpublikationen seien immer koscher, verrät der Steinberg-Geschäftsführer Martin Ecke: „In der Literatur finden Sie wenig belastbare Daten. Die Zahlen stimmen oft hinten und vorne nicht.“

DIE WIRKLICHKEIT SIEHT ANDERS AUS

Für Jim DeMattia ist das nichts Neues. „In der Branche wird viel übertrieben“, kommentiert er. „Viele Daten aus den Labors entsprechen nicht der Wirklichkeit einer Algenfarm.“ Manche Algen würden auf der Farm nicht gedeihen, selbst wenn sie im Labor hohe Wachstumsraten aufweisen. „Es reicht nicht, die Algen eine Woche lang zu testen. Man muss ihr Verhalten zum Teil über Monate prüfen“, sagt er. Zudem sei die Wachstumsrate nicht die einzige bedeutsame Variable. Wichtig sei auch, wie viel Algenbiomasse man ernten und wie viel Öl man am Ende daraus pressen kann. Seine eigenen Ertragsdaten gibt der Algen-Direktor nicht preis – er ist seinen Kunden gegenüber zu Stillschweigen verpflichtet.

Täglich füllt DeMattia zusammen mit einem Kollegen das Wasser in den Becken auf, gibt Salze, Phosphate und andere Nährstoffe hinzu. Eine Kohlendioxid-Pumpe in den Becken wirbelt das Wasser zu grünen Fontänen auf. Je nach Wachstumstempo und Algenstamm dreht DeMattia an diesen Variablen wie an Stellschrauben und hofft, dass er die Bedürfnisse der Algen immer besser einschätzen kann und seine Erträge mit der Zeit steigert.

DeMattia nimmt Proben aus den Becken, die er im Labor auf dem Farmgelände auf Wachstum, Krankheiten und den Befall mit Fressfeinden überprüft. Dann steht er mit schmutzigen Fingern in der kleinen Baracke, die Sonnenbrille ausnahmsweise nach oben geschoben. Er beugt sich über ein einfaches Mikroskop, macht einige chemische Tests und notiert die Daten auf einem zerknitterten Zettel. An der Wand des Labors hängen Spinnweben, auf dem Tisch imponiert ein großer Skorpion. Den hat der bullige Algenfarmer im Bad gefunden und ihm den Garaus gemacht. „Wir versuchen gar nicht erst, steril zu arbeiten“, sagt er. „Entweder die Algen vertragen das hier draußen, oder sie sind für die Zucht auf großem Niveau schlicht nicht zu gebrauchen. Die meisten Menschen denken, Algenzucht wäre ein großes Wissenschaftsprojekt“, erläutert DeMattia. „Aber im Grunde ist es einfach Landwirtschaft. Am Ende werden nicht Forscher in weißen Kitteln die Algen züchten, sondern Leute wie wir.“

VIELE WEGE ZUM GROSSEN ZIEL

DeMattia und Mayfield glauben, dass die Zucht der Algen in großen offenen Becken die beste Methode für eine großflächige Produktion ist – möglicherweise kombiniert mit einer Indoor-Anzucht von neuen Algenstämmen in Batterien aus geschlossenen Plastikbeuteln, sogenannten Biophotoreaktoren. Genauso machen sie es derzeit auf der Algenfarm im Imperial Valley. Aber es gibt auch andere Stimmen. Manche Forschergruppen wollen die Algen ausschließlich in Biophotoreaktoren züchten, andere die Algen in Silos stecken. Auch bei der weiteren Verarbeitung der Mikroorganismen sind die Forscher uneins: Sollen die Algen mit einer Zentrifuge vom Wasser getrennt werden, oder soll man sie doch lieber durch Mikrofilter sieben? Können sie anschließend feucht weiterverarbeitet werden, oder muss man sie trocknen? Auch für die Ölgewinnung gibt es mehrere mögliche Methoden (siehe Grafik „Die Wege zum Algenöl“ auf Seite 94).

HAUPTSACHE: RUNTER MIT DEN KOSTEN

Gemeinsam ist allen: Für die Algensprit-Produktion sind sie um den Faktor zehn zu teuer. „In dem gesamten Prozess ist die Ernte der kostenintensivste Schritt“, sagt Stephen Mayfield. „Um Öl wirtschaftlich zu produzieren, müssen wir möglicherweise die richtigen Methoden erst erfinden.“ Und auf die Wirtschaftlichkeit wird es ankommen. Der Weltmarktpreis für ein Barrel Erdöl der Sorte Brent lag Mitte Oktober 2010 bei 0,52 US-Dollar pro Liter. Biodiesel wurde im Dezember 2009 in den USA für circa 0,79 US-Dollar pro Liter verkauft. Dem Vergleich mit diesen beiden Zahlen muss der Algensprit langfristig standhalten können. „Das Ziel ist es, auf etwa zwei Dollar die Gallone zu kommen“, sagt Jim DeMattia – entsprechend einem halben US-Dollar pro Liter. Ein Ziel, das sein Kollege Stephen Mayfield für erreichbar hält.

Der Biotechnologie-Professor Krassen Dimitrov vom Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology an der University of Queensland bezweifelt das. Verärgert über leere Versprechungen einer US-amerikanischen Algenfirma, die inzwischen pleite ging, hat Dimitrov sich die Mühe gemacht, die Kosten für die Biosprit-Produktion aus Algen haarklein auszurechnen. Er landet bei derzeit mehr als 20 Dollar pro Gallone. Das bedeutet, dass die Produzenten mehr als fünf US-Dollar pro Liter Algenöl verlangen müssten, nur um ihre Kosten hereinzubekommen.

Wollte man mit Algenfarmen so viel Biodiesel produzieren, dass die Transportmittel der USA vom Erdöl unabhängig werden, müssten ersten Schätzungen zufolge 300 Milliarden Dollar investiert werden. Hinzu kämen jährliche Betriebskosten von 46 Milliarden Dollar. Dies errechnete 2004 der Physiker Michael Briggs von der University of New Hampshire. Mögliche Ausfälle sind hier nicht mit eingerechnet. Denn oft verhalten sich Algen nicht so, wie man es von ihnen erwartet.

„Es kann vorkommen, dass eine ganze Algenzucht von heute auf morgen abstirbt. Und man weiß nicht, warum“, berichtet Praktiker DeMattia von seinen Erfahrungen. „Anfangs war ich sehr enthusiastisch“, hält er Rückschau auf seine Jahre in diesem Geschäft. „Heute denke ich zwar noch immer, dass es eine gute Sache ist. Aber ich bin realistischer geworden, was den Zeitrahmen angeht.“ Nach einer schweigsamen Pause meint er: „Ich glaube nicht, dass es unmöglich ist, in großem Umfang und kostengünstig zu produzieren. Aber es ist sehr, sehr schwierig.“ Man könne den Erfolg nicht wirklich abschätzen, bevor man die Algenöl-Gewinnung tatsächlich in großem Umfang versucht hat, glaubt DeMattia. „Überlegungen im Labor oder am Schreibtisch bringen wenig.“

In der hintersten Ecke seiner Algenfarm schrubben zwei Arbeiter mit weißen Strohhüten ein Becken sauber. Es steht schon länger leer. Anfragen von Algenfirmen für dessen Nutzung gibt es genug. Allein – keine Firma will mit einer anderen die Testfarm teilen, aus Angst vor Algen-Spionage. Das Algen-Business erinnert mitunter an die Suche nach Gold: Jeder will den Schatz finden, doch niemand will ihn mit einem anderen teilen. „Wenn man lange dabei ist, dann weiß man, was möglich ist und was nicht“, sagt DeMattia. „Ich vermute: Wenn alle mal ihre Karten offen auf den Tisch legen würden, wäre schnell klar, dass wir noch einen langen Weg vor uns haben.“ ■


TANJA KRÄMER ist freie Wissenschaftsjournalistin in Bremen. Die Geruchsarmut der Algenfarm hat sie überrascht: „Ich dachte, das stinkt!“

MEHR ZUM THEMA

INTERNET

Das von Stephen Mayfield geleitete San Diego Center for Algae Biotechnology: algae.ucsd.edu/

Internet-Seite des Algenöl-Unternehmens Sapphire Energy: www.sapphireenergy.com/



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