1 / 33

Physical aspects with photobioreactors for algae

Physical aspects with photobioreactors for algae. Institut. Angewandte Physik Fakultät für Physik Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg AG Prof. Dr. H. Franke. Contents. motivation: the CO 2 -problem photosynthesis on an industrial level? Requirements for PBR`s with algae

henrik
Download Presentation

Physical aspects with photobioreactors for algae

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Physical aspects with photobioreactors for algae

  2. Institut Angewandte Physik Fakultät für Physik Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg AG Prof. Dr. H. Franke

  3. Contents • motivation: the CO2-problem • photosynthesis on an industrial level? • Requirements for PBR`s with algae • Energetic aspects • Algae,(some 10.000 species)examples • Suspension with 3 phases: gas,cells,EPS • Light as a limiting factor • Electric properties • Achieved applications

  4. 1Keeling_Kurve Gipfel des MaunaLoa Sägezahn zeigt Jahreszeitliche Schwankungen

  5. CO2 • CO2 ist ein Klima-Gas (Treibhauseffekt) - fossile Brennstoffe: • C + O2 CO2 + Δ W (ca. 20 MJ/kg) • IR-Spektrum: • Rückführung in C- Kreislauf

  6. 2 .Die Photosynthese: Reaktionsgleichung h·ν 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 Lichtreaktion Lichtreaktion Dunkelreaktion Dunkelreaktion

  7. CO2-Kreislauf

  8. Photosynthese in industr. Maßstab?: PBR • PBRs dienen der CO2 Fixierung • Derzeitig drei Probleme welche die Effizienz begrenzen: • Die Beleuchtungstechnik • Die Regelungstechnik • Die Erntetechnik

  9. 2. Kreislaufwirtschaft

  10. Weitere Argumente für kompakte PBR´s • Welternährung: die landgestützte Pflanzenproduktion kann in Zukunft Die Welternährung nicht mehr leisten • Fläche: gesamte nutzbare Fläche • Wasser: Algen benötigen weniger als…

  11. Vorbild :Cyanobakterien im Carbon:Fossile Brennstoffe • Alle vorhandenen fossilen Brennstoffe stammen aus Photosynthese: => aus vorhandener O2-Menge folgt: 4x 1014 t C auf der Erde vorhanden • davon bis 1992 gefunden: 10.4x1012t SKE • (nach Würfel:“Physik der Solarzellen“,SpektrumAkad. Verlag, Heidelberg, 1995)

  12. 4. Photo-Bioreaktoren • Rohstoffe + Licht • Traditionell: Freiland, Teiche • Labor: Röhren=> LED´s - zur Produktion spezieller Stämme - zur Erforschung neuer Photosysteme

  13. 4.Energetische Betrachtungen • Energie aus Sonnenlicht: In Mitteleuropa: ca.1MWh/y m2 -nur ein Teil des Spektrums ausgenutzt -8 Photonen / CO2-Molekül - T bestimmt Reaktionsgeschwindigkeiten? • Ernte: typisch 1g BM/l - trocknen: 1l Wasser verdampfen?

  14. In der Pflanzenzucht: 1% < η< 6 % Gründe: spektrale Verluste -68 % Reflexion an Blättern -20% Sättigungseffekte -50% Produkt Verluste: 0.12x 0.4=0.05 Ziel: η → 20-30% Energiebilanz Energiebilanz Photosynthese Summenreaktion: 6CO2 + 6 H2O→ C6H12O6 + 6 O2 pro CO2 Molekül: 8 Photonen 14.4 eV Bindungsenergie der Einheit CH2O : 4.95 eV η = 4.95/ 14.4 = 34%: Literatur über Stoffkreislauf η = 38 %:

  15. Abschätzungen :Kollektorfläche und thermische Leistung • 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 • 5kW 2.2 kg CO2/h ≈ 315 m2 • 10 kW 4.4 kg CO2/h ≈ 629 m2 • Pro Tonne CO2 entstehen 680 kg Biomasse

  16. Abschätzungen :Kollektorfläche und thermische Leistung • 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 • 5kW 2.2 kg CO2/h ≈ 315 m2 • 10 kW 4.4 kg CO2/h ≈ 629 m2 • Pro Tonne CO2 entstehen 680 kg Biomasse

  17. 4.Photobiol. Wirkungsgrad • η = Chem . Energie / opt. Energie • Theoretischer Wert: ca. 33% • Chem. Energie: z.B. Brennwert ca. 20 MJ/kg • Landwirtschaft: wenige % • Energiepflanzen: 5-7% • Labor: mit gepulsten LED´s: 10-12 % • abhängig vom System, T!

  18. 4. Photosynthese: Wellenlängen • Engelmann'scherBakterienversuch • Photosyntheserateist prop. zurMenge des freigesetztenSauerstoffsdurchAlgen • je mehrSauerstoffdestomehrBakterien

  19. Photobiol. Wirkungsgrad

  20. 5.Grössenverhältnisse

  21. 5. Algen, Beispiele Scenedesmus Wildstamm: Faden +Einzeller

  22. 5. Thermophiler Wildstamm

  23. Abschätzungen :Kollektorfläche und thermische Leistung • 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 • 5kW 2.2 kg CO2/h ≈ 315 m2 • 10 kW 4.4 kg CO2/h ≈ 629 m2 • Pro Tonne CO2 entstehen 680 kg Biomasse

  24. Abschätzungen :Kollektorfläche und thermische Leistung • 1kW thermisch (aus C) ~ 440 g CO2/h ≈62.9 m2 • 5kW 2.2 kg CO2/h ≈ 315 m2 • 10 kW 4.4 kg CO2/h ≈ 629 m2 • Pro Tonne CO2 entstehen 680 kg Biomasse

  25. 6. Optik • Sonnenlicht -Sammeln -Leiten: hohle Leiter mit r=99.8% - Verteilen in 3D: Stäbe, Röhren, Bündel • Künstliches Licht: Röhren, LED´s

  26. 6.Becken mit 100m2:„sc_struktur, fcc, hcp“

  27. 6.Ausleuchtung des Volumens

  28. 6.Probleme :Biofilme

  29. 6. „Blasenstrudel“

  30. 7. Elektrische Eigenschaften A K NO3- K+

  31. 7.Ernte: Elektrokoagulation Elektrokoagulation Elektroden Material: • Fe / Fe • Al / Al Variierte Parameter: • Stromstärke • Elektrolysezeit • pH-Wert • Konzentration Messung: • OD[750nm] / TM [mg/L] • SAK[436nm] • SSH 2h[mL]

  32. Ernte im 240l Behälter (30Wh)

  33. 8.Anwendungen • in sonnenreichen Ländern: Biomasse - Futtermittel / Düngemittel -Bioethanol -Biodiesel • Algen als Biofilter - Geruchsfilter - Abluftreinigung von C-Verbindungen

More Related