Innovationsraum: BaMS - ÖkoPro - Ökonomische Prozessketten der aquatischen Bioökonomie auf Norddeutschen Biogasbetrieben; (Teilprojekt 5) - Umsetzungsphase

Abstract

Das Projekt ÖkoPro untersuchte die technische und betriebliche Integration einer Mikroalgenproduktion in die Infrastruktur einer landwirtschaftlichen Biogasanlage. Ziel war es, nährstoffbelastete Wasser- und Nebenstoffströme aus dem Umfeld der Biogasanlage für eine Algenkultivierung nutzbar zu machen und dadurch ökologische sowie wirtschaftliche Synergien zu erschließen. Im ersten Projektjahr 2021 lag der Schwerpunkt auf dem Aufbau der grundlegenden Infrastruktur. Dazu gehörten insbesondere der Bau eines 5.000 m³ großen Sammelspeichers für Oberflächenwasser, die Verlegung von Rohrleitungen sowie die Einrichtung von Pumpenschächten mit Sensorik zur automatisierten Trennung unterschiedlich belasteter Wasserströme. Hoch belastete Wasserströme wurden direkt der Biogasfermentation zugeführt, schwächer belastete Ströme dagegen dem Sammelspeicher zugeleitet. Parallel dazu wurden die organisatorischen, baulichen und genehmigungsrechtlichen Voraussetzungen für die spätere Inbetriebnahme des Photobioreaktors geschaffen. Im Jahr 2022 wurde das Photobioreaktorsystem aufgebaut und in Betrieb genommen. Der Reaktor wurde in die vorhandene Infrastruktur eingebunden und mit Kohlendioxid aus dem BHKW-Abgas, Wärme, Steuerungstechnik und Prozesswasser gekoppelt. Nach einer Testphase mit Modellmedium erfolgte die Inokulation mit einer robusten Grünalgen-Mischkultur, die speziell im Hinblick auf Stabilität gegenüber Kontaminanten und Belastungsschwankungen ausgewählt worden war. Die Kultivierung konnte über mehrere Monate aufrechterhalten werden, jedoch veränderte sich die Kulturzusammensetzung unter Praxisbedingungen deutlich. Im Verlauf etablierte sich eine oszillierende, selbstkoagulierende Blaualgen-Grünalgen-Mischkultur. 2023 stand im Zeichen der Optimierung des Verfahrens. Um einen ganzjährigen Betrieb zu ermöglichen, wurde eine Heizung installiert, die Wärme aus dem BHKW nutzte. Zusätzlich wurde ein Algensammler integriert, mit dem koagulierte Biomasse kontinuierlich aus dem Kreislauf entnommen werden konnte. Im selben Zeitraum wurden verschiedene am Standort verfügbare Nährstoffquellen getestet, darunter Sickerwasser aus Fahrsilos, ammoniumhaltige Waschwässer aus der Gärresttrocknung und Kondensate aus der Biomassetrocknung. Dabei zeigte sich, dass insbesondere das Kondensat aus der Biomassetrocknung als Nährstoffquelle gut geeignet war, weil es hohe Ammoniumgehalte aufwies und gleichzeitig weitgehend frei von biologischen Kontaminanten blieb. Dagegen erwies sich Sickerwasser wegen seines hohen Keimdrucks, seiner optischen Dichte und seiner Belastung mit zerstörend wirkenden Organismen als nur sehr eingeschränkt geeignet. Im letzten Projektjahr 2024 wurden die Ergebnisse konsolidiert und die Prozessführung weiter verbessert. Es fanden weitere Ernten statt, zusätzliche Prozesswasserströme wurden eingebunden, und die technische Peripherie wurde vervollständigt. Gleichzeitig zeigte sich, dass der Betrieb eines solchen Systems unter Praxisbedingungen eine kontinuierliche Betreuung erfordert. So führte eine zeitweise unzureichende manuelle Betreuung zu einer Überhitzung des Reaktors und machte einen Neuansatz der Kultur erforderlich. Dennoch konnte das Projekt planmäßig abgeschlossen werden und lieferte umfangreiche Erfahrungen zur praktischen Umsetzung einer Algenproduktion auf einer Biogasanlage. Ein zentrales Ergebnis des Projekts war die Bewertung der unterschiedlichen Wasser- und Nährstoffquellen. Das im 5.000 m³-Sammelspeicher vorgehaltene Oberflächenwasser erwies sich als nahezu nährstofffrei und war daher für eine produktive Biomasseerzeugung allein nicht geeignet. Es konnte zwar als Prozesswasser oder für bioremediative Ansätze genutzt werden, für eine gezielte Biomasseproduktion war jedoch zwingend eine zusätzliche Nährstoffversorgung erforderlich. Als bestgeeignete Quelle wurde das Kondensat aus der Biomassetrocknung identifiziert, weil es stabile semikontinuierliche Kultivierungen mit verlässlicher Biomasseproduktion ermöglichte. Die Untersuchungen machten zugleich wesentliche Grenzen des Konzepts sichtbar. Der hohe Kontaminationsdruck auf dem Gelände der Biogasanlage führte dazu, dass sich langfristig immer wieder Blaualgen in der Kultur durchsetzten. Diese verbesserten teilweise das Koagulationsverhalten und damit die Erntefähigkeit. Hochwertige Verwertungspfade, etwa für Kosmetik oder Heimtierfutter, konnten nicht realisiert werden. Auch Batch-Versuche zum Einsatz der erzeugten Algenbiomasse in der Biogasproduktion zeigten keine nennenswerten positiven Effekte auf den Gasertrag. Insgesamt kommt der Bericht zu dem Schluss, dass die technische Integration einer Mikroalgenproduktion in eine Biogasanlage grundsätzlich erfolgreich demonstriert werden konnte. Zu den erreichten Zielen zählen der Aufbau eines funktionsfähigen Photobioreaktorsystems mit 800 Litern Arbeitsvolumen, die Einbindung betrieblicher Medienströme wie CO2, Wärme und Prozesswasser sowie die Entwicklung eines Systems zur kontinuierlichen Biomasseentnahme. Ebenfalls erfolgreich war die automatisierte Trennung unterschiedlich belasteter Wasserströme auf dem Betriebsgelände. Gleichzeitig wurde deutlich, dass die Wirtschaftlichkeit und hochwertige stoffliche Nutzung der Biomasse am untersuchten Standort erheblich eingeschränkt sind. Damit liefert das Projekt vor allem einen wichtigen technologischen und verfahrenstechnischen Erkenntnisgewinn. Es zeigt, unter welchen Bedingungen eine gekoppelte Algenproduktion auf Biogasanlagen praktikabel ist, welche Nährstoffquellen sich eignen und welche Grenzen durch Kontamination, Prozessstabilität und Verwertungsanforderungen gesetzt sind. Für zukünftige Anwendungen ergibt sich daraus, dass insbesondere Standorte mit besser kontrollierbaren Nährstoffströmen und geringerem biologischem Belastungsdruck bessere Voraussetzungen für eine wirtschaftlich tragfähige Umsetzung bieten könnten.