Jahrbuch Bauhaus Luftfahrt 2015

32 alternative fuels
Mikroalgen:
Standortspezifische
Temperatur-Modellierung
in Photobioreaktoren
Microalgae:
Site-specific temperature
modelling of
photobioreactors
Die energetische Nutzung von Mikroalgen ist
Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten. Neben
der Licht- und Nährstoffverfügbarkeit ist die Kultivierungstemperatur
für das Algenwachstum maßgeblich.
Insbesondere das Über- oder Unterschreiten
der Schwellenwerte 40 °C und 0 °C kann zu
signifikanten Produktionseinbußen führen. Die
Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der Kultivierungstemperatur
ist daher von großer Bedeutung.
Wissenschaftler bei Bauhaus Luftfahrt haben
ein detailliertes Temperaturmodell für ein Feld vertikaler
Flachplatten-Photobioreaktoren entwickelt.
Die Anwendung des Modells auf Standorte in den
USA über den Verlauf eines ganzen Jahres und
unter Verwendung lokaler Wetterdaten zeigte, dass
die Algen starken Temperaturschwankungen ausgesetzt
sind. Standorte mit mediterranem Klima (zum
Beispiel Santa Barbara, CA) bieten gute Wachstumsbedingungen.
Im Gegensatz dazu stellen häufig
auftretende Temperaturspitzen von über 40 °C in
sehr sonnigen und heißen Gegenden eine Herausforderung
dar (zum Beispiel Phoenix, AZ). Weiterhin
zeigte sich als zentrales Ergebnis der Simulation,
dass die gegenseitige Abschattung der Reaktoren
einen großen Einfluss auf die Reaktortemperatur
hat: Temperaturspitzen werden abgeschwächt, was
zu einem gleichmäßigeren Temperaturprofil führt.
Gleichzeitig bewirkt die Abschattung jedoch eine
Verringerung der Lichtintensität im photosynthetisch
nutzbaren Spektralbereich.
Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Koppelung
des entwickelten Temperaturmodells mit einem
spezifischen Wachstumsmodell für Mikroalgen
konzentrieren, um eine Abschätzung der potenziellen
Erträge in Abhängigkeit von Standort, Reaktordesign
und Anlagenkonfiguration zu ermöglichen.
Flachplatten-
Photobioreaktoren
im
Algentechnikum
auf dem Ludwig
Bölkow Campus,
Taufkirchen
(Foto: Mit freundlicher
Genehmigung der Technischen
Universität München)
Flat panel
photobioreactors
in the Algentechnikum
(algae
research facility)
on Ludwig
Boelkow Campus,
Taufkirchen
(Photo: Courtesy of
Technische Universität München)
Cultivation of microalgae as biofuel feedstock is
subject to international R&D efforts. In addition
to light intensity and nutrient concentration, algal
cell growth crucially depends on the temperature
of the cultivation medium, and values exceeding
40 °C or below 0 °C can result in heavy yield
losses. Detailed knowledge of the cultivation
temperature as function of reactor dimensions
and geographic location is therefore required.
Researchers at Bauhaus Luftfahrt have developed
a temperature simulation model for an array
of vertical flat panel photobioreactors (PBRs). This
model is based on a balance of all relevant heat
fluxes, including first-order reflections and mutual
shading of reactor panels.
Application of the model for potential cultivation
sites in the U.S., using local weather data
covering an entire year, showed that algae cultivated
in outdoor PBRs are exposed to strong temperature
variations. Locations with Mediterranean
climates (for example, Santa Barbara, CA)
offer favourable growth conditions. In contrast,
frequent occurrence of temperature peaks above
40 °C during summer times renders cultivation at
very sunny and hot locations challenging (for
example, Phoenix, AZ). It is important to note that
mutual shading of reactor panels was found to
have a great impact on the reactor temperature:
High-temperature peaks are mitigated, resulting
in a more homogeneous temperature profile.
However, at the same time, shading reduces the
intensity of photosynthetically relevant light in
the reactor.
Future work will focus on coupling the developed
temperature model with a specific growth
model for microalgae in order to assess potential
biomass yields as function of location, reactor
design and plant configuration.