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alternative fuels
Temperatursimulation
in Algen-
Photobioreaktoren
Temperature
simulation in algae
photobioreactors
Mikroalgen sind in der Lage, große Mengen Biomasse
in kurzer Zeit zu generieren. Sie sind daher
ein vielversprechender Rohstoff für die Produktion
von Flugkraftstoffen. Bauhaus Luftfahrt untersucht
die Nachhaltigkeit dieser Kraftstoffproduktion.
Eine wichtige Kenngröße in diesem Zusammenhang
ist die Produktivität der Mikroalgen, die unter
anderem wesentlich von den Parametern Lichtintensität
und Temperatur abhängt. Bauhaus Luftfahrt
hat ein generisches Modell entwickelt, das
auf verschiedene Reaktorkonfigurationen angewendet
werden kann, um den Temperaturverlauf
im Wachstumsmedium bestimmen zu können.
Das Temperaturmodell basiert auf der Bilanzierung
aller wichtigen Energieströme, die zu einer Erwärmung
oder Abkühlung des Reaktors beitragen.
Beispiele hierfür sind die direkte und indirekte
Sonneneinstrahlung, Wärmestrahlung und Konvektion.
Da bei kommerziellen Anlagen davon auszugehen
ist, dass die Reaktoren in enger Nachbarschaft
zueinander platziert werden, wurden auch
Abschattungseffekte im Modell berücksichtigt.
Erste Ergebnisse zeigen, welchen tageszeitlichen
und saisonalen Temperaturschwankungen Algen
in Außenanlagen ausgesetzt sind (siehe obere
Grafik). Vereinzelt auftretende Extremwerte können
die Zellen sogar beschädigen und beschränken die
Kultivierungszeit. Mit dem Modell ist es möglich,
geeignete Standorte für die Algenkultivierung zu
identifizieren. Darüber hinaus bildet das Wissen
um die Reaktortemperatur das Fundament für
realistische Berechnungen der Produktivität von
Algen und leistet damit einen entscheidenden Beitrag,
um das ökonomische und ökologische Potenzial
von Algenkraftstoffen zu bestimmen.
Bei geringem
Abstand der
Reaktorplatten
müssen
Abschattungseffekte
berücksichtigt
werden.
Shading effects
have to be
considered for
small reactor
panel distances.
Microalgae are capable of generating large quantities
of biomass in a short time. They are therefore
a promising feedstock for the production of
renewable aviation fuels. Bauhaus Luftfahrt
analyzes the sustainability of algae-based fuel
production. An important performance indicator
in this respect is the biomass productivity, which
depends significantly on the parameters light
intensity and temperature. Bauhaus Luftfahrt has
developed a generic model that can be applied
to simulate the temporal temperature profile
of the culture medium for various reactor configurations.
The developed temperature model is based on
a balance of all important energy flows with
warming or cooling effects on the culture
medium. Examples of such flows are direct and
indirect solar irradiation, heat radiation, and
convection. Shading of the reactor panels was
included as well, since in a commercial plant the
reactor panels will be arrayed in a compact way
in order to optimize the use of real estate.
First results show the degree of daily and
seasonal temperature fluctuations that algae are
exposed to in outdoor cultivation plants (see
graphic). Sporadically occurring events of
extreme temperatures can even be fatal for
the cell culture and thus limit the total time of
cultivation. The developed model can be applied
to the identification of suitable locations for
algae production. Moreover, knowledge of the
reactor temperature is the basis for realistic
estimations of the algal biomass productivity
and therefore represents a valuable tool for the
assessment of the economic and ecological
potential of algae-based biofuels.