Luftverschmutzung – saubere Luft durch Algen?

Aktuell werden weltweit Ideen vorgestellt, die Mikroalgen als biologische Ressource zur Luftreinigung propagieren. Die zunehmende Luftverschmutzung und der Anstieg des CO2 Gehalts in der Luft sind ein Thema, das Algenpioniere auf den Plan ruft. Können Algen in „künstlichen Bäumen“ eine Lösung zur Luftreinhaltung bieten? Ob das sinnvoll ist und ob diese Systeme wirklich halten was die Erfinder versprechen, werde ich in diesem Artikel mal näher unter die Lupe nehmen.

Dazu habe ich mir die aktuellen Aktivitäten in diesem Bereich mal angesehen. Gerade in den letzten Monaten bin ich über viele Anbietern algenbasierter „Luftfilter“ gestolpert. Nicht alle schienen mir außer schöner Bilder auch eine funktionierende Technologie vorweisen zu können.

Das Problem: sinkenden Luftqualität

Zunächst sollten wir definieren, was als Luftverschmutzung eingestuft wird. Generell ist dies die „Freisetzung umwelt- und gesundheitsschädlicher Schadstoffe in die Luft“. Zu den zumeist ins Visier genommenen Störenfrieden in unsere Umgebungsluft gehören Stäube, Allergene, Bakterien und Viren, Sporen und zum Teil auch VOCs (volatile organic compounds -flüchtige organische Verbindungen, wie z.B. Kohlenwasserstoffe oder Alkohole). Hinzu kommen auch Gase wie CO2 und NO2 die ab gewissen Konzentrationen als schädlich eingestuft werden.

Ich denke, es ist den meisten bewusst, dass es um unsere Luft eher schlecht bestellt ist. Laut Studien haben nur 12% aller Städte eine Luftqualität, die den WHO Standards entspricht – fast 90 Prozent alle Stadtbewohner atmen also verschmutzte Luft ein. 2030 werden durch die stetige Urbanisierung über 60% aller Menschen (5 Mrd.) in Städten leben. Millionen Tode jährlich können der UN zufolge auf verschmutzte Luft zurückgeführt werden. Die CO2 Konzentration in der Luft steigt seit der Industrialisierung stetig an und die Feinstaubproblematik ist nicht von der Hand zu weisen.

Neben den bekannten Gefahren der verschmutzten Außenluft gilt es aber ebenso die Qualität der Innenraumluft zu betrachten. Ein Thema, welches ebenfalls durch Algenreaktoren adressiert werden soll, sind hohe Konzentrationen von CO2 in Gebäuden. Der CO2 Gehalt kann in schlecht gelüfteten Räumen schnell ansteigen (Klassenzimmer, Büros). Ein erhöhter CO2-Level wirkt sich, laut Studien, direkt auf die Konzentrationsfähigkeit aus und kann Kopfschmerzen und Unwohlsein erzeugen. Durch mangelndes Lüften kann die CO2-Konzentration in geschlossenen Räumen schnell auf Werte ansteigen, die 10-mal höher sind als jene der Außenluft.

Fakt ist also, dass wir ein klares Problem mit verschmutzter Luft haben und in Zukunft mehr dafür tun sollten, dass die Luft in unserer direkten Umgebung eine so hohe Qualität wie möglich hat. Gerade in städtischen Umgebungen könnten dafür innovative Technologien benötigt werden, da der Raum für Grünflächen begrenzt ist.

Mit Algen gegen Luftverschmutzung

Wenn wir ehrlich sind, wird das Thema Algen und Luftreinigung schon seit Jahren von Forschergruppen und Unternehmen beackert. Fokus ist hier die Nutzung des Kohlendioxids aus Abgasströmen zur Zucht von Algen, anstatt dieses einfach in die Umwelt zu entlassen. Wenn es um die Minderung von CO2 in der Atmosphäre geht, werden Algen immer wieder gerne als das Allheilmittel beschworen. Meine Gedanken dazu habe ich schon vor einiger Zeit in dem Artikel „Algen und CO2 – Klimaschutz am Kraftwerksturm?“ beschrieben. Noch kurz zur Verdeutlichung, da hier oft ein Missverständnis herrscht – wenn das in Biomasse gebundene CO2 wieder freigesetzt wird (z.B. Verrottung oder Verbrennung) sprechen wir NICHT von Sequestrierung! Biobasierte Produkte mindern den CO2-Ausstoß mit dem Ersatz fossiler durch biobasierte Quellen. Es wird also im Idealfall netto kein weiteres Kohlendioxid in den Kreislauf eingebracht, aber auch keines gänzlich entzogen!

Für alle, die mit den Mikroalgen noch nicht so gut vertraut sind: Algen sind photosynthetisch aktive Organismen. Sie absorbieren CO2 und wandeln es in Sauerstoff um. Ihre CO2 -Fixierungseffizienz und ihre Wachstumsrate ist deutlich höher als bei terrestrischen Pflanzen. Jedes gewonnene Kilogramm Algenbiomasse bindet etwa 1,8 Kilogramm CO2.

In den Ansätzen, die ich heute betrachten möchte, liegt der Fokus aber nicht in der gezielten Nutzung von CO2 von der Quelle sondern in der Verbesserung der Lebenssituation von Menschen die sich in Umgebungen befinden, die eine schlechte Luftqualität aufweisen. Das primäre Produkt der eingesetzten Technologien (Algen-Photobioreaktoren) ist also gesäuberte Luft.

Was können Algen besser?

Stellt sich die Frage was Algenreaktoren leisten können, was es nicht schon bereits gibt? In Asien ist „saubere Luft“ bereits ein großer Markt und auch hier werden konventionelle Luftreiniger kommerziell angeboten. Diese versprechen, auf Basis verschiedene Technologien, eine Filterung der Raumluft und damit die Entfernung von Stäuben und Allergenen im Innenraumbereich. Saubere Luft ist damit durchaus mit bestehenden Filtertechnologien realisierbar. Was diese Technologie nicht leisten können ist allerdings die Abreicherung von CO2 und die Produktion von Sauerstoff. Zudem sind nur die wenigsten Systeme in der Lage VOCs aus der Luft zu filtern.

Im Außenbereich sind aufgrund der Feinstaubproblematik bereits Filtersysteme im Test, die die Belastung an Kleinstpartikeln in kritischen Lagen reduzieren sollen. Ein Beispiel ist Stuttgart mit dem wegen extremen Feinstaubwerten europaweit bekanntem Neckartor.

Das Geschäftsmodell der Luftreinigung mit Algen

Das primäre Problem, welches die Algen-Reaktoren adressieren ist natürlich die schadstoffbelastete Luft. Wenn wir diversen Studien und der Berichterstattung in den Medien glauben wollten, ist das ein Problem, das dringend in Angriff genommen werden sollte. Allerdings sind dazu verschiedenste Maßnahmen notwendig. Vor allem Prävention ist hier ein relevanter Aspekt, z.B. die bei Autofahrern gefürchteten Fahrverbote.

Ein Algenreaktor könnte ein Teil der Lösung sein: Kohlendioxid kann in der eingespeisten Luft abgebaut und Sauerstoff an die Umgebungsluft abgegeben werden. Zudem agiert er als Luftwäscher, da die eingespeiste Luft durch eine Flüssigkeitssäule geführt wird. In Kombination mit konventionellen Filtern, sollte letztlich auch die Belastung mit Stäuben damit gemindert und als zusätzlicher Effekt die Raumluft befeuchtet werden.

Das interessante an der Idee des Algenreaktors in der Reinigung von Umgebungsluft ist letztlich eine Umkehr des aktuellen Geschäftsmodells der Algenproduktion. Man nimmt einen momentan in der finanziellen Kalkulation selten beachteten Nebenstrom (Sauerstoff) und den Reinigungseffekt der Photobioreaktoren (CO2-Minderung und Filterung von Partikeln) um zwei wichtige Probleme zu adressieren: schmutzige Luft und zu viel CO2.

Die Umkehr des aktuellen Geschäftsmodells der Mikroalgenbiotechnologie bietet neue PotenzialeSollten Algenreaktoren großflächigen Einsatz finden, übernimmt der Kunde die Kosten für den Betrieb des Reaktors und finanziert ganz oder teilweise die Produktionskosten der Algenbiomasse. Zusätzlich können Serviceleistung verkauft werden (Wartung, Austausch der Algensuspension). Spannend wird es dann aber vor allem wenn es um die Biomasse geht. In diesem Geschäftsmodell ist diese nämlich für den Kunden eigentlich ein Abfallstrom. Der Anbieter entsorgt diesen und tauscht in regelmäßigen Abständen die Algensuspension aus. Wenn die Biomasse allerdings hochwertig und sauber ist lassen sich daraus z.B. noch Wertstoffe gewinnen und damit Geld verdienen. Eigentlich sehr geschickt. Algenproduzente wären in der Lage die relevanten Kosten der Biomasseproduktion auf viele verschiedene Kunden zu verteilen und könnten damit theoretisch recht günstig Algen produzieren.

Zu beachten ist jedoch, dass eine Produktion mit geringem CO2 Gehalt (Luft) zu langsamem Wachstum der Biomasse führt. Zudem müssen die algenbasierten Luftreiniger so konstruiert sein, dass der Austausch der Mikroalgen schnell, problemlos und in vernünftigen Abständen stattfindet. Ob sich eine dezentrale Produktion der Biomasse mit allen anhängigen Notwendigkeiten aus finanzieller sowie aus CO2-Bilanz Sicht lohnt, muss sorgfältig kalkuliert werden.

Für den Kunden bieten diese Technologien verschiedene Vorteile. Neben den genannten Effekten des Algenreaktors (Luftreinigung durch Algen) könnten installierte Anlagen eventuell in Form von CO2-Zertifikaten angerechnet werden und der Werbeeffekt (gerade in der aktuellen Diskussion zum Thema Klimawandel) sollte ebenfalls nicht unterschätzt werden. Vielleicht liegt hier die Chance, die Mikroalgen und ihre Anwendungsbereiche der breiten Öffentlichkeit zugänglich und bewusst zu machen.

Welche Algenreaktoren zur Luftreinigung gibt es?

Wie bereits erwähnt, beschäftigen sich zunehmend mehr Firmen mit der Entwicklung von Photobioreaktoren zur Luftreinigung. Ich habe mir mal angeschaut, wer sich in diesem Bereich aktuell zu positionieren versucht.

Als erstes stolpert man über viele Konzepte aus dem Design-Bereich, die als Abschlussarbeiten von begabten Designern eingereicht werden. Da sind einige ausgesprochen schöne Designs dabei, leider hapert es oft an dem Verständnis für die Biologie der Mikroalgen und die damit verbundenen Probleme in der Zucht. Kurzum – diese Konzepte sind für einen kommerziellen Einsatz nicht geeignet. Aber an der Aufmerksamkeit, die diese Konzepte im Internet generieren können, erkennt man, was zukünftige Hersteller von algenbasierten Luftreinigern beachten sollten: Design matters!

Als nächste findet man viele Ansätze, die auf simplen Technologien beruhen, üblicherweise eine einzelne Röhre, in der die Algensuspension vor sich hindümpelt und durch die ab und an ein paar unmotivierte Blasen der Umgebungsluft perlen. Diese Systeme findet man weltweit, meist von jungen Gründern, die sich auf den Bereich der Innenraumluft fokussieren. Röhrensysteme werden auch manchmal für den Außenbereich vorgestellt, selten sind in den Teams aber wirklich erfahrene Experten für PBR-Technologie mit im Boot.

Für den Innenbereich findet man ebenfalls Ideen, die anstatt mit einer Algensuspension auf fest fixierte Algen setzen. Das Prinzip verspricht ebenfalls verbesserte Innenraumluft. Meiner Ansicht nach benötigt es allerdings ausreichend Algenfläche und eine gute Zirkulation der Raumluft um eine relevante Verbesserung zu realisieren.

Nur wenige Firmen sind bereits heute in der Lage ein System vorzustellen, dass einen gewissen Reifegrad aufweist. Dennoch – keine der Firmen kann mich aktuell auf Basis der gelieferten Informationen wirklich von der Leistungsfähigkeit kombiniert einem tragfähigen Geschäftsmodell überzeugen.

Luftreinigung mit Algen – Chancen und Risiken

Das Thema Luftreinigung mit Algen ist noch jung. Ich denke, dass sich in diesem Bereich spannende Synergien ergeben könnten, die die Produktion von Mikroalgen vielleicht zukünftig auch dezentral attraktiv machen könnten. Interessant ist die Umkehr des bestehenden Geschäftsmodells der Algenproduktion und die Vermarktung eines Nebenproduktes (Sauerstoff) und der CO2-Minderung. Wenn wir die Vision mal weiterspinnen. könnte das sehr gut in die dezentrale Produktion von Biomasse in urbanen Räumen passen und damit auch die Kosten der Mikroalgenproduktion gegenfinanzieren…

Wie auch immer, bis dahin ist es noch ein Stück des Weges zu gehen. Ich habe meine Ansichten mal in einer kleinen SWOT-Analyse zusammengefasst:

CHANCEN & STÄRKEN

  • Ein technisch ausgereiftes System zur Luftreinigung mit einem Algenreaktor kann durch die Luftwäsche nicht nur CO2 mindern und Sauerstoff abgeben, sondern auch im Innenraumbereich für eine Befeuchtung der Luft sorgen. Da unsere Häuser immer „dichter“ werden – vielleicht ein Verkaufsargument in den kalten Wintermonaten mit trockener Luft?
  • Die Produktion von Algenbiomasse kann durch den Fokus auf ein neues Primärprodukt (Sauerstoff) eventuell kosteneffizienter gestaltet werden.
    Im urbanen Bereich stehen wenig Flächen zur Verfügung und eine Begrünung mit Bäumen benötigt Jahrzehnte, um mit der Leistungsfähigkeit eines modernen Photobioreaktors mitzuhalten. Schnelle Maßnahmen könnten über Algenreaktoren realisiert werden.
  • Um ein tragfähiges Konzept zu gestalten, sollten Filter- und Algentechnologien kombiniert werden. Wo bleibt die Kooperation zwischen diesen Branchen? Hier sehe ich noch Möglichkeiten, die in einer interdisziplinären Zusammenarbeit erschlossen werden könnten.
  • Gefühlt scheint sich ein Trend zu entwickeln, der in Richtung einer „positiven Heimklimatisierung“ geht: Wenn die Luft draußen schlecht ist, dann schaffe ich mir eine Oase im eigenen Heim. Davon könnten die Algentechnologien profitieren.
  • Immer mehr Firmen haben eine Corporate Responsibility Agenda. CO2-Minderung und ein angenehmes Arbeitsklima für die Mitarbeiter sind meist Bestandteil solcher Vorhaben. Hier könnte es Ansatzpunkte für innovative, algenbasierte Technologien geben.
  • Illuminierte Algenreaktoren könnten zur Beleuchtung der näheren Umgebung eingesetzt werden. Ggf. können hier „zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen“ werden – Licht für Mensch und Alge.

RISIKEN & SCHWÄCHEN

  • Ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit eine PBR in diesem Bereich ist der Luftdurchsatz. Viele Systeme, die ich mir angesehen habe, scheinen diesen Punkt nicht ausreichend zu berücksichtigen.
  • Es benötigt vernünftige Konzepte und Konstruktionen, um den Lichtbedarf der Mikroalgen zu decken. Die Energiekosten müssen gering gehalten werden bei gleichzeitigem optimalen Lichteintrag. Dieser ist wiederum von der Konstruktionsweise des Photobioreaktors und der Dichte der Algensuspension abhängig. Eine effiziente Regeltechnik ist nötig, um dies zu gewährleisten.
  • Im Einsatz als Luftreiniger werden die Einheiten dezentrales angesiedelt sein. Es ist notwendig den Service und ggf. die Ernte der Biomasse (falls diese weiterverarbeitet werden soll) in der Kalkulation des Geschäftskonzepts zu berücksichtigen.
  • Ein biologisches System ist nicht leicht zu handhaben. Das werden alle wissen, die mal Algen gezüchtet haben. Es ist nötig ein stabiles und unter allen relevanten Bedingungen getestetes System einzusetzen. Es ist einem Kunden nicht zuzumuten, dass er die Pflege der Algen übernimmt. Wahrscheinlich wird dazu eine komplexe Mess- und Regeltechnik von Nöten sein.
  • Im Innenraumbereich steht und fällt die Nutzung eines Reaktors mit seinem Design. Aktuelle Systeme sind vor allem auf die industrielle oder labortechnische Produktion von Algenbiomasse ausgerichtet. Ein ansprechendes Design steht nicht an erster Stelle. Hier sind noch deutliche Verbesserungen nötig, um die gewünschten Zielgruppen adäquat anzusprechen.
  • Für die Reinigung von Innenraumluft spielte die Eliminierung von VOCs eine wichtige Rolle. Ich konnte hierzu keine Veröffentlichungen finden (wenn ich mich täusche – ich freue mich über jeden Hinweis). An dieser Stelle werden noch solide Daten benötigt. Vielleicht entsteht dann auch mal eine Aufstellung relevanter Eigenschaften verschiedener Algenarten, wie es z.B. in der NASA Clean Air Study für Zimmerpflanzen geschehen ist.

Fazit

Vielleicht werden wir alle in Zukunft einen Algenreaktor im Hause haben und unsere Zimmerpflanzen im Nachbarsgarten auswildern. Ich freue mich schon auf das beruhigende blubbern meiner illuminierten Algensuspension und ein paar Züge biologisch optimierter Raumluft – wenn es denn in naher Zukunft diese Option für uns geben wird.

Fakt ist, es Bedarf noch einige Hürden zu überwinden bis eine tragfähige Lösung für den Konsumenten gefunden ist. Dennoch sehe ich durchaus Chancen in den angedachten Technologieansätzen zur Luftreinigung mit Algen. Ich denke, dass die wesentlichen Innovationen, wie so häufig, an der Schnittstelle zwischen den Disziplinen entwickelt werden.

Die Kombination aus dem Wissen und er Erfahrung in den Filtertechnologien gepaart mit den Stärken der Algenbiotechnologie könnte zu interessanten Produkten führen. Eine Spielwiese für solche Konzepte können dann wiederum Architektur-Wettbewerbe oder eine IBA sein. Vielleicht sehen wir alle auf der IBA27 in Stuttgart die ersten greifbaren Ansätze einer luftverbessernden „Algetektur“?