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Mikroalgen: Standortspezifische Temperatur-Modellierung in Photobioreaktoren

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.

  • Bilanz der Wärmeströme: Darstellung der Wärmeströme, die bei der Temperatursimulation in vertikalen Flachplatten-Photobioreaktoren berücksichtigt werden. Der Ausschnitt zeigt eine typische Intensitätsverteilung von diffusem Sonnenlicht innerhalb eines Reaktors.Bilanz der Wärmeströme: Darstellung der Wärmeströme, die bei der Temperatursimulation in vertikalen Flachplatten-Photobioreaktoren berücksichtigt werden. Der Ausschnitt zeigt eine typische Intensitätsverteilung von diffusem Sonnenlicht innerhalb eines Reaktors.
  • Temperaturprofile für verschiedene Klimazonen innerhalb der USA. Annahmen: Orientierung der Reaktoren in Nord-Süd-Richtung, Reaktorabstand 0,5 m, Reaktordicke 0,05 m, Höhe der Reaktoren 1 m, Länge der Reaktoren 2 mTemperaturprofile für verschiedene Klimazonen innerhalb der USA. Annahmen: Orientierung der Reaktoren in Nord-Süd-Richtung, Reaktorabstand 0,5 m, Reaktordicke 0,05 m, Höhe der Reaktoren 1 m, Länge der Reaktoren 2 m