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Physics of the urban production of algae in photo-bio reactors for the utilization in vertical farms
Fabian Schipfer
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Regina Hitzenberger
DOI
10.25365/thesis.22602
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30207.93755.894566-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die heutige Lebensmittelindustrie verlangt nach einer großen Menge nicht erneuerbarer Ressourcen wie Rohöl, Erdgas und Phosphatgestein. Um die Ernährungssicherheit der kommenden Generationen zu garantieren ist es notwendig diese Abhängigkeiten zu minimieren. Dabei stellen sich die Fragen, welche Technologien zur Gewinnung von erneuerbaren Energieträgern dafür genutzt werden könnten. Ist es zum Beispiel großtechnisch und ökonomisch möglich Algendünger in Photobioreaktoren zu produzieren und so N und P aus dem Abwasser zu recyceln? Ist es des Weiteren möglich diesen Prozess energieautark zu gestalten um so die Verwendung von nicht erneuerbaren Energieträgern zu vermeiden?
Anhand von Beispielen aus der Literatur untersucht diese Arbeit das Potential von Mikroalgen, städtischem Abwasser Nährstoffe zu entziehen um diese wieder in den urbanen Lebensmittelkreislauf zurück zu führen. Eine biophysikalische Beschreibung der Algen- und Hitzeproduktion in Photobioreaktoren an Wiener Hausfassaden dient zur Berechnung des Masse- und Energieflusses. Die Verfaulung der produzierten Biomasse wird vorgeschlagen um deren Düngereffizienz zu steigern und um gleichzeitig CH4 als Energieträger zu gewinnen. Die Ergebnisse des Rechenmoddels werden zur Abschätzung der Kosten für eine Algendüngemittelproduktion in Wien verwendet. Der mögliche Einsatz des Biodüungers in vertikalen Farmen wird diskutiert.
In Wien könnten an einer 100m*100m Hausfassade jedes Jahr 271t Mikroalgen wachsen. Die Verbrennung des produzierten Biogases könnte dabei den Heiz- und Strombedarf decken. Da die einzelnen Glieder dieser energieautarken Prozesskette bereits existieren ist diese Art der Biodüngerprodution mit Hilfe von Photobioreaktoren technisch realisierbar. Das Produkt wäre jedoch selbst nach optimistischer Abschätzung neun mal so teuer wie kommerzieller Dünger. Dieses Konzept einer Bioraffinerie birgt jedoch ein enormes Einsparungspotenzial für Rohöl, Erdgas und Phosphorgestein und ist damit der alleinigen Nutzung von Biomasse als Energieträger einen Schritt voraus. Bestätigt wird das durch die Berechnung des Wirkungsgrades für die Umwandlung von Sonneneinstrahlung zu Algenbiomasse für eine direkte Verbrennung: Mit knapp 4% liegt dieser weit unter dem moderner Photovoltaikanlagen für die Stromproduktion.
Abstract
(Englisch)
Todays agricultural food production depends on the availability of non-renewable resources like crude oil, natural gas and phosphor rocks. Tomorrow`s food security can only be ensured by reducing this dependency. There are open questions concerning the methods that can be used for the production of renewable sources in order to achieve this goal. Is it technically and economically feasible, for instance, to produce micro-algal fertilizer in photo-bio reactors to recycle N and P from waste water streams? Is this furthermore possible by avoiding the combustion of non-renewable energies to become energy self-sufficient?
Relevant examples from literature will be used to investigate the micro-algal potential to extract nutrients from urban waste water streams for the re-injection into the food chain of the population. The production algae and heat will be described in a bio-physical way to calculate the mass- and energy flux in photo-bio reactors, attached to walls of buildings in Vienna. It will be suggested to decompose the generated bio material through anaerobic digestion to increase the N- and P share on one hand and to produce methane as an energy carrier on the other hand. The calculation model will be used to estimate the costs of producing a micro-algal fertilizer in Vienna. Furthermore a possible utilization of the generated fertilizer in vertical farms will be discussed.
About 271t micro algae per year could be produced on a 100m*100m wall in Vienna. The combustion of the produced biogas could meet the entire heat- and electrical energy demand of the production process. By demonstrating the technical feasibility of every single part of the energy self-sufficient production chain, the technical feasibility of the whole concept is ensured. The costs of this product, however, would be nine times higher than the costs of commercial fertilizer. The bio-refinery in question still has a great potential when it comes to saving a high amount of non-renewable resources, thus making it an attractive alternative to the exclusive use of biomaterial as an energy carrier. This can be further shown by comparing the sunlight irradiation on a photo-bio reactor with the calorific value of the produced micro algae: This calculation yields an energy conversion efficiency of about 4% which could be surpassed by the electricity production of every available photovoltaic system.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
micro algae photo-bio reactors bio fertilizer biogas centralized EBS-Wien recycling
Schlagwörter
(Deutsch)
Mikroalgen Photobioreaktoren Biodünger Biogas zentralisiert EBS-Wien Recycling
Autor*innen
Fabian Schipfer
Haupttitel (Englisch)
Physics of the urban production of algae in photo-bio reactors for the utilization in vertical farms
Paralleltitel (Deutsch)
Physik der städtischen Produktion von Algen in Photobioreaktoren für die Verwendung in vertikalen Farmen
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
116 S. : graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Regina Hitzenberger
Klassifikation
33 Physik > 33.90 Physik in Beziehung zu anderen Fachgebieten
AC Nummer
AC11008812
Utheses ID
20179
Studienkennzahl
UA | 411 | | |