OptimAL zielt auf die Erhöhung der Lipidproduktion von einzelligen Grünalgen. Dabei liegt der Fokus auf Züchtungsansätzen basierend auf Modellierung der Lichtverhältnisse, Engineering des Photosystems, Adaption an hohe CO2-Konzentrationen und Nutzung von Algen-Populationen in Photobioreaktoren. Als Erstrebenswert gilt ein möglichst hohes Verhältnis von Energiegehalt (freie Energie der Algen) pro Lichteinheit (freie Energie des einfallenden Lichts) angesehen. OptimAL wurde deshalb in drei wissenschaftliche und ein operatives Arbeitspaket aufgegliedert: (1) Anpassung des biologischen Systems 'Alge' an dynamische Lichtbedingungen und hohe Lichtintensitäten. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Erhöhung der Lichtausbeute durch Modifikation des Photosynthese Apparates der Alge (AP1). (2) Gelenkte Evolution, Kulturführung und Einzel-Zell-Analyse zur Optimierung der Alge an die Produktionsbedingungen im Photobioreaktor (AP2). (3) Modellierung von dynamischem Lichtregime, CO2- und O2-Stoffaustausch, Algenphotosynthese und Wachstum in verschiedenen Photobioreaktoren und Suspensionsdichten (AP3). (4) Koordination der wissenschaftlichen Arbeitspakete untereinander, Wissenstransfer zwischen OptimAL und AUFWIND (AP4).
Wasserstoff wurde als einer der größten potentiellen, sauberen Energieträger der Zukunft identifiziert. Eine zukünftige Wasserstoffökonomie hängt jedoch kritisch von der Entwicklung effizienter und nachhaltiger Produktionsverfahren im großen Maßstab ab. Vorrangig werden deshalb Verfahren auf der Basis der Sonnenenergienutzung verfolgt. Bestimmte einzellige Grünalgen und Cyanobakterien können Wasserstoff direkt aus der Wasserspaltung mit Hilfe des Sonnenlichtes gewinnen. In diesem Teilantrag soll ein Reaktorkonzept entwickelt werden, welches eine großflächige Nutzung dieses Potentials erlaubt. Der Reaktor wird aus zwei bei den Partnern vorhandenen Konzepten (Dünnschicht und Mikrostruktur) heraus entwickelt. Er zeichnet sich durch dünne Schichten, eine strukturierte Oberfläche zur Lichtverteilung und eine Membranbegasung aus. Die Entwicklung läuft über zwei Scale-up Stufen, einem 25 L und einem 250 L Reaktor. Letzterer wird auch spezifische technische Probleme adressieren und soll ohne weitere Skalierung als Parallelmodul für die großtechnische Anwendung geeignet sein. Die Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit den Industriepartnern durchgeführt. Im 25L Reaktor werden die Komponenten und die Wirksamkeit nachgewiesen und optimiert. Er wird mit vorhandenen Stämmen und verschiedenen Schichtdicken und Oberflächenprofilen betreiben. Der Membraneinsatz wird parallel entwickelt. Danach erfolgen Tests mit den optimierten Stämmen aus anderen Teilprojekten. Ausgehend von den erhobenen Daten wird dann der 250 L Reaktor aufgebaut und sowohl im Biotechnikum als auch im Freiland auf technische Funktionsfähigkeit und Effizienz getestet. Nach Ende des Projektes soll es einen Reaktor geben, der prinzipiell vermarktbar ist. Die Vermarktung wird zusammen mit den drei Industriepartnern in deren Branchen erfolgen. An möglichen Verbesserungen wird zusammen mit den Partnern weiter gearbeitet, entweder durch Eigenmittel oder durch weitere Forschungsanträge aus marktnahen Programmen.
Ziel des Gesamtvorhabens ist die Entwicklung eines Photobioreaktors und von Algenstämmen zur nachhaltigen Wasserstoffproduktion. Das Ziel des Teilvorhabens besteht darin, den Projektpartnern die systemanalytischen Informationen zu liefern, die notwendig sind, um unter Nachhaltigkeitskriterien optimale Lösungen zur Erzeugung von Photobio-H2 mit Mikroalgen und zur Einbindung dieses Erzeugungspfades in Energiesysteme zu entwickeln. Umwelt- und Kostenanalyse werden mit den Instrumenten Life Cycle Assessment (LCA) und Life Cycle Costing (LCC) in vier Arbeitspaketen durchgeführt. Die Identifizierung weiterer relevanter Nachhaltigkeitskriterien erfolgt in einem gesonderten Arbeitspaket unter Anwendung des von der HGF (federführend FZK-ITAS) im Auftrag des BMBF entwickelten integrativen Konzepts nachhaltiger Entwicklung. In Arbeitspaket 6 werden die Ergebnisse integriert. Arbeitspakete (Personenmonate): 1. Grundlegende System- und methodische Definitionen (0,5); 2. Modellentwicklung (5); 3. Datenerhebung (5); 4. Modellrechnungen und LCA/LCC-Auswertung (4); 5. Analyse weiterer Nachhaltigkeitsaspekte (1,5); 6. Zusammenfassende Nachhaltigkeitsbewertung (1). Der gesamte Personaleinsatz liegt bei 17 Personenmonaten. Um die Anwendung der Ergebnisse des Teilvorhabens im Projekt selbst zu gewährleisten, erstreckt sich die Bearbeitung über die gesamte Projektdauer. Das Teilvorhaben liefert selbst kein direkt wirtschaftlich verwertbares Produkt, trägt aber wesentlich zur ökonomischen Umsetzbarkeit der Erzeugung von Photobio-H2 mit Mikroalgen bei (Identifikation von Umwelt- und nachhaltigkeitsbezogenen Optimierungspotenzialen und optimalen Anwendungsfeldern). Die quantitativen Ergebnisse des Teilvorhabens werden z.B. über das vom BMBF geförderte Netzwerk Lebenszyklusdaten für weitere Technologiebewertungsprojekte und zur Nutzung in Markt-basierten Energie- und Ressourcenmodellen zur Verfügung gestellt.