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CO2 als Rohstoffquelle

Kohlendioxid ist eines der Treibhausgase, das für die Erderwärmung und den Klimawandel mitverantwortlich ist. Sein Anteil in der Atmosphäre ist seit Beginn der Industrialisierung von circa 280 ppm auf den heutigen Wert von 410 ppm gestiegen. Um die Auswirkungen des Klimawandels einigermaßen beherrschbar zu machen, gehen Klimaforscher davon aus, dass die Erderwärmung im Jahresmittel auf +1,5°C begrenzt werden muss. Auf diesen Wert haben sich auch die Unterzeichner des Klimaabkommens von Paris im Jahr 2015 geeinigt. Damit steht der Menschheit nur noch ein bestimmtes CO2-Emissions-Budget zur Verfügung, das allerdings bald aufgebraucht sein wird, wenn weiterhin weltweit um die 35 Milliarden Tonnen Kohlendioxid pro Jahr in die Luft gepustet werden.

Höchste Zeit also, Maßnahmen zur Reduktion des Kohlenstoffdioxid-Ausstoßes einzusetzen, um das Ziel von Paris zu erreichen. Aber ist das die einzige Möglichkeit? Betrachtet man Pflanzen, so ist für diese Kohlendioxid unentbehrlich für ihr Wachstum. Weshalb also nicht die Natur als Vorbild nutzen?

CCU statt CCS

Eine von der Idee her einfache, aber höchst umstrittene Methode, das CO2-Problem zu lösen, ist das sogenannte Carbon Capture Storage (CCS). Dabei werden große Mengen an Kohlendioxid aus Industrieanlagen unter Druck verflüssigt und anschließend unterirdisch gelagert. Diese Methode wird von vielen Seiten kritisch betrachtet, weiß man doch nicht, inwieweit verflüssigtes Kohlendioxid unter diversen Gesteinsschichten überhaupt problemlos gelagert werden kann und welche dafür geeignet sind. Die spontane Freisetzung des Kohlendioxids, etwa infolge eines Erdbebens, könnte verheerende Folgen haben.

Einen anderen Ansatz verfolgt das Prinzip des Carbon Capture and Use (CCU). Auch hier soll das Kohlendioxid in Industrieanlagen abgefangen werden. Anstatt es aber unter der Erde zu lagern, soll es als Rohstoff genutzt werden, wie es bereits das Diskussionspapier der GDCh-Präsidentenkommission „Perspektiven der Chemie“ aus dem Jahre 2011 fordert: „Der Aufbau einer neuen C1-Chemie über CO2-Reduktion und allgemein CO2-Aktivierung ist in Anbetracht der Treibhausproblematik mehr als wünschenswert.“

So einfach die Theorie, so kompliziert die Praxis…

Doch es ist gar nicht so einfach, Kohlendioxid als Rohstoff zu nutzen. Forscher und Praktiker stehen vor mehreren Hürden, die es zu überwinden gilt.

Zunächst einmal ist Kohlenstoffdioxid ein reaktionsträges Molekül, das nur unter hoher Energiezufuhr zu einem anderen Produkt, wie beispielsweise Methan, umgesetzt werden kann. Deshalb steht die Suche nach neuartigen Katalysatormaterialien oder die Nutzung von Mikroorganismen in biotechnologischen Verfahren im Fokus.

Luftverschmutzung
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Die Atmosphäre um uns herum enthält derzeit zwar nur etwa 0,04 % Kohlenstoffdioxid, dem entsprechen aber global mehr als 3000 Gigatonnen. Dennoch ist es recht aufwendig, daraus das Kohlendioxid in reiner Form zu gewinnen. Deshalb konzentrieren sich die Verfahrensentwickler zunehmend darauf, Kohlendioxid direkt aus Industrieabgasen zu isolieren, statt es aus der Luft anzureichern. Der Fokus liegt dabei auf der Idee, vor allem die Industrieabgase aus Zement- und Stahlwerken zu nutzen, gehören diese doch zu den größten CO2-Emittenten. Durch die Abscheidung von Kohlendioxid aus Industrieabgasen könnte nicht nur die globale Klimabilanz verbessern, sondern gleichzeitig auch ein Rohstoff gewonnen werden.

Neuere Verfahren machen die CO2-Abtrennung effizienter

Ein etabliertes Verfahren, um CO2 aus Industrieabgasen zu entfernen, ist die Aminwäsche. Dabei wird das Gas zunächst an ein Amin gebunden und nach Isolierung des Zwischenproduktes das reine CO2 thermisch wieder freigesetzt. Allerdings erfordert die Aminspaltung viel Energie, weshalb an alternativen Verfahren gearbeitet wird, wie die Abtrennung durch Membranen. Sie zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sie keine zusätzliche Energie benötigen.

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Allerdings enthalten Hütten- und Industrieabgase vor allem Stäube, die zuvor noch abgetrennt werden müssen, um die feinen Poren der Membranfilter nicht zu verstopfen. Hierfür werden Keramikfilter eingesetzt, die die hohen Temperaturen der Industrieabgase aushalten und effektiv Stäube und andere Partikel abtrennen können.

Was „Power to Gas“ und „Power to Liquid“ mit der Energiewende zu tun haben…

Zu den wichtigsten Grundchemikalien, die aus Kohlendioxid gewonnen werden können, gehören Methan, Methanol und Ethanol. Je nachdem, welches Produkt entsteht, spricht man von „Power to Gas“, wenn gasförmige Produkte entstehen, wie Methan, und von „Power to Liquid“, wenn flüssige Produkte entstehen, wie Alkohol.

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An dieser Stelle kommt die Energiewende ins Spiel. Denn sowohl die „Power to Gas“ – als auch die „Power to Liquid“-Verfahren sind energieintensive Verfahren. Sie eignen sicher daher, um Energiespitzen, wie sie typisch für die erneuerbaren Energien sind, sinnvoll zu nutzen. Ist zu viel Energie im Stromnetz vorhanden, wird aus CO2 und Wasserstoff beispielsweise Methan produziert. Bei Windflauten oder in der Nacht, wenn die Sonne nicht scheint, wird das zuvor hergestellte Methan zur Energieerzeugung genutzt und CO2-neutral wieder verbrannt.

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Beim „Power to Liquid“-Verfahren entstehen flüssige Produkte, wie Methanol oder Ethanol. Auch hier können Energiespitzen aus der Produktion erneuerbarer Energien sinnvoll aufgefangen und als gespeichert werden. Gleichzeitig sollen diese langfristig zumindest einen Teil des Erdöls ersetzen, das momentan noch ein wichtiger Lieferant aller gängigen Grundchemikalien für die chemische Industrie ist. Auch in diesem Bereich werden momentan verschiedenste Verfahren entwickelt und auf ihre Wirtschaftlichkeit geprüft. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Entwicklung neuartiger Katalysatoren, um die Reaktionen so effizient wie möglich zu gestalten.

Pflanzen und andere Vorbilder…

Wenn die Nutzung von Kohlendioxid als Beitrag zu einer CO2-neutralen Wirtschaft Sinn machen soll, dann muss auch die Energie zur Herstellung der Grundchemikalien aus erneuerbaren Quellen stammen. Das Sonnenlicht direkt zu nutzen und zu versuchen, die Photosynthese der Pflanzen nachzuahmen, ist kein leichtes Unterfangen. Doch in den letzten Jahren wurden vor allem auf dem Gebiet der Katalysatorforschung enorme Fortschritte gemacht. So wurde im Rahmen des „CarbonCat“-Verbundprojekts, das vom Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme in Mainz koordiniert wird, ein Photokatalysator auf Diamantbasis für die Umsetzung von Kohlendioxid mit Wasser zu Methanol (CH3OH) entwickelt, einem typischen C1-Chemie-Produkt im Sinne des vorgenannten GDCh-Papiers.

Nicht nur Pflanzen nutzen das farblose Gas in unserer Luft, um daraus komplexe Moleküle aufzubauen, sondern auch Mikroorganismen, wie Algen, Hefen oder Bakterien.

Diese CO2-Fixierer macht man sich in der Biotechnologie nutzbar, etwa bei der sogenannten mikrobiellen Elektrosynthese. Hierbei wachsen Mikroorganismen als Biofilm im elektrischen Feld auf speziellen Elektroden, über die ihnen die notwendige Energie für Wachstum und Biosynthese, etwa von Methan, Methanol und Ameisensäure zugeführt wird. Später sollen auf diesem Weg und unter Nutzung von Elektroenergie aus erneuerbaren Quellen auch Biokraftstoffe gewonnen werden.

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Algen und spezielle Hefen nutzen Kohlendioxid, Wasser und Licht, um daraus Lipide als Bausteine ihrer Zellmembranen und als Energiespeicher zu synthetisieren. Lipide sind Gemische wasserunlöslicher Substanzen verschiedener Stoffklassen, von denen Fette, Fettsäuren und Wachse von besonderem Interesse sind. Sie werden aus gezüchteten Biomassen durch Extraktion isoliert und als Grundstoffe weiter verarbeitet, etwa zu hochwertigen, technischen Schmierstoffen und zu Kosmetika.

Wie sieht die Zukunft aus?

Trotz der Fortschritte steckt die Nutzbarmachung von Kohlenstoffdioxid für industrielle Produktionsprozesse noch in den Anfängen. Zwar gibt es vielversprechende Ansätze und erste Erfolge, aber es bestehen auch noch viele Herausforderungen. Eine der größten besteht darin, Kohlendioxid auf eine effiziente Weise aus Industrieabgasen oder der Luft zu isolieren. Auch die technischen Verfahren zur CO2-Nutzung sind größtenteils noch im frühen Entwicklungsstadium.

Klimaschutz
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Es wird also noch eine Weile dauern, bis Kohlendioxid als die überall verfügbare Rohstoffquelle für Alltagsprodukte dienen kann. Sicher ist aber, dass es bereits heute in vielen Bereichen neue Lösungswege eröffnet hat und intelligent genutzt ein wichtiger Baustein für die Energiewende ist. Auch die Politik hat das Potenzial erkannt. Sie unterstützt diverse Forschungsprojekte, die, zur Marktreife gebracht, mithelfen können, die Pariser Klimaziele doch noch zu erreichen.