Klimakiller sinnvoll nutzen

Für die kohlenstoffbasierte Chemieindustrie ist es der große Traum: Die Nutzung von Kohlenstoffdioxid als Kohlenstoffquelle für die organische Chemie. Gigantische Mengen dieses Gases befinden sich in unserer Atmosphäre. Ein Stück weit verantwortlich hierfür ist auch der Mensch. Befanden sich vor der Industrialisierung nur 280 ppm CO2 in der Luft, sind es heute bereits 400 ppm – Tendenz steigend. Allein 50 % dieser Differenz sind seit 1980 emittiert worden. Experten gehen davon aus, dass etwa 10 % der weltweiten Emissionen in Zukunft für eine stoffliche Nutzung zur Verfügung stehen. Das wären immerhin etwa 3 Gt.

Der Rohstoff CO2 wäre also reichlich vorhanden. Dennoch werden aktuell gerade einmal 0,4 % der weltweiten Emission genutzt, vor allem für die Düngemittelproduktion, als Schutzgas in Verpackungen oder für die Getränkeproduktion. Die bis heute sehr geringe stoffliche Nutzung des Kohlendioxids liegt vor allem daran, dass das Molekül mit einer freien Standardbildungsenthalpie von -393 kJ/mol thermodynamisch extrem stabil ist und damit äußerst reaktionsträge. Um CO2 nutzbar zu machen, beispielsweise eine Umwandlung zu den vielseitigen Basischemikalien Methan oder Methanol, wird verhältnismäßig viel Energie benötigt. Es ist nachvollziehbar, dass es wenig Sinn macht, diese Energie über fossile Brennstoffe zu erzeugen. An dieser Stelle bietet sich nur die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie zum Beispiel überschüssige Windenergie an. Daher laufen die Forschungen mittlerweile auf Hochtouren. Gesucht werden Methoden, die Nutzung von CO2 als Rohstoff effizienter und wirtschaftlicher zu machen. Möglich wäre dies durch geeignete Katalysatoren oder durch geeignete biotechnologische Prozesse.

„Kohlenstoffdioxid entwickelt sich zunehmend zu einer vollwertigen Rohstoffalternative in der Chemie- und Kunststoffindustrie“, sagt Dr. Christoph Gürtler, der bei Covestro die CO2- und Katalyseforschung leitet. „Man muss das Klimagas auch als nützlichen Kohlenstofflieferanten wahrnehmen und nutzen. So kann die Branche ihre Abhängigkeit von petrochemischen Quellen wie Erdöl verringern und zur Nachhaltigkeit beitragen.“ Covestro sieht sich als einer der Vorreiter im Bereich CO2-Nutzung und verwendet jetzt erstmals in industriellem Maßstab CO2 in der Kunststoffherstellung. Das Unternehmen eröffnete dazu am Standort Dormagen eine Anlage zur Produktion eines neuartigen Polyols mit 20 % CO2-Anteil. In entsprechender Menge wird der traditionelle Rohstoff aus Erdöl eingespart. Um dies möglich zu machen, hatten Covestro-Wissenschaftler Hand in Hand mit Experten des CAT Catalytic Center in Aachen – einer gemeinsam mit der RWTH betriebenen Forschungseinrichtung – den passenden Katalysator gefunden, der die chemische Reaktion mit CO2 erst möglich macht. Professor Dr. Ernst Schmachtenberg, Rektor der RWTH Aachen University: „Das reaktionsträge Molekül Kohlendioxid in effizienter Weise chemisch zu nutzen, ist eine wissenschaftliche und technische Herausforderung. Im Zusammenspiel von anwendungsnaher Grundlagenforschung und forschungsbasierter Industrie ist uns hier ein Durchbruch gelungen.“

Die Polyole sind zentrale Bausteine für Polyurethan-Schaumstoff und für den Einsatz in Matratzen und Polstermöbeln konzipiert. Das Kohlendioxid wird chemisch fest in das Material eingebunden. Die neue Anlage, in die das Unternehmen rund 15 Mio. Euro investiert hat, besitzt eine Produktionskapazität von 5000 t/a. Das verwendete CO2 fällt bei einem benachbarten Chemieunternehmen als Abfallprodukt an.

Gleichzeitig treibt Covestro die Forschung voran, um den Einsatzradius von Kohlenstoffdioxid als Kunststoffbaustein noch weiter zu vergrößern. So untersucht das Unternehmen derzeit zusammen mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft, wie sich CO2 auch als Komponente für Dämmschaum und andere Produkte der Kunststoffindustrie nutzen lässt.

Ein anderes Projekt, das Hoffnung macht, ist die Power-to-Liquid-Synthese von Diesel aus Wasser und Kohlenstoffdioxid des Dresdener Unternehmens Sunfire. Kern des PtL-Prozesses ist die Hochtemperatur-Wasserdampf-Elektrolyse, die in zwei Richtungen – also reversibel – gefahren werden kann. Einerseits wird mit überschüssigem Ökostrom Wasserstoff, Rohölersatz oder synthetischer Kraftstoff erzeugt. Andererseits ist es möglich, konventionelle oder erneuerbare Brenn- und Kraftstoffe zu nutzen, um Strom für das öffentliche Netz bereitzustellen.

Die Technologie von Sunfire kann somit zum Recycling von atmosphärischem CO2 beitragen. So lässt sich aus dem grünen Wasserstoff in Verbindung mit CO2 und Ökostrom sogar synthetisches Rohöl erzeugen. Das kann den Langstreckenverkehr, die Luft- und die Schifffahrt klimafreundlicher machen und führt gleichzeitig zu einer weiteren Durchdringung des Energiesektors mit erneuerbaren Energien. Denn: Nur ein Viertel der Energie, die wir verbrauchen, ist elektrische Energie. Um die erneuerbaren Energien überall und in alle Bereiche des Lebens zu bringen, braucht es eine Schnittstelle zwischen allen Energienetzen. Eine Brücke zwischen Stromsektor, Mobilität sowie Gas- und Wärmeversorgung. Diese Schnittstelle könnte die PtL-Technologie sein.

Kohlenstoffdioxid mit Mikroorganismen in Biomasse oder direkt zu Wertstoffen umwandeln – auch in diesem Bereich laufen die Forschungen auf Hochtouren. Gesucht werden Designer-Mikroorganismen, die CO2 als Futter verwenden und durch den „Auspuff“ wertvolle Grund- oder Zwischenprodukte der chemischen Prozesskette abgeben. Vor allem die Betreiber von Kraftwerken sind hier auf der Suche nach biotechnologischen Lösungen, schließlich bezahlen sie viel Geld für CO2-Zertifikate und vergeuden den Rohstoff der Zukunft.

Eines der führenden Unternehmen der Weißen Biotechnologie ist die Firma Brain aus Zwingenberg. Das Unternehmen verfügt über den Zugang zu bislang unbekannten Mikroorganismen sowie Millionen neuartiger Enzyme und Synthesewege. Aufbauend auf diesem Werkzeugkasten der Natur ermöglichen Technologien der synthetischen Biologie die Konstruktion von Mikroorganismen, mit denen sich neuartige Wege zu Produkten und Materialien aus CO2 entwickeln lassen.

Am Ende entstehen Biomasse und industriell nutzbare Produkte wie neue Biomaterialien, Bio-Kunststoffe und chemische Zwischenprodukte. Ein Beispiel hierfür ist die Kooperation von Südzucker und Brain. Aktuell verfolgen die beiden Partner das Ziel, das bei der Herstellung von Bioethanol entstehende CO2 einer stofflichen Nutzung zuzuführen. Die aus CO2 entstehenden Zwischenprodukte, darunter u. a. Mono- oder Dicarbonsäuren, können dabei als Spezialitätenprodukte anderen Prozessen zugeführt werden.

„Schon seit vielen Jahren ist die Südzucker AG bestrebt, ihre Produktionsprozesse hinsichtlich Ausbeute und Energieeffizienz möglichst nachhaltig zu gestalten. Auch bei der Nutzung von kohlenstoffhaltigen Nebenströmen haben wir bereits viele Erfolge erzielen können“, stellt Dr. Wolfgang Wach, Leiter der Abteilung Biotechnologie in der Zentralabteilung Forschung, Entwicklung und Service (ZAFES) der Südzucker, fest. Durch die Zusammenarbeit mit Brain will das Unternehmen die stoffliche Nutzung von Nebenströmen in seinen industriellen Prozessen auf eine breitere Basis stellen. Die ersten, bereits vielversprechenden Ergebnisse bei der mikrobiellen Nutzung des Kohlenstoffdioxids aus Bioethanol-Anlagen bestätigen das. Auf Basis des erfolgreich etablierten Laborverfahrens soll nun eine erste Technikumsanlage an der bestehenden Bioethanol-Produktionsanlage in Zeitz etabliert werden.

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