Nutzung von CO2 als Kraftstoff und Chemierohstoff

Das nova-Institut hat mehrere neuartige technologische Ansätze der CO2-Nutzung vorgestellt, als auch darüber hinausreichende Themen und Fragestellungen angesprochen:

Während Kohlendioxid (CO2) in der Regel nur als Klimakiller gilt, den man im besten Fall vermeiden oder unterirdisch speichern sollte („Carbon Capture & Sequestration“), machen sich immer mehr Wissenschaftler und Ingenieure Gedanken darüber, wie man es als nahezu unendlich verfügbaren Kohlenstoffträger als Kraftstoff oder Chemierohstoff nutzen bzw. recyceln kann. Um das träge Molekül CO2 wieder nutzbar zu machen, muss man es zunächst mit Energie wieder aufbrechen, die Chemiker sprechen hier von „Reduktion“. Nutzt man dazu Erneuerbare Energien, entstehen eine Vielzahl interessanter und umweltfreundlicher Möglichkeiten zur Speicherung von Energie, zur Produktion von Methan und flüssigen Kraftstoffen oder auch zur Produktion von Chemikalien und Kunststoffen. Was geradezu wie ein Märchen klingt, ist schon weit gediehen. Zahlreiche Demonstrations- und erste kommerzielle Anlagen laufen bereits, die meisten davon in Deutschland.

Elektrolyse

Über Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und der energiereiche Wasserstoff reagiert mit CO2 zu Methan, Methanol oder DME oder weiteren chemischen Grundbausteinen. Wird hierbei Sonnen- oder Windstrom genutzt, kann man ein solches System als „künstliche Photosynthese“ verstehen. Vorteil dieses Weges ist seine schnelle Umsetzbarkeit. Moderne PEM-Elektrolyseverfahren (umgekehrte Brennstoffzellen) arbeiten heute bereits mit einem Wirkungsgrad von 75% und können daher insbesondere überschüssigen Solar- und Windstrom mit vertretbaren Verlusten z. B. in Methan umwandeln und dieses im Erdgasnetz speichern. So wird Sonnen- und Windstrom speicherbar. Der Gesamtwirkungsgrad Solar -> Methan beträgt heute schon bis zu 10% und kann daher bereits den Wirkungsgrad von Pflanzen (ca. 0,5% bis zum Biogas oder Biokraftstoff) deutlich übertreffen.

Schon jetzt laufen in Deutschland etwa 20 solcher Power-to-Gas-Demonstrationsanlagen. Problematisch ist ökonomisch, dass man für den Gesamtprozess sauberes Wasser und vor allem reines CO2 benötigt, welches aufwändig aufgereinigt werden muss und am Markt zwischen 70 und 100 €/t kostet. Beispiele:

  • In Island wird von dem Unternehmen Carbon Recycling mit Hilfe von geothermischer Energie auf diesem Weg Methanol hergestellt und dem Kraftstoff beigemischt.
  • Dr. Norbert Schmitz von der Meo Carbon Solutions GmbH aus Köln stellte die erste ISCC-Nachhaltigkeitszertifizierung des CO2-basierten Methanols vor, die sich streng an die Vorgaben der „Renewable Energy Directive (RED)“ hält und bislang so nur für Biokraftstoffe angewandt wird. Betrachtet man das CO2 als Abfall ohne Umweltlast, so ergibt sich für das CO2-basierte Methanol aus dieser ersten Anlage weltweit bereits eine CO2-Reduzierung von 90% gegenüber fossilen Kraftstoffen.

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Das künstliche Blatt – katalytische Wasserspaltung plus CO2-Reduktion

Eine weitere Technologie, die auf der Konferenz umfassend diskutiert wurde, und die einige Puristen einzig und allein als künstliche Photosynthese gelten lassen, ist die katalytische Wasserspaltung mit folgender CO2-Reduktion. Im Unterschied zur Elektrolyse wird hier das Sonnenlicht nicht zur Stromproduktion genutzt, sondern die einzelnen Photonen können über einen Katalysator direkt das Wasser spalten und ein zweiter Katalysator den entstandenen Wasserstoff mit CO2 zu Methan, Methanol oder auch Ameisensäure reduzieren. Mit dieser Technologie sind künstliche Blätter denkbar, die sowohl in großen als auch in kleinen dezentralen Anlagen direkt aus Sonnenlicht, Wasser und CO2 chemische Bausteine herstellen. Panasonic hat ein erstes System dieser Art bereits im Jahr 2012 vorgestellt. Gerade bei der Katalysatorentwicklung wurden auf der Konferenz viele neue Entwicklungen präsentiert. Aktuell erreichen solche Systeme nur Wirkungsgrade von weniger als 1% – potenziell wird ihnen aber langfristig der beste Wirkungsgrad zugetraut.

  • Prof. Dr. Ernst Sudhölter, Delft University of Technology (Niederlande), zeigte ein Katalysatorsystem zur Wasserstoffspaltung, welches im Labor einen Gesamtwirkungsgrad von bereits knapp 5% aufwies – was etwa dem 10fachen von Kulturpflanzen entspräche. Probleme dieser Technologie ergeben sich aus der Wahl der geeigneten Katalysatormaterialien, die z. B. keine seltenen Metalle enthalten sollten, lange ihren Dienst tun und recycelbar sein müssen. Hier gibt es noch viel zu tun.
  • Ein weiteres Problem ist das CO2, das allgemein nur in reiner Form verwendet werden kann, ohne den Katalysator zu schädigen. Doch Prof. Dr. Michael North, University of Newcastle (Großbritannien), überraschte das Publikum mit einem neuen, Aluminium-basierten Katalysatorkonzept, das auch mit nicht aufgereinigtem CO2 arbeiten kann, so wie es direkt aus dem fossilen Kraftwerk kommt.

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Biotechnologie

Schließlich gibt es noch hoffnungsträchtige biotechnologische Verfahren, bei denen vor allem Bakterien, Archaeen und Algen entweder aus Wasser Wasserstoff produzieren oder direkt das CO2 reduzieren können, um daraus unterschiedlichste chemische Bausteine für Kraftstoffe oder auch Kunststoffe zu gewinnen. Die Bakterien benötigen hierfür Energie, die sie entweder vom Sonnenlicht bekommen, über Wärme oder auch direkt über elektrischen Strom. Prof. Dr. Ludo Diehls, vom Flemish Institute for Technological Research (IBB-Netzwerkmitglied, Belgien), stellte Bakterien vor, die einzelne Elektronen nutzen, um CO2 zu reduzieren und damit aufzuspalten und nutzbar zu machen.

Der große Vorteil der biotechnologischen Verfahren ist, dass sie kein aufgereinigtes CO2 brauchen, sondern das Kohlendioxid so nutzen können, wie es aus dem Kraftwerk oder der Industrieanlage kommt. Das erhöht die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses ganz erheblich, auch wenn der Gesamtwirkungsgrad vermutlich unter dem der Elektrolyse oder der Katalysatoren bleiben wird. Folgende Beispiele für biotechnologische Verfahren wurden vorgestellt:

  • Vorreiter auf dem Gebiet der CO2-Direktnutzung ist das neuseeländische Unternehmen LanzaTech, auf dem Kongress vertreten durch Grainne Smith, das Fermentationssysteme zur Produktion von Ethanol, Butanol und anderen Produkten auf der Basis von ungereinigten Abgasen aus der Stahlindustrie in China und den USA aufgebaut hat.
  • Dr. Arne Seifert, Krajete GmbH (Österreich), stellte ein spannendes Konzept vor, Kohlendioxid bei ungewöhnlich niedrigen Temperaturen mit Archaeen zu methanisieren, wodurch sehr schnell reagierende Systeme zur optimalen Nutzung von CO2 in Biogasanlagen entstehen.
  • Die BASF arbeitet an der biotechnologischen Produktion von Acrylaten, die vor allem als Funktionspolymere und speziell Superabsorber etwa in Windeln eine wichtige Rolle spielen, wie Dr. Núria Huguet vorstellte. Mit diesen Anwendungen kommen wir in den Bereich der Chemie und der Polymere.

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CO2 für Chemie und Kunststoffe

Wie schon bei der Nutzung von Biomasse steht bislang auch bei der CO2-Nutzung die energetische Nutzung in Form von gasförmigen und flüssigen Treibstoffen im Vordergrund – auch deshalb, weil hier auf bestehende Fördersysteme der Erneuerbaren Energien und Kraftstoffe zurückgegriffen werden kann. Demgegenüber findet die stoffliche Nutzung weniger günstige Rahmenbedingungen vor – obwohl sie spezielle Prozesse zu bieten hat, welche die Nutzung von CO2 ganz besonders interessant machen: Für die Verwendung in chemischen Bausteinen muss das Kohlendioxid nicht unbedingt reduziert werden, sondern es kann auch direkt in chemische Strukturen integriert werden, teilweise sogar in exothermen Prozessen. Beispiele:

  • Prof. Matthias Beller vom Leibnitz-Institut für Katalyse in Rostock stellte auf der Konferenz viele neue Wege vor, die in den letzten Jahren entwickelt wurden, um CO2 direkt zu integrieren. Ein solcher Prozess befindet sich schon in der Umsetzung: Dr. Christoph Gürtler, Bayer MaterialScience (BMS), Leverkusen, stellte den Projektstand seiner „dream production“ vor. Ab dem Jahr 2015 soll eine kommerzielle Anlage in Nordrhein-Westfalen entstehen, die mehrere 1.000 Tonnen Schaumstoff aus CO2-basiertem Polyol produzieren soll. Erstmalig wurde eine Ökobilanz der „dream production“ vorgestellt, die von der RWTH Aachen zusammen mit BMS durchgeführt wurde. Nicklas von der Assen, RWTH Aachen, konnte auf der Konferenz zeigen, dass die CO2-basierte Polyolproduktion in der Ökobilanz besser abschneidet als die Produktion auf der Basis fossiler Rohstoffe. Dabei wurde das CO2-emittierende Kraftwerk inkl. seiner Stromproduktion komplett in die Bilanz mit einbezogen.
  • Dr. Xiaoqing Zang, CSIRO (Australien), arbeitet an seinem Institut mit Verbundwerkstoffen aus dem CO2-basierten Polypropylencarbonat (PPC), das bereits in den USA, China und Südkorea produziert wird. Zang zeigte verschiedene Verbundwerkstoffe aus Holz- und Naturfasern in Verbindung mit PPC im Vergleich zu PLA und petrochemischen Polymeren. PPC ist für Wood-Plastic-Composites gut geeignet: Es zeigt eine gute Bindung an Cellulose und erhöht die Schlagzähigkeit. Interessant sind auch Mischungen des biologisch abbaubaren PPCs (30-40%) mit Biopolymeren für z.B. Einkaufstüten. Zang erwartet, dass bei Massenproduktion der Preis auf 1 $/kg fallen könnte.
  • Prof. Dr. Klaas Hellingwerf von der University of Amsterdam präsentierte auf der Konferenz genetisch maßgeschneiderte Bakterien, Algen und Enzyme, die aus CO2 direkt Milchsäure für die PLA-Produktion herstellen können.

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Woher das Kohlendioxid nehmen?

Auch wenn CO2 weltweit ausreichend vorhanden ist, welche Quelle ist aktuell am attraktivsten? Gegenwärtig bieten sich vor allem die Kohlendioxidemissionen fossiler Kraftwerke und Industriebetriebe wie bspw. der Stahlindustrie, aber auch Bioethanolanlagen, an. Hier fallen große Mengen CO2 an, die aufgereinigt werden müssen, um den Katalysator oder die Elektrolyseeinheit nicht zu zerstören. Der Weg, CO2 direkt aus der Atmosphäre („Direct Air Capture“) zu nehmen, wäre der Königsweg, da man hier nicht auf große zentrale fossile Anlagen zurückgreifen müsste, sondern überall auf der Erde auf den Rohstoff CO2 zugreifen könnte – z. B. dort, wo preiswerte Erneuerbare Energien zur Verfügung stehen.

Dies ist jedoch weitestgehend noch Zukunftsmusik, wenn auch Christoph Gebald von dem Schweizer Unternehmen Climeworks AG auf der Konferenz ein neues Verfahren vorstellte, um CO2 mit Hilfe von Cellulosefasern direkt aus der Luft abzuscheiden und dies sowohl im kleinen wie im großen Maßstab umzusetzen. Nächstes Jahr soll die erste Demonstrationsanlage mit 1.000 t/Jahr in Betrieb gehen und aufgereinigtes CO2 für 800 €/t bereit stellen. 2016 soll eine erste kommerzielle Anlage flüssiges CO2 für 200 bis 300 €/t produzieren und bis 2018 soll dann eine kommerzielle Produktion für Treibstoffe und Chemie entstehen.

Um den Wettbewerb um die beste Technologie zur Nutzung atmosphärischen CO2 anzuheizen, wurde von Virgin Arlines (Großbritannien) die „Virgin Earth Challenge“ ausgerufen und mit 25 Millionen € dotiert. David Addison diskutierte auf der Konferenz, welche zentrale Bedeutung Virgin diesem Thema beimisst und stellte den Wettbewerb, in dem die Climeworks AG zu den Finalisten gehört, im Detail vor.

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Die Lösung aller Klima- und Rohstoffprobleme oder nur ein kleiner Beitrag?

Welche Bedeutung für den Klimaschutz und die Rohstoffsicherung können Technologien zur CO2-Nutzung erlangen? Diese Frage war eine der am meisten debattierten Fragen auf der Konferenz, die ausgiebig Raum für Diskussionen ließ.

Simon Bennet von der Internationalen Energie Agentur (IEA) machte beeindruckend klar, dass selbst bei sehr starkem Ausbau der Erneuerbaren Energien die Notwendigkeit für Carbon, Capture & Sequestration (CCS) bliebe, wolle man die Klimaschutzziele erreichen. Das Potenzial für Carbon, Capture & Utilisation (CCU) schätzte er demgegenüber zunächst als recht gering ein – vor allem weil die Quellen für CO2-Ströme von Kraftwerken und Industrie begrenzt seien. Dies aber gilt für CCS wie für CCU. Für viele neu war die Feststellung, dass man zunehmend auch nicht-aufgereinigtes CO2 nutzen kann (s. o.), was das Potenzial unmittelbar vergrößert.

Im Laufe der Tage setzte sich die Erkenntnis durch, dass die Potenziale für CCS und CCU grundsätzlich gleich seien und das Potenzial vor allem davon abhänge, ob man das CO2 direkt aus der Atmosphäre nutzen kann – dann stünde ein nahezu unbegrenztes Potenzial zur Verfügung, das nur durch die Menge an Erneuerbaren Energien begrenzt ist. Michael Carus, Geschäftsführer der nova-Institut GmbH brachte ein anschauliches Beispiel für die Möglichkeiten von CCU: Wenn die chemische Industrie in Europa ihren gesamten Kohlenstoffbedarf über CO2 statt über fossile Energieträger wie Erdöl, Gas oder Kohle decken würde, würde sie 5,5% des insgesamt in Europa emittierten CO2 in Europa nutzen bzw. recyceln – obwohl sie nur für knapp 2% der CO2-Emissionen in Europa verantwortlich ist. Auch Prof. Gabriele Centi von der Universität von Messina sowie Prof. Sang-Eon Park von der Singha-University in Seoul zeigten die auch mengenmäßigen großen Potenziale der Nutzung von CO2 als Rohstoff für die chemische Industrie eindrucksvoll anhand eines weiten Spektrums unterschiedlicher Produkte.

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Politische Rahmenbedingungen, Anreize zur Nutzung von CO2?

Wie schnell sich die Nutzung von CO2 etablieren wird, hängt vor allem von den politischen Rahmenbedingungen ab: Welche Fördermittel werden zur Weiterentwicklung zur Verfügung gestellt und welche Anreize zur kommerziellen Implementation gegeben.

Dr. Lothar Mennicken stellte das umfassende Forschungsprogramm des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) vor, in dem 33 Projekte mit 166 Partnern mit insgesamt 150 Millionen € unterstützt wurden. Dabei kamen 100 Millionen € vom Ministerium, weitere 50 Millionen € wurden von den industriellen Partnern eingebracht. Bevor weitere Forschungsprogramme aufgelegt werden, müssen Anfang 2014 die Ergebnisse der Projekte ausgewertet und bewertet werden.

Auf europäischer Ebene wurde bisher fast ausschließlich CCS gefördert, wenige Projekte finden sich im Rahmen von bio-basierten Programmen wieder. Dies solle 2016 mit SPIRE (Sustainable Process Industry through Resource and Energy Efficiency) anders werden, hier soll CCU explizit mit aufgenommen werden.

Michael Carus, Geschäftsführer des nova-Instituts, zeigte die Möglichkeiten auf, die bestehenden Programme im Bereich der bio-basierten Ökonomie und Erneuerbare Energien zu nutzen, bis spezifische Forschungsprogramme für CCU aufgelegt sind. Dies geht allerdings nur, wenn auf der einen Seite „grünes CO2“ aus Biomasseverbrennung genutzt wird und die CCU-Produkte damit quasi „bio-basiert“ werden, und auf der anderen Seite als Energiequelle ausschließlich Erneuerbare Energien Verwendung finden. Letzteres ist auch für eine gute Ökobilanz unabdingbar.

Neben Forschungsprogrammen ist aber vor allem wichtig, welche politischen Rahmenbedingungen für CCU-Technologien geschaffen werden. Wenn die DG Energy CCU-Kraftstoffe in die Renewable Energy Directive (RED) mit Mehrfachzählung (multiple counting) aufnimmt, könnte das eine erhebliche Signalwirkung für Investoren haben und der CO2-Nutzung deutlichen Rückenwind geben. Gerade im Verkehrsbereich werden neben Biokraftstoffen und Elektromobilität dringend weitere Optionen gesucht. CCU-Kraftstoffe wären eine solche – auf Basis des unerschöpflichen Rohstoffs CO2.

Wie die Konferenz zeigte, stehen die neuen Technologien in den Startlöchern, zahlreiche Optionen tun sich auf und warten auf ihre Umsetzung. Ein schlafender Riese könnte seinen Kinderschuhen schneller entwachsen, als Politik und Öffentlichkeit erwarten – wenn jetzt die richtigen Leitplanken gesetzt werden.

Quelle: nova-Institut GmbH (leicht bearbeitete Version der Pressemitteilung vom 20. November 2013)

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