Kohlendioxid : Vom Abfall zum Rohstoff

Chemiker entwickeln neue Verfahren, um Kohlendioxid in nützliche Werkstoffe umzuwandeln. Allerdings ist eine nennenswerte Minderung der weltweiten Emissionen damit nicht möglich.

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Das Image von Kohlendioxid ist ziemlich schlecht. Als Treibhausgas hat es in den vergangenen Jahren eine gewisse Berühmtheit erlangt. Jedes Jahr blasen Kraftwerksschlote, Auspuffe und Schornsteine etwa 28 Milliarden Tonnen davon in die Luft. Dort nimmt es die Wärmestrahlung, die vom Boden ausgeht, auf und gibt sie teilweise nach unten zurück. Das treibt die weltweite Durchschnittstemperatur in die Höhe.

Forscher entwickeln deshalb Techniken, um den Ausstoß des Treibhausgases zu verringern oder um es aus Industrieabgasen abzuscheiden und unterirdisch zu deponieren. Einige verfolgen noch einen weiteren Ansatz: Sie betrachten Kohlendioxid (CO2) nicht bloß als Abfall, sondern als Rohstoff, und versuchen das Gas in nützliche Materialien umzuwandeln. Das Bundesforschungsministerium unterstützt solche Arbeiten mit 100 Millionen Euro in dem Förderprogramm „Technologien für Nachhaltigkeit und Klimaschutz – Chemische Prozesse und stoffliche Nutzung von Kohlendioxid“.

Kohlendioxid lässt sich zu verschiedenen Stoffen verarbeiten, die für die chemische Industrie nützlich sind. „Es gibt derzeit vier wichtige Produkte, die man aus CO2 herstellen kann: Harnstoff, Methanol, zyklische Carbonate und Salicylsäure“, sagt Anna-Katharina Ott, Leiterin des Projekts „Kohlendioxid als Polymerbaustein“ bei der Firma BASF. Harnstoff dient als Düngemittel, Methanol als Ausgangsmaterial für Kunststoffe und als Kraftstoffzusatz. Zyklische Carbonate werden als Lösungsmittel in der Chemieindustrie genutzt, aus Salicylsäure kann man das Medikament Aspirin herstellen.

Alle diese Verfahren müssen aber mit dem Problem fertig werden, dass CO2 eine sehr stabile Verbindung ist: Es lässt sich kaum dazu bringen, mit anderen Stoffen zu reagieren. „Um Kohlendioxid in andere Produkte umzuwandeln, muss man viel Energie hineinstecken. Das kostet Geld und setzt wieder Treibhausgase frei“, erläutert Ott. Die Forscher suchen deshalb nach neuen Katalysatoren, also nach Substanzen, die das Kohlendioxid reaktionsfreudiger machen. „Dadurch kann man die Menge an benötigter Energie vermindern“, sagt Ott.

„Katalysatoren erhöhen die Effizienz eines chemischen Prozesses und machen dadurch so manche Reaktion ökonomisch überhaupt erst interessant.“ Verschiedene Substanzen kommen als Katalysatoren infrage, etwa Metalle, Metallverbindungen oder organische Stoffe.

Die Technik ist zum Teil recht weit fortgeschritten, etwa in dem Projekt „Dream Production“, das von der Firma Bayer MaterialScience geleitet wird.

Nächstes Jahr soll in Leverkusen eine Versuchsanlage in Betrieb gehen, die Kohlendioxid über mehrere, katalytisch gesteuerte Zwischenschritte zu Polyurethan-Kunststoffen verarbeitet. Die Anlage soll dafür Kohlendioxid verwenden, das zuvor aus den Rauchgasen eines Kohlekraftwerks abgeschieden wurde. Polyurethan-Kunststoffe können als Dämmmaterialien für Gebäude dienen, als Schaumstoffe für Matratzen oder als Leichtbauteile für die Automobilindustrie.

Aber es gibt noch andere Hindernisse. Will man Kohlendioxid mit anderen Stoffen umsetzen, um verwertbare Produkte zu erzeugen, sollten auch die anderen Ausgangsstoffe nachhaltig erzeugt werden. Heutige Verfahren zum Beispiel, die CO2 mit Wasserstoff reagieren lassen, gewinnen den Wasserstoff aus fossilen Quellen. „Das Gas wird überwiegend durch Umwandlung von Erdgas gewonnen“, erläutert Oliver Scherr, zuständiger Projektbearbeiter beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt. Erdgas ist aber ein fossiler Rohstoff, sein Vorkommen begrenzt. „Es ergibt keinen Sinn, Wasserstoff aus fossilen Quellen einzusetzen, um die Umwelt zu entlasten“, sagt Scherr. „Dafür brauchen wir erneuerbare Quellen.“

Ein Forschungsvorhaben, das dieses Problem angeht, ist das Projekt „CO2RRECT“, das seit Oktober läuft. Dabei soll Kohlendioxid mithilfe erneuerbarer Energien in nützliche Ausgangsstoffe für die chemische Industrie umgewandelt werden. „Das Problem besteht darin, dass erneuerbare Energiequellen den Strom sehr unregelmäßig produzieren“, sagt Martina Peters, Projektkoordinatorin bei Bayer Technology Services. Wenn die Sonne kräftig scheint oder der Wind stark weht, liefern Solaranlagen und Windräder einen Energieüberschuss, der bislang nicht genutzt wird. Die Forscher wollen das ändern, indem sie die überschüssige Elektrizität einsetzen, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. „Die heutigen Verfahren dafür sind aber auf eine gleichmäßige Energieversorgung ausgelegt“, sagt Peters. „Wir wollen sie so anpassen, dass sie mit der schwankenden Leistung erneuerbarer Energiequellen zurechtkommen.“

Den Wasserstoff, der bei der elektrischen Spaltung von Wasser entsteht, kann man später wieder verbrennen, etwa in Brennstoffzellen, wobei Energie frei wird. Man kann ihn aber auch mit Kohlendioxid reagieren lassen, wobei nützliche Chemikalien entstehen. „Bei uns liegt der Fokus auf der zweiten Variante, wir wollen den Wasserstoff einsetzen, um damit CO2 in Kohlenmonoxid oder Ameisensäure umzuwandeln“, sagt Peters.

Diese Chemikalien wiederum lassen sich zu Polyurethan- oder Polycarbonat-Kunststoffen weiterverarbeiten, aus denen man Autoteile, Computergehäuse, DVDs, Planen oder Taschen machen kann. Auf diese Weise könnte das Treibhausgas Kohlendioxid in alltäglichen Massenartikeln landen.

Allerdings, eine nennenswerte Minderung der weltweiten Emissionen ist damit nicht möglich. „Die stoffliche Nutzung von CO2 wird die Probleme des Klimawandels nicht lösen können“, betont Ott. „Ein Beispiel: 2012 werden rund 59 Millionen Tonnen Methanol benötigt, was einem Kohlendioxid-Wert von 81 Millionen Tonnen entspräche – das sind etwa drei Tausendstel der jährlichen Gesamtemissionen.“

Die Ziele von CO2RRECT liegen denn auch woanders. „Wenn wir erfolgreich sind, schlagen wir drei Fliegen mit einer Klappe“, umreißt Arnold Rajathurai, Pressesprecher von Bayer Technology Services. „Erstens, wir machen die zeitweiligen Überschüsse der erneuerbaren Energiequellen nutzbar, zweitens zeigen wir, wie man das überall billig verfügbare Kohlendioxid stofflich verwerten kann. Und drittens mindern wir die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen.“ Um das zu erreichen, muss aber die Zusammenarbeit zwischen Energiewirtschaft und chemischer Industrie deutlich verbessert werden. „Da stehen wir erst am Anfang“, sagt Rajathurai.

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