Zeitung Heute : Vom Klimaschädling zum Rohstoff

Mit Kohlendioxid sollen hochwertige Chemikalien hergestellt werden. Noch fehlt es an geeigneten Katalysatoren

Paul Janositz
Suche nach der richtigen Formel. In speziellen Öfen experimentieren die Chemiker mit verschiedenen Katalysatoren. So wollen sie die chemischen Verbindungen finden, mit deren Hilfe die Kohlendioxidverwertung besonders gut funktioniert. Foto: TU Pressestelle/Dahl
Suche nach der richtigen Formel. In speziellen Öfen experimentieren die Chemiker mit verschiedenen Katalysatoren. So wollen sie...

Ausgerechnet an einem der schlimmsten Klimasünder finden die Experten des Berliner Exzellenzclusters „Unicat“ (Unifying Concepts in Catalysis) auch gute Seiten. Die Rede ist von Kohlendioxid, das für die Erderwärmung hauptsächlich verantwortlich gemacht wird. „Als Rohstoff kann Kohlendioxid für viele nützliche Reaktionen eingesetzt werden“, sagt Reinhard Schomäcker. Gleichzeitig dämpft der Professor für Technische Chemie an der TU Berlin etwaige Hoffnungen, dadurch lasse sich der Treibhauseffekt wesentlich mindern. „Die Menge an Kohlendioxid, die bei derartigen Synthesen umgesetzt wird, ist viel zu klein, um nennenswerte Effekte beim Klimaschutz zu erzielen“, sagt der Wissenschaftler.

Und doch sieht er es als faszinierende Aufgabe, das Endprodukt so vieler Verbrennungsprozesse wieder als Synthese-Baustein für Kohlenwasserstoffe zu nutzen. Damit das gelingt, muss das Kohlendioxidmolekül (CO2) gespalten werden, was normalerweise viel Energie erfordert. Schließlich hat das Kohlenstoffatom hier seine höchste Oxidationsstufe erreicht. Statt sich mit dem reaktionsträgen Kohlendioxid herumzuplagen, zogen die Chemiker lange Zeit Kohle, Erdöl oder -gas als Rohstoffquelle vor. Diese fossilen Stoffe standen scheinbar in unbegrenzter Menge zur Verfügung und die Gefahr der Erderwärmung war noch in weiter Ferne.

Doch heute weiß man, dass die fossilen Quellen in nicht allzu ferner Zeit versiegen werden, und so sehen sich die Unicat-Forscher nach Alternativen um. Schließlich gibt es bereits einige Verfahren, bei denen Kohlendioxid als Reaktionspartner dient. Schomäcker verweist auf die Düngemittelherstellung, bei der Harnstoff aus Ammoniak und Kohlendioxid gebildet wird. Auch Ameisensäure oder Methanol können mit Hilfe von Kohlendioxid synthetisiert werden. Dasselbe gilt für Salizylsäure, die für Aspirin wichtig ist, oder für bestimmte ring-förmige Ester, die als Lösungsmittel dienen.

Im Exzellenzcluster Unicat, an dem neben Wissenschaftlern der drei Berliner Universitäten auch Kollegen der Uni Potsdam sowie von zwei Max-Planck-Instituten zusammenarbeiten, ist man dabei, ein neues Kapitel der Kohlendioxid-Chemie aufzuschlagen. Etwa ein Drittel der insgesamt 250 Mitarbeiter ist daran beteiligt. Formuliert ist das Projekt im Folgeantrag an die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderphase der Exzellenzinitiative von Unicat von 2012 bis 2017. „Es geht darum, Kohlendioxid mit Methan umzusetzen“, erklärt Schomäcker. Entstehen soll dabei Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Wie der Name vermuten lässt, wird das Gas für die Synthese verschiedener Produkte eingesetzt, für Ammoniak, Methanol oder für das Fischer-Tropsch-Verfahren, mit dem flüssige Kohlenwasserstoffe wie Benzin oder Diesel hergestellt werden können.

Die Unicat-Idee, Kohlendioxid und Methan reagieren zu lassen, kommt nicht von ungefähr, war doch Methan bereits ein Schwerpunkt im Exzellenzcluster. Das Gas steckt als Hauptkomponente mit bis zu 98 Prozent in Erdgas und mit rund 60 Prozent in Biogas, das aus der Vergärung von Biomasse entsteht. Erd- wie Biogas werden derzeit hauptsächlich zur Energieerzeugung oder zum Antrieb von Fahrzeugen genutzt. Für Schomäcker und seine Kollegen ist es jedoch interessanter, Methan zum Aufbau komplexerer Substanzen zu nutzen, die dann wiederum zu höherwertigen Produkten weiterverarbeitet werden können. So lässt sich aus Methan der Kohlenwasserstoff Ethylen herstellen, die Basis für viele Kunststoffe.

Bisher deckt die chemische Industrie ihren Bedarf an Ethylen aus Rohöl. Die Alternative heißt oxidative Kupplung von Methan. „Dabei wird Methan mit Sauerstoff umgesetzt“, erklärt Schomäcker. Allerdings muss das schonend geschehen, damit das Methangas nicht einfach zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Hier kommen Katalysatoren ins Spiel, das Leitmotiv von Unicat. Sie können Reaktionen beschleunigen oder überhaupt erst ermöglichen. Katalysatoren können Reaktionen, die sonst nur bei großer Hitze und hohem Druck funktionieren, unter milden Bedingungen ablaufen lassen. Die Herausforderung für die Forscher ist es nun, einen geeigneten Katalysator für die schonende Umsetzung von Methan zu Ethylen zu finden.

Damit möglichst viel Ethylen entsteht, muss die Ausgangsmenge an Sauerstoff geschickt gewählt und die Reaktion rechtzeitig abgebrochen werden. Alles Methan schonend zu Ethylen umzusetzen, gelingt jedoch nicht. „Ein Teil verbrennt zu Kohlendioxid“, sagt Schomäcker. Wegen des vorzeitigen Abbruchs der Reaktion befindet sich noch nicht umgesetztes Methan im Reaktor. Das Gas müsste zurückgeführt und wieder eingespeist werden. Auch das bei der Verbrennung entstandene Kohlendioxid müsste aus dem Produktgemisch entfernt werden und würde die Umwelt belasten. „Diese Schritte sind teuer“, sagt Schomäcker. So entstand die Idee, das nicht verbrauchte Methan mit dem entstandenen Kohlendioxid in einem nachgeschalteten Prozess zusammenzuführen und zu Synthesegas umzusetzen.

Wie das gelingen kann, untersuchen die Chemiker in der „Miniplant“ genannten Versuchsanlage auf dem TU-Gelände. Über zehn Meter Höhe erstreckt sich dort ein Gewirr von Rohrleitungen, Kabeln und Kesseln. Mit dieser Anlage soll die Brücke geschlagen werden zwischen überschaubaren Laborexperimenten und der Massenproduktion in der chemischen Industrie.

Der Erfolg hängt maßgeblich von der richtigen Auswahl der Katalysatoren ab. Auf welcher Spur sich die Unicat-Fahnder derzeit bewegen, will Schomäcker nicht sagen. Schließlich geht es auch um Patente und Geld. „Bereits seit 25 Jahren sucht man bei der oxidativen Kupplung von Methan nach effektiven Katalysatoren“, berichtet der TU-Chemiker. Einen Durchbruch habe es bisher nicht gegeben. Doch der Wissenschaftler ist optimistisch: „Wir haben ihn noch nicht in der Hand, aber wir sehen den Weg zum neuen, besseren Katalysator.“

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