Kunststoff als Klimaretter

Der „Klimakiller“ Kohlendioxid (CO2) mutiert vom Schadstoff zum Wertstoff: Als potenziellen Kohlenstofflieferanten hat die chemische Industrie Kohlendioxid schon länger im Blick, nur galt die stoffliche Trennung bislang als schwierig und energieintensiv, mithin unrentabel. Jetzt bricht ein neues Zeitalter an: Forscher von Bayer Technology Services haben Katalysatoren entdeckt, die Kohlendioxid so in die Molekülstruktur von Kunststoffen einbauen, dass Aufwand und Ertrag ökonomisch wie ökologisch in einem angemessenen Verhältnis stehen. Durch die nun wirklich gewordene „Dream Reaction“ lässt sich CO2, gewonnen aus den Emissionen von Braunkohlekraftwerken, etwa für die Herstellung von Polyurethan (PUR) nutzbar machen („Dream Production“). Das entlastet die Atmosphäre – ein Beitrag gegen den anthropogenen Treibhauseffekt – und hilft nicht zuletzt, die endliche Ressource Erdöl einzusparen. Eine Pilotanlage in Leverkusen, betrieben von Bayer MaterialScience, soll das Verfahren bis 2015 zur Marktreife bringen. An dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziell geförderten Projekt sind neben Bayer auch die Technische Hochschule Aachen (RWTH) und die RWE Power AG beteiligt.

Die anthropogenen, durch energetische Nutzung bedingten Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid sind 2010 auf einen neuen Rekordwert geklettert. Über 33 Milliarden Tonnen (33 Gigatonnen), fast sechs Prozent mehr als 2009, strafen die Staatengemeinschaft Lügen, wirksame Vorkehrungen gegen den drohenden Klimakollaps getroffen zu haben. Mehr als die Hälfte des weltweiten CO2-Ausstoßes geht auf das Konto von China, den USA, Indien und Russland (siehe Bildergalerie: Klimasünder-Ranking ). Legt man den Ausstoß auf die Bevölkerungszahl um, haben die Schwellenländer im Klimasünder-Quartett die nicht ganz so schwarze Weste: In China und in Indien werden pro Kopf immer noch deutlich weniger Tonnen CO2 ausgestoßen als in den meisten europäischen Industriestaaten (siehe Bildergalerie: CO2-Ausstoß pro Kopf national/in ausgewählten Ländern), Deutschland inbegriffen. Zwar gelten wir als Musterknabe, weil es uns gelungen ist, den jährlichen CO2-Ausstoß in Relation zum nationalen Allzeithoch um fast 30 Prozent zurückzufahren. Doch mengenmäßig liegen wir aktuell in der Weltrangliste wenig schmeichelhaft an sechster Stelle (siehe Bildergalerie: Klimasünder-Ranking). Auch auf EU-Ebene ist die CO2-Bilanz durchwachsen: Zwar wird die Europäische Union wohl ohne Probleme ihr Klimaziel schaffen, das Niveau von 1990 bis zum Jahr 2020 um 20 Prozent zu unterbieten, übrigens auch mit Blick auf andere klimaschädliche Gase. Doch gilt das vielen mittlerweile als nicht ehrgeizig genug. So ist im Koalitionsvertrag der schwarz-gelben Bundesregierung statt von lediglich 20 schon von 40 Prozent die Rede. Eine CO2-Reduktion dieser Größenordnung bis 2020 empfiehlt der Weltklimarat (IPCC) den Industrieländern, um die Erderwärmung in Grenzen zu halten – bis 2050, heißt es, müssten es dazu sogar mindestens 80 Prozent sein. Doch die soeben zu Ende gegangene internationale Klimakonferenz im südafrikanischen Durban hat überhaupt kein solches Ziel definiert und damit riskiert, wie Kritiker meinen, dass die Durchschnittstemperatur auf der Erde noch stärker ansteigen wird als um die derzeit befürchteten zwei Grad.

Maßnahmen, die den CO2-Ausstoß mindern, sind also dringlicher denn je. Und sie sollten weder durch anhaltendes Wirtschaftswachstum Makulatur werden noch umgekehrt den Konjunkturmotor ins Stottern bringen. Ein Spagat, den die Systemlogik fordert, der aber bislang illusorisch erscheinen musste – immer wenn in der Vergangenheit die CO2-Emissionen deutlich zurückgingen, war dies einer wirtschaftlichen Rezession geschuldet. Doch der Spagat würde möglich, wenn es gelänge, das industrielle Abfallprodukt CO2 wegen seines Kohlenstoffanteils als Wertstoff nutzbar zu machen – mit der Maßgabe, dass es dabei klimaunschädlich wird.

Bislang blieb die industrielle Verwendung von CO2 beschränkt u. a. auf kohlensäurehaltige Getränke, Trockeneis im Labor- und Lebensmittelbereich, Feuerlöscher, die Kohlendioxidschnee abgeben ( - Kohlendioxid im Porträt), oder auch CO2-Laser. Außerdem benötigt die chemische Industrie das Gas zur Herstellung von Karbonaten wie Soda und Pottasche. Wenn durch Diskotheken Kunstnebel wabert und Tanzende einhüllt, ist ebenfalls Kohlendioxid im Spiel. Und in Gewächshäusern verschafft es den Pflanzen bessere Wachstumsbedingungen (Stichwort „Photosynthese“), nicht selten wird zu diesem Zweck eigens Erdgas verbrannt. Kein klimaneutraler Einsatz, versteht sich – damit CO2 nicht in die Atmosphäre gelangen kann, müsste es sich so verarbeiten lassen, dass es im Endprodukt fixiert, sozusagen für immer weggesperrt bleibt. Dann läge es sogar nahe, den Rohstoff aus den Abgasen der Kraftwerke zu gewinnen oder ihn aus der Atmosphäre zu fischen.

Aufhorchen lassen in diesem Zusammenhang Versuche der Bayer-Materialforschung, CO2 als Kohlenstofflieferanten zu nutzen und in die Molekülstruktur von Kunststoffen einzubauen. Bisher steuert Erdöl den benötigten Kohlenstoff bei, der fossile Rohstoff ließe sich nun zumindest partiell durch Kohlendioxid ersetzen. Die Idee, CO2 als Synthesebaustein für Polymere zu erschließen, ist nicht neu, blieb aber jahrzehntelang Theorie, weil sie technisch vor enorme Herausforderungen stellt. Kohlendioxidmoleküle sind sehr stabil und somit reaktionsträge, gehen also nur ungern Verbindungen mit anderen Stoffen ein. Die Verbindung aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen ist so innig, dass sie sich nur durch Zwang, unter Aufbringung einer relativ hohen Aktivierungsenergie, aufbrechen lässt, um Reaktionen mit anderen chemischen Elementen zu ermöglichen.

Energie, deren Quantum immens ist und deren Erzeugung neues CO2 freisetzt – eine Rechnung, die nicht aufgehen kann. Die Umwandlung von Kohlendioxid in einen Rohstoff für die Kunststoffsynthese galt Forschern deshalb lange als „Dream Reaction“, als Reaktion, von der man vermutlich nur träumen kann. Vielen Forschern geriet sie beinah zum Alptraum, weil sie mit ihren Versuchen wieder und wieder scheiterten. Doch nun wird der Wunschtraum wahr:

Chemiker des Kompetenzzentrums „Reaction Engineering & Catalysis“ der Bayer Technology Services haben nach jahrelangen Testreihen einen Katalysator gefunden, der das störrische Kohlendioxid dazu bringt, sich mit anderen Stoffen zu "vermählen". Die Katalyse, für die Chemieindustrie derzeit die wichtigste Querschnitttechnologie, ermöglicht bei nur geringer Aktivierungsenergie Reaktionen, die von alleine nie stattfänden.

Schon Ende der 60er-Jahre hatten japanische Forscher die Richtung gewiesen und zeigen können, dass sich CO2 prinzipiell mithilfe von Katalysatoren aktivieren lässt; die Reaktionsgeschwindigkeit war allerdings enttäuschend. 2008 gelang Bayer-Forschern in dem Bestereben, das Verfahren zu perfektionieren, der Durchbruch. In rund 200 Versuchsreihen hatte das Team um Chemiker Aurel Wolf Kohlendioxid und Propylenoxid zusammengeführt – jedes Mal mit einem anderen Katalysator – und anschließend aufgeheizt. Dabei entsteht Polyetherpolycarbonatpolyolen (PPP), eine zähflüssige, farblose Substanz, die als Grundstoff zur Herstellung von Polyurethan (PUR) dient. Des Chemikers Träume werden hier buchstäblich Schäume, denn PUR ist bekanntlich ein universell einsetzbarer Schaumstoff, der wegen seines geringen Gewichts zu Leichtbauteilen – vermehrt auch im Fahrzeugbau – verarbeitet wird und der ganz besonders als Dämmstoff geschätzt wird: Polyurethane, die Gebäude gegen Kälte abschirmen, sparen rund 70-mal mehr Energie ein, als für ihre Herstellung aufgebracht werden muss.

Doch zurück zur Vorgeschichte: Nach Katalysatoreinsatz und einer bestimmten Reaktionsdauer ermittelten die Bayer-Forscher, wie viel PPP jeweils vorlag und wie viel CO2 tatsächlich ins Polymermolekül eingebaut worden war. Maximal 43 Gewichtsprozent sind ohne qualitative Einbußen möglich. Zu Beginn der Versuche war man noch weit davon entfernt. 2009 setzte man im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „Dream Reactions“ unter Mitwirkung des Catalytic Centers der Technischen Hochschule Aachen (RWTH) die Suche nach einem verbesserten Katalysator fort, um den CO2-Anteil im PPP möglichst nah an die erwähnten 43 Prozent zu bringen.

Was im Labor funktioniert hat, soll sich nun unter industriellen Bedingungen bewähren und als markttauglich erweisen – aus „Dream Reactions“ ist „Dream Production“ geworden. Seit Februar 2011 produziert eine in Leverkusen errichtete Pilotanlage PPP-Mustermengen, die Bayer MaterialScience abnimmt und zu Polyurethan weiterverarbeitet (von dem Kunststoff stellt das Unternehmen jedes Jahr 1,4 Millionen Tonnen her). Als CO2-Lieferant mit im Boot ist mit der RWE Power AG Deutschlands größter Stromerzeuger. Im RWE-Braunkohlekraftwerk Niederaußem wird der Klimaschädling in der bundesweit ersten CO2-Waschanlage vom Rauchgasstrom geschieden, gereinigt, verflüssigt und lieferfertig abgefüllt.

Mindestens vier Jahre soll in Leverkusen noch am Verfahren gefeilt werden, nicht zuletzt um die optimalen Rezepturen auszutüfteln: Polyurethane müssen vielseitig sein; mal wird weicher Schaum für Matratzen, mal hartes Dämmmaterial für den Bau benötigt. „Ab dem Jahr 2015 wollen wir in der Lage sein, die Zutaten für die CO2-basierten Polyurethane herzustellen. Und diese werden dann zehn bis 40 Prozent Kohlendioxid enthalten“, sagt Projektleiter Dr. Christoph Gürtler, Chemiker bei Bayer MaterialScience. Intendiert ist außerdem, Kohlendioxid künftig auch in andere Kunststoffe, z. B. Polycarbonate, eventuell sogar in Medikamente zu integrieren, die Bayer ebenfalls herstellt.

Über die Marktreife entscheidet nicht zuletzt die Ökoeffizienz des neuen Verfahrens; mit den diesbezüglichen Analysen ist die RWTH Aachen beauftragt. Zu klären sein wird u. a., ob für die Herstellung von PPP durch Nutzung von CO2 unterm Strich weniger Energie benötigt wird als bisher. Ein Allheilmittel gegen den Klimawandel sei das Ganze jedenfalls nicht, und mit dieser Maßgabe trete Bayer auch gar nicht an, unterstreicht Dr. Gürtler. Derzeit werden hierzulande nur 0,3 Prozent des ausgestoßenen Kohlendioxids industriell genutzt. Bis zum Ende des Jahrzehnts könnten es zehn Prozent sein, schätzen Experten, nimmt man das CO2-Potenzial für die Speicherung überschüssigen Stroms hinzu, die mit dem Ausbau erneuerbarer Energien immer wichtiger wird. 90 Prozent blieben also auch dann ungenutzt – es ist einfach zu viel von dem Treibhausgas da. Immerhin: Indem man bei Kunststoffherstellung das Treibhausgas einsetzt, könnten künftig Jahr für Jahr fünf bis zehn Millionen Tonnen weniger CO2-Emissionen entstehen, haben Bayer und RWE hochgerechnet. Nicht viel, verglichen mit den 33 Milliarden Tonnen, die global in die Luft gepustet werden, aber ein Schritt in die richtige Richtung, zumal man sich obendrein ein gutes Stück unabhängiger vom Erdöl macht: „Rund ein Drittel des benötigten Öls lassen sich durch den Einsatz von Kohlendioxid einsparen“, sagt Dr. Gürtler. Derzeit werden weltweit über eine halbe Milliarde Liter Rohöl zu Kunststoffen verarbeitet – täglich! Kein Wunder, dass mit „Dream Production“ die Kooperation der Bayer AG, der RWTH Aachen und der RWE Power AG Anfang November in Düsseldorf bei der Vergabe des Deutschen Nachhaltigkeitspreises in der Kategorie „Deutschlands nachhaltigste Initiativen 2011“ zu den drei Finalisten zählte. Die Jury würdigte das Engagement zur „energieeffizienten, ressourcen- und umweltschonenden Nutzung von CO2“ und attestierte eine „echte Erfolgsperspektive“.

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