Thema des Monats: Juli 2015

Von Guido Deußing

Kunststoff aus Klimagasen

Die Welt erlebt einen Jahrhundertsommer. Man spricht vom heißesten Juli seit Aufzeichnung der Wetterdaten. Purer Zufall, oder doch Folge des Klimawandels? Ungeachtet der Ursachen ist es an der Zeit umzudenken. Es gilt die Parole, den Ausstoß von Klimagasen zu reduzieren oder nützliche Dinge daraus herzustellen – Kunststoff zum Beispiel!

Kohlendioxid ist eine natürlich vorkommende chemische Verbindung, die im Zuge von Oxidations- beziehungsweise Verbrennungsprozessen entsteht. Wir atmen Sauerstoff ein, wir atmen Kohlendioxid (CO2) aus. Grüne Pflanzen – dazu zählen auch Algen – nehmen Kohlendioxid auf und produzieren daraus wieder den für uns so lebenswichtigen Sauerstoff. Ein funktionierender Kreislauf. Alles wäre gut, würden wir Mutter Natur nicht immer wieder so gekonnt ins Handwerk fuschen.

Kommt die Klimakatastrophe?

Die übermäßige Verbrennung fossiler Brennstoffe führt dazu, dass sich der Anteil an Kohlendioxid in der Luft – allen politischen Versprechungen und vereinbarten Klimazielen zum Trotz – absehbar noch weiter erhöht. Dieser Anstieg der Klimagaskonzentration bleibt nicht folgenlos:

Die Temperatur in der Atmosphäre steigt, die Polkappen und Gletscher schmelzen, der Meeresspiegel steigt. Lebensräume verändern sich. Es steht zu befürchten, dass ganze Landmassen überflutet werden. Die Ozeane versauern, Wüsten breiten sich aus. Trockenperioden nehmen zu, Niederschläge und Stürme werden heftiger. Es ist mit Einbußen bei den Ernteerträgen zu rechnen. Menschen geraten in Not, verlieren ihre Lebensgrundlage, Tier auch, viele Arten werden vermutlich aussterben.Doch, ist der Umbau der Energieversorgung auf Erneuerbare Energien aber ökonomisch machbar? Michael Carus: „Neue Solar- und Windfarmen an günstigen Standorten kommen schon heute auf Stromgestehungskosten von 0,06-0,07 €/kWh und sind damit oft preiswerter als fossile oder nukleare Energiesysteme.“ Doch zwei systemimmanente Nachteile verlangsamten den Ausbau der Solar- und Windenergie, wie der Geschäftsführer meint. Demnach entfalle der Hauptteil der Kosten auf den Bau der Anlagen, die späteren Betriebskosten seien hingegen sehr niedrig. Dieser Sachverhalt erkläre die hohen Investitionskosten. Obendrein müssten zur weiträumigen Verteilung des Solar- und Windstroms die Stromnetze und Speichersysteme massiv ausgebaut werden; auch diese Maßnahme erfordere weitere Investitionen.

An irgendeinem Punkt muss sich ein jeder die Frage stellen, ob wir immer so weiter machen können wie bisher und wohin uns unser moderner Lebensstil führt.

Vielleicht in eine Katastrophe, wie sie uns Roland Emmerich in seinen Blockbustern „The Day After Tomorrow“ oder „2012“ vor Augen führt: Die Erde begraben unter meterdickem Eis oder geflutet von unendlichen Wassermassen infolge der geschmolzenen Polkappen? Alles ist nur Fiktion, oder vielleicht doch nicht?

Lasst Worten Taten folgen

Es ist an der Zeit, sich von Lippenbekenntnissen zu verabschieden, die Augenwischerei zu beenden. Es ist an der Zeit, zu handeln. Die Marschroute liegt fest: Der Ausstoß schädlicher Klimagase muss rasch und nachhaltig reduziert werden. Es gibt keine Alternative! Ein Schritt in die richtige Richtung, ist die Gewinnung von Energie aus regenerativen Quellen – und zwar im großen Stil. Ein anderer liegt darin, technische Möglichkeiten zu finden und anzuwenden, um schädliche Klimagase „zu ernten“ und nutzbringend einzusetzen.

Eines nämlich steht unzweifelhaft fest: CO2 ist nicht nur ein Treibhausgas, sondern auch eine interessante Kohlenstoffquelle, wie sie für die Herstellung hochwertiger Polymere benötigt wird.

Allerdings erweist es sich als Herausforderung, ein solches Vorhaben in praktikable, effiziente und großtechnisch interessante Verfahrenstechnik umzumünzen. Einen interessanten und praktikablen Ansatz scheint die Firma Bayer Material Science gefunden zu haben. Ab 2016 will das Unternehmen nach eigenen Angaben Kohlendioxid zur Herstellung von Kunststoff nutzen.

Zu diesem Zweck wird derzeit am Standort Dormagen eine Produktionsstraße errichtet. Kürzlich erst wurde das Herzstück, ein 25 Tonnen schwerer chemischer Reaktor, eingesetzt. „Wir liegen optimal im Zeitplan“, sagt Projektleiter Dr. Karsten Malsch. Im Herbst werde noch ein Kohlendioxidtank eingebaut, dann sei die rund 15 Millionen Euro teure Anlage nach gut einjähriger Bauphase nahezu fertiggesellt. Wenn alles weiterhin so glatt laufe, wie bisher, sei die Anlage Anfang 2016 betriebsbereit, prognostiziert Maloch.

Bereits jetzt geben es konkrete Produktionspläne, berichtet Malsch. Bayer Material Science wolle im Rahmen des Projektes „Dream Production“ erstmals in kommerziellem Maßstab Kohlendioxid als Rohstoffquelle nutzen und in Polyole einbauen – zentrale Vorprodukte wie sie zur Herstellung von Schaumstoff benötigt werden. Die Anlage sei für ein Produktionsvolumen von 5.000 Tonnen pro Jahr ausgelegt. Das neuartige Polyol, das rund 20 Prozent CO2 enthalte, sei so konzipiert, dass es zunächst zur Herstellung von Matratzen aus Polyurethan-Weichschaum dienen kann.

Kohlendioxid soll Erdöl substituieren

Wie Tests hätten gezeigt, besitze das Material mit CO2-Anteil vergleichbare Eigenschaften wie konventionell gefertigter Kunststoff. Das Kohlendioxid ersetzt folglich einen Teil des Erdöls, auf dem Polyole und Polyurethane üblicherweise komplett beruhen. „Die Kunststoffindustrie ist seit langem auf der Suche nach alternativen Rohstoffen, um sich von knapper werdenden fossilen Grundstoffen zu lösen“, sagt Malsch. Außerdem nehme in der Gesellschaft die Nachfrage nach nachhaltigen Produkten zu. „Wir glauben, mit unserem neuen Verfahren für beide Stoßrichtungen eine Lösung anbieten zu können.“

Um CO2 in der Kunststoffproduktion verwenden zu können, war einiges an Forschungs- und Entwicklungsarbeit vonnöten. Hierbei erfuhr Bayer Material Science Unterstützung von Wissenschaftlern der Universität Aachen. Die große Herausforderung bestand darin, einen Katalysator zu finden, der das chemisch sehr träge Kohlendioxid auf effiziente Weise zur Reaktion mit anderen Substanzen bringt. Diesen passenden Katalysator hatten die Kooperationspartner entdeckt.

Interessante Kombination für interessante Anwendungen

Das Kraftwerke Kohlendioxid (CO2) nicht mehr über den Schornstein in die Atmosphäre blasen, sondern direkt in eine Produktionsanlage einspeisen sollen, ist das Ziel US-amerikanischer Wissenschaftler. Kürzlich stellen sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie ein Verfahren vor, mit dem sich aus Kohlendioxid und Epoxiden Polycarbonat-Block-Copolymere herstellen lassen, die wasserlösliche und wasserabweisende Bereiche vereinen und zu Nanopartikeln oder Mizellen aggregieren können.

Kohlendioxid und Epoxide – sehr reaktionsfähige Verbindungen mit einem Dreiring aus zwei Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom – lassen sich mit speziell entwickelten Katalysatoren zu Polycarbonaten polymerisieren. Diese Verfahren erweisen sich als umweltfreundlichere Alternative zu gängigen Herstellverfahren und wurden bereits von einigen Firmen eingeführt. Da die bisherigen Kohlendioxid-basierten Polycarbonate wasserabweisend sind und keine funktionelle Gruppen tragen, ist ihr Einsatz jedoch limitiert. Insbesondere biomedizinische Anwendungen, ein Gebiet, auf dem sich die biokompatiblen Polycarbonate schon etabliert haben, bleiben bisher außen vor.

Nachhaltige chemische Verfahrenstechnik

Ein Team von Wissenschaftlern um Donald J. Darensbourg von der Texas A&M University herum sorgt nun für Abhilfe. Den Forschern ist es erstmals gelungen, amphiphile Polycarbonat-Block-Copolymere herzustellen, also Verbindungen, die sowohl wasserabweisende als auch wasserliebende Eigenschaften in sich vereinen. Die wasserabweisenden wie auch die wasserlöslichen Bereiche basieren auf Kohlendioxid. Zudem konnten Darensbourg und Kollegen verschiedene funktionelle und geladene Gruppen in die Polymere einbauen, sprich solchen Bestandteile, die maßgeblich die chemischen Eigenschaften eines Moleküls beziehungsweise eines Polymers beeinflussen. Zum Beispiel lassen sich saure und/oder basische Gruppen anhängen, die im entsprechenden pH-Bereich positiv beziehungsweise negativ geladen vorliegen. Einige der so hergestellten amphiphilen Polycarbonate sind in der Lage, selbstorganisiert zu Partikeln oder Mizellen heranzuwachsen. Diese Eigenschaft verbunden mit der Möglichkeit, obendrein bioaktive Stoffe anzuknüpfen, eröffnet viele neue interessante Perspektiven für biomedizinische Anwendung.

Ein Wort zum Schluss

Die deutsche Bundesregierung will Milliarden Euro in innovative Technologie investieren, die sich mit nachhaltiger Entwicklung beschäftigen. Der Umsetzung von Kohlendioxid und auch anderen Treibhausgasen wie Methan in Polymerwerkstoffe erweist sich als sinnvoll und vielversprechend. Darüber hinaus ist die Polymerindustrie bekannt für innovative und kreative Lösungen. Sie ist damit prädestiniert, einen wichtigen Beitrag bei der Bewältigung der großen gesellschaftlichen Herausforderungen zu leisten.

Quellen

[1] Bayer Material Science
[2] Yanyan Wang, Jingwei Fan andProf. Donald J. Darensbourg, Construction of Versatile and Functional Nanostructures Derived from CO2-based Polycarbonates, Angewandte Chemie 127 (2015) 1-6 (DOI: 10.1002/ange.201505076, Deutsch Ausgabe, DOI: 10.1002/anie.201505076, internationale Ausgabe)

Guido Deußing