Aus der Luft gegriffen

Innovationen gehen stets aus etwas Bestehendem, Bewährtem hervor. Sich ihnen inhaltlich anzunähern, erfordert einen Blick auf Grundlegendes. So auch in der Frage, wie sich Kohlendioxid (CO₂) etwa aus Abgasen zur Herstellung von Kunststoffen nutzen lässt.  

Für die Herstellung von Kunststoffen braucht es chemische Zutaten wie Ethen, Propen und Ammoniak sowie verschiedenen andere Ingredienzen wie Methanol, Ethanol oder Essigsäure. Für deren Gewinnung braucht es wiederum Elemente, darunter Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Schwefel (S), Chlor (Cl) oder Fluor (F) sowie, nicht zuletzt, Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H). Kohlenwasserstoffe (C_mH_n) bilden das chemische Grundgerüst kohlenstoffbasierter Polymere und damit aller gängigen Kunststoffe.

Für gewöhnlich gewinnt man Kohlenwasserstoffe [C_mH_n] aus fossilen Ressourcen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle; ein kleiner Teil wird aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt. Nach einer entsprechenden Vorbehandlung und Fraktionierung werden kleinere Kohlenstoffwasserstoffeinheiten (Monomere) mittels chemischer Reaktionen wie der Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition zu größeren Einheiten, den Makromolekülen (Polymeren), vernetzt. Daraus werden Kunststoffe. Welcher Quelle die Zutaten entstammen, ist für den Herstellungsprozess ohne Belang. Es kommt auf das Ergebnis an.

Anders, wird auf Nachhaltigkeit Wert gelegt. Gemeint ist nicht allein der Einsatz nachwachsender statt fossiler Ressourcen, ein besonders sparsamer Umgang mit Energie, Wasser und Lösungsmitteln, die Nutzung grünen, auf ökologisch wertvolle Weise gewonnenen elektrischen Stroms. Nachhaltigkeit bedeutet auch: eine idealerweise lückenlose und verlustfreie Kreislaufwirtschaft (Circular Economy).

Das bedeutet in letzter Konsequenz: Es entstehen keine Abfälle, sondern nur noch wiederverwertbare Rückstände, die im Verlauf oder am Ende eines Prozesses anfallen. In diese Überlegung sind Abgase von Oxidations- oder Verbrennungsprozessen zu berücksichtigen. Der Blick richtet sich hierbei auf das in Verbrennungsgasen enthaltene Kohlendioxid (CO₂), neben Methan (CH₄) und Wasserdampf (H₂O) eines der relevanten Treibhausgasen. Der Blick auf die chemische Formel CO₂ offenbart den Grund.

Die zunehmende Erderwärmung und ihre Folgen haben zu einem Umdenken geführt. Die Botschaft: Treibhausgasemissionen müssen reduziert werden, um das Ziel des Pariser Klimaschutzabkommens, den Anstieg der globalen Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius begrenzt, zu erreichen. Wie aber?

Durch den Einsatz "grünen" Stroms, gewonnen mittels Windkraft- oder Solaranlagen, versuchen Unternehmen wie Covestro [1] ihre Produktion bis 2035 völlig klimaneutral aufzustellen. Ein wichtiger Schritt. Was aber, wenn sich Emissionen nicht verhindern lassen? Kohlendioxid aus der Kohleverbrennung in die Erde pumpen und in tiefen Gesteinsschichten endlagern?  Klingt interessant und funktioniert und politisch ist der Weg frei [2]. Ist das die Lösung des Problems?

Oder ist es eher noch Verschwendung? Schließlich enthält jedes Molekül CO₂ immerhin ein Kohlenstoffatom, dass sich, einfach gedacht, nutzen lässt? Die englische Bezeichnung für den hieran anknüpfenden Recycling-Prozess lautet "Carbon Capture and Utilization" (CCU) – das Abscheiden von Kohlenstoffdioxid und dessen Einsatz als Wertstoff in chemischen Prozessen.

Was sich in den Augen des Laien einfach gestalten mag, ist komplizierter als gedacht. Kohlendioxid ist chemisch überaus stabil. Es braucht sehr viel Energie, um das C im CO₂-Molekül gefügig zu machen. Das trifft im Übrigen auch auf den Wasserstoff (H) zu, den es ebenfalls für die Herstellung polymerer Werkstoffe braucht. Benötigt wird Energie, und zwar nicht zu knapp. Woher nehmen? Aus der Verstromung von Kohle, Erdöl oder Erdgas? Der falsche Ansatz, weil nicht nachhaltig. Kernenergie? Atomkraftwerke gelten als emissionsarm, aber sind sie auch umweltverträglich?

Nachhaltiger "grüner" Wasserstoff lässt sich unter anderem durch Elektrolyse gewinnen, sprich die Spaltung von Wasser (H₂O) in Sauerstoff (O) und zwei Wasserstoffatme (2 H), und zwar unter Einsatz regenerativ erzeugter Wind- oder Sonnenenergie [3). Die Elektrolyse mit Ökostrom besitzt aus Sicht des Klimaschutzes das größte Potenzial. Und wie sieht es mit dem Kohlenstoff aus gasförmigen Kohlendioxid aus? Blicken wir in die Praxis eines der weltweit führenden Unternehmens der Chemie-Branche:

BASF prüft derzeit in mehreren Projekten, wie Kohlendioxid am besten genutzt und langfristig als Rohstoff in die Produktion eingebracht werden kann. Einige Beispiele gefällig?

• Der Weg ist hausgemacht: Mit der OASE^®-Technologie etwa biete BASF ein Verfahren an, mit dem CO₂ aus Abgasströmen isoliert und anschließend weiterverarbeitet werden kann. [Mehr dazu unter OASE® (basf.com)]
• Trockene Reformierung: Die Dry-Reforming-Technologie der BASF ist eine katalytische Lösung, mit der CO₂ für die Herstellung von Synthesegas genutzt werden kann. Mehr dazu findet sich hier: BASF Blue Map | BASF Catalysts und hier: Dry Reforming Catalysts: SYNSPIRE™ | BASF Catalysts
• Emissionsfreie Herstellung wertvollen, weil nützlichen Methanols – Basischemikalie für viele Produkte: Bei der Herstellung von Methanol entstehen Abgasströme aus Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und auch Wasserstoff. Die Abgase werden im sogenannten Oxyfuel-Verfahren mit reinem Sauerstoff verbrannt. Das führt zu einer minimalen Menge an Rauchgas mit maximalem Kohlendioxidgehalt. Das Rauchgas durchläuft anschließend eine Gaswäsche nach dem OASE^®-Verfahren von BASF, um das enthaltene Kohlendioxid vollständig herauszuwaschen. Das aufgefangene Kohlendioxid wird zu Beginn des Prozesses wieder eingespeist. [Hier gibt es mehr Informationen: Neue Technologien (basf.com)] [4]

Auch andere Unternehmen arbeiten an der Lösung des CO₂-Problems durch CCU. Evonik zum Beispiel, nach eigenen Angaben ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich Spezialchemie. Allerdings ist der Fokus ein anderer. Bei der der Nutzung gasförmigen, luftgetragenen Kohlendioxids orientiert man sich bei Evonik am Beispiel von Mutter Natur und der für das irdische Leben grundlegenden Photosynthese: "So wie Pflanzen Sonnenenergie nutzen, um über mehrere Schritte aus Kohlendioxid (CO₂) und Wasser zum Beispiel Zucker herzustellen, nutzt die künstliche Photosynthese erneuerbare Energien, um über die Elektrolyse mit Hilfe von Bakterien wertvolle Chemikalien aus CO2 und Wasser zu erzeugen", heißt es auf der Evonik-Homepage [5]. Dass die künstliche Photosynthese im Labor funktioniere, lautet es dort weiter, habe bereits vor einigen Jahren erfolgreich gezeigt werden können.

Ende 2020 wurde ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zur industriellen Umsetzung erreicht: Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Versuchsanlage am Evonik-Standort Marl ging in Betrieb. Sie nutzt Strom aus erneuerbaren Quellen, CO₂ und H₂O zur Herstellung von Chemikalien und zeigt auf diese Weise erstmals, dass die künstliche Photosynthese [6] auch im größeren Maßstab funktioniert.

Die Versuchsanlage in Marl besteht aus einem CO-Elektrolyseur, entwickelt von Siemens Energy, einem Wasserelektrolyseur und dem Bioreaktor mit dem Know-how von Evonik. Blick auf einige relevante Details: In den Elektrolyseuren werden in einem ersten Schritt Kohlendioxid und Wasser mit Strom in Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) umgewandelt. Dieses Synthesegas nutzen spezielle Mikroorganismen, um daraus, zunächst zu Forschungszwecken, Spezialchemikalien zu erzeugen. Sie sind Ausgangsstoffe zum Beispiel für Nahrungsergänzungsmittel oder eben auch Spezialkunststoffe.

Der Versuch, eine effiziente und dauerhaft tragbare Lösung für die Rückgewinnung von Kohlendioxid aus der Luft zu finden, verlangt nach der Zusammenarbeit vieler wissenschaftlicher Disziplinen. An dieser Stelle verzahnen und interagiere Chemie, Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Biotechnologie, Energiewirtschaft. Geballtes Know-how, das benötigt wird, uns unsere Lebensgrundlage zu erhalten.

[1] Pressemeldung, Covestro wird klimaneutral, COVESTRO, 1. März 2022 

[2] Stromriesen können CO2 unter die Erde pumpen, Welt (08.07.2011)

[3] Flexible Herstellung: Wie wird Wasserstoff erzeugt?, BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.

[4] Persönliche Auskunft BASF, Holger Kapp

[5] www.creavis.com/de/erfolgsgeschichten/aktuelle-projekte/rheticus/ueber-rheticus

[6] Haas et al., Technical photosynthesis involving CO₂ electrolysis and fermentation, Nature Catalysis (2018),