Sechs neue Wege, CO2 zu nutzen

In diesem Container befindet sich die PIlotanlage, in der die Mannheimer Firma Icodos CO2 abscheidet, daraus Methanol herstellt und diesen Alkohol sauber destilliert. Dort optimieren Fachleute von Icodos seit Anfang 2024 ihr Verfahren.

Foto: Amadeus Bramsiepe/KIT

Wer von einer erneuerbaren Welt träumt, muss auch Kohlendioxid (CO₂) einfangen und recyceln. Dieses Treibhausgas enthält aber wenig Energie. Fachleute weltweit suchen daher nach cleveren Verfahren, um die trägen CO₂-Moleküle effizient in Brauchbares wie Bausteine für Kunststoffe, Spezialchemikalien oder Treibstoffe umzuwandeln. Einige von ihnen treffen sich Ende April in Köln auf der CO₂-based Fuels and Chemicals Conference 2026, organisiert vom nova-Institut, Köln.

Sechs junge Firmen konkurrieren dabei um den Innovationspreis „Best CO₂ Utilisation 2026“. Sie zeigen auf vielfältige Weise, wie sich CO₂ einfangen und nutzen lässt. Diese Varianten reichen von der elektrochemischen Umwandlung des Treibhausgases bis hin zu „DAC“-Verfahren gekoppelt mit chemischer Produktion. DAC steht für „Direct Air Capture“ und damit für Verfahren, um CO₂ aus der Umgebungsluft zu gewinnen.

CO₂: in einem Schritt zu Methanol, Teil 1

Die Firma Icodos aus Mannheim vereint CO₂-Abscheidung und Methanolsynthese in einem Verfahren. Dies ist eine Alternative zum herkömmlichen zweistufigen Prozess mit separater CO₂-Abtrennung und folgender Herstellung von Methanol (CH₃OH). Das Icodos-Verfahren besteht aus drei Schritten:

• Die CO₂-Absorption zuerst: CO₂-haltiges Rauchgas oder Biogas mit mehr als 2 % CO₂ strömt durch eine Absorptionskolonne. Dort löst sich das Treibhausgas in einem Methanol-Wasser Gemisch und CO₂ bindet sich physikalisch an das Gemisch. Bis zu 99 % des CO₂ aus Rauchgas oder Biogas wird entfernt und das so schnell, dass ein hoher Durchfluss möglich ist. Die CO₂-Konzentration im Lösungsmittel steigt auf bis zu 20 Vol.-% an.
• Die CO₂-Desorption folgt: Das mit CO₂ gesättigte Lösungsmittel wird in eine Desorptionskolonne geleitet. Hier wird durch gezielte Erhöhung der Temperatur und Absenkung des Drucks CO₂ frei.
• Die Methanolsynthese zum Schluss: Das freigesetzte CO₂ wird in einen Reaktor geleitet. Dort reagiert es mit grünem Wasserstoff – elektrolytisch in der Anlage mit erneuerbarem Strom gewonnen – an einem kupferbasierten Katalysator zu Methanol. Es entsteht ein Methanol-Wasser-Gemisch. Die CO₂-Konzentration sinkt nach der Synthese auf unter 5 Vol.-%.

Das Besondere: Das System regeneriert kontinuierlich sein eigenes Lösungsmittel. Keine weiteren Chemikalien und auch keine Membranen werden benötigt. In einem abschließenden Destillationsschritt wird Methanol aus dem Prozesskreislauf abgetrennt. Nicht nur das: Die gesamte Anlage ist für einen vollständig dynamischen, autonomen Betrieb ausgelegt, wodurch eine Produktion ermöglicht wird, die sich an die Schwankungen der erneuerbaren Energieversorgung anpasst.

CO₂: in einem Schritt zu Methanol, Teil 2

Das Start-up Aerleum aus Paris, Frankreich, entwickelt auch ein Verfahren, um in einem Schritt Methanol aus CO₂ herzustellen. Es verwendet dafür aber Umgebungsluft. Die Innovation liegt in einem Material, das sowohl als CO₂-Absorptionsmittel als auch als Katalysator wirkt. Es ermöglicht damit CO₂ abzuscheiden und das Treibhausgas in Gegenwart von Wasserstoff in Methanol umzuwandeln. Die katalytische Komponente des Materials basiert auf bewährten kupferbasierten Materialien zur CO₂-Hydrierung, die in die Sorptionsmatrix integriert sind, was wiederum eine enge Kopplung zwischen Abscheidung und Umwandlung ermöglicht. Das System arbeitet während der Umwandlung unter moderaten Bedingungen zwischen 200 bis 270 °C und bei etwa 30 bar.

CO₂: aus dem Büro zu Aceton

Auch in Büros lässt sich CO₂ einfangen und sinnvoll nutzen. Das bietet das italienische Start-up RapCO₂ aus Ravenna an. Es entwickelt ein Direct-Air-Capture-Verfahren, das für draußen geeignet ist – und auch für Innenräume. Das Gerät „BlueLeaf“ soll im Laufe eines Jahres in einem Geschäft oder einem Büro rund 2 000 kg CO₂ binden können, das ist etwa so viel, wie 1 ha Wald in einem Jahr an CO₂ speichert. CO₂ wird dabei in einer wasserbasierten Lösung ungiftiger und ungefährlicher Chemikalien gebunden.

Das zweite Gerät „eJungle“ ist größer. Es vereint die Leistung von 80 BlueLeaf-Einheiten. Das Besondere ist der Reaktor, in dem CO₂ aus der wasserbasierten Lösung freigesetzt und dann in einen Fermentationsbehälter geleitet wird. Zusätzlich zum CO₂ wird grüner Wasserstoff (H₂) in diesen Behälter geleitet, in dem anaerobe Bakterien aus diesen Zutaten Natriumacetat, das Natriumsalz der Essigsäure, bilden. Dabei wird die wasserbasierte Lösung regeneriert. Das Acetat wird gesammelt und auskristallisiert. Anschließend kann das Natriumacetat in einem weiteren Gerät zu Aceton umgewandelt und Aceton zu Isopropylalkohol veredelt werden.

CO₂: mit Strom und Wasser zu Ameisensäure

In Richland im US-Bundesstaat Washington nutzt das Start-up-Unternehmen OCOchem Elektrolyse und Katalysatoren zur Herstellung einfacher organischer Moleküle. Die einzigen Ausgangsstoffe: Wasser und CO₂. Die Endprodukte sind Ameisensäure (HCO₂H) und Formiat, also Salze der Ameisensäure . Das Unternehmen nutzt CO₂-Emissionen aus industriellen Fermentationsprozessen, die von benachbarten Unternehmen betrieben werden, die Ethanol aus Mais oder Zuckerrohr herstellen.

Die von OCOchem im Jahr 2025 gebaute und in Betrieb genommene Pilotanlage für Elektrolyseure besteht aus vier großtechnischen CO₂-Elektrolysezellen. Die elektrokatalytische Zelle ist als „Carbon FluX Electrolyser“ bekannt, da sie gleichzeitig Protonen, das heißt Wasserstoffionen (H⁺), aus Wasser erzeugt und anschließend gasförmiges CO₂ an der Oberfläche einer mit Katalysator beschichteten Gasdiffusionselektrode unter Verwendung dieser Protonen reduziert, um Formiate zu produzieren.

OCOchem hat den Katalysator selbst entwickelt. Er besteht aus mehreren Substanzen und enthält keine Platingruppenmetalle. Ein weiteres Highlight sind die selbst entwickelten Elektroden mit einer aktiven Oberfläche von jeweils 1,5 m². Sie sind mehr als sechsmal größer als Standardformate und haben eine Lebensdauer von mehr als 2 500 h. Dieses System ermöglicht die Produktion von 60 t an Formiaten pro Jahr. Im Oktober 2025 lieferte OCOchem die ersten kommerziell verfügbaren CO₂-negativen Formiate an fünf Kunden aus. Die Firma arbeitet mit dem Agrar- und Lebensmittelverarbeitungsunternehmen Archer Daniels Midland (ADM) aus den USA zusammen. Das Ziel: im Jahr 2027 eine Anlage mit einer Jahreskapazität von 10 000 t in Decatur, Illinois, zu errichten und in Betrieb zu nehmen.

CO₂: in einem Schritt zu Ethylen

Die kanadische Firma Cert Systems aus Toronto in der Provinz Ontario wandelt atmosphärisches CO₂ direkt in Ethylen um. Dieses „Air-to-Chemicals-Verfahren“ beginnt mit einer reaktiven Abscheidungsstufe, in der CO₂ aus der Luft oder einem Abgasstrom in eine Kaliumhydroxidlösung absorbiert wird, um einen karbonatreichen Elektrolyten zu erzeugen. Diese Lösung wird anschließend in den firmeneigenen Elektrolysezellen verarbeitet. Der elektrochemische Reaktor verfügt über ein kostengünstiges Katalysatorsystem.

Ein spezieller nanostrukturierter Kupferkatalysator fördert an der Kathode die sogenannte Kohlendioxid-Reduktionsreaktion (CO₂RR). Zugeführte Elektronen und aus dem Wasser stammende Protonen, also Wasserstoff-Ionen, brechen die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen im CO₂ auf und fördern die Bildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, dem Grundgerüst des Ethylen-Molekül (C₂H₄). Die Morphologie des Katalysators ist darauf ausgelegt, diese Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kopplung zu optimieren.

Ergänzend setzt die Firma an der Anode einen Katalysator auf Nickelbasis ein, um die Sauerstoffentwicklungsreaktion anzutreiben. Dabei nutzt sie die bewährte Chemie der alkalischen Wasserelektrolyse. Dies gewährleistet eine robuste Leistung sowie eine hohe Langlebigkeit innerhalb der modularen Architektur des Systems.

Dieser elektrochemische Weg bietet aus Sicht des Unternehmens eine deutlich weniger CO₂-intensive Alternative zum herkömmlichen Dampfcracken von Naphtha, die abhängig vom Strompreis auch kostengünstiger sein kann. Während die derzeitige Laborausrüstung für einen Durchsatz von 100 kg Ethylen pro Jahr ausgelegt ist, wird die Technologie derzeit auf industrielle Pilotanlagen skaliert. Das Potenzial ist groß. So lässt sich aus Ethylen beispielsweise nachhaltiger Flugkraftstoff, kurz SAF für „Sustainable Aviation Fuel“, herstellen.

CO₂: giftfrei zu Isocyanaten

Das Start-up Cynio aus Bitterfeld-Wolfen in Sachsen-Anhalt stellt Isocyanate her – und nutzt dafür CO₂ anstelle von Phosgen (COCl₂). Isocyanate sind Chemikalien, aus denen Klebstoffe, Beschichtungen und Medikamente hergestellt werden. Das schafft das Spinoff der TU Bergakademie Freiberg in drei Schritten:

• Der Prozess startet mit Aminen, die swohl die Stickstoffkomponente der Isocyanate lieferen als auch deren organischen Teil. Diese werden anschließend mit siliziumhaltigen Molekülen modifiziert und aktiviert.
• Diese Zwischenprodukte reagieren mit CO₂ – ohne Katalysator exotherm und bei bis zu 8 bar – zu Carbamaten.
• Diese Carbamate werden anschließend bei 200 bis 300 °C gecrackt, also thermisch gespalten. Isocyanate bilden sich bei. Auf diesem Weg lassen sich abhängig von den eingesetzten Aminen eine Vielzahl von Isocyanaten herstellen.

Das Start-up will vor allem Spezialisocyanate herstellen. Grundsätzlich kann es auf diesem Wege auch die bekannten Verbindungen Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) oder Toluoldiisocyanat (TDI) gewinnen.

Im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren mit Phosgen entsteht hier Hexamethyldisiloxan als Nebenprodukt statt Salzsäure. Der Vorteil: Die flüssige farblose Siloxanverbindung mit einem typischen Eigengeruch lässt sich destillativ leicht vom Isocyanat abtrennen. In seiner ersten Pilotanlage in Bitterfeld-Wolfen kann Cynio täglich bis zu 500 g Isocyanate herstellen.