CO₂-Abscheidung: Neue Membran schafft, was lange als unmöglich galt
Seit 2008 galt in der Membrantechnik ein Entweder-oder: Entweder eine CO₂-Membran filtert schnell oder sie filtert genau. Ein japanisches Forscherteam will diese Grenze jetzt mit einem einzigen Atomtausch überwunden haben.
Hochofen eines Stahlwerks: Bei der Rohstahlproduktion entsteht prozessbedingt CO₂, das sich nicht durch einen Brennstoffwechsel vermeiden lässt.
Foto: picture alliance / Ralf Gosch/Shotshop
Im Duisburger Stahlwerk von Thyssenkrupp dampfen die Hochöfen rund um die Uhr. Pro Tonne Rohstahl entstehen dabei etwa 1,8 t CO₂. Einen Teil davon fängt das Projekt Carbon2Chem seit 2018 auf und wandelt ihn in Chemikalien wie Methanol um. Doch bevor das Gas weiterverarbeitet werden kann, muss es aus dem Hüttengas herausgelöst werden. Dafür setzt Carbon2Chem auf die etablierte Aminwäsche: Das Abgas wird durch eine Aminlösung geleitet, die CO₂ bindet. Anschließend wird die Lösung aufgeheizt, um das Gas wieder freizusetzen. Das funktioniert, kostet aber viel Energie.
Membranen wären die sparsame Alternative: sie filtern, statt zu waschen; ohne Lösungsmittel oder hohe Temperaturen. Doch ein grundlegender Zielkonflikt schränkt ihre Wirksamkeit bislang ein: die Membranen konnten entweder sehr genau filtern oder sehr schnell, aber nicht beides zugleich. Ein Forscherteam der japanischen Universität Tohoku hat dieses Dilemma jetzt nach eigenen Angaben überwunden – und dabei nur ein einziges Atom verändert.
Inhaltsverzeichnis
Warum CO₂-Abscheidung jetzt wichtiger wird
Die Industrie ist in Deutschland für rund ein Fünftel aller CO₂-Emissionen verantwortlich. Stahl, Zement, Kalk, Ammoniak – bei der Herstellung vieler Grundstoffe entsteht CO₂ nicht nur aus der Verbrennung, sondern aufgrund der chemischen Eigenschaften der Stoffe. Kein Brennstoffwechsel kann das vollständig verhindern. Fachleute sprechen von prozessbedingten Emissionen. Sie sind der Grund, warum CO₂-Abscheidung in der Klimapolitik wieder an Bedeutung gewinnt, nachdem das Thema in Deutschland lange in einer rechtlichen Grauzone steckte.
Seit November 2025 erlaubt das Kohlendioxid-Speicherungsgesetz (KSpTG) den Transport und die Offshore-Speicherung von CO₂. Die EU wiederum zielt mit ihrem Rahmenwerk für industrielles Carbon Management darauf, bis 2030 jährlich 50 Mio. t CO₂ zu speichern. Erste Branchen bereiten sich bereits konkret vor: In Nordrhein-Westfalen etwa planen fünf Zementwerke eine gemeinsame CO₂-Pipeline zur Nordsee. Doch während der regulatorische Rahmen langsam Form annimmt, sind auf der technologischen Seite noch einige Grundsatzfragen offen. Zum Beispiel, wie sich das Klimagas am effizientesten auffangen lässt.
Wie CO₂ aus Abgasen herausgeholt wird
Wer CO₂ aus einem Gasstrom abtrennen will, hat im Wesentlichen drei Optionen: chemisch binden, an Oberflächen anlagern oder durch eine Membran filtern.
- Die chemische Absorption ist das gängigste Verfahren. Bei der sogenannten Aminwäsche wird das Abgas durch eine Flüssigkeit geleitet, die CO₂ chemisch bindet. Anschließend wird die Lösung auf 120 bis 150 °C erhitzt, um das Gas wieder freizusetzen. Das Verfahren erreicht Abscheideraten von über 90 %, verbraucht aber viel Wärmeenergie.
- Bei der Adsorption wird das CO₂ nicht in einer Flüssigkeit gelöst, sondern an der Oberfläche eines Feststoffs angelagert. Das geht zum Beispiel mit metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) oder anderen kristallinen Strukturen mit großer Oberfläche. Das CO₂ kann durch Druckabsenkung oder Erwärmung wieder freigesetzt werden. Das erfordert weniger Energie als bei der Aminwäsche, viele Strukturen verlieren aber mit der Zeit an Leistung.
- Bei der Membrantrennung wird kein Stoff chemisch gebunden oder angelagert, sondern physikalisch gefiltert: Das Gasgemisch wird unter Druck durch eine dünne Schicht gepresst, die CO₂ bevorzugt durchlässt und andere Gase zurückhält. Membranen arbeiten also im Prinzip passiv. Deshalb gelten sie als potenziell sparsamste Lösung, stehen aber vor dem eingangs beschriebenen Dilemma: Entweder filtern sie sehr schnell oder sehr selektiv. Diese Grenze will das Team aus Tohoku nun verschoben haben.
| Verfahren | Prinzip | Abscheiderate | Energiebedarf | Reifegrad | Schwäche |
|---|---|---|---|---|---|
| Aminwäsche | CO₂ wird chemisch in Lösung gebunden | > 90 % | Hoch (Wärme zur Regeneration) | Industriestandard | Energieintensiv, Lösungsmittelverluste |
| Adsorption (Feststoffe) | CO₂ lagert sich an Oberflächen an | 85–95 % | Mittel | Pilotanlagen | Degradation der Sorbentien, Skalierung offen |
| Membrantrennung | CO₂ wird physikalisch durch Folie gefiltert | 80–95 % | Niedrig | Labor/frühe Pilotphase | Bisher: Zielkonflikt Durchfluss vs. Selektivität |
Was das Tohoku-Team anders macht
Das Problem der Membrantrennung lässt sich in einem Satz zusammenfassen: Materialien, die viel CO₂ durchlassen, lassen auch viel anderes Gas durch (und vice versa). In der Fachwelt heißt diese Grenze Robeson Upper Bound, benannt nach einer viel zitierten Analyse des Chemikers Lloyd Robeson aus dem Jahr 2008. Seither gilt sie als eine Art Naturgesetz der Membrantechnik.
Das Team um Prof. Yuichi Negishi vom Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials der Universität Tohoku will diesen Zielkonflikt mit kovalenten organischen Gerüstverbindungen (Covalent Organic Frameworks, COFs) umgehen. Dabei handelt es sich um poröse Kristallmaterialien, deren Kanäle auf molekularer Ebene designt werden können. Man kann sich ein COF also vorstellen wie einen Schwamm mit exakt gleichförmigen, maßgeschneiderten Poren.
Die Forscher haben zwei solcher Materialien gebaut: TUS-621 und TUS-622. Beide sind strukturell identisch, besitzen also die gleiche Porengeometrie und Kristallstruktur. Doch sie unterscheiden sich in genau einem Punkt: An den Innenwänden der Poren sitzt bei TUS-621 Sauerstoff, bei TUS-622 Schwefel.
Kleiner Atomtausch mit großer Wirkung
Dieser Atomtausch verändert die Wechselwirkung mit CO₂. Sauerstoff ist elektronegativer als Schwefel und zieht CO₂-Moleküle stärker an. Die Pore „greift“ das CO₂ im Vorbeiströmen, bindet es kurz und leitet es weiter, während Methan und Wasserstoff, die diese Wechselwirkung nicht haben, zurückgehalten werden. Im Ergebnis lässt die sauerstoffreiche Variante TUS-621 das CO₂ laut den Forschern schneller durch und trennt es gleichzeitig sauberer ab.
Die COFs werden dabei nicht als reine Membran eingesetzt, sondern in eine Polymermatrix eingebettet, die sogenannte Mixed Matrix Membrane. Das Polymer gibt mechanische Stabilität, die COF-Partikel liefern die Selektivität. In den Tests mit äquimolaren CO₂/Methan- und CO₂/Wasserstoff-Gemischen bei 25 °C und 2 bar übertraf diese Kombination nach Angaben der Forschenden sogar die Robeson Upper Bound, an der seit 18 Jahren jede Membran gescheitert war.
Was vor der Abscheidung noch zu klären ist
Die Studie ist ein Laborbefund. Die Tests liefen bei 25 °C, 2 bar und mit sauberen Gasgemischen. Ob die Membran unter Industriebedingungen, also hohen Temperaturen, Verunreinigungen und Dauerbetrieb ähnlich performt, ist offen. Einen Industriepartner oder eine Pilotanlage nennen die Autoren nicht. Auch zur Langzeitstabilität der COF-Partikel in der Polymermatrix fehlen Daten.
Hinzu kommt: Die Robeson Upper Bound zu übertreffen ist eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung für den industriellen Einsatz. Zwischen dem Laborergebnis und einem Membranmodul für zum Beispiel Stahlwerke liegen voraussichtlich noch Jahre der Entwicklungsarbeit.
Fürs erste wird die Aminwäsche also das Go-To-Verfahren Nummer eins bleiben. Doch wenn sich bestätigt, dass der gezielte Einbau von Heteroatomen in COFs den Zielkonflikt zwischen Durchfluss und Selektivität auflöst, könnte das die Membrantechnik aus ihrer Nische holen und zu einer kompakteren und potenziell energieärmeren Alternative machen. Die Studie von Negishi und Kollegen zeigt zumindest: Das vermeintliche Naturgesetz der Membrantechnik war keines.
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