CO2 als Rohstoff nutzen
Es klingt fast nach Alchemie, den Klimakiller Kohlendioxid (CO2) als Rohstoff nutzen zu wollen. Das Molekül ist so träge, dass es nur unter hohem Energieaufwand mit anderen Chemikalien reagiert. Doch auf einer Konferenz kürzlich in Essen diskutierten Experten aus Forschung und der Wirtschaft, wie dieser Traum mancher Chemiker wahr werden kann.
Der Markt für Kunststoffe wächst.
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Die Natur macht es vor: Pflanzen stellen organische Moleküle aus CO2 her. Sie nutzen dazu Sonnenenergie und Katalysatoren wie Chlorophyll. „Entwickeln Wissenschaftler also gute Katalysatoren und nutzt die Industrie erneuerbare Energiequellen, können wir CO2 selber sinnvoll nutzen“, glaubt Michael Carus, Geschäftsführer des Nova-Instituts in Hürth bei Köln, das die Konferenz „Kohlendioxid als Rohstoff für die Chemie und Polymere“ in Essen organisiert hat.
Sind die Bedingungen günstig, nutzen Unternehmen bereits heute CO2 als Rohstoff. So stellt die amerikanisch-isländische Firma Carbon Recycling International (CRI) seit Herbst 2011 Methanol aus CO2 und Wasserstoff her. CRI nutzt dazu im Südwesten der Insel Erdwärme, um Wasser elektrolytisch in Sauer- und Wasserstoff zu spalten. CRI kann zurzeit 4000 t Methanol/Jahr herstellen und will sogar auf 50 000 t/Jahr hochfahren.
CO2 binden, um es als Rohstoff nutzbar zu machen
Solche Orte gibt es nur selten. Um CO2 auch woanders als Rohstoff nutzen zu können, versuchen manche Forscher, Wasser mithilfe von Katalysatoren in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Andere optimieren die Reaktion von CO2 und Wasserstoff zu Methanol oder – wie das Forscherteam um Arno Behr am Lehrstuhl Technische Chemie der TU Dortmund – zu Ameisensäure.
Behr nennt einen Grund für seine Wahl: „Die Säure lässt sich unter milderen Bedingungen herstellen als der Alkohol.“ Es genügen 30 bar bei 25 °C statt über 50 bar und 200 °C. Die Säure wird vielseitig eingesetzt. Firmen nutzen sie zum Beizen bei der Textil- und Lederverarbeitung und in Desinfektionsmitteln.
„Chemiefirmen können die Säure auch als transportierbaren Kohlenstoff- oder Wasserstoffspeicher nutzen“, so Behr. Denn die flüssige Säure lässt sich mit relativ wenig Energie zu Wasserstoff und CO2 oder zu Kohlenmonoxid und Wasser aufspalten. Der Wasserstoff kann neu genutzt werden. Kohlenmonoxid wiederum ist Ausgangsstoff, um etwa Essigsäure oder Phosgen herzustellen.
Dortmunder Versuchsanlage stellt Ameisensäure aus CO2 her
Die Laborversuche an der TU Dortmund begannen Ende 2010. Sie sind so erfolgreich gewesen, „dass wir uns 2011 entschieden, eine kleine Versuchsanlage zu bauen“, sagt Behr. Forscher können hier seit Sommer 2012 Ameisensäure kontinuierlich aus CO2 herstellen. Der Katalysator kann dabei recycelt und erneut eingesetzt werden.
Das Team um Behr untersucht etwa, welche Nebenprodukte sich anreichern und wie lange der Katalysator eingesetzt werden kann. Diese Forschung ist Teil der vom Bundesforschungsministerium geförderten Industrieinitiative „CO2rrekt“ (CO2-Reaction using Regenerative Energies and Catalytic Technologies). Darin suchen der Chemiekonzern Bayer, der Energiekonzern RWE sowie Siemens mit zehn Hochschulen und Wissenschaftsorganisationen mögliche stoffliche CO2-Anwendungen.
Auf der Essener Konferenz präsentierte Uwe Seemann, Projektleiter der Material- und Systemforschung bei der BASF, auch neue Entwicklungen bei der Herstellung CO2-basierter Kunststoffe. So stellt der Konzern das Polymer Polypropylencarbonat (PPC) mit einem Katalysator aus CO2 und dem reaktiven Molekül Propylenoxid her. PPC ist durchsichtig, steif, industriell kompostierbar und hat das Potenzial für einen neuen Massenkunststoff.
Doch von der Forschung an PPC bis zu seiner Vermarktung ist für BASF noch ein Stück zu gehen. Zurzeit sucht der Chemiekonzern Abnehmer für das Polymer. Dazu hat BASF in dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt „CO2 als Polymerbaustein“ gemeinsam mit Siemens, der TU München und der Uni Hamburg neue Kunststoffrezepturen aus PPC und Polyhydroxybutyrat (PHB) oder Polymilchsäure (PLA) entwickelt. Tests belegten, dass Kunststoffe aus PPC und PHB oder PLA Eigenschaften wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Polystyrol (PS) aufweisen können.
Die Industrie ist interessiert: Ingenieure von BSH Bosch und Siemens Hausgeräte haben in Machbarkeitsstudien eine Staubsaugerabdeckung aus PHB/PPC statt aus ABS hergestellt sowie Prototypen von Kühlschrankbauteilen, die aus PLA/PPC statt aus PS bestehen. Ein Vorteil der neuen Kunststoffmischungen ist deren Nachhaltigkeit: Die kompostierbaren Polymere PHB und PLA lassen sich aus Zucker oder Stärke herstellen, und jedes vierte Kohlenstoffatom des PPC stammt vom Klimakiller CO2.
Pilotanlage von Bayer stellt Polyole aus CO2 und Propylenoxid her
Der Chemiekonzern Bayer ist weiter. Er betreibt seit Anfang 2011 in Leverkusen eine Pilotanlage, in der Polyole aus CO2 und Propylenoxid hergestellt werden. Aus diesen Polyolen stellt der Konzern zu Testzwecken Schaumstoff aus Polyurethan her. Dieser Schaumstoff hat, so ist aus der Leverkusener Bayer-Zentrale zu hören, eine ebenso gute Qualität wie Schaumstoff aus konventionell hergestellten Polyurethanen. Ab 2015 will die Firma CO2-basierte Polyole für Polyurethan-Weichschaum für Matratzen vermarkten.
Der Markt für Chemikalien und Kunststoffe, die aus CO2 oder nachwachsenden Rohstoffen stammen, wird zunehmen, meint Carus. „Sie können eine bessere Klimabilanz aufweisen als aus Erdöl hergestellte Substanzen.“ Wenn Rohstoffe auf Feldern wachsen oder aus Abgasen von Kohlekraftwerken stammen, würden fossile Ressourcen geschont.
„Die stoffliche CO2-Nutzung kann das Klimaproblem aber nicht lösen“, stellt Carus klar. Er gibt ein Beispiel: Hätte die chemische Industrie der EU im Jahr 2009 statt Erdöl CO2 als Kohlenstoffquelle genutzt, hätte sie 233 Mio. t CO2 benötigt. Das entspricht knapp mehr als 5 % der gesamten CO2-Emissionen der EU. „Das ist aber mindestens doppelt so viel, wie die chemische Industrie selber an CO2 emittiert“, ergänzt Carus. Die Chemieindustrie könne also theoretisch eine Senke für das Klimagas werden – wenn die benötigte Energie aus erneuerbaren Quellen stammt.
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