Nachhaltige Chemie 14.08.2019, 07:00 Uhr

Kohlendioxid der Luft für Synthesen nutzen

Um die Klimaziele zu erreichen, müssen an erster Stelle Emissionen verringert werden. Wissenschaftler schlagen außerdem vor, das Gas als Kohlenstoffquelle für Synthesen zu nutzen. Ihr Verfahren befindet sich auf dem Weg zur Anwendung.

Versuchsanlage

Versuchsanlage zur elektrochemischen Herstellung von Ethen aus Kohlendioxid und Wasser.

Foto: Fraunhofer IGB

Mit dem Übereinkommen von Paris haben sich 55 Nationen darauf verständigt, den globalen Temperaturanstieg auf weniger als zwei Grad Celsius zu begrenzen. Als Vergleichswert ziehen sie das vorindustrielle Temperaturniveau heran. Staaten versuchen, die CO2-Emission über unterschiedliche Wege zu verringern.

Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB schlägt als Ergänzung – nicht als Alternative – vor, bei der Herstellung von Industriechemikalien oder Treibstoffen CO2 zu nutzen. Solche Verfahren sind von der Theorie her längst bekannt. Um effizient zu arbeiten, mussten Forscher jedoch bessere Katalysatoren entwickeln.

Suche nach den besten Katalysatoren

Ein Beispiel: Methanol, der vielseitig nutzbare Ausgangsstoff, entsteht chemisch aus Kohlendioxid und Wasserstoff. Dabei eignet sich CO2 aus der Luft als Kohlenstoffquelle. Laut einer Studie der DECHEMA könnte man pro Tonne Methanol bis zu 1,5 Tonnen des Treibhausgases einsparen, wann man auf fossile Rohstoffe verzichtet. Und Wasserstoff wäre über die Wasserelektrolyse mit Solarstrom zugänglich: ein weiterer Pluspunkt der Synthesestrategie.

Um Prozesse effizient zu führen, arbeiten Ingenieure mit Katalysatoren. Diese Mischungen bestehen aus Edelmetallen, Metalloxiden und keramischen Trägern. Speziell bei der Methanolsynthese hat sich Kupfer bewährt. Es liegt als wasserlösliches Salz vor und wird durch chemische Fällung auf die weitere Verwendung vorbereitet. „Um bei der Katalysatorsynthese im industriellen Maßstab Energie, Zeit und Ressourcen einzusparen, haben wir das Verfahren für den kontinuierlichen Betrieb optimiert“, so Lénárd Csepei vom Fraunhofer IGB. Sein Verfahren arbeitet mit sogenannten stark eutektischen Lösungsmitteln, also Salzmischungen mit niedrigem Schmelzpunkt. Sie sind nicht flüchtig, was sich als weiterer Vorteil im Vergleich zu klassischen Lösungsmitteln erweist.

Tests auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit

Im nächsten Schritt entwickelten Csepei und seine Kollegen ein Reaktorsystem. Es besteht aus vier röhrenförmigen Reaktionsgefäßen, um verschiedenen Reaktionsbedingungen parallel zu testen. Dazu gehören neben Druck und Temperatur vor allem unterschiedliche Gemische der Ausgangsstoffe.

Das Besondere am Testsystem: Unterschiedliche Reaktionsbedingungen oder Katalysatoren lassen sich im Hochdurchsatz testen – und in Echtzeit verfolgen. „Einer der wichtigsten Faktoren ist die möglichst hohe Ausbeute an gewünschtem Produkt“, erklärt Csepei. „Nebenprodukte sollen möglichst nicht entstehen.“ Denn das Ziel der Forscher ist, Verfahren auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu optimieren. Jeder Reinigungsschritt kostet Zeit und Geld.

Von der Grundlagenforschung zur Anwendung

Bei Ethen (Ethylen), einer weiteren Industriechemikalie, stellen die Forscher sogar einen sogar einen vollautomatisierten Prototyp vor. Sie entwickelten eine elektrochemische Zelle mit poröser Gasdiffusionselektrode und einem Katalysator. Kohlendioxid strömt durch das System. Dabei werden Elektronen übertragen, sprich CO2 wird reduziert. „Mit dieser Anlage produzieren wir auf 130 Quadratzentimetern Elektrodenfläche und mit eigenen Katalysatoren Ethen aus Kohlendioxid und Wasser in einem einzigen Schritt“, berichtet Carsten Pietzka vom Fraunhofer IGB. Solche Ergebnisse seien bislang nur im Labormaßstab mit Elektrodenflächen von wenigen Quadratzentimetern erzielt worden.

Ab 2020 wollen die Forscher ihr Verfahren unter industrienahen Bedingungen evaluieren. Die Fraunhofer-Elektrolyseplattform in Leuna biete ihnen geeignete Rahmenbedingungen für weitere Experimente. Ziel ist, aus Wasser und Kohlendioxid in großem Rahmen Synthesegas herzustellen. CO2 wird aus der Luft durch Adsorption gewonnen. Im nächsten Schritt lässt sich das Synthesegas zu Methanol umsetzen. Für ihr Projekt „SynLink“ erhalten die Wissenschaftler eine Förderung vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Die Wertschöpfung berücksichtigen

Bei allen Experimenten spielen ökonomische Aspekte eine große Rolle. Chemikalien, die aus Kohlendioxid der Luft entstehen, werden nur mit petrochemischen Erzeugnissen konkurrieren, falls das Verfahren effizient ist, und falls kostengünstiger Strom zur Verfügung steht. Katalysatoren verbessern die Ausbeute und verringern die Aktivierungsenergie chemischer Reaktionen.

Neben Luft als Quelle des Emissionsgases eignen sich auch Branchen mit großer Emission als Standort. Damit auch kleine Betriebe mit geringem CO2-Ausstoß, etwa Biogasanlagen oder Brauereien, profitieren, modifizierten die Ingenieure ihr Verfahren teilweise. Methanol wird nicht abgetrennt, sondern biotechnologisch weiter umgesetzt. Mikroorganismen wandeln das Molekül in Milchsäure, Isopren, Polyhydroxybuttersäure oder Terpene als wertvolle organische Zwischenprodukte. Sie kommen in der pharmazeutischen Industrie oder in der Kunststoffindustrie zum Einsatz.

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