Heute Übeltäter, morgen Held

Covestro hat die Polyole, die unter Verwendung von CO2 hergestellt wurden, seit 2016 seinen Kunden angeboten. Doch Anfang 2023 gab das Unternehmen bekannt, die Produktion sei eingestellt. Gründliche Analysen hätten gezeigt, dass der Weg von CO2 zu Polyolen sowohl unter Nachhaltigkeitsaspekten als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht der erfolgversprechendste sei. Zugleich betont das Unternehmen, CO2 weiterhin zur Herstellung von Kohlenmonoxid (CO) zu verwenden, das wiederum als Rohstoff für den Kunststoff Polycarbonat und für Komponenten des Schaumstoffs Polyurethan dient. Auch da gehe es um den Ersatz von fossilen Rohstoffen wie Erdöl, Erdgas, Kohle und Koks.

Mangelnde Wirtschaftlichkeit

Das Beispiel der preisgekrönten Polyol-Synthese zeigt: Was technologisch machbar ist, muss wirtschaftlich noch lange kein Erfolg werden. Auch deshalb blickt die Branche gespannt auf eine Anlage in der chinesischen Provinz Henan, die letztes Jahr in Betrieb ging. Sie soll jährlich 160.000 Tonnen CO2 mit Wasserstoff umsetzen. Dabei entsteht Methanol, der einfachste Vertreter der Alkohole. Methanol gehört zu den organischen Chemikalien mit der höchsten Jahresproduktion, denn aus ihm werden zahlreiche andere Basischemikalien hergestellt. Außerdem kann er als Treibstoff dienen. CO2-basiertes Methanol ist teurer als herkömmliches Methanol, das sich aus fossilen Rohstoffen sehr effizient und kostengünstig herstellen lässt. Daher werden Kunden benötigt, die einen Aufpreis hinnehmen, um auf dem Gebiet der Nachhaltigkeit zu punkten.

Beim isländischen Unternehmen Carbon Recycling International (CRI), wo das Verfahren entwickelt wurde, spricht man von einer Emission-to-Liquid (ETL)-Technologie (Emission-zu-Flüssigkeit). „Das ETL-Verfahren nutzt Emissionen, die andernfalls in die Atmosphäre freigesetzt worden wären – Kohlendioxid, das aus den bestehenden Emissionen der Kalkproduktion zurückgewonnen wird, und Wasserstoff, der aus dem Gas von Koksöfen gewonnen wird“, schreibt das Unternehmen. Die Produktionsmethode biete eine Alternative zum herkömmlichen Methanol, das in China üblicherweise aus Kohle hergestellt würde.

In gewisser Hinsicht ist die Anlage in China allerdings ein Schritt zurück gegenüber der Georg Olah Renewable Plant, die CRI bereits seit 2011 im isländischen Svarsengi, nahe der Touristenattraktion „Blaue Lagune“ betreibt. Seit der Erweiterung der Anlage 2015 nutzt CRI dort jährlich 5500 Tonnen CO2 zur Methanol-Produktion. Während in China der Wasserstoff aus Prozessen stammt, die fossile Rohstoffe einsetzen, wird er in Island elektrolytisch mit „grünem“ Strom aus Geothermie und Wasserkraft gewonnen. Das CO2 stammt aus dem Abgas einer Geothermie-Anlage.

Kohlendioxid aus Hüttengas

Ein Verfahren, das mit der ETL-Technologie von CRI eng verwandt ist, wird in Duisburg auf einem Gelände des Stahlherstellers Thyssenkrupp Steel Europe erprobt. Die Forscher des vom Bund geförderten Projekts Carbon2Chem nutzen Hüttengas aus der Stahlproduktion als CO2-Quelle. „Insbesondere das Hüttengas aus dem Stahlwerk enthält neben CO2 unter anderem Schwefel und Wasser. Diese Stoffe beschädigen aber die Katalysatoren, die man für die Methanol-Herstellung benötigt“, erläutert Projektkoordinator Markus Oles von Thyssenkrupp. Daher muss das Hüttengas gereinigt werden – und zwar möglichst kostengünstig.

Hüttengase oder Gase aus anderen industriellen Produktionsprozessen sind als Quelle für CO2 durchaus umstritten. Die eine Seite der Medaille: „Es ist besser, das CO2 aus den vorhanden Quellen abzufangen, als es weit energieintensiver beispielsweise aus der Luft zu gewinnen“, ist Oles überzeugt. Tatsächlich ist die Abtrennung von CO2 aus der Luft sehr aufwändig und teuer, weil die Konzentration des Treibhausgases nur rund 0,04 Prozent beträgt.

Auf der anderen Seite basieren die industriellen Prozesse, aus denen das CO2 stammt, auf dem Einsatz fossiler Energieträger. In der Gesamtbilanz gelangt somit CO2 in die Atmosphäre. Das wird spätestens ab 2050 problematisch, denn dann soll die Europäische Union klimaneutral sein: Alle Emissionen von CO2 und anderen Treibhausgasen, die durch menschliche Aktivitäten verursacht werden, müssen dann wieder aus der Atmosphäre entfernt werden. „Bei allen Überlegungen zu nutzbaren CO2-Quellen spielt auch die Zeitdimension eine Rolle. Heute kann eine Quelle möglicherweise ganz anders bewertet werden als in Zukunft, denn gesellschaftliche Prozesse wie die Energie- und Verkehrswende werden sich auf die Verfügbarkeit von CO2 und erneuerbaren Energien auswirken“, schreibt Barbara Olfe-Kräutlein vom Institut für transformative Nachhaltigkeitsforschung in Potsdam in ihrem Buch „CO2-Nutzung für Dummies“.

An Carbon2Chem sind auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion und des Fraunhofer-Instituts UMSICHT beteiligt. Zum Entwicklungsstand des Projekts sagt Markus Oles: „Wir haben über Jahre hinweg in kleinem Maßstab nachgewiesen, dass wir das Verfahren sicher beherrschen und Methanol herstellen können, aber auch gezielt beispielsweise Ethanol oder Ammoniak.“ Die Technologie könne unmittelbar auf große Industrieanlagen übertragen werden. Die Carbon2Chem-Forscher setzen für die Herstellung des Wasserstoffs, der zur Methanol-Produktion notwendig ist, auf „grünen“ Strom aus Sonnenlicht oder Wind. „Unsere Elektrolyseanlage kann dem wechselhaften Angebot erneuerbaren Stroms problemlos folgen“, berichtet Projektkoordinator Oles.

Enormer Bedarf an „grünem“ Strom

Eine gänzlich CO2-basierte Chemieindustrie würde nach Berechnungen von Wissenschaftlern der RWTH Aachen und der University of California von 2019 global mindestens 18,1 Milliarden Megawattstunden erneuerbaren Strom benötigen. Zum Vergleich: Ganz Deutschland hat 2022 rund 0,6 Milliarden Megawattstunden Strom verbraucht. „Die Transformation der Industrie hin zur Treibhausgasneutralität erfordert sehr viel und günstigen erneuerbaren Strom“, betont daher der Verband der Chemischen Industrie (VCI) in einem Positionspapier, das er im Mai 2022 veröffentlicht hat.

Erneuerbarer Strom soll auch in einem Forschungsprojekt mit dem Namen Rheticus als Energiequelle dienen. Die Unternehmen Evonik und Siemens Energy benötigen ihn, um im nordrhein-westfälischen Marl in einer Pilotanlage Wasser elektrolytisch umzusetzen. Es entsteht Wasserstoff, der mit CO2 so gemischt wird, dass die Zusammensetzung auf den nächsten Schritt des Rheticus-Verfahrens, die Fermentation, abgestimmt ist. Dabei setzen Mikroorganismen die Gasmischung in einem Bioreaktor zu Hexansäure um.

„In den nächsten Monaten werden wir diesen Stoff in chemisch abgewandelten Formen Kunden anbieten“, sagt Projektleiter Thomas Haas von Evonik. „Die Kunden können diese Derivate der Hexansäure dann als Rohstoffe für Lacke, Kosmetik oder Schmierstoffe verwenden.“ Das Rheticus-Projekt wurde bis Ende 2022 vom Bundesforschungsministerium gefördert. Inzwischen wird das Projekt vollständig von den Industriepartnern finanziert. Man sei noch nicht gänzlich am Ziel, meint Haas, aber grundsätzlich funktioniere die Pilotanlage. Ob künftig größere Anlagen gebaut werden, sei entscheidend von der Nachfrage der Kunden abhängig.

Die Fotosynthese als Vorbild

Evonik ordnet die Rheticus-Technologie öffentlichkeitswirksam in die Kategorie „künstliche Fotosynthese“ ein. Die Fotosynthese grüner Pflanzen ist tatsächlich ein Vorbild für viele Versuche, CO2 zu nutzen. Denn Pflanzen spalten in den Chloroplasten ihrer Blätter zunächst mithilfe von Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff – die sogenannte Lichtreaktion. Den Wasserstoff setzen sie anschließend bei der „Dunkelreaktion“ mit CO2 aus der Luft in Kohlenhydrate um. So entfernen Fotosynthese betreibende Organismen, zu denen auch Algen und bestimmte Bakterien zählen, jährlich rund 400 Gigatonnen – 400 Billionen Kilogramm – des Treibhausgases aus der Atmosphäre.

Wenn der Strom für die Rheticus-Pilotanlage von Solaranlagen erzeugt wird, so entspricht er der Lichtreaktion der Fotosynthese insofern, dass Energie aus Sonnenlicht dazu dient, Wasserstoff zu erzeugen. Und mit diesem Wasserstoff wird dann CO2 in kohlenstoffhaltige Wertstoffe umgewandelt, wie sie vergleichbar auch in der Dunkelreaktion entstehen.

Künstliche Blätter auf Halbleitern

Viele Forschergruppen weltweit arbeiten an einer Form der künstlichen Fotosynthese, bei der Lichtabsorption und stoffliche Umsetzung in einem einzigen Objekt stattfindet: Sie entwickeln sogenannte künstliche Blätter. Dafür bringen die Wissenschaftler Katalysatoren für die Produktion der kohlenstoffhaltigen Wertstoffe auf den Halbleitern eines Moduls auf, das ähnlich wie eine Solarzelle aufgebaut ist. So gehen auch die Partner des Projekts DEPECOR (Direkte effiziente photoelektrokatalytische CO2-Reduktion) vor, das seit Anfang 2020 vom Bundesforschungsministerium gefördert wird.

„Das anvisierte Modul in DEPECOR besteht aus gestapelten Teilzellen, die das Licht in verschiedenen Spektralbereichen absorbieren. Dadurch nutzt das Modul das Spektrum des Sonnenlichts besonders effizient zur Energiegewinnung aus“, erklärt Projektkoordinator Thomas Hannappel, Leiter des Fachgebiets Grundlagen von Energiematerialien an der Technischen Universität Ilmenau. Die gewonnene Energie ist dadurch hoch genug, um auf der einen Seite des Moduls Sauerstoff aus dem Wasser abzuspalten und auf der anderen Seite CO2 mithilfe eines Katalysators beispielsweise in CO umzuwandeln. „Wir haben bei der direkten Umwandlung von Sonnenlicht in CO einen Wirkungsgrad von 5,9 Prozent erzielt“, berichtet Hannappel. An DEPECOR beteiligt sind unter anderem Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme und das Unternehmen Azur Space Solar Power.

Von der Wahl des Katalysators hängt entscheidend ab, ob anstatt CO kompliziertere kohlenstoffhaltige Moleküle entstehen. „Die Herausforderung ist, einzelne dieser höherwertigen Stoffe in möglichst reiner Form zu produzieren“, erklärt Hannappel. Dass dieses Problem noch nicht zufriedenstellend gelöst ist, ist einer der Gründe, warum das DEPECOR-Modul noch weit von einer industriellen Anwendung entfernt ist. Außerdem misst es bisher nur wenige Quadratzentimeter, kann also nur wenig CO2 umsetzen.

Den Enzymen Beine machen

Wohl in noch fernerer Zukunft liegt die Anwendung eines „künstlichen Chloroplasten“, den ein Team um Tobias Erb am Marburger Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie entwickelt hat. In den natürlichen Chloroplasten, also den Zellbestandteilen von Pflanzen, die Fotosynthese betreiben, spielt bei der Dunkelreaktion ein pflanzlicher Katalysator eine entscheidende Rolle. Dieses Enzym namens Rubisco arbeitet allerdings recht langsam. An diesem Punkt setzte Tobias Erb an: Er entwickelte einen künstlichen Stoffwechselweg, bestehend aus 15 bis 17 Einzelschritten, die von Hochleistungsenzymen aus ganz unterschiedlichen Organismen katalysiert werden – aus Bodenbakterien, Purpurbakterien, Gänserauke und der menschlichen Leber. Die Forscher um Erb konstruierten künstliche Chloroplasten, die mit diesen Enzymen CO2 effizienter in Kohlenhydrate umwandeln als das natürliche Vorbild.

Um diesen großen Erfolg einzuordnen, muss man allerdings wissen: Bei den künstlichen Chloroplasten handelt es sich um Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von knapp 100 Mikrometern. Sie schwimmen in einer Ölemulsion und sind dort nur zwei Stunden lang stabil.

Zur Nutzung von CO2 als Rohstoff gibt es somit viele Technologien, die einen sehr unterschiedlichen Reifegrad aufweisen – von der funktionierenden industriellen Anlage über Demonstrationsprototypen bis hin zu Konzepten, die auf Laborexperimenten beruhen. Das gemeinsame Problem besteht darin, dass CO2 sehr reaktionsträge ist. Wenn es trotzdem reagieren soll, muss viel Energie zugeführt werden. Sofern diese Energie aus fossilen Quellen stammt, ist es möglich, dass ein CO2-nutzender Prozess sogar für mehr Emissionen sorgt, als er verbraucht. Somit würde Kohlendioxid-Recycling zu einem Schildbürgerstreich, beim dem der eigentliche Zweck in dümmlicher Weise verfehlt wird.

„Die Verschiedenheit der einzelnen Anwendungen bedingt die Notwendigkeit einer einzelnen Betrachtung jeder Technologie, um die individuellen Umweltauswirkungen, die Menge des aufgenommenen CO2 und die Speicherdauer zu bestimmen“, heißt es im Buch „CO2-Nutzung für Dummies“. „Um im Einzelfall bewerten zu können, ob ein neuer Prozess im Vergleich zu einem etablierten Prozess vorteilhaft ist, sind detaillierte Berechnungen nötig. Aus ökologischer Sicht geschieht das in Form einer Lebenszyklusanalyse.“ Solche Analysen sind den meisten Menschen eher unter den Begriffen „Ökobilanz“ oder „ökologischer Fußabdruck“ bekannt.

Fazit: Man muss sehr genau hinschauen, um herauszufinden, ob aus Saulus tatsächlich Paulus geworden ist.