Ressource CO2: Vom Klimakiller zum Rohstoff

Von Technology-Review-Autorin Uta Deffke

Aus schlecht wird gut: Die chemische Industrie hat Kohlendioxid als Ressource entdeckt. In Pilotanlagen entstehen Kunststoffe und Chemikalien auf CO2-Basis. Ob das Treibhausgas aber Erdöl als Rohstoff ersetzen kann, hängt auch von den Preisen ab.

Erdöl-Ersatz: Kohlendioxid wird zur Ressource Fotos
Bayer MaterialScience

CO2 ist grün. Zumindest in der Leverkusener Pilotanlage von Bayer Material - Science. In dieser Farbe baumelt es als Schaumstoff-Schriftzug von der Decke, auch die Pilotanlage selbst ist in grünes Licht getaucht - die glänzenden Rohre, die vielen Hebel und Ventile, der große wärmeisolierte Stahltopf. Hierein strömt das ungeliebte Klimakiller-Gas CO2, das - verflüssigt in Druckflaschen - draußen vor dem Gebäude lagert.

Zusammen mit einem anderen Stoff, einem speziellen Katalysator, Wärme und Druck wird es hier nach ausgeklügelter Rezeptur in etwas Sinnvolles verwandelt: Polyole - Ausgangsstoffe für die Herstellung von Polyurethan, jenem Schaumstoff, aus dem das grün baumelnde CO2 geschnitten ist.

Seit knapp anderthalb Jahren wird hier die Polyolproduktion aus Kohlendioxid im Kilogramm-Maßstab erprobt. Sehr erfolgreich, wie Projektleiter Christoph Gürtler versichert. Die zähe, durchsichtige Flüssigkeit wird in Behälter abgefüllt und ein paar Hundert Meter weiter in einer zweiten Anlage zu Polyurethan-Schaum verarbeitet. Aus ihm bestehen beispielsweise Matratzen oder das Innere von Skischuhen. "In diesem Schaum ist das CO2 chemisch gefangen. Es kommt nicht wieder raus, das haben wir in umfangreichen Tests gezeigt", betont Gürtler.

Dream Production heißt das Projekt, an dem - vom Bundesforschungsministerium gefördert - neben Bayer auch die RWTH Aachen und der Energieversorger RWE beteiligt sind. Und es klingt tatsächlich wie ein Traum: Aus dem gefürchteten Treibhausgas soll ein nützlicher Rohstoff für die Produktion von Chemikalien, Kunststoffen und Kraftstoffen werden. Weil er nicht mehr in die Luft gepustet wird, soll die Methode sogar dem Klima zugute kommen. Wenn alles gut geht, will Bayer ab 2015 die ersten neuen Schaumstoff-Produkte auf den Markt bringen.

Die Idee ist bestechend, schließlich werden jährlich weltweit 35 Milliarden Tonnen CO2 ausgestoßen. Tendenz steigend. Die Folgen: Der Planet heizt sich auf, die Polkappen schmelzen, Meeresspiegel steigen an. Während sich die Politik von einer erfolglosen Klimakonferenz zur nächsten hangelt, machen sich Ingenieure und Chemiker Gedanken darüber, wie man das ungeliebte Gas nutzen kann. Schließlich steckt in Kohlendioxid Kohlenstoff, die Basis für große Teile der modernen Chemie.

Bisher holt sich die Branche den Kohlenstoff aus dem Erdöl. Etwa zehn Prozent der weltweiten Förderung fließen in die Chemieindustrie, die aus den Kohlenwasserstoffen die meisten ihrer Produkte herstellt - darunter Plastik und Medikamente. Während Öl immer teurer und langsam knapper wird, ist vom CO2 zu viel vorhanden. Unter anderem dank der für CCS (Carbon Capture and Storage) entwickelten Abtrenntechnologien ist es zudem vergleichsweise günstig zu haben. So wird CCS zu CCU - Carbon Capture and Use. Das abgetrennte Gas soll nicht unter die Erde gepresst, sondern genutzt werden. Die Bayer-Chemiker bekommen ihren Rohstoff beispielsweise aus dem nahegelegenen Braunkohlekraftwerk Niederaußem, das der Projektpartner und Energieversorger RWE betreibt. Dort steht auch eine Pilotanlage zur Aminwäsche. Mit diesem Verfahren wird Kohlendioxid aus dem Rauchgas gefiltert, indem es zunächst an flüssige Amine - Stickstoffverbindungen - bindet, von denen es später wieder getrennt wird. Auf diese Weise gelingt es, dem Rauchgas etwa 90 Prozent CO2 zu entziehen.

Zahlreiche Unternehmen forschen an CO2-Abscheideverfahren

Zahlreiche Unternehmen und Labore weltweit forschen an diversen Abscheideverfahren - je nach Art des Abgasstroms und je nach benötigtem Reinheitsgrad des CO2. Die Aminwäsche ist dabei das am weitesten fortgeschrittene Verfahren. Mit ihm lassen sich zudem Kraftwerke vergleichsweise einfach nachrüsten. Allerdings hat es gewichtige Nachteile: Die Aminwäsche ist energieaufwendig und vermindert den Wirkungsgrad des Kraftwerks um etwa zehn Prozent. Wie bei allen derartigen Verfahren sind die Produktionsstandorte räumlich an Kohlekraftwerke gekettet - will man kein Pipeline-Netz für das benötigte Kohlendioxid aufbauen. Einige Pilotprojekte versuchen zwar, CO2 direkt aus der Luft zu gewinnen. Die derzeitigen Verfahren sind jedoch noch teuer und ineffizient.

Ein weiterer Nachteil der Aminwäsche: Trotz Kreislaufführung gelangen Amine in die Atmosphäre, wo sie krebserregende Nitramine und klimaschädliches Ozon und Aerosole bilden. In welchem Ausmaß dies geschieht und welche Auswirkungen das regional und global haben kann, wird zurzeit intensiv untersucht, unter anderem von Forschern am Potsdamer Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS).

Die Idee, CO2 industriell zu nutzen, ist eigentlich nicht neu. Es steckt in der Kohlensäure von Limonaden, es hält Kühlschränke kalt, aus ihm entsteht Harnstoff zur Düngerherstellung. Sogar Aspirin, der Dauerschlager unter den Arzneimitteln, wird mithilfe von Kohlendioxid hergestellt. Die so verbrauchten Mengen sind mit jährlich 130 Millionen Tonnen weltweit allerdings marginal. Doch das soll sich ändern. Vorbild ist die Natur: Mittels Photosynthese gewinnen Pflanzen aus Kohlendioxid und Wasser unter Einwirkung von Sonnenlicht Kohlenhydrate. So träumen nicht wenige bereits von einer regelrechten CO2-basierten Wirtschaft.

Diese Vision haben internationale Experten aus Forschung und Industrie im Oktober auf der Konferenz "CO2 as chemical feedstock - a challenge for sustainable chemistry" in Essen diskutiert. Sie präsentierten viele Ansätze und Ideen, vor allem aber bereits laufende Anlagen. Auch die Politik hat das als zukunftsträchtiges Investitionsfeld erkannt: Allein das Bundesforschungsministerium fördert "Technologien für Nachhaltigkeit und Klimaschutz - Chemische Prozesse und stoffliche Nutzung von CO2" mit 100 Millionen Euro. Auf EU-Ebene werden entsprechende Strategien diskutiert, das US-Energieministerium steckt seit 2010 über 100 Millionen Dollar in ähnliche Programme. Auch Asien will mitmischen im CO2-Business, allen voran China, Japan und Südkorea.

"Viele Kunden sind bereit, für den grünen Touch mehr zu zahlen"

Dass sich, abgesehen von staatlichen Programmen, auch Unternehmen wie Bayer, Evonik oder BASF dem Thema widmen, hat vor allem zwei Gründe: Kostenersparnis und Umweltschutz. Man sei immer auf der Suche nach alternativen Rohstoffquellen zum Erdöl, so Gürtler. Außerdem gebe es ein durchaus spürbares Interesse bei Kunden an umwelt- und klimafreundlichen Produkten. "Dabei muss man noch nicht einmal von Beginn an billiger sein", betont Sven Petersen von Linde. "Viele Kunden sind durchaus bereit, für den grünen Touch etwas mehr zu zahlen."

Es klingt erst einmal gut: Statt das CO2 in die Luft zu pusten, wird es im Kunststoff gespeichert. Doch eines ist schon jetzt klar - trotz ihrer Vorliebe für Grünes: Das Klima wollen und können die Chemiker mit all diesen Aktivitäten nicht retten. Dafür sind die Mengen an Kohlendioxid, die in eine stoffliche Nutzung fließen könnten, viel zu gering. Würde die chemische Industrie der 27 EU-Staaten ihren gesamten Bedarf an Kohlenstoff ausschließlich durch CO2 decken, entspräche das nur etwa 5,5 Prozent der gesamten Kohlendioxid-Emissionen dieser Staaten. Unsicher ist zudem, wie positiv die Klimabilanz derartiger Produkte wirklich ausfällt. Die US-Firma Novomer beispielsweise gibt an, dass ihr Polypropylencarbonat gegenüber anderen auf Erdöl basierten Kunststoffen einen um Faktor drei bis acht geringeren Carbon-Footprint habe. Unabhängige Studien darüber gibt es allerdings nicht, und so bleibt unklar, ob der CO2-Schaumstoff dem grünen Image der Konzerne womöglich mehr bringt als dem Klima.

Mit dem CO2-basierten Schaumstoff aus der Dream Production laufen derzeit immerhin erste Auftragsanalysen. Nach den bisherigen Ergebnissen des Forscherteams um André Bardow vom Institut für Technische Thermodynamik der RWTH Aachen deutet sich tatsächlich ein Vorteil an. Die Wissenschaftler nahmen für ihre Ermittlung der Ökobilanz den gesamten Lebenszyklus eines Produkts unter die Lupe, von der Herstellung der Rohstoffe - in diesem Fall also auch die Gewinnung des CO2 im Kraftwerk - bis zu einem möglichen Recycling. Sie analysierten sämtliche Prozesse hinsichtlich Emissionen und Ressourceneffizienz, indem sie den Einsatz von Materialien und Energie bilanzieren. Quantitative Aussagen können die Forscher zur Dream Production zwar noch nicht machen, es fehlt ihnen zudem für ihre Berechnungen die Lebensdauer der CO2-Produkte.

Ein vorläufiges Fazit ist dennoch möglich. Die Speicherung des Kohlendioxids in Kunststoff sei nicht so wichtig für die Ökobilanz, meint Bardow. "Den entscheidenderen Beitrag bei der Herstellung der Polyole leistet CO2 dadurch, dass es andere, sehr energieintensiv hergestellte Substanzen ersetzen kann."

Allerdings muss man von Fall zu Fall beurteilen, ob das energetisch sinnvoll ist. Denn die Krux beim Kohlendioxid ist: Das Gas ist reaktionsträge und energiearm. Nicht umsonst galt es bisher als Abfall. Um ein oder zwei Sauerstoffatome abzutrennen oder es als Ganzes in größere Verbindungen einzubauen, muss man Energie zuführen. Woher die kommt, entscheidet über die Klimabilanz. Stammt die Energie aus einem Kohlekraftwerk, kann sie die Ökobilanz im Vergleich zu einem Erdöl-Kunststoff gehörig verschlechtern.

Ein anderer Weg, um die CO2-Nuss zu knacken, sind Bakterien

Die Reaktionsträgheit stellt auch für Chemiker eine harte Nuss dar. Um sie zu knacken, braucht es einen Katalysator, der die Reaktionen erleichtert. Er wird eigens für jede Anwendung maßgeschneidert. Um die jeweilige Rezeptur machen die Unternehmen deshalb stets ein großes Geheimnis. Bei Bayer wurde der entscheidende Katalysator, ein Material auf Zinkbasis, in dem drei jährigen Vorläuferprojekt "Dream Reactions" entwickelt und patentiert. Beteiligt war das CAT Catalytic Center, das Bayer mit der RWTH Aachen betreibt. Wesentliche Herausforderung für die Forscher war, auch im Hinblick auf eine Massenproduktion einen möglichst effizienten, kostengünstigen und umweltverträglichen Katalysator zu finden.

Ein ganz anderer Weg, um die CO2-Nuss zu knacken, sind Bakterien. Füttert man sie mit dem Klimagas, machen sie daraus Kohlenwasserstoffe wie Ethanol, Propanol und Aceton. Diesen Ansatz verfolgt das Unternehmen LanzaTech in Neuseeland. Mithilfe von Gentechnik und Methoden der synthetischen Biologie haben die Entwickler eine Sammlung von Mikroorganismen geschaffen, die für verschiedenste Eingangs- und Ausgangsprodukte spezialisiert sind.

So lässt sich Kohlendioxid entweder chemisch oder biotechnologisch - zumindest theoretisch - in eine Vielzahl von Stoffen verwandeln. Die Produkte bieten nicht nur neue ökonomische und ökologische Perspektiven, sondern auch hinsichtlich ihres Einsatzes. Polypropylencarbonat (PPC), das zu 43 Prozent aus CO2 besteht, ist hierfür ein exzellentes Beispiel.

Das Material hat eine lange Geschichte: Es wurde bereits 1969 erstmals synthetisiert, konnte sich damals aber nicht durchsetzen. Nun ist es gewissermaßen der Star unter den CO2-Polymeren: PPC ist biologisch abbaubar und lebensmittelverträglich, durchsichtig, zeigt eine hohe Temperatur- und Wetterstabilität, ist elastisch und besitzt einen Form-Gedächtnis-Effekt. Das eröffnet ihm weite Einsatzgebiete: als Folien für Lebensmittel, als Beschichtung von diversen Materialien wie Holz, Metallen oder Kunststoffen, aber auch als Ausgangsbasis für weitere Kunststoffe. Darüber hinaus eignet es sich als Weichmacher für Biokunststoffe wie Polylactid (PLA) oder natürlichen Polyester. Diese ebenfalls biologisch abbaubaren Kunststoffe sind für viele Anwendungen zu spröde und müssen daher mit Additiven versetzt werden.

Weltweit führend bei der Kommerzialisierung von PPC ist das US-Unternehmen Novomer. Zurzeit produziert es in einer halbkommerziellen Anlage einige Hundert Tonnen Kunststoff pro Jahr. Auch in Deutschland könnten schon bald CO2-Produkte die Haushalte erobern. BASF sowie Bosch und Siemens Hausgeräte präsentierten im Sommer Kunststoffteile aus PPC mit Polyester oder Polylactid für Staubsaugerabdeckungen und die Innenfächer von Kühlschränken. Ersteres könnte den Massenkunststoff ABS ersetzen. Weitere vielversprechende Anwendungsgebiete sieht BASF in Folien und Beschichtungen von Papier.

CO2 bietet noch mehr Anwendungsmöglichkeiten. Mit Wasserstoff kann es zu Methanol oder Methan reagieren und als Energiespeicher dienen. Dieser Weg ist dann interessant, wenn der Wasserstoff mithilfe sonst verpuffender Stromspitzen regenerativer Energien erzeugt wird. Darauf setzt Island, das dank seiner Geothermie grüne Energie im Überfluss besitzt. Seit 2006 operiert hier das Unternehmen Carbon Recycling International, das mithilfe von Geothermie aus Wasserstoff und CO2 Methanol herstellt.

Die künstliche Photosynthese als Krönung aller Forscheranstrengungen

Seit 2011 ist die erste kommerzielle Anlage in Betrieb, die jährlich 5200 Tonnen Kohlendioxid in fünf Millionen Liter Methanol umwandeln soll. Als einer der Grundbausteine der chemischen Industrie ist dieser Alkohol vielseitig einsetzbar: Für diverse Chemikalien oder auch als Sprit für Brennstoffzellen. Damit ließen sich 2,5 Prozent des isländischen Kraftstoffbedarfs decken. Methanol kann man aber auch - wie Ethanol - dem normalen Benzin beimischen.

In der Tat hätte es seinen Reiz, aus den Autoabgasen wieder Sprit herzustellen. Die Krönung aller Forscheranstrengungen wäre aber wohl die künstliche Photosynthese, die CO2-Verwertung nach dem Vorbild der Natur. Auch auf diesem Gebiet tummeln sich weltweit unzählige Wissenschaftler, die künstliche Bäume und Blätter erschaffen wollen. Sie haben erste Erfolge zu vermelden: Beispielsweise präsentierte Panasonic im Sommer ein System, dessen Herz ein Nitrid-Halbleiter und ein Metall-Katalysator sind. Damit gelingt es, CO2 unter Einstrahlung von Sonnenlicht in Ameisensäure als chemischen Grundstoff zu verwandeln. Mit einer Effizienz, die den natürlichen Prozessen entspricht.

Inwiefern und wann Kohlendioxid tatsächlich das Potential hat, Erdöl zumindest teilweise als den Rohstoff der chemischen Industrie zu ersetzen, darüber kann derzeit nur spekuliert werden. "Wir stehen noch ganz am Anfang dieser Entwicklung", betont Christoph Gürtler von Bayer. "Wir sehen, dass technologisch einiges machbar ist, erste Produkte sind greifbar. Jetzt können wir uns verstärkt auch strategischen Überlegungen widmen."

Dazu gehört, inwieweit man bestehende Infrastruktur umrüsten oder ersetzen muss und wie teuer das wird. Um die offenen Fragen zu klären, werden Bayer und die RWTH Aachen künftig über das CAT auch mit dem Potsdamer IASS kooperieren. Hier soll ab dem kommenden Jahr je ein Wissenschaftler zu den ökonomischen und zu den ökologischen Perspektiven forschen.

Eines ist allerdings auch so schon klar: Ob und wie schnell die chemische Industrie auf alternative Rohstoffe umsteigt, hängt nicht zuletzt vom Ölpreis ab. Und der scheint aufgrund neuer Fördertechniken erst einmal nicht zu steigen.

© Technology Review, Heise Zeitschriften Verlag, Hannover

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1. !
nalle84 26.12.2012
Das sind sinnvolle und richtige Investitionen! Hoffentlich werden die nächsten Innovationen nicht verschlafen, oder ewig in der "Schublade" gehalten.
2. Ähem
Layer_8 26.12.2012
Zitat von sysopDPAAus schlecht wird gut: Die chemische Industrie hat Kohlendioxid als Ressource entdeckt. In Pilotanlagen entstehen Kunststoffe und Chemikalien auf CO2-Basis. Ob das Treibhausgas aber Erdöl als Rohstoff ersetzen kann, hängt aber auch von den Preisen ab. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/kohlendioxid-klimakiller-als-rohstoff-a-873928.html
Soweit ich informiert bin, ist CO2 die chemisch stabilste Kohlenstoffverbindung, also mit der größten Bindungsenergie. Wenn man diese Bindungen aufbricht benötigt es also Energiezufuhr. Woher kommt diese Energie? Aus Windmühlen? Aus Kernkraftwerken? Oder doch aus Kohle-/Ölkraftwerken, welche wiederum CO2 erzeugen? CO2-Bilanz?
3. Neue Fördertechniken von Rohoel?
rolandjulius 26.12.2012
Da ist mir etwas entgangen,was gibt es hier Nuees?
4.
antilobby 26.12.2012
Zitat von Layer_8Soweit ich informiert bin, ist CO2 die chemisch stabilste Kohlenstoffverbindung, also mit der größten Bindungsenergie. Wenn man diese Bindungen aufbricht benötigt es also Energiezufuhr. Woher kommt diese Energie? Aus Windmühlen? Aus Kernkraftwerken? Oder doch aus Kohle-/Ölkraftwerken, welche wiederum CO2 erzeugen? CO2-Bilanz?
Pflanzen tun dies seit Jahrmillionen mit Energie aus Sonnenlicht. Wenn technische Prozesse das gleiche mit Solar, Wind oder Kernenergie realisieren können, ist es gut für die CO2-Bilanz.
5. optional
drmtiede 26.12.2012
hurra! es wird am perpetuum mobile geforscht, der stein der weisen, langkettige kohlenwasserstoffe verbrennen zu CO2 und dieses dann ohne energieaufwand wieder in langkettige kohelnwasserstoffe umwandeln, hurra, die zukunft ist doch wunderbar!
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