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Kohlendioxid-Recycling: Klimakiller oder Kassenknüller?

Bild: Siemens„So lange wir CO2 als Abfall sehen, den wir in den Boden verpressen müssen, werden wir Probleme haben. Sowohl bezüglich der dauerhaften Lagerfähigkeit als auch wegen fehlender gesellschaftlicher Akzeptanz“, sagte der frühere Bundesumweltminister Klaus Töpfer anlässlich einer Fernsehdiskussion vor wenigen Monaten. Er plädiere für Alternativen, die Kohlendioxid (CO2) in den Stoffkreislauf zurückführen, es als Rohstoff einzusetzen. Vielleicht sind wir gut beraten, großtechnische Lösungen intensiver zu erforschen. Dass CO2-Recycling grundsätzlich funktionieren kann, belegt der nachfolgende Beitrag. Er stammt aus der Frühjahrsausgabe der Siemens-Zeitschrift Pictures of Future.

 


Oben: Hungrig nach Kohlendioxid: Algen bauen aus Kohlendioxid neue Biomasse auf, und zwar fünf- bis zehnmal effizienter als Landpflanzen – sie könnten Erdöl als Quelle für Kraft- oder Kunststoffe ersetzen

Kohlendioxid ist nicht nur ein Treibhausgas, das zur Klimaerwärmung beiträgt. Es lässt Pflanzen schneller wachsen und dient als Ausgangssubstanz für Chemieprodukte und Kraftstoffe. Man sollte es daher nicht nur unterirdisch lagern, sondern wiederverwerten, plädieren Forscher von Siemens.

Wenn es nach Dr. Osman Ahmed ginge, könnte jedes Haus der Welt zum Baum werden. Der Leiter für Forschung und Innovation bei der Siemens-Division Building Technologies in Buffalo Grove, Illinois, würde gern überall Gebäude im grünen Gewand sehen – allerdings eher im übertragenen Sinne. „Wenn wir die Prinzipien der Photosynthese für Fassadenanstriche nutzen, könnten alle Gebäude Kohlendioxid (CO2) aus der Luft in andere Kohlenstoffverbindungen verwandeln, etwa in Methanol“, beschreibt er seine Vision „Building as a tree“, die er mit Prof. Maximilian Fleischer von Siemens Corporate Technology (CT) in München vorantreibt. Solche Anstriche sollten nanometerkleine Farbstoffteilchen enthalten, die wie das Chlorophyll der Pflanzen beim Lichteinfang helfen, sowie Titandioxid, das auch in Wandfarben oder Zahnpasta steckt und ähnlich wie das Silizium in einer Solarzelle Licht in Strom verwandeln kann.

Algen nutzen CO2 Bild: SiemensKohlendioxid-Verwerter: Algen nutzen Kohlendioxid aus Kraftwerksabgasen für ihr Wachstum (links), und Silikate lasssen sich damit in nützliche Stoffe verwandeln, etwa in Magnesiumkarbonat (unten)

„Die Anstriche können grün sein wie ein Blatt, aber auch orange, rosa oder grau aussehen“, betont Ahmed. Mit der eingefangenen Sonnenenergie könnten aus CO2 Brennstoffe wie Methanol hergestellt und durch ein System winziger Röhrchen zu einem gebäudeeigenen Tank geleitet werden. Von dort könnte man sie abtransportieren oder bei Bedarf an Ort und Stelle wieder in Strom und Wärme umsetzen. Ahmed beeindruckt vor allem das Potenzial der Methode „Mit nur einem Viertel der Sonnenenergie, die auf US-amerikanische Gebäude auftrifft, könnte ein Großteil aller CO2-Emissionen der USA wieder verwendet werden“, meint er.

Magnesiumcarbonat aus CO2 Bild: SiemensDer dafür erforderliche Wirkungsgrad der solaren Brennstofferzeugung von 25 Prozent ist allerdings noch pure Vision – wenn auch eine faszinierende. Der Verband der Chemischen Industrie zählt die künstliche Photosynthese zu den „langfristig attraktivsten Varianten“ der CO2-Verwertung. Tatsächlich gibt es bereits rötlich schimmernde Farbstoff-Titandioxid-Zellen, die Sonnenlicht in Strom verwandeln und von der australischen Solarzellen-Firma Dyesol für den Einsatz auf Dächern gefertigt werden. Ihr Wirkungsgrad liegt bei zehn Prozent. Auch die walisische Firma G24 Innovations produziert seit Ende 2009 solche Solarzellen als in Kunststoff verpackte Stromlieferanten von der Rolle. Die solargestützte Umsetzung von CO2 und Wasser zu Methanol und Sauerstoff ist dagegen noch eine Angelegenheit für Grundlagenforscher. Sie suchen vor allem noch nach geeigneten, stabilen Katalysatoren für die chemische Reaktion.

Die künstliche Photosynthese ist eine Option von vielen, um klimaschädliches CO2 wieder zu verwenden, anstatt es einfach in die Atmosphäre zu pusten oder unter die Erde zu verbannen. Denn im Prinzip könnte alles, was heute aus fossilen Rohstoffen entsteht – vom Kraftstoff bis zum Kunststoff – auch aus Kohlendioxid hergestellt werden. Die zukunftsträchtigsten Ideen zum CO2-Recycling haben Experten aus Wissenschaft, Wirtschaft und Industrie im Herbst 2009 während eines Workshops in Bonn genauer unter die Lupe genommen. Das Kolloquium wurde von Siemens und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) veranstaltet. „Ziel war es vor allem, das Realisierungspotenzial der unterschiedlichen Strategien zur CO2-Nutzung aufzuzeigen“, sagt Dr. Jochen Kölzer von Siemens CT. Allein das BMBF wird in den kommenden fünf Jahren 100 Millionen Euro für Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet bereitstellen.

Biokraftstoffe aus Algen. Eines der diskutierten Verfahren war das CO2-Recycling durch Algen. „Algen bauen aus den Kohlenstoffatomen des Treibhausgases durch Photosynthese neue Biomasse auf – und das fünf- bis zehnmal effizienter als Landpflanzen“, berichtet Dr. Manfred Baldauf, Chemiker bei Siemens CT in Erlangen. Aus der gewonnenen Biomasse könnten künftig Biogas, Biodiesel und Biokunststoffe produziert werden. Für die Algenzucht braucht man kein wertvolles Trinkwasser, denn die winzigen Organismen wachsen auch in Brack- oder sogar Meerwasser. „Und man blockiert damit keine Flächen für den Anbau von Nahrungsmitteln, weil die Bioreaktoren auf unfruchtbarem Brachland aufgebaut werden können“, nennt Baldauf einen weiteren Vorteil. Um allerdings den CO2-Ausstoß eines 100-MW-Kohlekraftwerks umzusetzen, ist eine Fläche von 7 000 Fußballfeldern erforderlich, hieß es auf dem Workshop. So schafft der Kraftwerksbetreiber RWE Power mit seiner 600 m² großen Algen-Pilotanlage am Braunkohlekraftwerk Niederaußem bei Köln in einem ganzen Jahr weniger CO2 beiseite, als das Kraftwerk in nur 15 Sekunden Betriebszeit produziert.

Dennoch ist dies natürlich ein sinnvolles Forschungsprojekt, denn Algen können das CO2 direkt aus Kraftwerksabgasen verarbeiten – wobei auch noch die Abwärme beim Wachsen hilft. An vielen Forschungseinrichtungen arbeiten Wissenschaftler daran, den Prozess noch effizienter zu gestalten. So wollen sie die Lichtzufuhr in den Anlagen verbessern und Verfahren entwickeln, um Algen-Nährstoffe wie Phosphate und Stickoxide zu recyceln und Industrieabwässer als Nährstoffquelle zu erschließen. CT-Forscher haben zudem eine Methode entwickelt, wie Algen sehr einfach geerntet werden können. Dabei vermengen sie die Algen mit Magnetit-Teilchen. Ein Magnet kann das Gemisch daraufhin „aufsammeln“, ohne dass das Wasser in den Zuchttanks abgelassen werden muss. Einer der Vorteile: Dadurch, dass der Wasserverlust geringer ist als bisher, werden Algen als Rohstofflieferanten auch für trockenere Gebiete interessant.

CO2 als Industrie-Rohstoff

Für das CO2-Recycling können sich Forscher aber auch an bereits Bewährtem orientieren. Schließlich ist das Gas seit vielen Jahrzehnten eine wichtige Kohlenstoffquelle für die chemische Industrie. 110 Millionen Tonnen CO2 werden hier jedes Jahr umgesetzt, berichtet der Chemieprofessor Dr. Michele Aresta von der italienischen Universität von Bari. So dient Kohlendioxid als Ausgangssubstanz für Harnstoff, der zu Düngemitteln und Kunstharzen weiter verarbeitet wird, und auch die in Aspirin enthaltende Salicylsäure wird mit Hilfe von CO2 hergestellt.

Ein Prozess, der für künftiges CO2-Recycling besonders wichtig werden könnte, ist die Produktion von Methanol. Der Alkohol wird derzeit großtechnisch aus Synthesegas hergestellt, einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Technisch ist es aber auch möglich, ihn aus CO2 und Wasserstoff zu gewinnen. Heute wird Methanol vor allem als Lösungsmittel und Ausgangssubstanz für Industriechemikalien verwendet. Er kann aber auch in Brennstoffzellen für die Stromproduktion oder als Kraftstoff eingesetzt werden. „Als Benzinzusatz könnte Methanol praktisch sofort genutzt werden, ohne dass eine neue Infrastruktur oder neue Zapfsäulen an den Tankstellen geschaffen werden müssten“, berichtet der Siemens-Chemiker Baldauf. Der Alkohol lasse sich außerdem zu Dimethylether umsetzen und liefere so ein Pendant für Dieselkraftstoffe. Auch Methan, wie es vor allem in Erdgas enthalten ist, könnte einst in großen Mengen aus CO2 und Wasserstoff hergestellt und dann direkt in die bestehenden Gasversorgungsnetze eingespeist werden.

Entscheidend für eine klimafreundliche CO2-Bilanz der Methanol- und Methanproduktion ist die Herkunft des Wasserstoffs. „Wird Wasserstoff aus Erdgas oder Erdöl gewonnen, wie zurzeit üblich, ist der Schaden für das Klima höher als der Nutzen“, sagt Baldauf. Dann werde am Ende mehr CO2 freigesetzt als sich durch die Reaktion zum Methanol einfangen lasse. Deshalb arbeiten Forscher unter anderem an Verfahren, den Wasserstoff aus Wasser herzustellen, mithilfe von Algen oder mit Strom aus regenerativen Quellen. „Würde der Wasserstoff in Wind- oder Solarparks produziert, könnte er direkt vor Ort zu Methanol oder Methan weiter verarbeitet werden“, erläutert Baldauf. „Dann hätte man zugleich Speichermedien für überschüssige Wind- oder Sonnenenergie.“ Natürlich könne man den Wasserstoff auch direkt als Energieträger einsetzen, was energetisch sogar etwa doppelt so effizient wäre. Dagegen spricht aber, dass dann eine eigene Infrastruktur für den Transport sowie passende Zapfsäulen und entsprechende Autos gebaut werden müssten.

Ein Berg für das CO2 der Menschheit

Eine Technologie, die nach Baldaufs Einschätzung noch weiter von der praktischen Umsetzung entfernt ist als die Brennstoffproduktion, ist die Mineralisation. „Dabei wird CO2 in magnesium- oder kalziumhaltigen Silikatgesteinen chemisch gebunden“, berichtet er. Ein Prozess, der, wenn auch langsam, in der Natur von selbst stattfindet. Die Produkte sind Karbonate, kreideähnliche Pulver, die etwa als Füllstoffe für die Papierindustrie oder in der Bauwirtschaft zum Einsatz kommen könnten. Magnesiumkarbonat kennt jeder vom Klettern oder Geräteturnen: Es macht Hände griffiger und hilft, Schweiß zu trocknen.

Das Potenzial der Mineralisation wäre riesig: „Theoretisch ließe sich mit dem Gestein eines einzigen großen Berges im Sultanat Oman mehr Kohlendioxid aus dem Verkehr ziehen, als wir jemals weltweit erzeugen könnten“, sagte Prof. Ron Zerhoven von der Abo Akademi in Finnland auf dem Bonner Workshop. Allerdings müsste das Gestein erst einmal abgebaut und gemahlen werden, um eine möglichst große Oberfläche für die chemische Reaktion zu liefern und sie dadurch schneller zu machen – ein ausgesprochen energieaufwändiges Prozedere. Außerdem müssten Millionen Tonnen Karbonate transportiert und gelagert werden.

So stecken viele Verfahren zur CO2-Nutzung noch in den Kinderschuhen. „Die meisten sind aber technisch machbar“, betont Dr. Günter Reuscher vom Verein Deutscher Ingenieure. Wichtigstes Ziel sei es nun, umfassende Energie- und CO2-Bilanzen zu erstellen und die Wirtschaftlichkeit der industriellen Umsetzung zu prüfen. Diese Analysen müssten zudem mit Bilanzen für Alternativstrategien verglichen werden. „Erst dann lässt sich sagen, welche der Technologie-Optionen dem Klima wirklich nützen“, meint der Fachmann für Zukunftstechnologien. Auf gar keinen Fall dürften die Möglichkeiten der CO2-Wiederverwertung Anlass dafür sein, künftig sorgloser mit dem Verbrauch fossiler Rohstoffe umzugehen. „Es ist immer effizienter, CO2 zu vermeiden, als es zu recyceln“, sagt Reuscher.

Dennoch könnten Investitionen in Forschung und Entwicklung und konzertiertes Bemühen von Chemikern und Ingenieuren das Treibhausgas einst sogar zum Verkaufsschlager machen. Bei einer niederländischen Ölraffinerie ist dies bereits gelungen. Ihr Kohlendioxidabgas wird als Wachstumsbeschleuniger in nahe gelegene Gewächshäuser geleitet. Das als Klimakiller berüchtigte Gas ist hier ein Kassenknüller und zeitweise sogar ausverkauft.


von Andrea Hoferichter / veröffentlicht mit freundlicher Genehmigung der Siemens AG (aus Pictures of the Future, www.siemens.de/pof)

© Bild: Siemens

© Algen nutzen CO2 Bild: Siemens

© Magnesiumcarbonat aus CO2 Bild: Siemens



19.09.2014

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