Kohlendioxid Vom Klimakiller zum gefragten Rohstoff

Unter Chemikern stellt sich schon länger die Frage, ob das klimaschädliche Gas Kohlendioxid nicht auch als Rohstoff genutzt werden könnte. Immerhin verbraucht die Industrie große Mengen Kohlenmonoxid. Aber wie wird aus dem einen das andere Gas? Unter Leitung der TU Berlin haben Forscher jetzt einen bioinspirierten Katalysator entwickelt, der das möglich machen soll. In der Schweiz nutzt man das Klimagas dagegen einfach, um Pflanzen schneller wachsen zu lassen.

Kohlendioxid (CO2) hat keinen guten Ruf: Das Gas ist vor allem dafür bekannt, ein klimaschädliches Abgas zu sein. Doch Wissenschaftler forschen seit längerer Zeit daran, wie die chemische Verbindung vielleicht doch sinnvoll nutzbar und dadurch gleichzeitig unschädlich gemacht werden kann.

Ein Katalysator für CO2

Einem Forscherteam der Technischen Universität Dresden, der Ruhr Universität Bochum, der Universität Kopenhagen und der TU Berlin als Federführer ist es nun gelungen, aus Kohlendioxid einen gefragten Rohstoff für die Industrie zu produzieren: das Gas Kohlenmonoxid. Dazu ließen sie sich von der Natur - genauer gesagt der Biokatalyse - inspirieren, teilte die Technische Universität Berlin mit.

Kohlenmonoxid werde zum Beispiel in großen Mengen von Industrien verbraucht, die Polycarbonat oder Polyurethan herstellen. Das sind sogenannte thermoplastische Kunststoffe, aus denen zum Beispiel CDs, Brillen und Schutzgläser (Polycarbonat) oder etwa Schwämme, Amaturenbretter und Schaumstoffe (Polyurethan) hergestellt würden. Bisher werde das Kohlenmonoxid für die Kunststoffproduktion extra aus dem fossilen Brennstoff Methan hergestellt.

Ein Prozess, bei dem nicht nur fossile Brennstoffe verbraucht werden, sondern bei dem zusätzlich auch noch Kohlendioxid entsteht. Die Frage war, ob man das Kohlenmonoxid unbedingt aus Methan gewinnen muss oder ob es nicht auch eine Möglichkeit gibt, es effektiv aus CO2 zu gewinnen? Die Antwort darauf ist: Ja, elektrochemisch geht das.

Prof. Peter Strasser, Technische Universität Berlin

Diese Erkenntnis ist erst einmal nicht neu: Es gibt bereits Katalysatoren, die das können. Das Problem war bisher jedoch, dass der beste bislang bekannte Katalysator für diese Elektrolyse relativ unspezifisch ist und zusätzlich noch Gold oder Silber in seinem reaktiven Zentrum benötigt. Kurz gesagt: Er ist sehr teuer.

Deshalb hat die Arbeitsgruppe um Strasser eine Alternative gesucht und ist in der Natur fündig geworden: Die Forscher haben einen bioinspirierten Katalysator entwickelt, dessen "aktives Zentrum" ähnlich funktioniert wie das des Proteinkomplexes Hämoglobin in unserem Blut - das sogenannte Porphyrin. Dieser Stoff enthält vier Stickstoff-Atome und in der Mitte ein Metall-Atom.

Der Kohlendioxid-Katalysator ist analog aufgebaut. Die entscheidende Rolle spielt der TU Berlin zufolge dabei das zentrale Metall. Es binde das CO2-Molekül und mache daraus über verschiedene Zwischenstufen Kohlenmonoxid. Wie effektiv diese Kohlenmonoxid-Produktion sei, hänge dabei sehr wesentlich vom Metall-Atom des Katalysators ab. Die Forscher haben unter anderem die Wirksamkeit von Nickel und Eisen als zentrales Atom in dem Katalysator untersucht.

Nickel zum Beispiel ist ein besonders interessantes Derivat, da es das Kohlenmonoxid nur schwach bindet und es relativ leicht wieder als Gas entlässt. Enthält das aktive Zentrum dagegen Eisen, liegt die Produktion von Kohlenmonoxid anfangs zwar höher als beim Nickel, allerdings wird das Kohlenmonoxid deutlich stärker gebunden.

Im Labormaßstab konnten die Forscher nach eigenen Angaben beweisen, dass ein zu 99 Prozent kohlenstoffbasierter Katalysator mit Nickel in seinem Zentrum effektiver und selektiver Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid herstelle, als die bekannten Gold- und Silber-Katalysatoren. Die neuen Katalysatoren werden nun auf ihre Tauglichkeit für die Industrie getestet.

Der CO2-Sauger lässt Gemüse wachsen

Eine Schweizer Firma hat einen anderen Weg gewählt, um Kohlendioxid nutzbar zu machen. Mit einem riesigen CO2-Sauger filtern sie den Klimakiller aus der Luft und pumpen ihn in ein Gewächshaus. Bis zum Jahr 2025 will das Unternehmen so ein Prozent aller CO2-Emissionen einfangen.

Der weltweit erste kommerziell betriebene Kohlendioxid-Sauger steht auf dem Dach einer Müllverbrennungsanlage südöstlich von Zürich. Die Anlage besteht unter anderem aus den CO2-Kollektoren: Metallboxen mit Ansaugrohren, die an die Düsen eines Flugzeugs erinnern. Darin werde mithilfe eines großen Ventilators Umgebungsluft angesaugt.

In den Kollektoren befindet sich ein Feststofffilter, der mit Aminen bestückt ist. Das ist eine feste Base und CO2 ist eine Säure. Wenn beide aufeinandertreffen, gehen sie eine Bindung ein.

Valentin Gutknecht, Climeworks

Ist der Filter gesättigt, wird er mit Hilfe von Abwärme der Müllverbrennungsanlage auf etwa 100 Grad erhitzt. Das CO2 löst sich wieder und kann als reines Gas abgesaugt werden. 900 Tonnen Kohlendioxid kann die Anlage pro Jahr aus der Luft filtern. Das entspricht dem CO2-Ausstoß von 200 Autos.

Das Prinzip entwickelten zwei deutsche Ingenieure an der Technischen Hochschule ETH Zürich. Vor acht Jahren gründeten sie die Firma Climeworks, um ihre Idee zu vermarkten. Einer der beiden ist der aus Hamburg stammende Jan Wurzbacher. Er sagt: "Man kann CO2 im Prinzip schon sehr lange aus der Luft filtern. Das müssen Astronauten auf der Raumstation, das können U-Bootfahrer seit vielen Jahren. Wenn man CO2 im großem Maßstab aus der Luft filtern will, liegt die Kunst darin, es kostengünstig zu tun."

Wurzbacher und sein Partner entwickelten eine energieeffiziente und wirtschaftliche Lösung, denn genau der große Maßstab ist das Ziel der beiden Ingenieure. Sie wollen mit ihren CO2-Saugern gegen den Klimawandel ankämpfen.

Die Entwicklung zielt darauf ab, in einigen Jahren CO2 in großem Maßstab aus der Luft entfernen und vielleicht auch unterirdisch einlagern zu können, um eine Reduktion in der Atmosphäre zu erreichen.

Jan Wurzbacher, Climeworks

Die Vision: Im Jahr 2025 will man ein Prozent der weltweiten Kohlendioxid-Emissionen aus der Luft abscheiden. Dazu müssten 750.000 solcher CO2-Saug-Container aufgestellt werden. Das mit dieser ersten Anlage aus der Luft gefilterte Kohlendioxid wird in ein Gewächshaus geleitet und kurbelt dort die Photosynthese von Gurken- und Tomatenpflanzen an, erklärt Valentin Gutknecht von Climeworks. "Das bewirkt einen Zuwachs des Ernteertrags um bis zu 20 Prozent."

Interessiert sind auch Getränkehersteller, die das Kohlendioxid für kohlensäurehaltige Getränke nutzen. Und mit Audi hat Climeworks bereits eine Kooperation vereinbart. Der Autobauer will aus der Luft gefiltertes CO2 für die Synthese von ökologischem Treibstoff verwenden.

Über dieses Thema berichtet MDR AKTUELL auch im: Radio | 06.11.2017 | 06:05 Uhr