Die aktuell sichtbaren dramatischen Folgen des Klimawandels wie das Hochwasser in Deutschland und Belgien oder die Hitzewelle in Kanada und den USA erhöhen den Druck auf Unternehmen, ihre CO2-Emissionen drastisch zu reduzieren. Unterstrichen wird dieser Handlungsdruck durch das kürzlich geänderte Klimaschutzgesetz der Bundesregierung, das vorsieht, dass Deutschland bis 2045 klimaneutral wird. In diesem Kontext tritt verstärkt die Frage in den Vordergrund: Was tun mit CO2? Welche Prozesse existieren heute schon, um CO2 direkt in kommerzielle Produkte oder Intermediate der chemischen Industrie umzuwandeln?
Im letzten Beitrag dieser Reihe wurde skizziert, was die Herausforderungen bei der kommerziellen Nutzung von CO2 als Rohstoff sind. Dieser Beitrag nun soll verschiedene Einstiege in die gewinnbringende CO2-Verwertung aufzeigen.
Das Kommerzialisierungspotenzial einer auf CO2 basierenden Wirtschaft ist erheblich. Insbesondere bieten sich Chancen, im Einklang mit der Nachhaltigkeit und dem aktuellen politischen Ziel bis 2045 in Deutschland Klimaneutralität zu erreichen. Eine Entkopplung der Wirtschaft von fossilen Rohstoffen ist möglich durch die Verwertung von CO2 mit klimaneutralen Energiequellen wie Windkraft oder Sonnenenergie. Dadurch können wirklich CO2-neutrale oder sogar CO2-negative Produktionsprozesse geschaffen werden. Das sind Prozesse, die bestenfalls gleichzeitig Produkte bereitstellen und unserer Atmosphäre in Summe CO2 entziehen.
Innovationen für eine effiziente CO2-Nutzung wurden und werden in den letzten Jahren intensiv entwickelt, benötigen teilweise aber noch immer erhebliche Optimierungen und somit Investitionen. Das dafür benötigte technische Know-how befindet sich bereits auf einem hohen Niveau und verknüpft die verschiedensten Disziplinen der Naturwissenschaften.
Wie kann CO2 als Rohstoff genutzt werden?
Ein allgemein bekanntes Beispiel einer direkten CO2-Nutzung ist der Zusatz zu Getränken in Form von Kohlensäure. Solche direkten Anwendungen sind allerdings begrenzt auf sehr wenige Verfahren.
Deswegen muss tiefer in die Trickkiste gegriffen werden: Die Umwandlung von CO2 beginnt mit der Zuführung von Energie, denn CO2 ist eine energiearme Verbindung. Das heißt, in dieser Verbindung ist keine chemisch nutzbare Energie gespeichert – im Gegensatz zu beispielsweise Benzin. Solche brennbaren Energieträger, meist Gemische aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen, werden in sogenannten exothermen Verbrennungsprozessen eingesetzt. Hierbei entstehen Energie (als Wärme) sowie CO2 und Wasser (H2O) als Endprodukte. Um die dahintersteckende Chemie zu vereinfachen: Die Kohlenwasserstoffe werden unter Energieabgabe mit Luftsauerstoff (O2) zu CO2 oxidiert. Aber auch in der Ammoniaksynthese, der Zement- und Stahlindustrie und in der Landwirtschaft wird viel CO2 freigesetzt.
Also muss wieder Energie auf CO2 übertragen werden, um es erneut nutzen zu können. Dabei wird CO2 wieder reduziert, durch Aufnahme von Elektronen (e–). Die Reduktion kann entweder durch direkte Elektronenübertragung – an einer Kathode – oder durch chemische Reduktionsmittel – wie Wasserstoff (H2) – ablaufen. In beiden Fällen werden geeignete Reaktionsbeschleuniger als Katalysatoren, zum Beispiel Metalle, benötigt. Durch die CO2-Reduktion entstehen letztendlich wieder Kohlenwasserstoffe, die als Energieträger oder Zwischenprodukte verwendet werden können. Um die angestrebte Klimaneutralität zu erreichen, kann der für die Reduktion von CO2 benötigte Wasserstoff mit regenerativer Energie über Wasserelektrolyse gewonnen werden, statt aus fossilen Rohstoffen wie Erdgas.
Welche CO2-Umwandlungsprozesse sind heutzutage bekannt?
Verschiedene Wege sind möglich, um Energie auf CO2 zu übertragen, nämlich durch thermochemische (Wärme / Druck / Katalysatoren), elektrochemische (elektrische Energie / Katalysatoren), photochemische (Lichtenergie ) oder biologische (photosynthetische Biomasseanzucht / enzymatische Katalysatoren) Prozesse1.
Um CO2 nutzen zu können, muss es gewonnen werden. Wie geht das?
Am Anfang steht eine geeignete CO2-Quelle. Die bisher herausforderndste und energieintensivste Variante ist die Adsorption aus der Luft. Unternehmen wie die kanadische Carbon Engineering Ltd. und die Schweizer Firma Climeworks AG haben sich dieser Aufgabe angenommen. Eine Anwendung der Technologie ist beispielsweise die Adsorption des atmosphärischen CO2 mit anschließender unterirdischer Lagerung. Hierfür startet Climeworks am 8. September 2021 eine Anlage in Island, die jährlich 4000 Tonnen CO2 einfängt und unter die Erde verbringt4. Aber auch die Umwandlung in CO2-neutrale Kraftstoffe wird von Carbon Engineering seit Dezember 2017 in Richtung Kommerzialisierung vorangetrieben5.
Eine weitere Variante ist die direkte Nutzung von CO2-haltigen industriellen Abgasen (z. B. aus Verbrennungsprozessen oder Fermentation). Der Vorteil: Die Abgase bieten höhere Konzentrationen an CO2. Dadurch wird die Aufreinigung deutlich vereinfacht und der Energiebedarf reduziert. Das bisher ungenutzte Abgas wandelt sich damit zu einem wertvolleren Rohstoffstrom, der in integrierten Prozessen zu Intermediaten oder kommerziellen Zielprodukten umgesetzt werden kann.
Echte Klimaneutralität nur durch Entkopplung von fossilen Ressourcen
Allerdings hat die Nutzung von industriellen Abgasströmen auch einen Nachteil: Sobald das ausgeschiedene CO2 aus fossilen Ressourcen stammt, sind die nachfolgenden Prozesse und Produkte nicht von diesen entkoppelt. Dafür können die fossilen CO2-Emissionen kurzfristig reduziert und der freigesetzte Kohlenstoff effizienter genutzt werden. Sobald aber auch nur ein Teil der entstandenen Produkte an ihrem Lebensende thermisch verwertet wird, wird das fossile CO2 doch wieder freigesetzt. Solange also fossile Rohstoffe als CO2 in die Atmosphäre entlassen werden, steigt die CO2-Konzentration in der Atmosphäre weiter an – trotz der zwischenzeitlichen Nutzung des Treibhausgases als Rohstoff.
Im Vergleich dazu ist – die Entkopplung von fossilen Quellen vorausgesetzt – die hundertprozentige CO2-Adsorption aus der Luft ein Ansatz für eine echte Kreislaufwirtschaft. Auch die Abgase von Fermentationsprozessen – basierend auf pflanzlichen Roh- oder Reststoffen aus der Landwirtschaft – können verwendet werden, da diese erneuerbaren Ressourcen durch den Prozess der Photosynthese aus atmosphärischem CO2 bestehen. Solche Ansätze ermöglichen tatsächlich kohlenstoffneutrale oder sogar -negative Produktionsprozesse nach dem Power-to-X-to-Y-Prinzip, die der Atmosphäre CO2 entziehen (Abbildung 1).
Wie geht es weiter?
Welche Power-to-X- und Power-to-X-to-Y-Verfahren schon heute existieren oder noch erforscht werden, um klimaneutral aus CO2 wichtige Basisverbindungen wie Methanol oder Ameisensäure herzustellen, erfahren Sie im nächsten Beitrag. Stay tuned!
Falls Sie sofort Verwertungsstrategien für Ihr CO2 suchen, können Sie mich selbstverständlich auch schon vorher kontaktieren.
Verwendete Referenzen:
1https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.iecr.5b03277
3https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261918318129
5https://sz-magazin.sueddeutsche.de/die-loesung-fuer-alles/klimaschutz-co2-filter-benzin-85859
Weiterführende Links:
https://www.igb.fraunhofer.de/de/forschung/katalysatoren.html