Sonntag, 21. Oktober 2018
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Aus CO2 chemische Wertstoffe gewinnen


Ulrich Kreutzer


Fundamental, disruptiv, ja revolutionär – der Wandel, der derzeit weltweit Energiesysteme prägt, ist einschneidend. Eine wesentliche Rolle spielen dabei erneuerbare Energien. Ihr Anteil an der Stromerzeugung steigt stetig, ihre Erzeugungskosten sinken rapide, und beides führt zu völlig neuen Anforderungen an verschiedene Komponenten der Energiesysteme. So müssen Netze flexibler werden, die Frage der Stromübertragung zwischen Erzeugungs- und Lastzentren gewinnt an Bedeutung und auch Speichertechnologien werden immer wichtiger. Deshalb wird die Bandbreite an Power2X-Technologien erforscht, um erneuerbar erzeugten Strom zu speichern oder in wertvolle Rohstoffe umzusetzen.

Künstliche Photosynthese

Einer von mehreren Technologiepfaden ist es, Kohlendioxid (CO2) mithilfe von Strom aus Wind- oder Sonnenenergie über Elektrolyse- und Fermentationsprozesse in chemische Wertstoffe zu wandeln. Dabei handelt es sich um einen technischen Prozess, der letztlich das Gleiche liefert wie die Photosynthese, die man aus der Natur kennt: Pflanzen nehmen CO2 und Wasser auf, um daraus energiereiche organische Verbindungen aufzubauen.

Genau das machen sich rund 20 Wissenschaftler von Siemens und Evonik zum Vorbild. Seit Januar 2018 arbeiten sie gemeinsam im Forschungsprojekt Rheticus an einer künstlichen Photosynthese [1]. Ihr Ansatz ist die elektrochemische Reduktion von CO2 und Wasser zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid (CO), ehe letzteres über einen Gasfermentationsprozess zu chemischen Wertstoffen umgesetzt wird. Diese können beispielsweise hochwertige organische Chemikalien wie Butanol oder Hexanol sein, die sich vielseitig einsetzen lassen, beispielsweise als Ausgangsstoffe für Spezialkunststoffe, als Lösungsmittel oder als Treibstoffe, alternativ zu Benzin und Diesel. Das Projekt ist auf zwei Jahre angelegt, das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Vorhaben mit 2,8 Mio. €. Hervorgegangen ist Rheticus aus der Kopernikus-Initiative. Das Forschungsvorhaben ist auf zehn Jahre ausgerichtet, mit 400 Mio. € ausgestattet und soll helfen, die Energiewende in Deutschland umzusetzen.

Vom Treibhausgas zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid …

Im ersten Schritt wandeln die Experten Kohlendioxid und Wasser mithilfe von „grünem“ Strom in Wasserstoff und Kohlenmonoxid (CO). Die Technologie dazu stammt aus dem Hause Siemens – ein CO-Elektrolyseur mit einer Leistung von 2,5 kW. Die elektrische Stromdichte sowie Stabilität kommerzieller Elektrolyseure bietet noch Optimierungspotenzial – die Siemens-Experten greifen für die Kathode auf eine gewöhnliche silberbasierte Gasdiffussionselektrode zurück, die in der industriellen Chlor-Alkali-Elektrolyse verwendet wird. So konnten sie bislang eine elektrische Stromdichte von 300 mA/cm2 nachweisen, und das bei mehr als 2.000 Dauerbetriebsstunden. Dabei erreichte die Stromausbeute an CO 95 %. Das notwendige CO2 kann aus vielfältigen Quellen bezogen werden, beispielsweise aus Industrieabgasen oder aus Biogas. Damit ist es als Ausgangsstoff überall verfügbar.

… und daraus chemische Wertstoffe gewinnen

Im zweiten Prozessschritt kommt dann die Expertise von Evonik ins Spiel – bei der Gasfermentation. Die Wissenschaftler nutzen Mikroorganismen, um aus der Mischung des gewonnenen Kohlenmonoxid und Wasserstoff Spezialchemikalien herzustellen. Die anaeroben Bakterien der Gattung Clostridium autoethanogenum und Clostridium kluyveri essen die kohlenmonoxidhaltigen Gase. Dabei produzieren die Bakterien von Natur aus die Alkohole Butanol und Hexanol. Dies erfolgt über drei Schritte: In einem ersten Fermentationsschritt wird das Synthesegas zu Acetat und Ethanol verstoffwechselt. Beide Moleküle dienen dann als Ausgangsstoff, um Butyrat und Hexanoat herzustellen, das im letzten Schritt zu Butanol und Hexanol reduziert wird (Abb. 1).

Abb. 1 Prozesse: Elektrolyse und Gasfermentation
Abb. 1 Werden die beiden Prozesse der Elektrolyse und der Gasfermentation verbunden, lässt sich aus Kohlendioxid und Wasser Butanol und Hexanol erzeugen (Grafik: Siemens AG)

Vom Labordemonstrator zur Versuchsanlage

Noch befinden sich beide Prozesse – CO-Elektrolyse und Fermentation – im Labormaßstab. Ziel der Forscher innerhalb des Förderprojekts Rheticus ist es, beide in eine Versuchsanlage zu überführen, die auf dem Evonik-Standort im nordrhein-westfälischen Marl entstehen soll. Im nächsten Schritt könnte dann eine Anlage mit einer Produktionskapazität von bis zu 20.000 t pro Jahr entstehen.

„Mit dem Rheticus-Projekt wollen wir mehrere Vorteile ausspielen“, erklärt Karl-Josef Kuhn, Leiter der Forschungsabteilung Power2X and Storage der Siemens AG. „Kohlendioxid zu binden und daraus wertvolle Rohstoffe zu machen ist das Eine; die Herstellung vieler Rohstoffe CO2-ärmer und damit umweltfreundlicher zu machen, das Andere“. Deutlich wird das beim heutigen Weltmarkt für Butanol. Derzeit werden jährlich rund 4 Mio. metrische Tonnen (mt) 1-Butanol produziert. Noch basiert ein Großteil der Chemikalien auf fossilen Brennstoffen – alleine in Deutschland sind es 0,6 Mio. mt Butanol, die mit Öl erzeugt werden [2]. Der gemeinsame Ansatz von Siemens und Evonik verspricht nun eine Lösung, die umweltfreundlicher und weniger komplex ist.

Das wäre auch ganz im Sinne des Namensgebers Georg Joachim Rheticus gewesen, einem Universalgelehrten aus dem 16. Jahrhundert. Als Schüler von Nikolaus Kopernikus ist er es gewesen, der seinen Meister davon überzeugte, dessen neues, heliozentrisches Weltbild – die Erde drehe sich um die Sonne – zu veröffentlichen. Ein neues Weltbild wird das Forschungsprojekt Rheticus sicherlich nicht etablieren können, aber es könnte einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende und zur sektorübergreifenden Dekarbonisierung leisten.

Abb. 2 Leiter Forschungsabteilung Power2X and Storage (Siemens AG)
Abb. 2 Gemeinsam mit seinem Team untersucht Karl-Josef Kuhn bei Siemens, welche Rolle Speichertechnologien spielen, um die Energiewende und die weltweite Dekarbonisierung zum Erfolg zu machen (Foto: Siemens AG)

Anmerkungen

[1] Siehe hierzu: Haas, T.; Krause, R.; Weber, R.; Demler, M.; Schmid, G.: Technical photosynthesis involving CO2 electrolysis and fermentation, in: Nature Catalysis 1, 32-39 (2018), zu finden unter: https://www.nature.com/articles/s41929-017-0005-1

[2] Malveda, M. P.; Liu, S.; Passararat, S. & Sesto, B.: Chemical Handbook: Plasticizer Alcohols (C 4–C 13) 8,86 (IHS Chemical, 2015). Economics Handbook: Plasticizer Alcohols (C 4–C 13) 8,86 (IHS Chemical, 2015).
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Dr. U. Kreutzer, Communication Consultant 
Research in Energy and Electronics, Corporate Technology
Siemens AG, München

ulrich.kreutzer@siemens.com

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