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Kohlendioxid, eine erneuerbare Ressource

Das Titelbild von ChemSusChem illustriert unsere Vision, das Treibhausgas CO₂ verstärkt als Rohstoff für die chemische Produktion zu etablieren. Mit der Implementierung von CO₂-Abscheidetechniken wird CO₂ zunehmend in großen Mengen und guter Reinheit als Ausgangsstoff für chemische Synthesen zur Verfügung stehen. Diese wollen wir nun für die Synthese von Polymerbausteinen nutzbar machen.

 

 

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» Abfallprodukt wird Rohstoff!

Aus Kohlendioxid werden Polymere hergestellt

Es ist eigentlich ein nahe liegender Gedanke: Wenn die Menschheit schon zu viel Kohlendioxid (CO₂) produziert und damit ein Ungleichgewicht in dem natürlichen Kohlendioxidkreislauf erzeugt, warum sollte man dann nicht versuchen, dieses an sich harmlose Gas für etwas Nützliches einzusetzen?

In diesem Sinne arbeiten Wissenschaftler am CAT Catalytic Center an einer nachhaltigen Verwertung von CO₂. Ziel ist die technische Erschließung von CO₂ als Synthesebaustein für Polymere. Dies könnte einen ersten Einstieg in einen anthropogenen Kohlenstoff-Kreislauf bedeuten.

 

Verwendung von CO₂ heute
Bereits heute wird CO₂ mit vorhandenen Technologien in einer Reihe von bedeutenden chemischen Prozessen als Rohstoff eingesetzt. So wird der C1-Baustein beispielsweise bei der Herstellung von

 

• Methanol (CO₂ Verbrauch: 2 Mio. Tonnen/Jahr),
• Salicylsäure (CO₂ Verbrauch: 30.000 Tonnen/Jahr) und
• Harnstoff (CO₂ Verbrauch: 107 Mio. Tonnen/Jahr) verwendet.

Das daraus abzuleitende Potenzial, CO₂ langfristig zu binden, ist jedoch, im Vergleich zu den CO₂-Mengen, die jährlich als Abfallprodukt der Energiewirtschaft anfallen, sehr gering.

 

Zukunft der CO₂-Nutzung

Über die in der chemischen Industrie bekannten Verfahren, CO₂ nutzbringend zu verwerten, hinaus, gibt es viele innovative Ideen, wie das Molekül in Zukunft als C1-Baustein genutzt werden kann.

Diskutiert werden derzeit vor allem vier interessante Technologien:

• Einbau von CO₂ in Polymere
• Hydrierung von CO₂
• elektrokatalytische Aktivierung
• photokatalytische Aktivierung.

Dabei erweist sich die Herstellung von Polymeren aus CO₂ derzeit als besonders viel versprechender Ansatz.

 

Einsatz von Katalysatoren

Um eine ausreichende Triebkraft für den Einbau des thermodynamisch stabilen Kohlendioxids zu erreichen, sind Umsetzungen mit hochreaktiven und energetisch höher liegenden Reaktionspartnern nötig.
Durch die Wahl geeigneter Katalysatoren lässt sich im Idealfall die chemische Reaktion beider Partner soweit beschleunigen und in die gewünschte Richtung lenken, dass das Verfahren wirtschaftlich wird.
Hier ist jedoch noch viel grundlegendes Wissen über die Wirkungsweise der Katalysatoren erforderlich, um schnell zu optimalen Lösungen zu gelangen.

 

Wertschöpfungspotential für die chemische Industrie

Die stoffliche Verwertung von Kohlendioxid besitzt das Potenzial, einen wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Beitrag zur chemischen Wertschöpfungskette zu leisten und als ein - wenn auch kleiner - Baustein zum Klimaschutz beizutragen.
So stehen der derzeitigen Nutzung von CO₂ als Industriegas mit 20 Mio. Tonnen pro Jahr und der Nutzung von CO₂ als Rohstoff in der chemischen Industrie mit 110 Mio. Tonnen pro Jahr durch den Menschen verursachte CO₂-Emissionen von etwa 30 Mrd. Tonnen pro Jahr gegenüber.
Mengenmäßig ist der Beitrag einer verstärkten Nutzung von CO₂ begrenzt. Das Interesse liegt vielmehr darin begründet, dass CO₂ einen Wertstoff mit interessantem Anwendungsprofil und Wertschöpfungspotenzial für die chemische Industrie darstellt. Es bieten sich spannende Möglichkeiten, neue Produkte herzustellen und über verbesserte Herstellungsverfahren Energie einzusparen.

 

Bewertungskriterien zur effizienten Verwertung

Es gibt verschiedene Kriterien, Syntheserouten ausgehend von CO₂ zu bewerten. Entscheidend sind dabei:

• das Fixierungspotenzial
• die Reinheit
• die Energiebilanz.

Hinsichtlich der Fixierungsmenge und -dauer erweisen sich Polymere als besonders effektive CO₂-Speicher, da relativ gesehen viel CO₂ in Produkte eingebaut werden kann, welches für die Dauer des Produkteinsatzes über Jahre oder Jahrzehnte chemisch gebunden wird.

Verunreinigungen des eingesetzten Kohlendioxids können die Funktion der für die chemische Umsetzung eingesetzten Katalysatoren beeinträchtigen. Die Reinheit des Kohlendioxids entscheidet auch über das spätere Anwendungsgebiet des Produktes.

Von maßgeblicher Bedeutung ist die Energiebilanz des Gesamtprozesses sowie die Bereitstellung von Energie aus regenerativen Quellen. Ein kluger Einsatz von CO₂ kann neben dem direkten Einbau von CO₂ in Produkte in der Gesamtbilanz zu einer erheblichen Minderung der CO₂-Freisetzung führen. Für eine umfassende Bewertung neuer Produkte und Verfahren sind vollständige Energie- und CO₂-Bilanzen erforderlich, in denen sowohl die Bereitstellung von Energie als auch die Nutzung der Produkte berücksichtigt werden.

 

„Dream Production“

Cat Catalytic Center ist Partner in dem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt „Dream Production“. Im Rahmen von Dream Production soll nun erstmals kohlestämmiges CO₂ aus dem Rauchgasstrom eines Braunkohlekraftwerkes als Synthesebaustein für Polymere verfügbar gemacht und die technische und wirtschaftliche Machbarkeit anhand einer Pilotanlage demonstriert werden.

Konkretes Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Prozessen zur technischen Nutzung von CO₂ für die Produktion von so genannten Polyethercarbonaten. Diese speziellen Molekülstrukturen sind Bausteine zur Herstellung von Polyurethan-Kunststoffen, die in unterschiedlichen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen. Die Forschung am CAT Catalytic Center wird unter anderem die Verträglichkeit dieses „realen“ CO₂ mit den Einsatzstoffen und Katalysatoren des Chemieprozesses gewährleisten.

 

 

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit CO₂ – dem Abfallprodukt der Energiewirtschaft – ein Wertstoff mit einem äußerst interessanten Anwendungsprofil und Wertschöpfungspotenzial für die chemische Industrie vorliegt. Die nutzbaren Mengen an CO₂ sind dabei naturgemäß sehr viel kleiner als die bei der Energiegewinnung entstehenden Emissionen. Die stoffliche Nutzung kann also keine globale Lösung, wohl aber ein willkommener Baustein in einer Gesamtstrategie zum Umgang mit unseren Kohlenstoffressourcen sein – und bietet dabei die Chance, mit innovativen Prozessen und Produkten wirtschaftlich erfolgreich zu sein!

 

Den Beitrag aus den RWTH Themen finden Sie hier in seiner vollen Länge:
RWTH Themenheft

 

Als Download die Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
“Weltweite Innovationen bei der Entwicklung von CCS-Technologien und Möglichkeiten der Nutzung und des Recyclings von CO₂”

Innovationen bei CCS und CCU
Innovationen bei CCS und CCU - Kurzfassung