Wissenschaftler aus Baden-Württemberg arbeiten an der Chemiefabrik der Zukunft. Ihre Vision: eine Produktion, die ohne klimaschädliches Erdöl auskommt und lediglich CO2 und Wasser als Rohstoffe sowie Ökostrom als Energiequelle benötigt.
Stuttgart - Vor zwölf Jahren wurde ich noch belächelt“, erinnert sich Elias Klemm. Damals begann der Professor für Technische Chemie mit seiner Forschung zur Umwandlung von CO 2 mit elektrischem Strom in chemische Produkte. Klemms Büro liegt etwas versteckt in einem Seitentrakt des Naturwissenschaftlichen Zentrums auf dem Vaihinger Uni-Campus. Doch das Arbeitsgebiet des 55-Jährigen gilt längst als eines der zentralen Zukunftsthemen. „Das zeigt sich auch an einer Vervielfachung der Zahl entsprechender Fachartikel“, freut sich Klemm.
Aus dem Problemstoff Kohlendioxid, dessen steigende Konzentration die Erde aufheizt, wollen Klemm und seine Mitstreiter einen wertvollen Rohstoff machen. „Ziel ist es, den CO2-Kreislauf zu schließen“, sagt er. Vorbild ist die Fotosynthese der Pflanzen, die aus Kohlendioxid und Wasser mithilfe von Sonnenlicht Sauerstoff und Zucker gewinnen. Aus dem Zucker werden dann weitere organische Stoffe wie Öle oder Cellulose gebildet. Bei deren Zersetzung wird das CO2 wieder frei, und der Prozess beginnt von Neuem.
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An der Uni Stuttgart und anderen Forschungseinrichtungen in Stuttgart arbeiten heute etliche Arbeitsgruppen an der Nutzung von CO2. Anfang des Jahres wurden ihre Aktivitäten unter dem Dach der Forschungsinitiative CHEMampere gebündelt, der Klemm als Sprecher vorsteht.
Prinzipiell funktioniert die CO2-basierte Chemie schon heute. So produziert der Chemiekonzern Covestro Schaumstoff für Matratzen, dessen Ausgangsstoffe zu einem Fünftel aus dem Treibhausgas gewonnen werden. Auch Sportböden und Kunstfasern lassen sich auf diese Weise herstellen. Doch bis zu einer Nutzung des Rohstoffs CO2 über das gesamte Produktspektrum der chemischen Industrie hinweg ist es noch ein langer Weg, auf dem viele knifflige Fragen zu klären sind.
An einigen dieser Fragen arbeiten die Doktoranden in Klemms Institut. Zum Beispiel Armin Löwe. Auf einem Labortisch hat er einen Mini-Reaktor aufgebaut – einen Plexiglas-Quader, um den sich Schläuche und Kabel ranken. Auf einer Seite wird CO2 in den Reaktor geleitet, über einen weiteren Anschluss kommt Wasser hinzu. Über Elektroden wird eine Spannung angelegt. In dem Versuch geht es um die Umsetzung von Kohlendioxid und Wasser zu Ameisensäure. Diese wird beispielsweise zum Desinfizieren, Konservieren oder Enteisen eingesetzt sowie als Ausgangsstoff für weitere chemische Synthesen. „Wir machen aus CO2 etwas Sinnvolles“, sagt Löwe. In anderen Experimenten werden elektrochemisch aus CO2 gewonnene Verbindungen von Bakterien weiterverarbeitet, um etwa Ausgangsprodukte für Kunststoffe zu gewinnen.
Die Forscher untersuchen unter anderem, welche Katalysatoren die höchste Ausbeute des gewünschten Produkts bei möglichst geringem Strombedarf ermöglichen. Katalysatoren – häufig handelt es sich um Metalle wie etwa Zinn oder Kupfer – verringern die Energie, die benötigt wird, um chemische Reaktionen in Gang zu setzen. Bei CO2 ist das besonders wichtig, weil das Molekül sehr stabil ist und wenig Neigung verspürt, mit anderen Stoffen zu reagieren – es ist geradezu apathisch.
Chemisch geht es darum, Bindungen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff zu lösen und Wasserstoff hinzuzufügen. Dazu müssen dem System Elektronen zugeführt werden – also elektrische Energie. Stammt diese aus Ökostrom, sind die produzierten Chemikalien oder auch Kraftstoffe, sogenannte E-Fuels, klimaneutral.
Bislang basiert fast die gesamte Chemieproduktion auf fossilen Rohstoffen, vor allem Erdöl. Die darin enthaltenen Kohlenwasserstoffketten werden unter teils hohem Energieaufwand auf die passende Länge gebracht und durch weitere Umformungen zu unterschiedlichen Produkten verarbeitet – etwa zu Kunststoffen, Dünger oder Farben. In der Chemiefabrik der Zukunft wird der benötigte Kohlenstoff aus der Luft oder auch direkt aus Abgasen gewonnen und mithilfe von Ökostrom in synthetische Kohlenstoffverbindungen und deren Abkömmlinge verwandelt. Momentan finden die Umsetzungen meist noch im Labormaßstab statt. „Um größere Mengen zu produzieren, müssen mehrere Reaktormodule, auch Zellen genannt, zu sogenannten Stacks gestapelt werden – ähnlich wie bei Brennstoffzellen“, erläutert Klemm.
„Bei einigen Produkten stehen wir an der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit“, sagt der Professor. Dazu zählen neben der Ameisensäure die Alkohole Propanol und Butanol, die etwa als Lösungs-, Reinigungs- oder Desinfektionsmittel dienen oder zu Kunststoffen weiterverarbeitet werden können. Möglich ist auch die klimafreundliche Herstellung von Synthesegas, einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, aus dem sich eine ganze Reihe chemischer Produkte gewinnen lässt. CO2 eignet sich zudem als Zutat für synthetisches Erdgas oder flüssige Kraftstoffe. Der dafür nötige Wasserstoff lässt sich über die elektrolytische Spaltung von Wasser mit Ökostrom gewinnen. Diese Power-to-Gas-Technologie wurde maßgeblich am ZSW zur Praxisreife entwickelt.
Klemm glaubt aber, dass die klimafreundliche Herstellung hochpreisiger Spezialchemikalien wirtschaftlich aussichtsreicher ist als die von Ökosprit. Mit daraus gewonnenen Kunststoffen lasse sich mehr Geld verdienen als mit synthetischen Kraftstoffen. „Ein Beispiel dafür wären die Super-Absorber aus Polyacrylat in Babywindeln.“ Dieses Hightechmaterial kann große Mengen Feuchtigkeit aufnehmen, ohne sich nass anzufühlen. So bleiben Baby-Popos länger trocken.
Klar ist für den Chemiker aber auch: Für einen Durchbruch klimafreundlicher Technologien müsste die Nutzung fossiler Rohstoff- und Energiequellen deutlich teurer sein als heute. Das könnte zum Beispiel der Fall sein, wenn der Preis für CO2-Emissionsrechte weiter kräftig steigt. Saubere Chemiefabriken und klimaneutrale Treibstoffe benötigen aber auch enorm viel Ökostrom. „Es dürfte schwierig werden, diese Mengen allein in Deutschland zu produzieren“, sagt Klemm.
Vieles spreche dafür, die Energiegewinnung – und womöglich auch einen Teil der Produktion chemischer Grundstoffe – in sonnenreichere Länder zu verlagern. Die ehrgeizige Desertec-Initiative zur Stromerzeugung in der Sahara sei zwar vor etwa fünf Jahren gescheitert, doch Klemm kann sich gut vorstellen, dass es einen neuen Vorstoß in dieser Richtung geben wird. „Wir müssen über unseren Tellerrand hinausblicken.“ Anders sei der Kampf gegen den Klimawandel kaum zu gewinnen.
