17.09.2019
Thema des Monats Von Guido Deußing Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, das im Zuge von Oxidationsprozessen in die Atmosphäre emittierte klimaschädliche Treibhausgas Kohlendioxid (CO 2 ) zu recyceln. Das Thema des Monats September 2019 wirft einen Blick auf Möglichkeiten der Rückgewinnung von CO 2 -Emissonen. Eine Betrachtungsweise fokussiert darauf, Kohlendioxid an geeigneter Stelle aus der Atmosphäre (oder dem Wasser) zu ziehen. Eine andere sieht vor, CO 2 dort abzuschöpfen, wo das Gas entsteht, nämlich an den Schloten von Kraftwerken und Fabriken, wo Kohlendioxid in großen Mengen produziert wird. Wir sprechen über die Auswirkungen von Kohlendioxid in der Atmosphäre (und den Ozeanen) und davon, auf welche Technik es ankommt, um aus flüchtigem CO 2 einen festen oder flüssigen Stoff zu machen, aus dem sich auch Kunststoffe herstellen lassen. Quelle: istock / Melpomenem / Shkyo30 Papier, Blech, Kupferkabel, Glas, Plastik – so viele Materialien werden gesammelt, und zwar vor allen Dingen immer dann, wenn es sich lohnt, wenn sich das gebrauchte Material gut recyceln und gewinnbringend wieder- oder weiterverwerten lässt. Bei Abgasen, die bei Oxidations- oder Verbrennungsprozessen entstehen und in die Atmosphäre geblasen werden, war die Überlegung einer Wiederverwertung im Grund lange Zeit kein Thema. Nun aber, da die Menschheit mit den Folgen der von ihr beförderten Umweltkrise konfrontiert ist, und zwar nicht allein in Form wissenschaftlicher Studien, mahnender Forscher, einer gefühlten Zunahme verheerender Umweltkatastrophen, schmelzenden Packeises oder auftauender Permafrostböden, ist guter Rat teuer. Die momentane Situation, versinnbildlicht durch die Masse an vor allem jungen Menschen, die auf der ganzen Welt öffentlichkeitswirksam für den Schutz des Klimas und der Umwelt demonstrieren, macht den dringenden Handlungsbedarf deutlich. Ein altbekanntes Problem Das Problem ist allerdings nicht neu. Bereits in den 1960er-Jahren setzten sich etwa der „Club of Rome“, ein Zusammenschluss internationaler Wissenschaftler verschiedener Disziplinen, für eine nachhaltige Entwicklung und den Schutz der Ökosysteme ein. Angesicht der Zunahme folgenreicher industrieller Aktivitäten und des Individualverkehrs zeichnete sich schon damals eine nachhaltige Bedrohung der Umwelt und des Klimas und damit der Menschheit ab. Die von Menschhand geprägte Zunahme der Erderwärmung und die damit einhergehenden Veränderungen des Klimas haben wir dem Verbrauch fossiler Energieträger zu verdanken. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoff reichem(r) Erdöl, Erdgas oder Kohle (C n H 2n ) unter Beteiligung von Sauerstoff (O 2 ) entstehen als Reaktionsprodukte Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O). Kohlendioxid ist wichtig für die Photosynthese grüner Pflanzen; allerdings in der Menge, in der es die Menschheit in den letzten 200 Jahren freigesetzt hat, resultiert ein erhebliches Überangebot an CO 2 in der Atmosphäre. Ein Großteil des emittierten Kohlendioxids – bislang nahezu die Hälfte – wird von den Ozeanen aufgenommen, die ein hohe Speicherkapazität für diesen Stoff haben. Mutter Natur hat ihre Prozesse über die Zeit wunderbar feinjustiert. Es ist dafür Sorge getragen, dass alles in ein Gleichgewicht kommt, auch der Gasaustausch zwischen der Luft und dem Wasser, das heißt, es wird, vereinfacht gesagt, natürlicherweise nur so viel Kohlendioxid (CO 2 ) vom Meerwasser aufgenommen, wie es auch CO 2 abgibt. Ein perfekt auf einander abgestimmtes Szenario. Das aber hat der Mensch durchbrochen und in eine Schieflage gebracht: Indem wir immer mehr CO 2 emittieren, steigt auch die Menge an Kohlendioxid, die sich in den Ozeanen löst. Die Dosis macht das Gift Was passiert? Kohlendioxid (CO 2 ) reagiert mit Wasser (H 2 O) zu Dihydrogencarbonat (H 2 CO 3 ). Das ist vereinfacht gesagt Kohlensäure, wie wir sie vom Sprudelwasser kennen. Was uns beim Trinken als erfrischendes Prickeln im Mund vorkommt, sorgt in den Weltmeeren für die Zerstörung aquatischer Lebensräumen. Korallen etwa bestehen aus Kalk. Unter normalen Umständen ist Kalk unter Wasser stabil. Die Kohlensäure aber greift das Material an und macht es instabil. Die Zahl der abgestorbenen Korallenriffe in den Weltmeeren hat ein dramatisches Maß angenommen. Zu viel ist eben doch zu viel, oder? Kohlendioxid erfüllt in der Luft erfüllt einen guten Zweck, und zwar im Rahmen der Photosynthese. Es hilft der grünen Pflanze bei der Herstellung ihrer Nahrung, wobei als wunderbares Nebenprodukt Sauerstoff anfällt. Außerdem hilft CO 2 als eines von vielen kleinen Teilchen in der Luft, das energiereiche Sonnenlicht durch Reflexion beim Auftreffen auf die Fläche gesehen, auszudünnen. Es verhält sich im Grund genommen, vereinfacht gesagt, vergleichbar einer Wolke, die sich vor die Sonne schiebt. Die Strahlung dringt nicht bis zum Erdboden, sondern wird von der Wolkenrückseite zurück ins Weltall reflektiert. Von welcher Seite die Strahlung kommt, ist der Wolke allerdings völlig gleichgültig. Das heißt, wenn energiereiches Sonnenlicht von der Erdoberfläche reflektiert wird, erfolgt der gleiche Effekt – nur eben zwischen Erdboden und Wolke. Der Effekt ist deutliche spürbar durch eine Erwärmung der Luftschicht über dem Boden. Je mehr Teilchen, in diesem Fall eben auch und vor allem CO 2 sich in der Luft befinden, desto größer ist der Grad der Reflexion und desto wärmer wird es auf der Erde. Das heißt, viel CO 2 in der Luft fördert den Temperaturanstieg in der Atmosphäre. Je mehr Kohlenwasserstoff wir verbrennen, desto höher ist der Anteil an CO 2 in der Luft. Und, obgleich sich das schon als Problem darstellt, tummeln sich noch viele weitere chemische Stoffe in der Atmosphäre, Sauerstoff (O 2 ) und Stickstoff (N 2 ) etwa, Edelgase und auch Wasserdampf (H 2 O), die ebenfalls ihre Aufgabe erfüllen. Und dann wären da noch andere kohlenwasserstoffhaltige Verbindungen wie Methan (CH 4 ), die Gärungs- oder Fäulnisprozessen entstammen, also immer dort auftreten, wo organische Materie zersetzt wird. Der Mensch produziert Methangas, Rinder tun das in großer Menge, und die Bakterien ebenfalls, die durch das Abtauen der Permafrostböden nun all das organische Material zersetzten können, dass sich über Millionen von Jahren dort angereichert hat. Die Temperatur spielt bei diesen Zersetzungsprozessen eine entscheidende Rolle. Bakterien arbeiten schneller, wenn es etwas wärmer ist. Weg aus der Krise Der einfachste Weg, ein weiteres Ansteigen der Erderwärmung zu drosseln, wäre es, Kohlendioxidemissionen zu verhindern beziehungsweise ganz auf null zu reduzieren. Das ist laut Pariser Klimaabkommen Ziel der Staatengemeinschaft – Ausnahmen bestätigen die Regel. Dieses Ziel zu erreichen, erfordert allerdings das Umdenken jedes Einzelnen und das Zusammenwirken aller, und zwar auf globaler Ebene. Bis jedoch geeignete Maßnahmen gefunden werden, die helfen, das Ziel zu erreichen, braucht es Übergangslösungen. Eine Lösung wird heftig diskutiert und experimentell untersucht. Hierbei geht es darum, CO 2 aus der Luft zu saugen und in tiefe Gesteinsschichten zu pumpen, wo es gebunden und unschädlich gemacht wird. Das funktioniert, Versuch laufen derzeit, und sie zeigen auch gute Resultate. Doch, ob das der große Wurf ist? Die Methode ist probat, so viel ist sicher, um das Problem Kohlendioxid buchstäblich aus dem Weg zu schaffen. Damit aber wäre es als Rohstoff, als wertvolle Ressource ebenfalls nicht mehr verfügbar. Dabei … Methanol als Ausgangsstoff Wissenschaftler aus der Schweiz, von der Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in Dübendorf, der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich, des Paul Scherrer Instituts (PSI) in Villigen sowie der Universitäten in Zürich und Bern, haben gemeinsam mit Kollegen der National University of Science and Technology (NTNU) im norwegischen Trondheim darüber nachgedacht , warum man nicht auch das Treibhausgas Kohlendioxid (CO 2 ) zum regelrechten Recyclingprodukt erklären sollte. Nicht zuletzt deswegen, weil ihrer Meinung nach zumindest flüssige Kraftstoffe auf Kohlenstoffbasis auch noch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen dürften, allen internationalen Bemühungen zum Trotz, die darauf abzielen, die Klimaziele von Paris zu erfüllen und schnellstmöglich die Emission klimaschädlichen Kohlendioxid auf null zu reduzieren. Der Verbrauch fossiler Energieträger ist ohne Frage absehbar zu senken. Solange aber stünde Kohlendioxid als Ausgangsstoffe für chemische Prozesse in hinreichender Menge zur Verfügung, und zwar als Bestandteil eben der Luft, die uns umgibt. Wie aber will man den Stoff, der buchstäblich nicht zu fassen ist, herankommen beziehungsweise ihn in eine Form überführen, die eine weitere industrielle Nutzung auf effiziente wie rentable Weise möglich macht? Hierauf wissen die Schweizer und norwegischen Wissenschaftler eine Antwort. Unter Zuhilfenahme riesiger schwimmender Solarinseln auf dem Meer, die so viel Energie produzieren, das es global gesehen ein CO 2 -neutraler Güterverkehr möglich wird. Schatzinseln im Meer Inmitten der Ozeane soll aus Solarenergie (und Wasser) Wasserstoff (H 2 ) hergestellt werden, der wiederum vor Ort mit aus dem Meerwasser gewonnenen CO 2 zu Methanol umgewandelt wird. Dazu analysierten die Forschenden detailliert ein Szenario, das zwar noch rein hypothetisch scheint, aber bereits die Planungsgrundlagen für eine mögliche Umsetzung bietet. Ihre Resultate präsentieren sie kürzlich in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) [1]. Ausgangspunkt der Idee sind Solarinseln, also schwimmende Plattformen, ausgestattet mit Photovoltaikanlagen. Da aber Solarstrom nicht gespeichert und von dort nur schlecht abtransportiert werden kann, mache ein Solarkraftwerk auf dem Meer keinen Sinn. Allerdings ließe sich aus Kohlendioxid und Wasserstoff sowohl flüssiges Methanol (CH 3 OH)als auch gasförmiges Methan (CH 4 ) herstellen – wertvolle Ausgangsstoffe für die chemische Synthese, die man direkt aus dem Ozean gewinnen beziehungsweise eben dort, in unmittelbarer Nähe herstellen kann, meinen die Forscher. Erste Erfahrungen im Labor gesammelt: es kann funktionieren! Dass es sich bei der Überlegung der Wissenschaftler nicht um Science-Fiction, sondern um tatsächlich Griffiges, Menschenmögliches handelt, darauf deuten erste Versuche in einer großtechnischen „Power-to-Gas-Anlagen, die Wasserstoff und CO 2 zu Treibstoff umwandeln; eine Demonstrationsplattform namens „move“ befindet sich auf dem Empa-Campus im schweizerischen Dübendorf. Warum aber soll die Anlage aufs Meer? Weil die benötigte Anlagenfläche für eine weltweite Versorgung mit Treibstoff etwa gewaltig wäre: „Eine Fläche von rund 170.000 Quadratkilometern wäre vonnöten, um den jährlichen Bedarf für den globalen Güterverkehr zu produzieren“, erklärt Andreas Borgschulte von der Empa-Abteilung „Advanced Analytical Technologies“. Das Meer biete hinreichend, bislang ungenutzte freie Fläche, um eine solch gigantische Solaranlage zu realisieren. Nicht zuletzt ließe sich auch auf dem Meer CO 2 aus der Luft gewinnen. Eine weitere, überaus attraktive Alternative sehen die Wissenschaftler in der Möglichkeit, die Ozeane anzuzapfen und die „rund 125-mal höhere CO 2 -Konzentration des Meerwassers für die ‚Kohlendioxidernte‘ zu nutzen“. Mehr Möglichkeiten für Methanol In bestehenden Anlagen wird das aus der Atmosphäre gewonnene CO 2 meist zur Herstellung von Methan verwendet, was auch auf den Solarinseln möglich wäre. Im Rahmen ihrer Überlegungen entschieden sich die Forschenden allerdings für die Herstellung eines flüssigen Brennstoffs, da sich dieser besser transportieren ließe. Zudem ließe sich Methanol nicht nur als Treibstoff nutzen, sondern auch zur Herstellung chemischer Stoffe, wie sie etwa als Vorstufe in der Produktion von Kunststoffen eingesetzt werden. Die Möglichkeiten für dessen Verwendung (und den damit erzielbaren Gewinnen) seien also wesentlich höher, spekulieren die Wissenschaftler. So eine Schatzinsel hätte jedoch ihren Preis: Rund 80 Millionen US-Dollar würde der Bau einer Chemiefabrik auf dem Ozean kosten, schätzen die Forscher. Eine Methanol-Produktionsstätte bestünde aus rund 70 Photovoltaikinseln mit einem Durchmesser von rund 100 m 2 und einem Schiff, dass die Elektrolyse- und Syntheseanlage beherbergt. Insgesamt nähme die gesamte Anlage eine Fläche von rund 550.000 m 2 ein. Ein einzelner Cluster genüge jedoch bei weitem nicht, um eine Null-Bilanz von CO 2 zu erreichen. Insgesamt bräuchte es rund 170.000 solcher Inseln, um so viel Kohlendioxid zu recyceln, wie die Menschheit derzeit emittieren. Das klingt beinahe utopisch, und so scheint es irgendwie auch. Dennoch ist man angesichts der sich abzeichnenden schlechten Klimalage geneigt zu sagen, dass es langfristig klug und sinnvoll wäre, dieses Ziel zu verfolgen: „Große Ideen sind notwendig – Bullerbü-Lösungen versorgen nur Bullerbü, aber nicht den Rest der Welt“, sagt Privatdozent Andreas Borgschulte von der Empa. Kohlendioxid an Schornsteinen abzweigen Anders als ihre Schweizer Kollegen verfolgen Forscher des US-Zentrums für Grenzflächenforschung und Katalyse (SUNCAT) ein, untern Strich vergleichbares, jedoch in der Detailbetrachtung etwas anderes Ziel. Sie suchen nach einer Möglichkeit, das klimaschädliche Gas Kohlendioxid unmittelbar am Ort des Entstehens zu ernten, um es dann in einem industriell sinnvollen Maßstab zu wertvollen Produkten weiterzuverarbeiten [2-4]. Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre, der jetzt den höchsten Stand seit 800.000 Jahren erreicht, bestehe darin, das hochwirksame Treibhausgas aus den Schornsteinen von Fabriken und Kraftwerken einzufangen und erneuerbare Energie zu nutzen, um daraus etwas zu machen, was wir tun brauchen, sagt Thomas Jaramillo, Direktor des SUNCAT-Zentrums für Grenzflächenforschung und Katalyse, einem gemeinsamen Institut der Stanford University und des SLAC National Accelerator Laboratory des US-amerikanischen Energieministeriums. Thomas Jaramillo ist fest davon überzeugt in der Lage zu sein, einen wertvollen Beitrag zu leisten, damit das Vorhaben gelingt. Ein Hauptaugenmerk der SUNCAT-Forschung liegt, wie das der Kollegen aus der Schweiz und Norwegen, in der Möglichkeit, CO 2 in Chemikalien, Kraftstoffe und andere Produkte umzuwandeln, die ihrerseits Ausgangsstoff oder Basischemikalie für die Herstellung anderer Wertstoffe und Produkte sind. Die Bandbreite der Zielproduktionen reicht von der Herstellung von Methanol und Kunststoffe, über Reinigungsmittel bis hin zu synthetischem Erdgas. Die Herstellung dieser Chemikalien und Materialien aus fossilen Brennstoffen verursache mittlerweile zehn Prozent der globalen Kohlenstoffemissionen, betont Jaramillo. Die Produktion von Benzin, Diesel und Düsentreibstoff mache noch sehr viel mehr aus. Das Maß ist voll „Wir haben schon viel zu viel CO 2 ausgestoßen, und wir sind auf dem besten Weg, eben das noch viele jahrelang zu tun, weil 80 Prozent der heute weltweit verbrauchten Energien ihren Ursprung in fossilen Brennstoffen haben“, sagt Stephanie Nitopi von der SUNCAT-Forschung. Zwar ließe sich das CO 2 aus Schornsteinen abfangen und unterirdisch lagern, sagt die Wissenschaftlerin. Die Technologie, hier hierfür erforderlich wäre, würde derzeit getestet. Eine Alternative bestehe allerdings darin, Kohlendioxid als Rohstoff für die Herstellung von Kraftstoffen, Kunststoffen und Spezialchemikalien zu verwenden, was das wirtschaftliche Paradigma ändern würde: „Wenn sich CO 2 -Emissionen, die mehr oder weniger als Abfall anfallen, zu wertvollen Produkten verarbeiten lassen, könnte das einen neuen Anreiz schaffen, die Menge an CO 2 zu reduzieren, die ansonsten in die Atmosphäre freigesetzt werden würde – „eine klassische Win-Win-Situation", nennt das die Wissenschaftlerin. Abbildung: Die Forscher von Stanford und SLAC arbeiten an Möglichkeiten, „Kohlendioxidabfälle“ (CO 2 ) in chemische Rohstoffe und Kraftstoffe umzuwandeln. Der Prozess wird als elektrochemische Umwandlung bezeichnet. Wenn es mit erneuerbaren Energiequellen betrieben wird (ganz links), kann es Kohlendioxid in der Luft reduzieren und Energie aus diesen intermittierenden Quellen in einer Form speichern, die jederzeit verwendet werden kann. (Quelle: Greg Stewart / Nationales SLAC-Beschleunigerlabor) Blick auf die Details der Rückgewinnung von Kohlendioxid Wir haben Stephanie Nitopi und Tom Jaramillo sowie den SUNCAT-Mitarbeiter Christopher Hahn und den Postdoktoranden Lei Wang danach gefragt, woran sie arbeiten und worauf es dabei ankommt. K-online: Zuerst die Grundlagen: Wie wandelt man CO2 in diese anderen Produkte um? Tom Jaramillo: Im Grund handelt es sich um eine künstliche Form der Photosynthese. Pflanzen nutzen Sonnenenergie, um CO 2 aus der Luft in Kohlenstoff in ihren Geweben umzuwandeln. Wir arbeiten an einer Technologie, mit der etwas ähnliches möglich wird, die erneuerbare Energien wie Sonne oder Wind nutzt, um CO 2 aus Industrieemissionen in kohlenstoffbasierte Produkte umzuwandeln. Christopher Hahn: Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist die elektrochemische CO 2 -Reduktion, bei der Sie gasförmiges Kohlendioxid durch Wasser sprudeln und es mit dem Wasser auf der Oberfläche einer kupferbasierten Elektrode reagieren lassen. Kupfer wirkt als Katalysator und bringt die chemischen Inhaltsstoffe so zusammen, dass sie zur Reaktion angeregt werden. Vereinfacht gesagt: die anfängliche Reaktion schnapp sich ein Sauerstoffatom aus dem CO 2 -Molekül. Hierbei entsteht Kohlenmonoxid (CO), das für sich genommen eine wichtige Industriechemikalie ist. Elektrochemisch lässt sich CO wiederum zu wichtigen Molekülen wie Alkoholen, Kraftstoffen und anderen Dingen umsetzen. Heutzutage erfordert dieses Verfahren einen Katalysator auf Kupferbasis. Es ist das einzige Material, von dem bekannt ist, dass es diese Job macht. Allerdings können die resultierenden Reaktionen zu zahlreichen, ganz unterschiedlichen Produkten führen; und die Abtrennung des gewünschten Produkts ist kostspielig. Für uns ist es daher wichtig, einen neuen Katalysator zu finden, der die Reaktion eben genau in diese Richtung leitet, in der das gewünschte Produkt hergestellt wird. K-online: Wie hat man sich das vorzustellen? Lei Wang: Wenn es darum geht, die Leistung eines Katalysators zu verbessern, sehen wir uns vor allem an, wie wir ihn selektiver machen können, damit er nur ein Produkt und sonst nichts hervorbringt. Ungefähr 90 Prozent der Kraftstoff- und Chemieproduktion hängen von Katalysatoren ab, und die Beseitigung unerwünschter Nebenprodukte ist zum Teil sehr kostenintensiv. Wir untersuchen auch, wie man Katalysatoren effizienter macht, indem man ihre Oberfläche vergrößert. Daher gibt es in einem bestimmten Materialvolumen viel mehr Stellen, an denen gleichzeitig Reaktionen stattfinden können. Dies erhöht die Produktionsrate. Kürzlich entdeckten wir etwas Überraschendes: Als wir die Oberfläche eines Katalysators auf Kupferbasis vergrößerten, indem wir ihn in eine schuppige „Nanoflower“ –Struktur gaben, verlief die Reaktion sowohl effizienter als auch selektiver. Tatsächlich fiel praktisch kein Wasserstoffnebenprodukt in messbaren Mengen an. Solche Möglichkeit lassen sich nutzen, um Reaktionen zu optimieren, sie selektiver und kostengünstiger zu machen. Stephanie Nitopi: Das war so überraschend, dass wir uns entschlossen haben, alle Forschungsergebnisse, die wir zur Katalyse der elektrochemischen CO 2 -Umwandlung mit Kupfer gefunden haben, noch einmal zu überdenken, darunter auch die vielen Methoden, mit denen in den letzten 40 Jahren versucht wurde, den Prozess zu verstehen und zu verfeinern. Im Jahr 2006 nahm das Thema Fahrt auf. Damals wurden rund 60 Artikel veröffentlicht, heute sind es mehr als 430. Allein die Analyse und Auswertung aller Studien hat zwei Jahre in Anspruch genommen. Wir haben versucht herauszufinden, was Kupfer so besonders macht, warum es der einzige Katalysator zu sein scheint, der einige der interessanten Produkte hervorbringt, und wie wir ihn noch effizienter und selektiver machen können. Hierbei haben sich interessante Perspektiven aufgetan und vielversprechende Forschungsrichtungen gezeigt. Eine unserer Schlussfolgerungen bestätigt Ergebnisse früherer Studien, nämlich die Oberfläche des Kupferkatalysators lässt sich so modifizieren, dass er sich sowohl in puncto die Selektivität als auch die Gesamteffizienz der daran ablaufenden Reaktionen verbessern lässt. Es lohnt sich also, dies als Strategie für die chemische Produktion zu betrachten. K-online: Hat dieser Ansatz andere Vorteile? Tom Jaramillo: Auf jeden Fall. Wenn wir saubere, erneuerbare Energien wie Wind oder Sonne einsetzen, um CO 2 -Abfälle kontrolliert in eine Vielzahl von Produkten umzuwandeln, würde dies tatsächlich zu einer Verringerung der CO 2 -Emissionen in der Atmosphäre führen. Das ist es, was wir tun müssen, um schlimmsten Auswirkungen des globalen Klimawandels entgegenzuwirken. Christopher Hahn: Und wenn wir erneuerbare Energien verwenden, um CO 2 in Kraftstoffe umzuwandeln, speichern wir die variable Energie dieser erneuerbaren Energien in einer Form, die jederzeit verwendet werden kann. Darüber hinaus könnten diese Reaktionen mit dem richtigen Katalysator bei nahezu Raumtemperatur stattfinden, anstatt bei den hohen Temperaturen und Drücken, die heutzutage häufig benötigt werden, wodurch sie viel energieeffizienter werden. K-online: Wie nah sind wir daran, dieses Ziel zu erreichen? Tom Jaramillo: Chris und ich haben diese Frage in einem kürzlich erschienenen Perspective-Artikel in „Science“ untersucht, der mit Forschern der University of Toronto und TOTAL American Services, einem Dienstleistungsunternehmen für die Exploration und Förderung von Öl und Gas, verfasst wurde. Wir kamen darin zu dem Schluss, dass die Preise für erneuerbare Energien unter 4 Cent pro Kilowattstunde fallen und die Systeme eingehenden Strom mit einem Wirkungsgrad von mindestens 60 Prozent in chemische Produkte umwandeln müssten, um den Ansatz mit den heutigen Methoden wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen. Christopher Hahn: Dieser Wechsel kann nicht auf einmal passieren. Die chemische Industrie ist dafür zu groß und zu komplex. Ein Ansatz wäre es daher, zunächst hochwertige Produkte wie Ethylen herzustellen, aus denen sich Alkohole, Polyester, Frostschutzmittel, Kunststoffe und synthetischer Kautschuk herstellen lassen. Das ist ein Markt von 230 Milliarden US-Dollar weltweit. Durch die Umstellung von fossilen Brennstoffen auf Kohlendioxid als Ausgangsstoff für Ethylen in einem mit erneuerbaren Energien betriebenen Prozess könnten potenziell umgerechnet rund 860 Millionen Tonnen CO 2 -Emissionen pro Jahr eingespart werden. Der gleiche schrittweise Ansatz gilt für Kohlendioxidquelle. Die Industrie könnte beispielsweise zunächst relativ reine CO2-Emissionen aus Zementwerken, Brauereien oder Brennereien nutzen, was den Nebeneffekt einer Dezentralisierung der Fertigung hätte. Jedes Land könnte für sich selbst sorgen, die Technologie entwickeln, die es benötigt, und seinen Menschen eine bessere Lebensqualität bieten. Tom Jaramillo: Sobald Sie bestimmte Märkte betreten und mit der Hochskalierung der Technologie beginnen, können Sie andere Produkte angreifen, die schwieriger oder komplexer sind, um heute wettbewerbsfähig zu sein. Wir denken, dass diese neuen Prozesse eine Chance haben, die Welt zu verändern. Erste Erfolge in der industriellen Praxis Die Gewinnung von Kohlendioxidemissionen und ihre zur Umsetzung in Kunststoffe ist ein Thema, das viele Wissenschaftler auf der Welt umtreibt, wie auch Prashant Nagpal. Der Wissenschaftler von der Universität in Colorado/USA hat biologische Zellen in einen Nano-Bio-Hybridorganismus umfunktioniert, der aus CO 2 und Stickstoff sowie Lichtenergie biologisch abbaubare Kunststoffe, Benzin, Ammoniak oder Biodiesel produzieren kann [5]. Und dass die Gewinnung und Verarbeitung von Kohlendioxidemissionen keine Fiktion mehr sind, sondern sich bereits aktiv betrieben wird, macht die Firma „COVESTRO“ vor. Das Unternehmen nutzt das Treibhausgas in der Herstellung von Polyurethan (PU) [6, 7]. Referenzen Bruce D. Patterson, Frode Mo, Andreas Borgschulte, Magne Hillestad, Fortunat Joos, Trygve Kristiansen, Svein Sunde und Jeroen A. van Bokhoven, Renewable CO2 recycling and synthetic fuel production in a marine environment , PNAS 2019, https://doi.org/10.1073/pnas.1902335116 Lei Wang, Stephanie Nitopi, Andrew B. Wong, Jonathan L. Snider, Adam C. Nielander, Carlos G. Morales-Guio, Marat Orazov, Drew C. Higgins, Christopher Hahn und Thomas F. Jaramillo, Electrochemically converting carbon monoxide to liquid fuels by directing selectivity with electrode surface area , nature catalysis 2 (2019) 702-708, https://www.nature.com/articles/s41929-019-0301-z Stephanie Nitopi, Erlend Bertheussen, Soren B. Scott, Xinyan Liu, Albert K. Engstfeld, Sebastian Horch, Brian Seger, Ifan E. L. Stephens, Karen Chan, Christopher Hahn, Jens K. Nørskov, Thomas F. Jaramillo und Ib Chorkendorff, Progress and Perspectives of Electrochemical CO2 Reduction on Copper in Aqueous Electrolyte , Chemical Reviews 12 (2019) 7610-7672, https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00705 Phil De Luna, Christopher Hahn, Drew Higgins, Shaffiq A. Jaffer, Thomas F. Jaramillo und Edward H. Sargent, What would it take for renewably powered electrosynthesis to displace petrochemical processes? , Science 364 (2019), DOI: 10.1126/science.aav3506, https://science.sciencemag.org/content/364/6438/eaav3506.editor-summary Norbert Lossau, Dieser Mann will aus Kohlendioxid Plastik Machen , Welt (19.06.2019), https://www.welt.de/wissenschaft/article195527689/Klimaschutz-Plastik-aus-CO2-herstellen.html Kohlendioxid – ein neuer Rohstoff , Covestro, https://www.covestro.de/de/projects-and-cooperations/co2-project Aus CO2 wird Kunststoff , CHEMPARK CHEMPUNKT, https://www.chempark.de/de/aus-co2-wird-kunststoff.html
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