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Mittwoch, 13. Dezember 2017

Chemie

Neue Kohlenstoffquellen gesucht

Von Ralph H. Ahrens | 23. Februar 2017 | Ausgabe 08

Die Bioökonomie macht langsame Fortschritte. Doch um alle Bedürfnisse zu befriedigen, braucht es neben Kohlenstoff auch jede Menge Wasserstoff – bereitgestellt von erneuerbaren Energiequellen.

BU Bioökonomiw
Foto: Fraunhofer CBP/Norbert Michalke

In der Pilotanlage in Leuna wird Holz in die einzelnen Bestandteile zerlegt. Aus Zellulose lassen sich dann die Grundbausteine für Polymere herstellen.

Noch ist der Weg hin zur Bioökonomie lang. Da waren sich die Experten auf der Konferenz „Bio-raffiniert“ einig, zu der das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht) vergangene Woche nach Oberhausen eingeladen hatte.

Doch viele Unternehmen sind mit guten Ideen am Start: Sie nutzen nachwachsende Rohstoffe, lassen Bakterien für sich arbeiten oder gewinnen Substanzen aus Industrieabgasen. Gerade letzteres bietet energieintensiven Unternehmen, etwa der Zement- oder Stahlbranche, eine Zukunft. Denn: „Das Pariser Klimaabkommen bedeutet, ab der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts nur so viel Kohlendioxid zu erzeugen, wie wir an anderer Stelle kompensieren können“, erklärte der Technologiechef von ThyssenKrupp, Reinhold Achatz.

Die Industrie muss also umdenken. Dabei hat sie schon zahlreiche Lösungen gefunden, mit denen eine biobasierte Produktion auch wirtschaftlich interessant wird.

Biomasse: Aus der Milch des Löwenzahn etwa stellt Continental „grüne Reifen“ her. Evonik gewinnt aus Pflanzenöl eine Aminolaurinsäure, um daraus Polyamid zu synthetisieren. Und Phytowelt GreenTechnologies kann mithilfe von Bakterien den Wirkstoff Eriodictyol produzieren. Die Mikroben sollen dabei Zucker umsetzen, der in einer Bioraffinerie aus Pappeln oder Zuckerrüben gewonnen wird.

Bundesweit unterstützen Netzwerke solche Entwicklungen: das Cluster Industrielle Biotechnologie (Clib2021) in Nordrhein-Westfalen, die Landesgesellschaft Biopro in Baden-Württemberg oder das 3N Kompetenzzentrum für nachwachsende Rohstoffe und Bioökonomie in Niedersachsen.

Wissenschaftler am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse (CBP) in Leuna untersuchen in Pilotanlagen, wie man Holz in seine Bestandteile Lignin und Zellulose zerlegen kann. „Aus Zellulose lassen sich Fasern für Textilien, Dämmstoffe oder Holzwerkstoffe, aber auch Grundbausteine für Kunststoffe gewinnen“, erklärt Gerd Unkelbach, Leiter des CBP. Die Zellulose wird enzymatisch zu Traubenzucker abgebaut, woraus Olefine, Milchsäure, Bernsteinsäure oder Furandicarbonsäure entstehen – Grundbausteine für Polymere wie Polyethylen, Polyester, Polyamide oder Polyhydroxyfuranoate.

Eine organische Chemie aus Biomasse hält Unkelbach also für denkbar, wenn auch für teuer. Denn: „Olefine aus Holz herzustellen wird erst profitabel, wenn der Erdölpreis über 90 $ pro Barrel liegt.“

Biomasse sei aber auch nicht unendlich verfügbar, grenzt Robert Schlögl vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (CEC) in Mülheim/Ruhr ein. Zwar wachsen weltweit pro Jahr 4 Mrd. t Kohlenstoff nach, doch müssten Wälder mit hoher biologischer Vielfalt etwa in den Tropen geschont werden. Aus den übrigen Baumbeständen lassen sich bis zu 1,3 Mrd. t Kohlenstoff industriell nutzen. Was allerdings nur einen geringen Teil des Kohlenstoffbedarfs der weltweiten Chemieindustrie abdeckt.

Industrieabgase: Es braucht also weitere Kohlenstoffquellen. In Chemie-, Stahl- und Zementwerken wird versucht, Bestandteile der Abgase aufzufangen und stofflich zu nutzen. Etwa bei Thyssenkrupp in Duisburg. Die dortigen Hüttengase enthalten neben CO2 auch Kohlenstoffmonoxid (CO) und molekularen Wasserstoff (H2). „Ein erstes Konzept für die Gasreinigung, die Simulation der Umwandlung von Hüttengasen zum Methanol, liegt vor“, sagt Technologiechef Achatz.

In einem Jahr soll auf dem Firmengelände das Technikum stehen, in dem Simulationen und Laborergebnisse in den industriellen Maßstab übertragen werden. Achatz: „Die Verwendung von erneuerbaren Energien bedingt einen Betrieb, der mit hoch volatilem Input zurechtkommt.“ Dies wurde beim Simulieren berücksichtigt. Doch Achatz rechnet nicht vor 2030 damit, dass Substanzen in industriellem Maßstab aus Hüttengasen gewonnen werden.

Wasserstoff: Um Kohlenstoff aus Industrieabgasen zu nutzen, „braucht es jedoch viel molekularen Wasserstoff“, erklärt Max-Planck-Forscher Schlögl. Das Problem: H2 lässt sich nur stromintensiv herstellen – etwa per Elektrolyse, indem Wasser gespalten wird. Die dafür nötigen Reaktoren können derzeit aber nicht auf schnelle Stromschwankungen reagieren. Schlögl will dies ändern. Erste Erfolge hat sein Team bereits erreicht. Besteht die Anode aus Iridiumoxidhydroxid, lässt sich Wasser bei Raumtemperatur unabhängig von Stromschwankungen elektrolytisch spalten. Und sie wird zudem um etwa 10 % effektiver.

Weil Iridium aber selten und teuer ist, sei dies nicht die Lösung, sagt Katalyseexperte Schlögl. „Doch wir konnten an dem Metalloxid verstehen, wie Wasser gespalten wird.“ Nicht das Metallatom sei entscheidend, sondern dass der Sauerstoff im Wassermolekül eine besondere Form bildet: das Oxyl-Ion, in dem Sauerstoff einwertig negativ geladen ist. Jetzt will Schlögls Team den Effekt an Anoden aus Kohlenstoff nachahmen.

Energiewende: Nur wenn sich der Wasserstoffbedarf mit überschüssigem Strom aus erneuerbarer Energie decken lässt, ist dies klimapolitisch sinnvoll. „Die Bioökonomie braucht deshalb die Energiewende“, erklärte Manfred Fischedick. Der Klimaexperte am Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie spricht von „grünem Wasserstoff“.

Doch um solchen Wasserstoff wie auch um Biomasse wird es in der Wirtschaft verstärkt Verteilkämpfe geben. Denn auch die Energieversorgung und der Verkehr wollen diese Ressourcen, um CO2-arm zu werden. Aus Biomasse wird bereits Wärme gewonnen und Kraftstoff produziert; mit grünem Wasserstoff hergestelltes Methan oder Methanol lässt sich ebenfalls zum Heizen oder als Kraftstoff nutzen.

Sehr viel überschüssiger Strom wird also benötigt, um alle Bedürfnisse zu befriedigen. Das Hintergrundpapier „Treibhausgasneutrales Deutschland im Jahr 2050“ des Umweltbundesamtes (UBA) nennt Zahlen. Die vollständige Dekarbonisierung der deutschen Wirtschaft und des hiesigen Verkehrs würde eine Strommenge von 3000 Mrd. kWh benötigen, nur um ausreichend Wasserstoff und die daraus resultierenden synthetischen Kraftstoffe bereitzustellen. „Dies entspricht etwa dem Fünffachen des heutigen Strombedarfs“, so Fischedick.

Diese Energiemenge auf der Basis heimischer Potenziale bereitstellen zu wollen, sei aber unrealistisch, sagt der Klimaexperte. Effizientere Produkte und Prozesse seien nötig. Und die Energiewende müsse überregional eingebunden werden. Unerlässlich dafür: die Zusammenarbeit mit wind- und sonnenreichen Ländern etwa in Nordafrika und wasserkraftreichen Ländern wie Norwegen.

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