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Treibhausgas

Ein zweites Leben für CO2

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Ein blauer Himmel mit weißen Wolken und gelblicher Färbung durch die Sonne © Emelianov Evgenii​/​stock.adobe.com
Um die Erderwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen, reicht es voraus­sicht­lich nicht mehr, die CO2-Emis­si­o­nen zu senken: Es muss auch CO2 aus der At­mo­sphä­re entfernt wer­den.

Um dem Kli­ma­wan­del ent­ge­gen­zu­wir­ken, reicht es nicht aus, den Aus­stoß von Koh­len­stoff­di­oxid zu ver­rin­gern: Das Treibhausgas muss auch aus der At­mo­sphä­re entfernt wer­den. Aber wie lässt sich ver­hin­dern, dass es irgendwann wieder in die Luft entweicht? Prof. David Agar von der Fa­kul­tät Bio- und Chemie­ingenieur­wesen er­forscht ein Ver­fah­ren, bei dem der Kohlenstoff in Feststoff ver­wan­delt wird: die Methanpyrolyse.

Es ist schon fast zu spät: Um das Klimaziel einzuhalten, die globale Erwärmung auf 1,5 °C im Vergleich zum vorindustriellen Zeitraum zu begrenzen, haben wir schon jetzt zu viel Koh­len­di­oxid in die At­mo­sphä­re freigesetzt. Es genügt also nicht mehr, ab sofort die CO2-Emis­si­o­nen massiv zu senken oder auf Null zu reduzieren: Wir müs­sen CO2 wieder aus der At­mo­sphä­re entfernen. Zu diesem Schluss kommt der Weltklimarat in ei­nem 2019 veröffentlichten Sonderbericht.

Doch wie lässt sich das CO2 aus der Luft bin­den? Und wie verhindert man, dass es nach gewisser Zeit erneut in die At­mo­sphä­re ge­lan­gt? Daran forscht Pro­fes­sor David Agar von der Fa­kul­tät Bio- und Chemie­ingenieur­wesen an der TU Dort­mund. „In der Natur bin­den Pflanzen CO2 in Biomasse“, er­klärt er. „Doch das ist nur eine vorübergehende Lö­sung: Wenn die Pflanzen verrotten, wird das CO2 wieder freigesetzt.“

Ver­fah­ren clever kom­bi­niert

Agar setzt da­her auf einen che­mi­schen Ansatz. Dazu nutzt er zu­nächst feste Ad­sorp­ti­ons­mit­tel, so­ge­nannte Amine, die mit dem CO2 aus der Luft re­agie­ren und es an sich bin­den. Um das Material erneut verwenden zu kön­nen, muss das gebundene Koh­len­di­oxid wieder entfernt wer­den. „Dieser Prozess erfordert hohe Temperaturen, also viel Energie“, sagt Agar. „Um das Klima nicht zu belasten, kom­men dafür nur erneuerbare Energien in Fra­ge.“ Sein Team nutzt eine clevere Kombination, um die benötigte Wärme selbst zu er­zeu­gen und zugleich das aus der Luft gefilterte CO2 weiterzuverarbeiten. „Wir las­sen das CO2 mit Was­ser­stoff zu Methan, also CH4, re­agie­ren. Das ist synthetisches Erdgas“, er­klärt er. „Diese Reaktion setzt viel Wärme frei, die wir für die Regeneration der Amine nut­zen kön­nen. Thermodynamisch ist es also sinnvoll, die Pro­zes­se zu koppeln.“ Aktuell arbeitet sein Team daran, dieses Ver­fah­ren effizienter zu ge­stal­ten.

Sobald das CO2 aus der Luft abgeschieden wird, lässt Prof. Agar es mit Was­ser­stoff zu Methan re­agie­ren. Im An­schluss wird der Kohlenstoff zu Feststoff ver­wan­delt.

Die nächste Fra­ge im Forschungsprozess ist: Was wird aus dem erzeugten Methan? „Man könnte es einfach als Erdgas verbrennen“, erläutert Agar. „Das wäre immerhin CO2-neutral, denn das CO2, das bei der Ver­bren­nung anfällt, haben wir ja vorher aus der Luft gefiltert. Aber letztlich wol­len wir ja eine ne­ga­ti­ve CO2-Bilanz er­rei­chen.“ Eine Mög­lich­keit wäre, das Methan der che­mi­schen In­dus­trie zur Ver­fü­gung zu stellen. Hier dient es als Ausgangsstoff für viele che­mi­sche Verbindungen. „Doch auch diese würden – ähnlich wie Biomasse – irgendwann wieder zersetzt, und das CO2 würde erneut freigesetzt“, be­schreibt Agar.

Endlagerung oder Weiterverarbeitung?

Für eine langfristige Lö­sung hält er da­her geologische Ver­fah­ren. Diese haben das Ziel, CO2 aus der Luft dauerhaft im Boden zu lagern. In diesem Fall müsste es nicht unbedingt zu­nächst zu Methan wei­ter­ver­ar­bei­tet wer­den. Einige Tech­no­lo­gi­en, bei denen CO2 mit hohem Druck in unterirdische Lagerstätten, bei­spiels­wei­se alte Gasfelder, gepresst wird, bergen Risiken, darunter die Gefahr, dass das CO2 wieder entweicht oder dass durch Druck­ver­än­de­run­gen Erdbeben ausgelöst wer­den. In Deutsch­land sind solche Ver­fah­ren da­her nicht mehr im Ge­spräch. Eine andere Mög­lich­keit ist, CO2 in poröse Basaltfelsen einzuleiten. Dieses Gestein reagiert mit dem CO2 zu Karbonaten, also Mineralien. Die Reaktion läuft langsam ab, bietet aber eine sichere und dauerhafte Form der Lagerung.

Agar selbst verfolgt aber einen anderen Ansatz. Sein Ideal: Das CO2 soll nicht nur aus der At­mo­sphä­re entfernt und möglichst risikoarm gelagert wer­den – alle Kom­po­nen­ten sollen sinnvoll genutzt wer­den. Dazu arbeitet er an ei­nem Ver­fah­ren namens Methanpyrolyse: „Wir wol­len aus dem Methan, das wir bei der CO2-Abscheidung aus der Luft ge­won­nen haben, Was­ser­stoff und elementaren Kohlenstoff ma­chen“, er­klärt er. Aus ei­nem Molekül CH4 wer­den dabei ein C (Kohlenstoff) und zwei H2 (Was­ser­stoff). Der Was­ser­stoff kann als umweltfreundlicher Energiespeicher bei­spiels­wei­se als Treibstoff für Wasserstoffautos, Flugzeuge oder Schiffe genutzt wer­den. Alternativ – und hier schließt sich der Kreis – lässt er sich im ersten Schritt, der CO2-Abscheidung, erneut dazu nut­zen, CO2 zu Methan re­agie­ren zu las­sen.

Auch der Kohlenstoff hat potenziell zahl­rei­che Verwendungsmöglichkeiten, zum Bei­spiel als Pigment in Druckertinte. „Im Moment nutzt ihn vor­wiegend die Reifenindustrie als Füllmaterial“, er­zählt Agar. „Aber hier sind die Mengen begrenzt.“ Sollte es gelingen, den Kohlenstoff aus­rei­chend zu veredeln, stünden auch höherwertige An­wen­dungs­be­rei­che offen. „Interessant wäre es, aus dem gewonnenen Kohlenstoff Graphen herzustellen, das dünnste Material der Welt, das aus einer einzigen Schicht mit­ei­nan­der verknüpfter Kohlenstoffatome besteht“, sagt Agar. Graphen ist 200 Mal stärker als Stahl, flexibel und kann als Leiter für Wärme und Elektrizität eingesetzt wer­den. „Denkbar wären auch Kohlenstofffasern, die zum Bei­spiel im Bausektor ver­wen­det wer­den.“

Wenn Kohlenstoff zum Problem wird

Doch solche An­wen­dungen liegen weit in der Zukunft. Zunächst gilt es, zahl­rei­che Hindernisse bei der Methanpyrolyse zu überwinden. Würde man Methan unter normalen Be­din­gun­gen verbrennen, würde es mit dem Luftsauerstoff zu Was­ser und Koh­len­di­oxid re­agie­ren. Das darf bei der Pyrolyse nicht passieren. „Sobald Sauerstoff im Spiel ist, hat man verloren“, sagt Agar. „Wir versuchen da­her, das Methan in Abwesenheit von Sauerstoff zu zersetzen.“ Damit sich das CH4-Molekül in seine Bestandteile Kohlenstoff und Was­ser­stoff spalten lässt, sind Temperaturen oberhalb von 1.000°C er­for­der­lich.

Eine Anlage steht in einem Forschungslabor. © Aliona Kardash​/​TU Dort­mund
Diese Anlage dient in Prof. Agars Labor dazu, Methan bei Temperaturen...
Eine Anlage steht in einem Forschungslabor auf einem Tisch. © Aliona Kardash​/​TU Dort­mund
...von mehr als 1.000 °C in Kohlenstoff und Was­ser­stoff zu zerlegen.

Ein Problem dabei: Während der entstehende Was­ser­stoff als Gas aufsteigt, lagert sich der Kohlenstoff ab – und zwar ausgerechnet an der heißesten Stelle, der Wand der Rohre. Die entsprechenden An­la­gen sind also bald verstopft und durch den Kohlenstoffbelag an den Wänden verringert sich der mögliche Wärmeeintrag. Agar und sein Team verfolgen ver­schie­de­ne Lö­sungs­an­sät­ze für dieses Problem. In ei­nem vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung ge­för­der­ten Pro­jekt ge­mein­sam mit BASF haben die For­sche­r*innen einen Reaktor mit ei­nem so­ge­nann­ten Kohlenstoffwanderbett ent­wickelt

Hier rieselt kontinuierlich Kohle im Reaktor herunter, an die sich der neu entstehende Kohlenstoff anlagern kann. „So wird der Kohlenstoff abtransportiert und setzt sich nicht an den Wänden ab“, erläutert Agar.

Ein zweiter Lösungsansatz zielt darauf, die Wände gleich ganz zu vermeiden. Statt die Hitze über die Wände zu vermitteln, erzeugt man einen Lichtbogen, also ein aus elektrischer Energie gespeistes Plasma, in dem die Spaltung des Methans stattfindet. „Dieses Ver­fah­ren ist flexibel einsetzbar und lässt sich schnell hoch- und runterfahren“, sagt Agar. Der Nachteil ist al­ler­dings, dass es bisher noch sehr energieaufwendig ist und eine schlechte Effizienz hat.

Eine Anlage zur Spaltung von Methan © Simon Böddeker​/​RUB
Wird das Methan in ei­nem Plasmabogen aus elektrischer Energie erhitzt, lässt es sich spalten, ohne dass sich dabei Kohlenstoff ablagert. Energieeffizient ist das Ver­fah­ren al­ler­dings noch nicht.

Aus wissenschaftlichem In­te­res­se­ wid­met sich Agar zusätzlich ei­nem dritten Ansatz: „Wir spülen die Wände unseres Reaktors kontinuierlich mit ei­nem Flüssigkeitsfilm aus flüssigem Metall“, be­rich­tet er. Dadurch fließt der Kohlenstoff mit dem Metall ab, die Wände bleiben frei. „Das funk­ti­o­niert ähnlich wie beim Kohlenstoffbett, nur mit Flüssigkeit statt mit Feststoff. Das hat zum Bei­spiel Vorteile für den Wärmehaushalt“, so Agar. „In beiden Fällen ist es gut, dass Kohlenstoff und Was­ser­stoff in un­ter­schied­li­che Richtungen den Reaktor verlassen, sodass es keine Rückreaktionen gibt.“

Was ist mög­lich, was rentabel?

Wirtschaftlich rentabel ist bislang noch keiner der Ansätze. Im in­dus­tri­el­len Maßstab wird Was­ser­stoff bisher vor allem aus fossilem Erdgas durch Um­set­zung mit Wasserdampf ge­won­nen. Da bei der Er­zeu­gung dieses so­ge­nann­ten „grauen“ Wasserstoffs CO2 freigesetzt wird, trägt er weiter zur Klimaproblematik bei. Doch die Pro­duk­tion ist so preiswert, dass sie andere, kli­ma­freund­liche Tech­no­lo­gi­en bislang verdrängt. Alternativen wären der so­ge­nannte „blaue“ Was­ser­stoff, der zwar ebenso erzeugt wird wie „grauer“ Was­ser­stoff, bei dem aber das entstehende CO2 aufgefangen und ge­spei­chert wird, sodass es nicht in die At­mo­sphä­re ge­lan­gt, und der „grüne“ Was­ser­stoff, der durch die Elektrolyse von Was­ser mit erneuerbarem Strom hergestellt wird und CO2-frei ist. „Solange man aber CO2-Aus­stoß nicht fi­nan­zi­ell bestraft, sind diese Tech­no­lo­gi­en nicht konkurrenzfähig“, sagt Agar.

Kohlenstoff liegt auf einem hellen Untergrund, daneben liegt ein Zollstock zur Messung. © Aliona Kardash​/​TU Dort­mund
Neben dem gasförmigen Was­ser­stoff bleibt bei der Methanpyrolyse Kohlenstoff zu­rück. Wie dieser weiterverwertet wird, entscheidet mit da­rü­ber, ob sich das Ver­fah­ren rentiert.

Den Was­ser­stoff aus Methanpyrolyse, an dem er forscht, bezeichnet man als „türkisen“ Was­ser­stoff. „Wie rentabel dieses Ver­fah­ren ist, hängt auch davon ab, was man mit dem anfallenden Kohlenstoff macht“, er­klärt er. Sollte es tatsächlich gelingen, hoch­wer­ti­ge Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten zu finden, würde dies die Wirtschaftlichkeit deutlich ver­bes­sern. Derzeit ist der Kohlenstoff, der bei der Pyrolyse ent­steht, al­ler­dings noch zu uneinheitlich. „Das ist aber eher ein For­schungs­ge­biet der Werk­stoff­tech­nik. Wir liefern nur den Kohlenstoff“, sagt Agar. Den Was­ser­stoff selbst sieht Agar vor allem als Hilfsmittel auf dem Weg zu einer umweltfreundlicheren E­ner­gie­ver­sor­gung. „Der Was­ser­stoff ist kein Allheilmittel“, sagt er. „Es ist eine gute Mög­lich­keit, bei er­neu­er­ba­ren Energien Nachfrage und Angebot aus­zu­glei­chen und eine län­ger­fris­ti­ge Speicherung zu er­mög­li­chen.“

Wasserstoffautos hingegen seien gegenüber Elektroautos zu ineffizient. Anders verhält es sich aus seiner Sicht mit Flugzeugen und Schiffen, die umweltfreundlichen Was­ser­stoff als Treibstoff nut­zen. „Durch die lan­gen zurückzulegenden Strecken sind wir hier auf die che­mi­sche Energiespeicherung angewiesen. In diesem Fall könnte Was­ser­stoff fossile Brennstoffe ersetzen.“

Durch die Kombination von CO2-Abscheidung und Methanpyrolyse ist der von Agar erzeugte Was­ser­stoff nicht nur CO2-neutral, sondern kann tatsächlich zum Ideal einer negativen CO2-Bilanz beitragen. Agar selbst bezeichnet sein Ver­fah­ren als Übergangstechnologie: „Wir hoffen, damit einen Bei­trag zum Umstieg auf um­welt­freund­li­che Technologieformen zu leisten.“ Damit sich neue Tech­no­lo­gi­en lohnen, seien aber zusätzlich zu wis­sen­schaft­li­chen Fortschritten vor allem po­li­ti­sche Maß­nahmen not­wen­dig. Vor allem der Preis für CO2-Zertifikate sei eine wich­ti­ge Stellschraube. „Wir sind schon über den Punkt hinaus, wo wir einfach durch Ein­schrän­kungen der Emis­si­o­nen unsere Klimaziele er­rei­chen. Wir müs­sen aktiv gegen das CO2 in der At­mo­sphä­re ar­bei­ten“, sagt Agar. „Un­se­re Tech­no­lo­gi­en kön­nen einen Baustein dazu liefern.“

Text: Elena Bernard

Zur Person

Prof. David W. Agar ist Pro­fes­sor für che­mi­sche Ver­fah­rens­tech­nik an der Fa­kul­tät Bio- und Chemie­ingenieur­wesen. Er studierte Bio­in­ge­ni­eur­we­sen an der Uni­ver­sity of Wales und wurde an der Uni­ver­sity of Houston als Chemieingenieur promoviert. Nach einer ins­ge­samt sechzehnjährigen Industrietätigkeit bei der BASF wurde er 1997 Pro­fes­sor für Technische Chemie an der TU Dort­mund.

Seine For­schungs­schwer­punkte sind unter an­de­rem multifunktionale Reaktoren, Mikroreaktoren, Prozessintensivierung sowie umwelttechnische An­wen­dungen der Reaktionstechnik. Ge­mein­sam mit Kollegen von der Fa­kul­tät BCI verfasste er das Lehrbuch „Einführung in die Technische Chemie“, das 2011 den Literaturpreis des Fonds der Chemischen In­dus­trie erhielt.

Porträt eines Mannes © Aliona Kardash​/​TU Dort­mund

Dies ist ein Bei­trag aus der mundo, dem Forschungsmagazin der TU Dort­mund. 

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