CO2 als Rohstoff für eine nachhaltige Chemie

Um die weitere Erderwärmung aufzuhalten, müssen Treibhausgasemissionen dringend vermieden werden, durch Einsparungen im Ressourcenverbrauch und erhöhte Effizienz, aber besonders über den Ersatz fossiler Rohstoffe durch erneuerbare Alternativen. Eine Möglichkeit dabei ist, auch das Treibhausgas CO2 selbst als Rohstoff für kohlenstoffhaltige Produkte einzusetzen. Am Fraunhofer IGB verfolgen wir verschiedene technologische Ansätze, um das reaktionsträge CO2 zu aktivieren und in der Folge zur Herstellung einer Vielzahl chemischer Produkte – von Bulk- bis Feinchemikalien, von Kraftstoffen bis Kunststoffen – zu nutzen.

 

Kohlenstoff ist nicht nur zentraler Baustein aller organischen Substanz, sondern auch zahlreicher Alltagsprodukte – von Kraftstoffen und Kunststoffen bis zu Kosmetika und Arzneimitteln. Derzeit werden diese hauptsächlich aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl und Erdgas hergestellt.

Aufgrund des fortschreitenden Klimawandels mit immer dramatischeren Folgen müssen Treibhausgasemissionen dringend vermieden werden, durch Einsparungen im Ressourcenverbrauch und erhöhte Effizienz, aber besonders über den Ersatz fossiler Rohstoffe durch erneuerbare Alternativen. Der Umstieg von der fossilen auf eine erneuerbare Energie- und Rohstoffbasis wird als Defossilierung (auch: Defossilisierung) bezeichnet. 

 

Fraunhofer IGB – Partner bei der Defossilierung Ihrer Prozesse

Das Fraunhofer IGB unterstützt Sie dabei, Prozesse und Prozesskaskaden zu entwickeln, mittels derer Kraftstoffe, Plattformchemikalien, Kunststoffe und andere chemische Produkte auf klimaneutrale Weise aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt werden können. 

CO2 – vom Treibhausgas zum Rohstoff

Kohlenstoffdioxid (CO2) wird in zunehmendem Maße nicht nur als klimaschädliches Treibhausgas, sondern auch als vielversprechende Kohlenstoffquelle für die Synthese vielfältiger chemischer Produkte betrachtet – also als Rohstoff. Beim sogenannten Carbon Capture and Utilization (CCU) geht es daher um die Bindung von CO2 in Produkten durch technische Prozesse.

 

Kohlenstoffkreislaufwirtschaft durch CO2-Recycling

CO2 entsteht bei allen Verbrennungs- und oxidativen Abbauprozessen organischer Materialien, etwa bei der mikrobiellen Zersetzung biogener Substanzen, unserer Atmung sowie der alkoholischen Gärung. Das Klimagas ist damit ubiquitär vorhanden und kann mithilfe erneuerbarer Energie und innovativer Technologien als Rohstoff nutzbar gemacht werden. Die als chemisches CO2-Recycling bezeichnete Wiedernutzung trägt dazu bei, eine nachhaltige Kohlenstoffkreislaufwirtschaft aufzubauen und den Einsatz fossiler Ressourcen zu reduzieren.

Auch in Brauereien entsteht Kohlendioxid.
Auch in Brauereien entsteht Kohlendioxid.
Relevante Punktquellen für CO2 sind Prozessgase von Brauereien, Abfallverbrennungs- und Biogasanlagen, Zementwerke oder Hochöfen der Stahlindustrie.

Wie die Wiederverwendung von CO2 gelingt

CO2 ist eine energiearme und reaktionsträge Verbindung, die nur unter hohem Energieaufwand und mit geeigneten Katalysatoren zu einer chemischen Reaktion bewegt werden kann. Mit Fortschreiten der Energiewende stehen erneuerbare Energien in zunehmendem Maße zur Verfügung, um CO2 chemisch zu aktivieren und als nachhaltige Kohlenstoffquelle zu nutzen.

In einem ersten Schritt muss CO2 hierzu über technische Verfahren aus industriellen Prozessgasen (sogenannten Punktquellen) oder direkt aus der Luft (Direct Air Capture, DAC) abgetrennt und aufgereinigt werden. Relevante Punktquellen sind beispielsweise Prozessgase von Brauereien, Abfallverbrennungs- und Biogasanlagen, Zementwerke oder Hochöfen der Stahlindustrie.

Sektorenkopplung durch chemische Energiespeicher

Mit wenigen chemischen oder elektrokatalytischen Umwandlungsschritten lassen sich aus CO2 Basischemikalien (u. a. Methan, Methanol, Ethen) oder synthetische Kraftstoffe herstellen. Verbindungen wie Methan oder Methanol sind zudem einfach lager- und transportfähig und können als chemische Energieträger/-speicher fungieren. Damit spielen sie eine wesentliche Rolle bei der Energiewende und verbinden den Energie- mit dem Chemie- und Verkehrssektor. 

Technologien zur Erschließung und Nutzung von CO2

Das Fraunhofer IGB verfolgt verschiedene Ansätze zur Aktivierung und Konversion von CO2 und bietet durch ein enges Zusammenspiel von (Elektro-)Chemie, Verfahrenstechnik und synthetischer Biotechnologie intelligente Lösungen zur Herstellung verschiedenster Produkte aus CO2 an. Unser Ziel ist es, diese Technologien in Kooperation mit industriellen Partnern zu wirtschaftlich einsetzbaren Verfahren weiterzuentwickeln. 

Am Fraunhofer IGB verfolgen wir verschiedene technologische Ansätze, um CO2 zu einer Vielzahl möglicher Produkte umzuwandeln.
© Fraunhofer IGB
Am Fraunhofer IGB verfolgen wir verschiedene technologische Ansätze, um CO2 zu einer Vielzahl möglicher Produkte umzuwandeln.

CO2-Konversionstechnologien und Produkte aus CO2

 

Basischemikalie Methanol

Chemische Konversion von CO2 mit Wasserstoff

Wir erforschen die thermokatalytische Methanolsynthese aus CO2, um mithilfe resilienter Katalysatoren CO2 aus industriellen Punktquellen (Abgase von Zementwerken, Bioraffinerien etc.) nutzen zu können.

 

Nachhaltiger Transportsektor

Synthetische Kraftstoffe

Am Straubinger Institutsteil arbeiten wir an der Entwicklung von Prozessen zur Produktion synthetischer Kraftstoffe aus CO2. Aus CO2 und Wasserstoff hergestellte Alkohole, vor allem Methanol, wird dabei zu leichten Alkenen (Olefinen) umgesetzt, aus denen wiederum durch Oligomerisierung und Hydrierung sogenannte Mitteldestillate gewonnen werden, also Kraftstoffe im Bereich von Diesel und Kerosin.

 

Synthesegas

Plasmaspaltung von CO2

In diesem Ansatz wird CO2 energetisch in einem Plasma in CO und O2 gespalten. Eine neuartige Keramikmembran trennt O2 ab und verhindert die Rückreaktion. Die Kapillarmembran aus Perowskit hält Temperaturen im Plasma von bis zu 1000°C und zugleich hohen CO2-Konzentrationen stand. Der Plasma-Membran-Prozess lässt sich direkt dort einsetzen, wo CO2 entsteht.

 

 

 

Basischemikalie Ameisensäure

Elektrokatalytische Konversion von CO2

Die direkte elektrokatalytische Reduktion von CO2 in einer elektrochemischen Zelle bietet eine attraktive Alternative zur chemischen Umsetzung mit H2. Am IGB konzentrieren wir uns auf die elektrokatalytische Synthese von Ameisensäure und deren Salzen, für die wir mit verschiedenen Elektrokatalysatoren beschichtete Gasdiffusionselektroden einsetzen.

 

Monomere für Kunststoffe

Power-to-X-to-Y-Kaskadenprozesse

Elektrobiokatalytische Synthesemodule erlauben die kombinierte Nutzung von regenerativem Strom, CO2 und einzelnen Enzymen oder Enzymkaskaden nach dem Vorbild der Natur. In unserem Synthesemodul finden eine selektive NADPH-abhängige CO2-Fixierung sowie die enzymatische Cofaktor-Regeneration von NADPH statt.

 

Wertstoffe aus Biomasse

Biotechnologische Verwertung von CO2

Mikroalgen bilden Inhaltsstoffe aus CO2, Licht und Mineralien. Wir entwickeln Technologien und Wertschöpfungsketten, um das Potenzial einer flächenunabhängigen, dezentralen Mikroalgenproduktion für Nahrungsmittel-, Kosmetik-, Pflanzenstärkungs- und Textilindustrie nutzbar zu machen. Die Algenproduktion kann an CO2 emittierende Industrieprozesse gekoppelt werden.

 

Fein- und Spezialchemikalien

Elektrobiokatalytische Fixierung von CO2

Elektrobiokatalytische Synthesemodule erlauben die kombinierte Nutzung von regenerativem Strom, CO2 und einzelnen Enzymen oder Enzymkaskaden nach dem Vorbild der Natur. In unserem Synthesemodul finden eine selektive NADPH-abhängige CO2-Fixierung sowie die enzymatische Cofaktor-Regeneration von NADPH statt.

 

Skalierung und Pilotierung

Skalierung von Prozessen zur Verwertung von CO2

Am Fraunhofer CBP entwickeln und skalieren wir chemische Prozesse zur Konversion von CO2 und H2 zu Grundchemikalien, Brenn- und Kraftstoffen und demonstrieren und optimieren diese in Pilotanlagen zusammen mit unseren Partnern.

Weitere Informationen

 

Dossier

Biotechnologisches CO2-Recycling

Umfangreiches Dossier zum Thema CO2 als Rohstoff auf dem BMBF-Onlineportal Bioökonomie.de mit fünf IGB-Projekten

Arne Roth

Contact Press / Media

Dr. Arne Roth

Abteilungsleiter Nachhaltige katalytische Prozesse

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Schulgasse 11a
94315 Straubing

Telefon +49 9421 9380-1030