Kohlenstoffdioxid
30.07.2012

Klimakiller Reloaded

Mariel Knieling / pixelio.de
34 Milliarden Tonnen CO2 wurden allein 2010 aus Kraftwerken, Autos, Häusern und Fabriken in die Atmosphäre geblasen.

Wie die Chemiebranche Kohlendioxid nutzt, um Erdöl zu ersetzen: Ein Gastbeitrag von Tony van Osselaer, Vorstand der Bayer Material Science AG.

Primo Levi war Chemiker und Schriftsteller in einer Person. Als Naturwissenschaftler wusste er genau um die Bedeutung des Elements, das am vierthäufigsten im Universum vorkommt: Kohlenstoff, Grundlage allen organischen Lebens.
Und als Autor brachte der Italiener bereits 1975 in seinem Buch „Das Periodische System“ einen zentralen Zusammenhang auf den Punkt: „Der Mensch hat sich nicht bemüht, dem Kohlendioxid den Kohlenstoff zu entziehen, den er benötigt, um sich zu ernähren, zu kleiden, zu wärmen“, konstatierte Levi: „Er hat es nicht getan, weil er es nicht brauchte. Aber wie viele Jahrzehnte wohl noch?“
Die prophetische Frage lässt sich inzwischen beantworten: Nach gut vier Jahrzehnten sind wir an dem Zeitpunkt angekommen, an dem CO2 nicht mehr bloß als Abfallprodukt, als etwas Unnützes und Schädliches zu betrachten ist. 
Vielmehr greift die Erkenntnis um sich: Kohlendioxid ist viel zu wertvoll, um es verpuffen zu lassen. Auf das Schmuddelkind des Industriezeitalters warten andere Aufgaben. Vorerst gilt CO2 freilich als Klimasünder Nummer Eins: Fast 34 Milliarden Tonnen davon wurden allein 2010 nach Berechnungen des US-Energieministeriums aus Kraftwerken, Autos, Häusern und Fabriken in die Atmosphäre geblasen. Der natürliche Kohlendioxidkreislauf der Erde gerät zunehmend aus dem Gleichgewicht. Wir fahren, wir heizen, wir gewinnen Energie, indem wir unter Freisetzung von Kohlendioxid begrenzte fossile Ressourcen verbrennen: Kohle, Erdgas, Erdöl.
Öl ist zentraler Rohstoff der chemischen Industrie, die rund fünf Prozent der weltweiten Förderung zur Herstellung von Medikamenten, Düngemitteln und Kunststoffen verbraucht. Doch wird das Öl nicht nur immer knapper und teurer, die Aufbereitung zu chemischen Vorprodukten ist außerdem mit erheblichem Energieaufwand und ebenfalls mit der Freisetzung von CO2 verbunden. Höchste Zeit also, nach Alternativen Ausschau zu halten.

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Nachwachsende Rohstoffe wie Pflanzenöle oder Zucker zur Kunststoff-Produktion zu nutzen, ist der eine Weg. Aber warum nicht gleich den Stier bei den Hörnern packen und Kohlendioxid als Quelle des Kohlenstoffs nehmen, den bislang allein das Erdöl liefert? Diese Idee existierte schon zu Primo Levis Zeiten. Doch erst jetzt gelingt der chemischen Industrie der Schritt von der Theorie in die Praxis – unter der Fachbezeichnung „Carbon Capture and Usage“, kurz CCU (siehe unten).
Besonders in Deutschland laufen zu CCU entsprechende Forschungsprojekte – mit Unterstützung der Bundesregierung, die im Rahmen ihrer Hightech-Strategie insgesamt 100 Millionen Euro an Fördergeldern zur stofflichen Nutzung von CO2 bereitstellt.
Weit gediehen ist ein Verfahren, mit Hilfe von Kohlendioxid aus der Energiewirtschaft Polyurethan-Schaumstoff herzustellen. Dieses Material kommt im Alltag fast überall zum Einsatz: etwa in Matratzen, Autoteilen oder Schuhsohlen.
Beim Bayer-Konzern in Leverkusen ist seit Anfang 2011 eine CO2-Pilotanlage in Betrieb. Hier entsteht – vorerst zu Testzwecken – ein Polyurethan-Vorprodukt, das zum Teil aus Kohlendioxid besteht. Es stammt aus einem Braunkohlekraftwerk des Projektpartners RWE in Niederaußem bei Köln, wo es aus dem Rauchgas ausgewaschen und verflüssigt wird. Dream Production heißt das Projekt, und in der Tat scheint hier nun der Traum des Primo Levi und vieler anderer Wissenschaftler in Erfüllung zu gehen. Bereits ab 2015 sollen erste CO2-basierte Produkte auf den Markt kommen. Auf dem Weg dahin zeigen erste Analysen: Die Schaumstoff-Proben sind von vergleichbar hoher Qualität wie vollständig aus Erdöl-Derivaten hergestelltes Polyurethan; das Kohlendioxid bleibt selbst bei hohen Temperaturen fest darin eingebunden. Sein Anteil kann bis zu 43 Prozent ausmachen; bereits getestet wurden unter anderem Muster mit einem CO2-Gehalt von rund 20 Prozent.
Und es sieht ganz so aus, dass am Ende des komplexen Verfahrens auch tatsächlich Kohlendioxid eingespart wird. Das ist keineswegs selbstverständlich. Denn das Gas ist von Natur aus sehr träge. Um es zur Reaktion zu bringen, muss normalerweise viel Energie aufgewendet werden – was wiederum mit der Freisetzung von CO2 verbunden ist. Ein Dilemma. Den Ausweg weist ein spezieller Katalysator, den Bayer-Forscher entdeckt haben: Er senkt den Energiebedarf und sorgt nach den bisherigen Erkenntnissen dafür, dass das neue Verfahren wirklich ökologisch sinnvoll ist.

Ungenutztes Potenzial

Gemessen an den weltweiten Emissionen ist das Potenzial zur CO2-Nutzung sicherlich begrenzt. Doch für die Chemieindustrie können die indirekte Einsparung an Kohlendioxid und Energie, die der teilweise Ersatz von Erdöl mit sich bringt, und vor allem die Substitution der traditionellen Ressource selbst beachtliche Größenordnungen erreichen. Ein Anhaltspunkt: Allein die Polyurethane, auf die das neue Verfahren zunächst zugeschnitten ist, stehen für rund fünf Prozent des weltweiten Kunststoffmarktes.
Die Chemiebranche, die in früheren Zeiten nicht unbedingt als Vorreiter beim Umweltschutz galt, setzt heute allgemein auf Energieeffizienz – und dreht damit auch hier an einer wichtigen Stellschraube für die „low carbon economy“, die kohlenstoffarme Wirtschaft der Zukunft, wie sie der Europäischen Union vorschwebt.
Zwischen 1990 und 2009 ist es der Chemieindustrie gelungen, den Energieeinsatz um 33 Prozent zu verringern, während der Ausstoß an Kohlendioxid, Lachgas und anderen Klimagasen um 47 Prozent nach unten ging. Im selben Zeitraum wurde jedoch die Produktion um 42 Prozent gesteigert. Das bedeutet: Zur Herstellung des gleichen Produkts wird heute nur noch halb so viel Energie benötigt wie rund zwei Jahrzehnte zuvor.
Die Gründe sind unterschiedlich. Zum einen wurde der Energiemix verändert – hin zu weniger Kohle und mehr Erdgas. Diese Energieträger sind zwar zunächst weiter notwendig, stehen aber künftig wohl nur noch zu stark erhöhten Preisen zur Verfügung – was die Branche vor Probleme stellt.
Zum anderen hat die Chemieindustrie für viel Geld ihre Anlagen modernisiert und nutzt immer ausgefeiltere Effizienz-Techniken. Zum Beispiel bei der sehr energieintensiven Herstellung von Chlor, einer wichtigen Basis-Chemikalie. Ein neues Elektrolyse-Verfahren benötigt inzwischen erheblich weniger Energie. Und es könnte auch gesamtwirtschaftlichen Nutzen  bringen, etwa mit Blick auf die vielzitierte Energiewende. Denn auf die Chlorproduktion entfallen drei Prozent des deutschen Stromverbrauchs. Er ließe sich stark reduzieren, wenn die innovative Technik flächendeckend angewandt würde. 

Neben solchen Herstellungsverfahren tragen auch viele Produkte der chemischen Industrie zu Ressourcenschonung und Klimaschutz bei. Kunststoffe helfen, Autos leichter und sparsamer zu machen oder Gebäude gegen Kälte und Hitze zu dämmen. Und sie unterstützen nicht zuletzt die Verbreitung erneuerbarer Energien – neben mehr Effizienz, der zweite große Baustein zum Umbau der Energiesysteme.
Beispiel Windkraft: Mit Hilfe von Kohlenstoff-Nanoröhrchen etwa lassen sich Rotorblätter gleichzeitig leichter und stabiler konstruieren. Dadurch können sie bedeutend länger werden – was wiederum hilft, mehr Wind in Elektrizität umzuwandeln.
Allerdings: Häufig wird mehr Windstrom produziert als gerade benötigt. Wohin mit dem Überangebot? Man kann die Energie in Pumpspeicherkraftwerken oder unterirdischen Hohlräumen horten. Eine andere Möglichkeit ist, mit dem Windstrom per Elektrolyse Wasserstoff zu produzieren, ihn also quasi chemisch zu speichern.
„Freigelassen“ wird die Energie, wenn der Wasserstoff zum Einsatz kommt. Und hier tritt wieder Kohlendioxid aus Kraftwerken auf den Plan. Es soll mit dem umweltfreundlich gewonnenem Wasserstoff zusammengebracht werden, um wichtige chemische Zwischenprodukte zu gewinnen. Diese Idee verfolgen Bayer, RWE und Siemens zusammen mit zehn Hochschulen und wissenschaftlichen Einrichtungen in einem Projekt, das ebenfalls von der Bundesregierung unterstützt wird. Es ist freilich noch Zukunftsmusik: Mit der Umsetzung ist nicht vor 2020 zu rechnen.

Primo Levi, der 1987 in Turin verstarb, hätte an diesen Entwicklungen bestimmt seine Freude gehabt. Er hat sie in vielerlei Hinsicht vorausgeahnt. Sein Werk „Das periodische System“ findet nach wie vor neue Fans in aller Welt. 2006 wurde es im Rahmen einer Publikumsabstimmung am Londoner Imperial College zum „besten populären Wissenschaftsbuch aller Zeiten“ gewählt.

Wohin mit CO2?

Die Menschheit mit ihrem Energiehunger verursacht weit mehr Kohlendioxid, als von natürlichen Reservoiren wie Wäldern und Ozeanen aufgenommen werden kann. Wohin mit dem CO2? Eine Frage, die angesichts schärferer Umweltauflagen vor allem die Energiewirtschaft umtreibt, die zum Beispiel in Deutschland für über 40 Prozent der Emissionen steht.

CO2 speichern – CCS

Die wissenschaftliche und politische Diskussion ist derzeit auf Verfahren konzentriert, die darauf hinauslaufen, das Kohlendioxid aus Kraftwerken abzuscheiden und es dauerhaft geologisch zu speichern – Carbon Capture and Storage (CCS). In der der Energiewirtschaft gibt es bereits Pilotanlagen zur CO2-Abscheidung, etwa von RWE am Braunkohlekraftwerk Niederaußem bei Köln. Der großtechnische Einsatz ist frühestens ab 2020 zu erwarten. Die Abscheidung geht mit Effizienzeinbußen bei der Energiegewinnung einher. Zudem herrscht noch Unklarheit über die Kapazitäten und die Sicherheit von CO2-Speichern. Vielerorts stoßen entsprechende Projekte auf Widerstand in der Gesellschaft.

CO2 nutzen – CCU

Kraftwerks-CO2 stofflich zu nutzen lautet parallel ein neuerer Ansatz, der auch vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. Bayer und andere Unternehmen haben entsprechende Projekte aufgelegt. Die Technik des Carbon Capture and Usage (CCU) zielt darauf ab, das wichtige Element Kohlenstoff als Synthesebaustein in chemischen Reaktionen heranzuziehen – besonders zur Produktion von Kunststoffen.
Bereits jetzt wird CO2 in der Chemiewirtschaft unter anderem zur Herstellung von Harnstoff und Methanol verwendet. Die Gesamtmenge des Gases, das als chemischer Rohstoff dient, beläuft sich bislang auf etwa 110 Millionen Tonnen pro Jahr. Hinzu kommt die Nutzung als Industriegas: Kohlendioxid befindet sich beispielsweise in Getränken, Feuerlöschern und Kälteanlagen. Hier liegt die Jahresmenge bei rund 20 Millionen Tonnen. Der Maximalbedarf an CO2 für Kunststoffe und andere Chemieprodukte wird auf rund 180 Millionen Tonnen jährlich veranschlagt – das entspricht etwa den Gesamtemissionen von Belgien im vergangenen Jahr.

Unser Autor Tony van Osselaer

ist promovierter Chemiker und Vorstand der Bayer Material Science AG in Leverkusen, dort zuständig für Industrial Operations. Der gebürtige Belgier leitet zudem den Ausschuss Energie, Klimaschutz und Rohstoffe im Verband der Chemischen Industrie (VCI).

Tony van Osselaer
Keywords:
Energieeffizienz | CO2
Ressorts:
Technology

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