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29.06.16 17:08 Alter: 332 Tage
Kategorie: Heim-Anwender, KMU, SOHO, Errichter, Top-News, Report, Energieversorgung
Von: Arno Kral

Künstliche Photosynthese -- Treib- und Rohstoffe aus Licht und Luft

Was Pflanzen können, können Menschen auch -- mit Sonnenstrahlung Anteile der Luft zu neuen Stoffen zusammen setzen, und das mit höherem Wirkungsgrad. Aus EE-Überschüssen und klimaschädlichem CO2 entstünden so beispielsweise künstliches Erdgas und Kunststoffe für den Markt der Endverbraucher.


Hermann Requardt, Bernhard Rieger, Arno Kral (Foto: acatech)

Hermann Requardt, Bernhard Rieger, Arno Kral (Foto: acatech)

München – Die künstliche Photosynthese beschreibt Wikipedia als "chemischen Prozess, bei dem mit Hilfe von Sonnenlicht chemische Produkte hergestellt werden." In Zeiten, in denen die Industrie- und Schwellenländer nach Wegen suchen, ihr vornehmlich öl- und kohlebefeuertes Wachstum umweltverträglicher zu gestalten, klingt das Versprechen, "aus Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser Produkte wie Brennstoffe, Chemikalien oder Kohlehydrate und Sauerstoff" sehr verlockend, um der CO2-Falle zu entgehen und Klimaziele einhalten zu können.

Das ika -- Institut für Kraftfahrzeuge / RWTH Aachen schreibt im Abschlussbericht 113210 aus dem Dezember 2012 unter dem Titel "CO2-Reduzierungspotenzaile bei PKW bis 2020: "Seit dem 1. Januar 2012 ist die schrittweise Begrenzung der CO2-Emissionen für PKW im Kraft. Bereits ab Januar 2015 sollen die durchschnittlichen CO2-Emissionen der europäischen Neuwagenflotte im Durchschnitt auf 130 g CO2/km reduziert werden. Für das Jahr 2020 ist ein Flottenzielwert in Höhe von 95 g CO2/km definiert." Die größten CO2-Emittenten in der Europäischen Union sind 

  • die Energiewirtschaft mit 38 Prozent
  • die Industrie mit 22 Prozent 
  • der Transport mit 23 Prozent, von denen 9 Prozent auf den Güter- und  14 Prozent auf den Personentransport entfallen und 
  • mit lediglich 10 Prozent Haushalte und Kleinverbraucher

Die EU hatte sich bereit 1997 im globalen Abkommen des Kyoto-Protokolls verpflichtet, die durchschnittlichen Treibhausgasemissionen der Jahr 2008 bis 2012 gegenüber Basisjahr 1990 um 8 Prozent zu reduzieren, unterschiedlich je Nation, Deutschland minus 21 Prozent. Laut Weißbuch der Europäischen Komission soll der weltweite Temperaturanstieg unter zwei Grad Celsius liegen. 

Unter dem Motto "tomorrow starts today" verfolgt Thyssen-Krupp mit der Initiative Carbon2Chem das Ziel, Hüttengase aus der Stahlproduktion als Ausgangsstoffe für chemische Produkte zu nutzen. Dabei soll Überschussstrom aus erneuerbaren Energien als Energiequelle genutzt werden. Bislang wurden Hüttengase lediglich thermisch verwertet, also verbrannt. Hüttengas setzt sich zusammen aus

  • 44 Prozent Stickstoff,
  • 23 Prozent Kohlenmonoxid,
  • 23 Prozent Kohlendioxid
  • 10 Prozent Wasserstoff und 
  • 2 Prozent Methan

Aus Stickstoff und Wasserstoff lässt sich Ammoniak herstellen. Ammoniak lässt sich im Haber-Bosch Verfahren (seit 1910 bekannt) zu Mineraldünger umsetzen. Die chemische Reaktion verläuft bei einem Druck von 200 bis 300 bar und einer Temperatur von 350 bis 450 Grad Celsius ab. Ein Katalysator beschleunigt die Umwandlung.

Kohlenstoff aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, sowie Wasserstoff bilden die Grundlage für Herstellung von Methanol. Bislang wird aber der für die Methanol-Herstellung benötigte Kohlenstoff vorwiegend aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas gewonnen. Anders beim exothermen Sabatier-Prozess: Er setzt Kohlenmonoxid respektive Kohlendioxid und Wasserstoff in Methan und Wasser um, s.a. Wikipedia Sabatier-Prozess.

Da bekannt ist, dass in der Technisch Universität München einer der bedeutendsten Protagonisten der künstlichen Photosynthese forscht, hatte der Autor als Vorsitzender der technisch-literarischen Journalistenvereinigung, dem TELI e.V., zusammen mit Marc Dennis Weitze von der acatech Herrn Professor Rieger in Garching aufgesucht um ihn für einen Vortrag im Rahmen der Veranstaltungsreihe "acatech am Dienstag" zu gewinnen. Zum Auftakt am 27. Juli 2017 verwies Moderator Arno Kral auf eine Fiktion des Science-Fiction-Autors Neal Stephenson. Der hatte im seinem 1995 in den USA und 1996 in Deutschland bei Goldmann erschienenen Science-Fiction-Roman "Diamond Age – Die  Grenzwelt" die Utopie entworfen, Nanotechnologie flächendeckend für die Versorgung der Bevölkerung einzusetzen: Materie-Compiler, eine Art auf molekularer Ebene arbeitende 3D-Drucker, synthetisieren Güter des täglichen Bedarfs, etwa Kleidung und Nahrung – und desintegrieren sie, ganz im Sinne einer Kreislaufwirtschaft, nach Gebrauch wieder sortenrein. Versorgt werden diese Materie-Compiler aus Feedern, die in Ergänzung zu heute üblichen Strom- und Wasserleitungen für die Produktion benötigte Substanzen in die Haushalte führen.

"Wirtschaftliche Bedeutung haben nur noch Eigentumsrechte an den Bauplänen (Informationen für die Kompilierung der Güter), sowie die Infrastruktur, bestehend aus so genannten Sources, Fabriken für atomare Bausteine und gleichzeitig Kontrollinstanzen für die Materie-Compiler, und Feeder-Leitungen, um die Compiler mit Material zu versorgen", schreibt Wikipedia über Stephensons Roman. Den Titel Diamond Age, also Diamantenzeitalter, hatte der Autor gewählt, um klar zu stellen, dass Kohlenstoff, etwa in Form von CO2, so reichlich zur Verfügung stehe, um daraus nahezu alles, wofür heute etwa Glas zum Einsatz kommt, künftig aus Diamant herzustellen. Doch mit Kohlenstoff, insbesondere solchem, der das Klima schädigt, lässt sich weit mehr anfangen, als ihn zu Diamantglas zu verarbeiten. 

Mit der künstlichen Photosynthese schicken sich Wissenschaft und Technik nämlich an, zumindest das CO2 aus Industrieabgasen in ein Fließgleichgewicht zu überführen, den Großteil der Emissionen aus der Kohleverbrennung also wieder zu verwerten und damit die Klimaziele produktiver zu erreichen, als etwa mit der Speicherung von CO2 unter Tage. Darüber hinaus weist die künstliche Photosynthese einen Weg auf, den enormen Bedarf der Industrie an Wasserstoff durch photokatalytische Prozesse großtechnisch umweltfreundlicher als bisher zu erzeugen.

Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle für die Industrie

Rieger zeigte einige der Gebiete auf, in denen die chemische Industrie bereits beträchtliche Umsätze realisiert. Dazu zählen die Synthese von jährlich an die 100 Millionen Tonnen Harnstoff nach dem Haber-Bosch-Verfahren. Harnstoff ist ein zentraler Rohstoff für die Herstellung von Düngemitteln und Kosmetik-Produkten. Der anhaltende Mehrverbrauch von Kunststoffen mit Kohlenstoff-Anteilen mit Zuwachsraten von vier  bis achteinhalb Prozent im Jahr 2015 veranlasste Professor Rieger, die Frage aufzuwerfen, ob CO2 als die neue Kohlenstoffquelle betrachtet werden könne. Zwar trage Deutschland mit 900 Millionen Tonnen nur rund drei Prozent Gases in die Atmosphäre ein, könne jedoch mit der technischen Verwertung dieses klimaschädlichen Gases dazu beitragen, den Anstieg der CO2-Konzentration in der Luft auf zuletzt im Jahr 2015 gut 400 ppm (Parts per Million) wieder zu senken.

Welch prächtige Aussichten! Lässt sich durch den Einsatz von Prozesstechnik und Überschüssen aus erneuerbaren Energiequellen tatsächlich klimaschädliches Kohlendioxids zu Diesel oder Benzin zurück verwandeln? 

Zum ersten Mal zählen sogar Kunststoffe zu den Rohstoffen, die sich ohne den Einsatz von Rohöl aus Kohlendioxid synthetisieren ließen. Solche Kunststoffe fänden in Verbrauchsartikeln Verwendung, etwa Gehäusen für Haushalts-Produkte, Agrarfolien oder bei Beschichtungsmaterialien für Papier und für Taschen. Vorteil der synthetischen Erzeugung solcher Kunststoffe sei das Fehlen von Nebenprodukten. 

Als Beispiel für die gelungene Umsetzung der Kunststoff-Synthese aus CO2 zeigte Rieger den dunkelblauen Deckel eines Staubsaugers, Endprodukt eines Prozesses, an dem die Firmen Siemens und BASF sowie das BMWi beteiligt gewesen seien. Kohlendioxid zu Plastik machen geht also schon heute, ist aber noch etwas teuer: So stellte der TUM-Forscher die Frage, wie denn den Verbrauchern zu vermitteln sei, 20 Euro mehr für einen Haushalts-Staubsauger zu bezahlen, dessen Kunststoffgehäuse nicht  mehr aus der Verarbeitung der Importware Erdöl, sondern durch künstliche Photosynthese des lokal vorhandenen Kohlendioxids produziert werde. 

Die steigende Nachfrage nach Kohlefasern sei ebenfalls ein starker Treiber der künstlichen Photosynthese:

  • Solche Fasern aus Polyacrylnitryl erzeugte Fasern benötige die Automobil-Industrie für den Leichtbau von Elektroautos wie den BMW i3.
  • Sie finden sich ferner in genannten Superabsorbern für Hygieneprodukte wie saugfähige Windeln: ein einziges Gramm der aus aus Polyacrylsäure gewonnen Fasern bindet das 1000-fache Gewicht an Wasser.
  • Sie werden für die künstliche Bewässerung gebraucht.

In der Diskussion stehe nach wie vor der Einsatz von Methanol als Treibstoff, hergestellt ebenfalls durch Reduktion von CO2. Darüberhinaus läßt sich auch konventioneller KfZ-Treibstoff aus CO2 herstellen: Schon seit 1925 ist das Fischer-Tropsch-Verfahren bekannt, die Kohleverflüssigung. Dabei wird ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, so genanntes Sysnthesegas, in eine Reihe gasförmiger und flüssiger Kohlenwasserstoffe um, darunter Benzin. Dieses Verfahren werde laut Rieger bereits massiv in den USA und in Südamerika eingesetzt. Durch hoch entwickelte Katalysatoren auf Basis der leider seltenen Elemente Rhenium und Ruthenium sei die Herstellung von Kohlenwasserstoffen jedoch auch durch künstliche Photosynthese technisch in Reichweite. 

Die Wasserstoffindustrie zählt zu den größten CO2-Erzeugern

Längst schon ist Wasserstoff als Energieträger und als Reaktionsprodukt unverzichtbar. Doch der größte Anteil dieses Gases wird heute industriell durch Steam-Reforming gewonnen – wobei jedoch Unmengen CO2 freigesetzt werden! Daher suche die Welt seit 10 bis 15 Jahren nach photokatalytischen Prozessen für die Bereitstellung des von der chemischen Industrie so dringend benötigten Wasserstoffes.

Da es sich beim CO2-Molekül um eine sehr stabile chemische Verbindung handele, sei zwar viel Energie erforderlich, es wieder aufzuspalten. Die aber stünde in Form von Überschusselektrizität aus der Produktion erneuerbarer Energien in großem Umfang preiswert zur Verfügung. Die Power-to-Gas-Technik, die im Wesentlichen Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet (Elektrolyse), liefert den Rohstoff Wasserstoff, um aus Kohlendioxid mit hoher Effizienz Methan zu erzeugen, ein Energieträger, der den Hauptbestandteil des Import-Artikels Erdgas ausmacht. 

Dieser Methanisierung genannte Prozess setzt „wahnsinnig viel Energie“ in Form von Wärme frei, was in der Vergangenheit für die eingesetzten Katalysatoren sehr problematisch gewesen sein. Durch ein effizientes Kühlsystem sei diese Klippe aber inzwischen umschifft. Eine Versuchsanlage von MAN in der Deggendorfer Werft beweise, dass die Sabtier-Reaktion mit Katalysatoren von Clariant (ehemals Süd-Chemie) Methan kontinuierlich mit einem Wirkungsgrad von 98 Prozent erzeugen könne. Zwischenresultat: Der Katalysator von Clariant funktioniert, der MAN-Reaktor funktioniert. 

Der Energieträger Elektrizität lässt sich schlecht speichern und nur unter großen Verlusten über weite Strecken transportieren. Besser sähe es aus, wenn Strom zur Erzeugung künstlichen Erdgases eingesetzt würde. Erdgas lässt sich zum einen leicht im vorhandenen Erdgasleitungsnetz über große Strecken transportieren, zum anderen in bereits vorhandenen Anlagen (darunter ausgebeutete Salzstöcken) speichern. So kann es die Erzeugung von Strom, Wärme und Chemikalien sowie für die Mobilität bereit stehen.

Woher das CO2 für die industrielle Nachfrage kommen soll, will der Project-Cluster iC4 – Integrated Carbon Capture, Conversion & Cycling zeigen. Zu den größten Verursachern von CO2-Einträgen in die Atmosphäre zählt die Baustoff-Industrie. Doch unter Umgebungsbedingungen lassen sich mit Licht als Energiequelle CO2 und Wasser zu CH3OH, also Methanol umsetzen – und daraus könnten zum einen Brennstoffzellen die elektrische Energie für Elektro-Motoren machen, zum anderen lassen sich Verbrennungsmotoren ebenfalls damit antreiben. 

Technisch machbar aber ohne gesellschaftlichen Konsens nicht wirtschaftlich 

Die künstliche Photosynthese erzielt weitaus höhere Wirkungsgrade als die natürliche, weil sie mit Strom (Elektronen) anstelle von Licht (Photonen) arbeitet. In der Natur fängt das das Chlorophyll-Molekül die Lichtenergie ein um damit Wasser und Kohlendioxid in Glukose (Zucker) und Sauerstoff umzusetzen. Dabei wir aber lediglich ein Prozent der Energie aus Sonnenlicht in der erzeugten Biomasse gespeichert. Laut Rieger können moderne Katalysatoren den Wirkungsgrad auf 80 Prozent enorm steigern -- in erster Line deshalb, weil die komplexen natürlichen Moleküle in den Chloroplasten alle 20 Minuten erneuert werden müssten.    

Die künstliche Photosynthese ist also wissenschaftlich begründet und technisch umsetzbar. Doch laut Rieger ziere sich die gewinnorientierte Industrie, das unternehmerische Risiko für einen massiven Einstieg in die künstliche Photosynthese zu tragen. Nur gesamtgesellschaftliche Anstrengungen könnten eine Änderung des bequemen, import-orientierten Status-quo aufbrechen und zukunftsweisende Technologien in die Welt setzen. 

Anreizmodelle seien erforderlich, um wie bei der Etablierung der erneuerbaren Energien, die künstliche Photosynthese voran zu treiben. Technisch sei die Umsetzung bald möglich, auch wenn die Utopie eines Neal Stephenson noch sehr weit von ihrer Realisierung entfernt sei. Die Einführung der zukunftsweisenden Technik der künstlichen Photosynthese erfordere die Bestellung des politischen Umfeldes und einen gesellschaftlicher Konsens sowie Investitionen der öffentlichen Hand. Nur so sei die Integration der künstlichen Photosynthese in die bestehende Industrielandschaft machbar.  

„Neue Energien respektive Treib- und Rohstoffe, haben einen Preis, den wir zahlen müssen, um unseren Wohlstand zu erhalten“, konstatierte Professor Rieger. Es gelte, Kommunikationsprobleme zu lösen – beispielsweise zwischen der Industrie als Abnehmer der synthetisch erzeugten Treib- und Rohstoffe und der Forschung. 

Die wissenschaftlichen Grundlagen reichen heute schon aus, um technisch Kraft- und Rohstoffe in nennenswertem Umfang aus Licht und Luft erzeugen zu können. Bürger und ihre Repräsentanten, die Politiker, sollten verstehen, dass sie damit drei Ziele erreichbar wären:

  • die Volkswirtschaft von Öl-, Kohle- und Gas-Importen unabhängiger zu machen, zum anderen,
  • die Klimaziele schneller zu erreichen und
  • die Technologieführerschaft zu bewahren

Denn Professor Rieger argumentiert: „Die Technologie-Führerschaft, die wir in diesem Bereich erlangt haben, sollten wir nicht leichtfertig aus der Hand geben.“

Die Idee dezentraler Systeme könnte der zögerlichen Industrie auf die Sprünge helfen, wie bei den erneuerbaren unter Beweis gestellt: Biogas-Anlagen erzeugen zu etwa gleichen Teilen CO2 und Methan. Dann fände im ländlichen Raum die natürliche Photosynthese zu ihrem künstlichen Gegenstück – dort, wo schon die Vision des Umstiegs auf erneuerbaren Energien ihre dezentrale Realisierung gefunden hat.

Hoffen wir also, dass nicht erst Kriegswirtschaft erzwingen muss, was mit gesellschaftlichem Konsens und gewissen politischen Leitplanken ohne Not heute schon machbar wäre. 


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