CO2 als Rohstoff

Bereits heute gibt es dafür vielversprechende Methoden. Wenn wir es schaffen, diese effizienter und wirtschaftlicher zu machen, können wir den Einsatz von fossilem Kohlenstoff weiter verringern.
Mit seinen Maßnahmen zur stofflichen Nutzung von CO₂ fördert das BMBF Forschungs- und Entwicklungsprojekte, in denen neue und effizientere Methoden zur CO₂-Nutzung entwickelt werden. Dabei liegt der Fokus auch auf der industriellen Anwendbarkeit der neuen Verfahren.

Diese Fördermaßnahmen sind Teil des BMBF-Rahmenprogramms „Forschung für Nachhaltige Entwicklung - FONA³".

Die aktuelle Fördermaßnahme „CO₂ als nachhaltige Kohlenstoffquelle – Wege zur industriellen Nutzung (CO₂-WIN)“ startete am 01.02.2020.

Schwerpunktthemen:

Grüner Wasserstoff

Die Nutzung von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen ermöglicht eine nachhaltige Umwandlung von CO₂ in Produkte wie synthetische Kraftstoffe und Chemikalien. Daher ist die Erforschung von effizienten Technologien zur Herstellung von grünem Wasserstoff ein wichtiger Teil der Forschungsprojekte zur CO₂-Nutzung.

Geförderte Projekte zum Thema:

• DEPECOR (Koordinator TU Ilmenau)
  

Kraftstoffe aus Wasser, CO₂ und Sonnenlicht - Die Erzeugung von grünem Wasserstoff durch photokatalytische Wasserspaltung ist dafür der erste wichtige Schritt. Der Forschungsverbund DEPECOR wird innerhalb der nächsten drei Jahre einen Prototyp für die Künstliche Photosynthese entwickeln. Die Forscher wollen damit eine Spitzenposition erreichen. Das Projekt arbeitet eng mit dem weltweit führenden Joint Center for Artificial Photosynthesis in Kalifornien (USA) zusammen.

• BioUGS (Koordinator DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH)
  

Mikroben nutzen natürliche Kavernen als Reaktionsgefäße: Das Projekt BioUGS will die Grundlagen der biologischen Methansynthese in unterirdischen Erdgasspeichern erforschen. Mit der Umwandlung von Wasserstoff und CO₂ zu Methan durch Mikroorganismen können unvermeidbare industrielle CO₂-Emissionen zur klimaneutralen Herstellung von Erdgas genutzt werden. Wenn die Entwicklung dieses Prozesses gelingt, kann der existierenden Erdgasinfrastruktur in Zukunft eine entscheidende Rolle bei der Speicherung von grünem Wasserstoff zukommen.

Künstliche Photosynthese

Die Natur nutzt Sonnenlicht um aus CO₂ und Wasser komplexe Moleküle wie Zucker herzustellen. Diesen Vorgang können Forscher im Labor nachstellen und mit neuen Technologien Sonnenlicht einfangen um wertvolle Chemikalien und Kraftstoffe aus Wasser und CO₂ zu gewinnen. Dieser Prozess ist bisher nicht effizient genug, um wirtschaftlich genutzt zu werden. Forscher arbeiten daher an einer Erhöhung der Effizienz, d.h. wieviel Sonnenlicht am Ende in Produkte umgewandelt wird. Im Bereich der Künstlichen Photosynthese baut das BMBF aktiv eine Zusammenarbeit mit dem US-amerikanischen Department of Energy (DoE) auf.

Parlamentarischer Staatssekretär Thomas Rachel besucht das JCAP. Artikel

Geförderte Projekte zum Thema:

• DEPECOR
  

s.o.

• PRODIGY (Koordinator Leibniz-Institut für Katalyse)
  

Neben einer geringen Effizienz wird bei vielen Prozessen der künstlichen Photosynthese als zusätzliches Produkt Sauerstoff gebildet, der meist keine weitere Verwendung findet. Im Projekt PRODIGY werden neue Photokatalysatoren untersucht, die die Nutzung von sichtbarem Licht mit höherer Effizienz ermöglichen. Zum anderen werden alternative Reaktionspartner verwendet werden, die anstelle von Sauerstoff nutzbare Chemikalien produzieren. 

• CO₂SimO  (Koordinator H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH)

Bei der photoelektrochemischen Umwandlung von CO₂ entsteht in der Regel neben dem gewünschten Produkt wie Kohlenmonoxid oder Methan auch Sauerstoff. Das Ziel des Projekts CO₂SimO ist es, bei der photoelektrochemischen Umwandlung con CO2 nicht Sauerstoff, sondern Wasserstoffperoxid oder andere Peroxide zu erzeugen. Diese Chemikalien haben einen wirtschaftlich deutlich höheren Wert und würden den Gesamtprozess wirtschaftlicher machen. Die Synthese eines geeigneten Katalysators stehen neben der Entwicklung der Reaktionszelle im Zentrum der Forschungsarbeiten.

Mineralisierung

Die Baubranche trägt erheblich zu den CO₂-Emissionen der deutschen Industrie bei. Viele dieser Emissionen sind jedoch prozessbedingt und können nicht vermieden werden. Gleichzeitig bietet der Baubereich jedoch eine eigene Lösung zur Senkung der Treibhausgasemissionen an: Durch die sogenannte Mineralisierung kann CO₂ langfristig z.B. Betonzuschlagstoffen gespeichert werden. Im Idealfall entstehen sogar Baustoffe mit verbesserten Eigenschaften.

Geförderte Projekte zum Thema:

• C₂inCO₂ (Koordinator HeidelbergCement AG)
  

Um einen großen Teil der prozessbedingten Emissionen der Zementindustrie wieder zu binden, wird im Projekt C₂inCO₂ die Carbonatisierung von rezykliertem Altbeton untersucht. Nach der Carbonatisierung soll dieser dann als Baustoff Verwendung finden, wodurch der Weg zu einem geschlossenen Kohlenstoffkreislauf der Zement- und Betonherstellung geebnet wird. Kernaufgaben des Projekts sind dabei neben dem eigentlichen Carbonatisierungsschritt auch eine effiziente Aufarbeitung des Altbetons.

• NuKoS (Koordinator FEhS - Institut für Baustoff-Forschung e.V.)
  

Bei der Eisen- und Stahlherstellung fallen ein Vielzahl an Schlacken an. Während einige Schlacken eine weitere Verwendung erfahren, wird ein Großteil der Schlacken deponiert und damit einer weiteren Nutzung entzogen. Im Projekt NuKoS werden Methoden entwickelt, mit denen beide Arten von Schlacken mithilfe von CO₂ aufgewertet und in vermarktbare Produkte für die Industrie oder Endverbraucher überführt werden können. Angestrebte Produkte sind zum Beispiel poröse Dämmstoffe oder Zuschlagstoffe für die Baubranche.

• CO₂-LiPriSek (Koordinator TU Bergakademie Freiberg)
  

Mit steigenden Mengen an Elektronikgeräten im täglichen Gebrauch steigt auch der Bedarf an Lithium die überwiegend eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien. Durch ein neuartiges Carbonatisierungsverfahren soll Lithium sowohl aus heimischen Erzen als auch aus Alt-Batterien in Form von reinem Lithiumcarbonat gewonnen werden. Das Projekt CO₂-LiPriSek zielt dabei mit dem sogenannten COOL-Verfahren auf einen wirtschaftlichen Prozess ab, dass sich auch auf andere Lithiumquellen übertragen läßt.

Elektrochemische Umwandlung

Um CO₂ in Produkte zu überführen, müssen in der Regel erhebliche Mengen an erneuerbarer Energie aufgewendet werden. Diese kann indirekt zum Beispiel über grünen Wasserstoff eingebracht werden, oder direkt über Sonnenlicht. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung von Strom. Hierdurch wird der „Umweg“ über Energiespeicher wie Wasserstoff vermieden und die Einschränkung auf eine erneuerbare Energiequelle wie die Sonne aufgehoben. Durch den effizienten Einsatz sogenannter Elektrokatalysatoren kann CO₂ so in Basischemikalien wie Methanol oder Ethylen umgewandelt werden.

Geförderte Projekte zum Thema:

• PhasKat (Koordinator Siemens Gas and Power GmbH & Co. KG)
  

Für die direkte elektrochemische Umwandlung von CO₂ in höherwertige Chemikalien werden Katalysator benötigt, die eine hohe Selektivität für das gewünschte Zielprodukt erreichen und gleichzeitig den harschen Reaktionsbedingungen langfristig standhalten. Im Projekt PhasKat werden aufbauend auf vorangegangenen Arbeiten Regeln erarbeitet, um solche Katalysatoren maßgeschneidert herstellen zu können. Ziel des Projekts ist die Produktion von Bausteinen mit zwei gekoppelten Kohlenstoffatomen wie Ethylen oder Ethanol.

• ProMet (Koordinator Covestro Deutschland AG)
  

Propen ist die Basis eines der am häufigsten eingesetzen Kunststoffes - Polypropylen (PP). Propen kann besonders effizient über den sogennanten MTP-Prozess (Methanol-to-Propylen) aus der Basischemikalie Methanol hergestellt werden. Im Projekt ProMet ist geplant, das benötogte Methanol direkt aus CO₂ über einen elektrochemischen Prozess herzustellen. Für diese anspruchsvolle Umwandlung werden zum einen spezielle Elektrokatalysatoren benötigt und diese dann in besonders gut geeignete Gasdifussionselektroden eingebaut. 

• HTCoEl (Koordinator sunfire GmbH)
  

Beim Co-Elektrolyseverfahren von sunfire werden Wasser und CO₂ mit Hilfe von erneuerbarem Strom in sogenanntes Synthesegas überführt. Dieses Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff stellt die Basis für eine Vielzahl an Chemikalien und Kraftstoffen dar. Der Kern des Verfahrens ist die Hochtemperatur-Co-Elektrolysezelle, die bereits sehr weit entwickelt ist. Im Projekt HTCoEl sollen nun die weiteren Komponenten, z.B. Heizer und Wärmeüberträger, auf den gleichen Entwicklungsstand gebracht werden. So kann für das Gesamtsystem eine baldige Marktreife erzielt werden.

Chemie und Biologie Hand in Hand

Die Umwandlung von CO₂ in chemische Produkte kann sowohl mit rein chemischen Methoden erfolgen, als auch mit biotechnologischen. Hierzu werden entweder mit maßgeschneiderten chemischen Helfern, den Katalysatoren, Bausteine hergestellt, oder es wird auf die Hilfe von Mikroorganismen zurückgegriffen. Diese verstoffwechseln das CO₂ und produzieren eine Vielzahl an wertvollen Substanzen vom Kunststoffvorläufer bis hin zum Kraftstoff. Beide Vorgehensweisen können für einen besonders effizienten Weg auch kombiniert werden.

Geförderte Projekte zum Thema:

• TRANSFORMATE (Koordinator b.fab GmbH)
  

Die Kombination von chemischen und biologischen Prozessen kann zu einem hocheffizienten Verfahren führen. So wird im Projekt TRANSFORMATE zunächst CO₂ elektrochemisch in Ameisensäure umgewandelt. Diese dient dann wiederum speziellen Mikroorganismen als Baustein um daraus hochselektiv Biokunststoffe herzustellen. Um einen industriereifen Prozess zu entwickeln, werden erstmals ein elektrochemischer Reaktor zur Herstellung von Ameisensäure und ein Bioreaktor zu einem Gesamtsystem integriert.

Informationsmaterialien

• Kurzfilm zu erfolgreichen Projekten
• Kurzfilm des IASS zur stofflichen Nutzung von CO2

Ansprechpartner beim Begleitvorhaben