CO₂ als Rohstoff − Erneuerbare chemische Grundstoffe und Energieträger »aus Luft«

Mehr als nur ein »Klimakiller«: CO₂ lässt sich auch als wertvolle Ressource betrachten. Möglichkeiten zur Nutzung gibt es zuhauf. In seinem Vortrag »CO₂ als Rohstoff« am 8. Februar 2022 in der Biointelligenz-Reihe der Württembergischen Landesbibliothek gibt Dr. Arne Roth vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB einen Einblick in seine Arbeit. Der Chemiker und sein Team entwickeln Katalyseverfahren zur Umwandlung von CO₂ zu Basischemikalien, Energieträgern bzw. Kraftstoffen oder Materialien. So lassen sich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Einerseits Emissionen abbauen und das Klima schützen, andererseits die chemische Industrie auf eine nachhaltige Rohstoffbasis umstellen.

Am Fraunhofer IGB nehmen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Prozesse des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs zum Vorbild, um Verfahren zur Umwandlung von CO₂ zu erforschen und für die Industrie nutzbar zu machen. Der Bedarf dafür liegt auf der Hand: Im Jahr 2050 wird die Weltbevölkerung voraussichtlich auf fast zehn Milliarden Menschen angewachsen sein. Damit wächst einerseits der Ausstoß von Emissionen weiter und auf der anderen Seite der Ressourcenbedarf – etwa an Wasser, Nahrung und Energie. Dies erfordert eine nachhaltige Wirtschafts- und Lebensweise.

Globaler Kohlenstoffzyklus als biointelligentes Vorbild

In seinem Vortrag zum Thema »CO₂ als Rohstoff« beschreibt Dr. Arne Roth, Wissenschaftler und Leiter des Innovationsfelds »Nachhaltige katalytische Prozesse« am Fraunhofer IGB, wie es ihm und seinem Team gelingt, das Gas auf nachhaltige Weise nutzbar zu machen. Dabei geht er zunächst auf den globalen Kohlenstoffkreislauf als »biointelligente« Inspiration für seine Forschung ein und erklärt, welche Rolle CO₂ in der Natur spielt.

In seinem Vortrag zeigt Roth auf, dass die Nutzung des Gases als Ressource an sich nichts Neues ist – man denke etwa an die Photosynthese von Pflanzen, die als Rohstoffquelle für zahlreiche technische Verfahren dienen. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Biomasse ist jedoch ein Paradigmenwechsel hin zur direkten technischen Nutzung von CO₂ erforderlich, ohne den Umweg über die Fixierung von CO₂ in Form von Biomasse. Die Herausforderung besteht dabei insbesondere im hohen Bedarf an erneuerbarer Energie.

Power-to-X und Power-to-X-to-Y: Verfahren zur direkten technischen Nutzung von CO₂

Dafür haben die Forschenden des IGB passende Lösungsansätze parat − sogenannte Power-to-X- und Power-to-X-to-Y-Verfahren. Erstere umfassen Technologien zur chemischen Speicherung elektrischer Energie – zumeist aus regenerativen Quellen wie Solar-, Wasserkraft- oder Windanlagen, die sich durch hohe Schwankungen in der Stromproduktion auszeichnen und immer wieder Überschüsse generieren. Power-to-X-Technologien können diese Schwankungen ausgleichen und bieten die Möglichkeit, temporäre Stromüberschüsse sinnvoll zu verwerten.

Die Erweiterung dieses Konzeptes zu Power-to-X-to-Y beinhaltet noch einen weiteren Schritt: Die in Power-to-X-Prozessen gewonnenen energiereichen Verbindungen werden in nachfolgenden chemischen, elektrochemischen oder biotechnologischen Verfahren zu vielfältigen Produkten umgewandelt, die sich durch eine hohe Wertschöpfung auszeichnen. Auf diese Weise kann ein breites Spektrum von Produkten aus dem Rohstoff CO₂ hergestellt werden – eine nachhaltige Alternative zur Nutzung fossiler und klimaschädlicher Ressourcen.

Fallbeispiel: EU-Projekt »CO₂EXIDE – CO₂-basierte Elektrosynthese von Ethylenoxid«

Als konkretes Fallbeispiel gibt Roth im Rahmen seines Vortrags einen Rückblick auf das 2021 erfolgreich abgeschlossene EU-Projekt CO₂EXIDE. Dessen Ziel war die Etablierung eines elektrochemischen, energieeffizienten und nahezu CO₂-neutralen Verfahrens zur Herstellung von Ethylen und Ethylenoxid aus CO₂, Wasser und erneuerbaren Energien.

Zur Person

Dr. Arne Roth ist Chemiker und seit 2019 am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB. Nach seinem Studium in Bielefeld und Promotion an der Friedrich-Schiller-Universität Jena forschte er zunächst als Postdoc am Institut für Nanotechnologie des Karlsruhe Institut für Technologie KIT im Bereich der chemischen Wasserstoffspeicher-Materialien. Später arbeitete er über acht Jahre im Forschungsfeld alternative Kraftstoffe, vor allem für den Einsatz in der Luftfahrt. Heute leitet Roth das IGB-Innovationsfeld Nachhaltige katalytische Prozesse am Institutsteil in Straubing. Sein Spezialgebiet sind sogenannte Power-to-X- und Power-to-X-to-Y-Kaskadenprozesse. Dabei geht es um eine nachhaltige Produktion von Kraftstoffen und chemischen Produkten auf Basis fast unbegrenzt verfügbarer Rohstoffe wie erneuerbarer Energie, CO₂ oder Wasser.

Was?
CO₂ als Rohstoff − Erneuerbare chemische Grundstoffe und Energieträger »aus Luft«

Wer?
Dr. Arne Roth, Leiter des Innovationsfelds Nachhaltige katalytische Prozesse am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Institutsteil Straubing

Wann?
8. Februar 2022, 18 Uhr

• Weitere Infos und Programm: https://www.wlb-stuttgart.de/die-wlb/kultur-und-wissenschaft/veranstaltungen/biointelligenz/
• Zur Webseite Nachhaltige katalytische Prozesse am Fraunhofer IGB
• Zur Webseite von Dr. Arne Roth am Fraunhofer IGB
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