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Neue Technologie erzeugt chemische Produkte aus der Luft

Kohlendioxid sollte als wertvoller Rohstoff gelten. Allerdings fehlt es aktuell an für die Kommerzialisierung interessanten Technologien, mit denen diese Ressource abgeschieden und umgewandelt werden könnte.

Klimawandel und Umwelt
Industrielle Technologien

Das EU-finanzierte Projekt CELBICON widmete sich dieser Herausforderung. Das Projektteam konnte CO2 aus der Atmosphäre abscheiden und durch nachfolgende elektrochemische und biochemische Schritte in komplexe, wertvolle Chemikalien umwandeln. Diese haben eine sehr geringe oder sogar negative CO2-Bilanz. Die für die Umwandlung benötigte Energie kann letztendlich auch aus nachhaltigen Energiequellen stammen. Dadurch kann die EU ihre Klimaziele erreichen, die in der Senkung der Treibhausgasemissionen um 20 % bis 2020 bestehen. Außerdem ließe sich so eine weitere Reduktion um 80 bis 95 % bis 2050 gegenüber dem Stand von 1990 erreichen. Die Projektpartner entwickelten Technologien, mit denen sich in einer Produktionslinie mit hohem oder niedrigem Druck eine beispiellose Ausbeute und Effizienz erzielen ließen. „Mit der ersten Produktionslinie wurde Biokunststoff aus Polyhydroxyalkanoaten (PHA) und unter Druck stehendes Methan (CH4) über eine intermediäre elektrochemische Erzeugung von unter Druck stehendem Synthesegas erzeugt, woraufhin spezifische Fermentationsschritte folgten. Die zweite Produktionslinie konzentrierte sich auf die Produktion von hochveredelten Chemikalien durch die Fermentation von wasserlöslichen Einkohlenstoff-Zwischenprodukten mit CO2-Reduktion“, sagt die Projektkoordinatorin Debora Fino. Beide Produktionslinien durchliefen ein gründliches Forschungs- und Entwicklungsprogramm zur Komponentenentwicklung, wobei drei Prüfstände bis zur Marktreife aufgebaut wurden. „Darin enthalten waren die direkte Abscheidung von CO2 aus der Luft – eine energieeffiziente Methode zur Komprimierung und Auflösung von CO2 in Wasser, mit der man konzentrierte CO2-Lösungen mit hohem Druck erhält – sowie die biochemische Produktion von CH4 aus CO2 und Wasserstoff“, erklärt Fino.

Innovativer Ansatz

Die erste Technologie zur CO2-Abscheidung, die von Mitgliedern des Konsortiums entwickelt wurde, wurde bereits vollständig in ein Verfahren zur Kohlenstoffabscheidung und -verwertung eingebunden. Dieses Konzept macht sich zwei zukünftige elektrochemische Verfahren mit erneuerbarer Elektrizität zur Umwandlung von atmosphärischem CO2 in zweckdienliche Chemikalien zunutze. Der zweite funktionelle und automatisierte Prototyp zur Komprimierung und Auflösung von CO2 erreichte im Vergleich zum Standardverfahren eine Senkung des Energiebedarfs um 40 %. Beim Standardverfahren wird zuerst das Gas komprimiert und anschließend unter Hochdruck aufgelöst. Beim vorgeschlagenen Konzept kommt ein dichter Wassernebel im Kompressor zum Einsatz, um das komprimierte Gas gleichzeitig zu kühlen. So werden isotherme Bedingungen geschaffen und das CO2 sofort in Wasser aufgelöst, da der Druck aufgrund der großen Grenzfläche zwischen dem CO2 sowie den Wassertropfen und -fäden steigt. „Daraus ergibt sich ein Verfahren, das den gesamten Energieverbrauch durch die isothermen Bedingungen und die gleichzeitige Reduzierung der CO2-Menge in der zu komprimierenden gasförmigen Phase senkt“, berichtet Fino.

Mehr Effizienz, weniger Kosten

Im dritten biochemischen Prozess erfolgte schließlich die Umwandlung von CO2 in CH4 unter Vorhandensein von Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die in einem Elektrolyseur in einem maßgefertigten, integrierten, druckfesten Bioreaktor erzeugt wurden. Der Bioreaktor soll bei einem Umgebungsdruck von 50 bar Überdruck betrieben werden können. Darüber hinaus wurden neue Kontrollstrategien zur Entwicklung von biologischen Verfahren, bei denen Gas umgewandelt wird, erarbeitet und mehrere methanogene Bakterienstämme auf ihre Fähigkeit untersucht, CO2 in CH4 umzuwandeln. Hochdruckverfahren konnten gemeinsam mit Bakterien kinetische Hürden überwinden und ein beispielloses Produktivitätsniveau bei der Umwandlung von CO2 in CH4 erreichen. CELBICON wird daher grundlegend neue Verfahren nach sich ziehen, die elektrochemische Reaktoren und Bioreaktoren umfassen und in einer einzigen Prozesseinheit mehr Funktionen vereinen, um einen höheren Umwandlungswirkungsgrad bei geringeren Investitions- und Betriebskosten zu erzielen. „Die Nutzung von CO2 in biologischen Verfahren zur Umwandlung von Gas ist ein innovatives Feld mit bedeutenden Chancen für die Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft“, so Fino abschließend.

Schlüsselbegriffe

CELBICON, CO2, CH4, elektrochemisch, biochemisch, Bioreaktor, Bakterien, Polyhydroxyalkanoate, Methan, methanogen

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