Von der Natur lernen – Chemische CO₂-Reduktion

Für Mobilität große Mengen solarer Treibstoffe durch CO₂-Reduktion nötig

[note Abbildung 3: Antriebssysteme für die Mobilität. Zwei Haupttechnologien sind weit entwickelt. Der chemische Antrieb (durch Verbrennungsmotoren) ist der heute vorherrschende Weg, der Elektromotor mit Batterie oder On-board-Stromerzeugung ist in vielen Varianten in einer globalen Entwicklung begriffen. Neuartige Treibstoffe (grün) sind Einzelmolekülsysteme mit verbesserten Eigenschaften, die in Abbildung 4 aufgeführt sind; „liquid organic hydrocarbon (storage)“ LOHC¹² (grün) bezeichnet die Speicherung von Wasserstoff in flüssigen organischen Speichermedien.]

Auf den ersten Blick ist die Ersetzung von chemischer durch elektrische Antriebsleistung eine sehr attraktive Methode, da bei Vorhandensein von großen Mengen regenerativer Elektrizität viel CO₂-Emission eingespart werden kann (siehe die E-mobility-Initiative in Deutschland). Allerdings benötigen wir dafür sehr gute chemische Energiespeicher in Form von Batterien (eigentlich Akkumulatoren), die derzeit noch nicht ausreichend funktional sind. Auch bei erheblichen Verbesserungen werden diese Systeme vor allem für Kurzstreckenverkehr in Ballungszentren und für die Personenbeförderung geeignet sein. Lastentransporte, Flüge und Fahren über lange Distanzen lassen sich nur mit chemischen Energiespeichern bewerkstelligen. Ob dabei Brennstoffzellen mit On-board-Kraftstoffen, das Plug-in-Hybridfahrzeug oder verbesserte Verbrennungsmotoren mit solaren Brennstoffen oder eine Kombination der Verfahren sich durchsetzen werden, lässt sich derzeit nicht entscheiden. Ohne die Herstellung großer Mengen solarer Treibstoffe durch CO₂-Reduktion sind diese Optionen jedoch alle nicht nachhaltig.

Daher wird es einen dauerhaften Bedarf für chemische Kraftstoffe geben. Neben den fossilen Quellen aus Kohle, Öl und Gas und den nachfolgenden Veredelungen in petrochemischen Raffinerien, die sich noch für erhebliche Zeit als vorherrschende Energiequelle behaupten werden, existieren dafür eine Reihe weiterer Möglichkeiten, die in Abbildung 4 aufgeführt sind. Angemerkt sei, dass der Ersatz der erheblichen Mengen von Wasserstoff, der in petrochemischen Raffinerien benötigt und heute durch fossile Quellen erzeugt wird, durch regenerativ erzeugten Wasserstoff bereits eine erkennbare Reduktion des CO₂-Ausstoßes der Mobilität an wenigen stationären Quellen erbringen könnte. Die Umsetzung scheitert derzeit an wirtschaftlichen Konditionen, die auch durch die wesentlich zu teure Technologie der Wasserspaltung mittels Elektrolyse¹³ bedingt sind.

Heutige Kraftstoffe sind komplexe Stoffgemische, deren kumulative Eigenschaften streng normiert sind, um gleichbleibende Motor- und Abgas-Nachbehandlungsleistungen zu erzielen. Als Beispiel sei Ottobenzin genannt, das nach DIN EN 228 bis zu 35 Prozent Aromaten (1 Prozent Benzol), bis 21 Prozent Olefine, bis I0 Prozent EtOH und bis 22 Prozent Ether enthalten darf. Wenn man zukünftig Kraftstoffe durch chemische Reduktion von CO₂ herstellt, wäre es sehr erstrebenswert, stofflich einfachere Gemische zu erzeugen, um weitere Optimierungspotenziale in der Verbrennungstechnologie zu erzielen und eventuell auf Abgas-Nachbehandlungssysteme¹⁴ ganz verzichten zu können.

Die biologische Reduktion von CO₂ erbringt die biobasierten Kraftstoffe, die alle aus Biomasse in einer Bioraffinerie gewonnen werden müssen. Dabei handelt es sich um teilweise gut funktionierende Verfahren, wie die zur Gewinnung von Biodiesel (Olefine) oder die Fermentation zu Bioethanol oder Biomethanol. Verfahren, die nicht aus Früchten, sondern aus den gesamten Pflanzen Kraftstoffe gewinnen, sind deutlich komplexer¹⁵ und befinden sich im Forschungs- oder Erprobungsstadium.

Die gasförmigen Kraftstoffe sind heute aus fossilen Quellen im Einsatz oder in der Erprobung und können ohne weitere Entwicklung durch die solaren Quellen ersetzt werden, wenn diese zur Verfügung stehen. Die Herstellung entsprechend preiswerten Wasserstoffes aus nicht-fossilen Quellen ist hier die ProblemsteIle.

Die flüssigen Kraftstoffe müssen alle in der solaren Raffinerie erzeugt werden. Auch sie benötigen den günstigen regenerativen Wasserstoff und reines CO₂ in großen Mengen. Dies soll ein Beispiel verdeutlichen: Auch heute schon werden Kraftstoffe synthetisch aus anderen fossilen Quellen wie Erdgas erzeugt. Die weltgrößte Anlage zur Erzeugung von Treibstoff aus Synthesegas (PEARL in Katar) produziert mit ca. 5000 Tonnen pro Tag etwa 5 Prozent des täglichen deutschen Kraftstoffverbrauches.

[note Abbildung 4: Solare Kraftstoffe. Viele davon entsprechen heutigen fossilen Kraftstoffen. Alle grün unterlegten Komponenten werden bereits heute als Kraftstoff eingesetzt. Die rot unterlegten Komponenten befinden sich als Reinstoffe oder Gemischzusätze in der Erprobung (teils großflächig). Die blauen Komponenten sind Forschungskraftstoffe. GVL steht für gamma-Valero-Lacton, MTBEfür Methyl-tertiär-Butylether.]

Würde man in dieser Dimension synthetischen Kraftstoff in Deutschland aus CO₂ und regenerativem Überschussstrom erzeugen und statt gewöhnlichem Diesel einen Oligo-Ether (Gemisch von Oximethlyenether 3 und 4¹⁴) als einfach herzustellenden und voll mischungsfähigen Ersatz mit etwa der halben Energiedichte als Diesel vorsehen, so würde man zwei Anlagen mit 5000 Tagestonnen Kapazität benötigen. Diese würden ca.     16 000 Tonnen CO₂ am Tag benötigen und zur Erzeugung des notwendigen regenerativen Wasserstoffes etwa 85 GWh Strom pro Tag aufnehmen.

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