Treibstoff aus CO2 – wird es klappen?

Aus Stroh Gold machen, das klappt eigentlich nur mit „Bricklebrit!” und dem Goldesel. Ob es auch einen CO2-Esel gibt, wird derzeit intensiv untersucht. Wie toll wäre es, wenn man das lästige CO2 in einem chemischen Verfahren in kostbaren Treibstoff umwandeln könnte. Wenn Sie jetzt schmunzeln, haben Sie vielleicht zu früh geschmunzelt, denn die Wissenschaft kümmert sich bereits um das Problem. Werden wir schon bald über unser hoffentlich dann ehemaliges CO2-Problem lachen? Wie konnte man so gemein zu einem wichtigen Wertstoff sein? Warten wir es ab.

Beginnen wir mit einer Pressemitteilung der Utah State University vom 24. August 2016:

Green light: USU biochemists describe light-driven conversion of greenhouse gas to fuel

Scientists generate methane from carbon dioxide in 1 enzymatic step

By way of a light-driven bacterium, Utah State University biochemists are a step closer to cleanly converting harmful carbon dioxide emissions from fossil fuel combustion into usable fuels. Using the phototropic bacterium Rhodopseudomonas palustris as a biocatalyst, the scientists generated methane from carbon dioxide in one enzymatic step. “It’s a baby step, but it’s also a big step,” says USU professor Lance Seefeldt. “Imagine the far-reaching benefits of large-scale capture of environmentally damaging byproducts from burning fossils fuels and converting them to alternative fuels using light, which is abundant and clean.”

Seefeldt and USU doctoral students Derek Harris, Sudipta Shaw and Zhi-Yong Yang, along with colleagues Kathryn Fixen, Yanning Zheng and Caroline Harwood of the University of Washington, and Dennis Dean of Virginia Tech, published findings in the 22 August 2016, online Early Edition of the Proceedings of the National Academy of Sciences. The team’s work is supported by a grant awarded through the U.S. Department of Energy Office of Science’s Energy Frontier Research Center program to the Center for Biological and Electron Transfer and Catalysis or “BETCy.” Based at Montana State University, BETCy is a seven-institution collaboration, of which USU is a partner.

“To our knowledge, no other organism can achieve what this bacterium has done with a single enzyme,” says Seefeldt, professor in USU’s Department of Chemistry and Biochemistry and an American Association for the Advancement of Science Fellow. “Reducing,” or breaking apart, carbon dioxide molecules requires tremendous energy, he says, because carbon dioxide is very stable. “Use of phototrophs opens a new world of possibilities,” says Seefeldt, who received USU’s D. Wynne Thorne Career Research Award in 2012. “These kinds of bacteria could be used to make not only fuel, but all kinds of materials we use in everyday life, without the use of environmentally harmful energy sources. The future of this research is incredible.”

Einen Tag später berichtete auch die University of Toronto über den Durchbruch:

Scientists solve puzzle of converting gaseous carbon dioxide to fuel

Every year, humans advance climate change and global warming – and quite likely our own eventual extinction – by injecting about 30 billion tonnes of carbon dioxide (CO₂) into the atmosphere. A team of U of T scientists believes they’ve found a way to convert all these emissions into energy-rich fuel in a carbon-neutral cycle that uses a very abundant natural resource: silicon. Silicon, readily available in sand, is the seventh most-abundant element in the universe and the second most-abundant element in the earth’s crust.

The idea of converting CO₂ emissions to energy isn’t new: there’s been a global race to discover a material that can efficiently convert sunlight, carbon dioxide and water or hydrogen to fuel for decades.  However, the chemical stability of CO₂ has made it difficult to find a practical solution. “A chemistry solution to climate change requires a material that is a highly active and selective catalyst to enable the conversion of CO₂ to fuel. It also needs to be made of elements that are low cost, non-toxic and readily available,” said Faculty of Arts & Science chemistry professor Geoffrey Ozin, the Canada Research Chair in Materials Chemistry and lead of U of T’s Solar Fuels Research Cluster.

In an article in Nature Communications published August 23, Ozin and colleagues report silicon nanocrystals that meet all the criteria. The hydride-terminated silicon nanocrystals – nanostructured hydrides for short – have an average diameter of 3.5 nanometres and feature a surface area and optical absorption strength sufficient to efficiently harvest the near-infrared, visible and ultraviolet wavelengths of light from the sun together with a powerful chemical-reducing agent on the surface that efficiently and selectively converts gaseous carbon dioxide to gaseous carbon monoxide.

The potential result: energy without harmful emissions. “Making use of the reducing power of nanostructured hydrides is a conceptually distinct and commercially interesting strategy for making fuels directly from sunlight,” said Ozin. The U of T Solar Fuels Research Cluster is working to find ways and means to increase the activity, enhance the scale, and boost the rate of production. Their goal is a laboratory demonstration unit and, if successful, a pilot solar refinery.

Neben dem Silizium-Verfahren gibt es jedoch Verfahren, die wertvollere Hilfsmaterialien einsetzen. Die Universität Würzburg meldete am 15. September 2016:

Mit Diamant den Klimawandel bekämpfen

Den Ausstoß von Kohlendioxid auf umweltfreundliche Art und Weise reduzieren und dabei gleichzeitig wertvolle Rohstoffe produzieren: Das ist das Ziel eines neuen, bundesweiten Forschungsprojekts. Mit dabei ist die Würzburger Professorin Anke Krüger.

Ein Diamant, dessen Oberfläche mit komplexen organischen Bausteinen versehen ist; Licht einer bestimmten Wellenlänge; und dazu Wasser und Kohlendioxid: Dies sind die Zutaten eines neuen Mikroreaktorsystems, das dazu beitragen soll, die Ökobilanz der Menschheit zu verbessern.

Entwickeln soll dieses System ein neuer, nationaler Forschungsverbund, an dem das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie – Institut für Mikrotechnik Mainz (ICT-IMM), das Unternehmen Sahlmann Photochemical Solutions und die Julius-Maximilians-Universität Würzburg beteiligt sind. CarbonCat – so der Name des Projekts – wird in den kommenden drei Jahren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 1,34 Millionen Euro gefördert. Anke Krüger, Würzburger Professorin für Organische Chemie, kümmert sich dabei um die Entwicklung der Diamantoberflächen.

Der Ausstoß von Treibhausgasen muss sinken

Zum Hintergrund: Das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) gilt als Hauptverantwortlicher für den weltweiten Klimawandel. Nach vorläufigen Zahlen lag der globale CO2-Ausstoß im vergangenen Jahr bei 32,1 Milliarden Tonnen – und damit eindeutig zu hoch, um die Ziele des Abkommens der UN-Klimakonferenz in Paris vom vergangenen Dezember zu erreichen. Dort hatte die Versammlung beschlossen, die globale Erwärmung auf deutlich unter zwei Grad Celsius im Vergleich zu vorindustriellen Zeiten zu begrenzen. Dafür müssen die Treibhausgasemissionen weltweit zwischen 2045 und 2060 auf Null zurückgefahren und anschließend ein Teil des zuvor emittierten Kohlenstoffdioxids wieder aus der Erdatmosphäre entfernt werden. CarbonCat soll dabei helfen.

Photosynthese in einem technischen System

Dafür wollen die beteiligten Wissenschaftler das Prinzip der Photosynthese in einem technischen System imitieren. Anstelle von Pflanzenzellen mit ihren photosynthetisch aktiven Chloroplasten, setzen sie auf einen neu entwickelten Mikroreaktor, der einen Diamant-Photokatalysator als photoaktives Zentrum enthält. „Der besondere Aufbau des Mikroreaktors ermöglicht eine kontinuierliche Durchmischung von CO2 und Wasser bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht”, erklärt Thomas Rehm, Senior Scientist am Fraunhofer ICT-IMM und Koordinator des Verbundprojektes. CarbonCat soll beweisen, dass es auf diese Weise möglich ist, unter naturnahen Bedingungen Kohlendioxid in wertvolle chemische Bausteine wie beispielsweise Methanol umzuwandeln.

Diamant kommt eine Schlüsselrolle zu

Für Anke Krüger heißt dies, dass neben der technologischen Seite die chemische Optimierung von Diamant als Photokatalysator eine Schlüsselrolle einnimmt. „Die gezielte Funktionalisierung von Diamantoberflächen mit komplexen organischen Bausteinen ist nicht trivial, vor allem hinsichtlich der Langzeitstabilität zur Nutzung in einem kontinuierlichen Prozess, wie wir es in dem Mikroreaktor zu tun beabsichtigen”, sagt sie.

Über hinreichend Erfahrung auf diesem Gebiet verfügt die Chemikerin: Seit dem vergangenen Jahr koordiniert sie den internationalen Forschungsverbund DIACAT – Diamond materials for the photocatalytic conversion of CO2 to fine chemicals and fuels using visible light. Dieser arbeitet ebenfalls an der Umwandlung von CO2 mit Hilfe von Diamant, setzt aber auf ein anderes Funktionsprinzip. „Während in DIACAT die Nutzung des Sonnenlichts insbesondere durch Nanostrukturierung des Diamanten erreicht werden soll, wollen wir bei CarbonCat zum einen insbesondere die kontinuierliche Durchführung in einem Durchflussreaktor und zum anderen die ganz gezielte Anbindung verschiedener Photoaktivier-Moleküle untersuchen“, erklärt Krüger.

Gezielter Einsatz von Licht

Neben der Reaktortechnologie und den katalytisch aktiven Oberflächen sind sowohl die Auswahl und die Mischung der benötigten Wellenlängen als auch die Anordnung der LEDs von entscheidender Bedeutung. „Dem Zusammenspiel zwischen Lichtquelle und den anderen Komponenten des Systems gilt große Aufmerksamkeit. Dies ist für den photokatalytischen Prozess von ebenso großer Bedeutung wie für die Gesamteffizienz des Reaktors“, so Benjamin Sahlmann, der als freiberuflicher Chemiker unter der Bezeichnung Sahlmann Photochemical Solutions an dem Projekt beteiligt ist.

„Mit den Erkenntnissen aus CarbonCat hoffen wir in Zukunft, einen Beitrag zur Verringerung der Umweltfolgen aus dem vorhandenen CO2-Ausstoß leisten zu können“, resümiert Thomas Rehm.

Der Beitrag der Projektpartner

Das Fraunhofer ICT-IMM wird basierend auf seiner Expertise in der Entwicklung und Erprobung von mikrostrukturierten Reaktoren eine kontinuierlich betriebene Reaktoranlage verwirklichen, deren Kern der neuartige Diamant-Photokatalysator sein wird. Die physikalische Adaption des im Mikroreaktor eingesetzten Diamantmaterials sowie die eingehende Untersuchung des photokatalytischen Prozesses im kontinuierlichen Betrieb sind ebenfalls Aufgaben des ICT-IMM.

Die Arbeitsgruppe von Professor Anke Krüger an der Universität Würzburg beschäftigt sich seit mehr als zehn Jahren mit der Herstellung, Charakterisierung und Anwendung nanoskaliger Kohlenstoffmaterialien, insbesondere Diamant. Die von der Arbeitsgruppe entwickelten Methoden zur besonders stabilen Anknüpfung von Funktionsmolekülen an Diamantüberflächen werden in CarbonCat eingesetzt, um das Diamantmaterial für seinen Einsatz als Photokatalysator im Mikroreaktor zu optimieren.

Sahlmann Photochemical Solutions wird im Rahmen von CarbonCat die Lichtquellen für die Photokatalyse in den Reaktionssystemen entwickeln. Eine maßgeschneiderte Herstellung der benötigten Lichtquellen und deren spektrale Vermessung ist ebenso Aufgabe wie die Bewertung der Lichtquellen hinsichtlich der Gewährleistung der Arbeitssicherheit.

Einen Tag zuvor hatte bereits Fraunhofer eine Pressemitteilung zum vielversprechenden Projekt herausgegeben:

Maßgeschneiderter Diamant für die kontinuierliche Photokatalyse zur Umwandlung von CO2

Fraunhofer ICT-IMM koordiniert eine nationale Forschungskooperation zur Entwicklung eines Mikroreaktorsystems für die umweltfreundliche Nutzbarmachung von CO2 mit Hilfe von Sonnenlicht.

Kohlendioxid (CO2), Methan und Stickoxide – allesamt Treibhausgase, die im Verdacht stehen für die globale Erwärmung mitverantwortlich zu sein. Mit fast Dreivierteln davon stellt Kohlendioxid den maßgeblichen Anteil an den Emissionen. Obwohl der Kohlenstoffkreislauf bei der Verwendung von Biomasse zur Energieerzeugung weitgehend geschlossen ist, ist die Nutzbarmachung des entstehenden CO2 eine hochaktuelle gesellschaftspolitische Fragestellung. Gelingt diese, insbesondere unter Verwendung alternativer Energieformen wie z. B. Windenergie, Wasserkraft oder Sonnenenergie, verbessert das die Ökobilanz nachhaltig.

Die Natur als Vorbild

Im Rahmen des Projektes CarbonCat sollen wichtige Erkenntnisse zur Beantwortung dieser Fragestellung gewonnen werden. Zum Einsatz kommen dabei Hochleistungs-LEDs in Kombination mit der gezielten Umsetzung von CO2 auf Basis eines neuartigen, überwiegend Kohlenstoff-basierenden Photokatalysatorsystems, das in einem mikrostrukturierten Reaktorsystem zum Einsatz kommen soll. Auf lange Sicht will das Konsortium aus dem Fraunhofer ICT-IMM, der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und dem Unternehmen Sahlmann Photochemical Solutions dem Beispiel der natürlichen Photosynthese durch ausschließliche Nutzung von Sonnenlicht technologisch möglichst nahe kommen.
“Wir haben in diesem richtungsweisenden Projekt die Möglichkeit, die natürliche Photosynthese in einem technischen System nachzuempfinden. Anstelle von Pflanzenzellen mit ihren photosynthetisch aktiven Chloroplasten, verwenden wir einen neu entwickelten Mikroreaktor, der den Diamant-Photokatalysator als photoaktives Zentrum enthält. Der besondere Aufbau des Mikroreaktors ermöglicht eine kontinuierliche Durchmischung von CO2 und Wasser bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht”, erklärt Thomas Rehm, Senior Scientist am Fraunhofer ICT-IMM und Koordinator des Verbundprojektes.

Innovatives Katalysatorsystem ins richtige Licht setzen

Das Projekt CarbonCat soll beweisen, dass es möglich ist, unter naturnahen Bedingungen CO2 in wertvolle chemische C1- Bausteine wie Methanol umzuwandeln.
Für Anke Krüger, Professorin für Organische Chemie an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg, heißt dies “dass neben der technologischen Seite die chemische Optimierung von Diamant als Photokatalysator eine Schlüsselrolle einnimmt. Die gezielte Funktionalisierung von Diamantoberflächen mit komplexen organischen Bausteinen ist nicht trivial, vor allem hinsichtlich der Langzeitstabilität zur Nutzung in einem kontinuierlichen Prozess, wie wir es in dem Mikroreaktor beabsichtigen zu tun.”
Neben der Reaktortechnologie und den katalytisch aktiven Oberflächen sind sowohl die Auswahl und die Mischung der benötigten Wellenlängen als auch die Anordnung der LEDs von entscheidender Bedeutung. „Dem Zusammenspiel zwischen Lichtquelle und den anderen Komponenten des Systems gilt große Aufmerksamkeit. Dies ist für den photokatalytischen Prozess von ebenso großer Bedeutung wie für die Gesamteffizienz des Reaktors“, so Benjamin Sahlmann, der als freiberuflicher Chemiker unter der Bezeichnung Sahlmann Photochemical Solutions tätig ist.
„Mit den Erkenntnissen aus CarbonCat hoffen wir in Zukunft, einen Beitrag zur Verringerung der Umweltfolgen aus dem vorhandenen CO2-Ausstoß leisten zu können“, resümiert Thomas Rehm.

Das nationale Verbundprojekt CarbonCat wird im Rahmen der Fördermaßnahme CO2Plus des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert. Die Projektpartner erhalten für eine Projektdauer von 3 Jahren insgesamt eine Förderung von ca. 1,34 Millionen €.

Der Beitrag der Projektpartner

Das Fraunhofer ICT-IMM wird basierend auf seiner Expertise in der Entwicklung und Erprobung von mikrostrukturierten Reaktoren eine kontinuierlich betriebene Reaktoranlage verwirklichen, deren Kern der neuartige Diamant-Photokatalysator sein wird. Die physikalische Adaption des im Mikroreaktor eingesetzten Diamantmaterials sowie die eingehende Untersuchung des photokatalytischen Prozesses im kontinuierlichen Betrieb sind ebenfalls Aufgaben des ICT-IMM.
Die Arbeitsgruppe von Prof. Krüger an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg beschäftigt sich seit mehr als 10 Jahren mit der Herstellung, Charakterisierung und Anwendung nanoskaliger Kohlenstoffmaterialien, insbesondere Diamant. Die von der Arbeitsgruppe entwickelten Methoden zur besonders stabilen Anknüpfung von Funktionsmolekülen an Diamantüberflächen werden in CarbonCat eingesetzt, um das Diamantmaterial für seinen Einsatz als Photokatalysator im Mikroreaktor zu optimieren.
Sahlmann Photochemical Solutions wird im Rahmen von CarbonCat die Lichtquellen für die Photokatalyse in den Reaktionssystemen entwickeln. Eine maßgeschneiderte Herstellung der benötigten Lichtquellen und deren spektrale Vermessung ist ebenso Aufgabe wie die Bewertung der Lichtquellen hinsichtlich der Gewährleistung der Arbeitssicherheit.

Geo zeigte sich aufgeschlossen und berichtete im August 2016 über die Anstrengungen zur CO2-basierten Treibstofferzeugung:

Klimawandel Zu viel CO2? Einfach recyceln!
Von dem Klimagas gibt es mehr als genug – Zeit, sich darüber Gedanken zu machen, ob wir es nicht sinnvoll nutzen können. Zum Beispiel als Kunststoff oder Treibstoff

Weiterlesen bei Geo

Auch der Tagesspiegel griff das Thema am 26. September 2016 auf. Ansonsten blieb es in der Presselandschaft trotz der zahlreichen spannenden Pressemitteilungen ruhig. Eines ist klar: Falls die Umwandlung von CO2 in Treibstoff klappen sollte – und das auch noch rentabel – wäre dies eine Sensation. Die Klimadebatte würde sich dann erübrigen, Regenwälder könnten von den Palmölmonokulturen befreit werden und Windkraftanlagen in Siedlungs- und Landschaftsgebieten könnten wieder abgebaut werden. Treibstoff aus CO2 würde aber auch das Ende des Zeitalters der fossilen Brennstoffe bedeuten. So müssen sich die Pferdekutschefahrer gefühlt haben, als das Automobil almählich übernahm. Es könnte spannend werden.