10.09.2011 · Transport, Energieversorgung, Industrie - überall entsteht das Treibhausgas Kohlendioxid. Könnte man es nicht recyceln? Chemisch gesehen geht das sogar. Von Hanno Charisius
Windgas, das klingt wie ein vornehmes Wort für das Produkt von Flatulenzen. Tatsächlich ist es aber geruchlos, handelt es sich doch um nichts anderes als Methan. Die Bezeichnung soll dem Gas ein grünes Image geben, denn um Windgas heißen zu dürfen, muss das Methan anders gebildet worden sein als etwa durch Bakterien in Kuhmägen. Es muss aus dem Kohlendioxid der Luft gewonnen worden sein.
Gibt es nicht? Gibt es schon lange! Ein Verfahren dafür begann der französische Chemiker Paul Sabatier 1897 zu entwickeln. Er entdeckte, dass Methan entsteht, wenn man Kohlenmonoxid zusammen mit Wasserstoff und einem Stück Nickel in einem Druckkessel erhitzt. Bald darauf zeigte er, dass dies auch für Kohlendioxid funktioniert. Der Sabatier-Prozess vermag also, das in Zeiten des Klimawandels schlecht beleumundete Gas zurück in einen Energieträger und wertvollen Rohstoff zu verwandeln. Lange haben sich nur ein paar Spezialisten dafür interessiert. Seit einigen Jahren aber kramt man das alte Wissen wieder hervor. "Viele Unternehmen haben eingesehen, dass es sich lohnt, Kohlendioxid nicht einfach als Abfall in die Atmosphäre zu jagen", sagt Fritz Kühn, der an der Technischen Universität München Katalysatoren erforscht. Statt für den Ausstoß des Treibhausgases Gebühren zu bezahlen oder es in die Erde zu verpressen, wollen sie damit Geld verdienen, indem sie es zu handelbaren Chemikalien oder eben Methangas recyceln.
Die Grundidee ist simpel. Wenn ein Motor Benzin verbrennt oder eine Heizung Gas, dann brechen die Gas- oder Benzinmoleküle auseinander. Die Energie, die in ihren chemischen Bindungen steckt, wird dabei als Wärme frei. Übrig bleiben Kohlendioxid und Wasser. Der Sabatier-Prozess kehrt diesen Vorgang gewissermaßen um. Herrschen im Reaktor hinreichend hoher Druck und Temperatur, fügen sich Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) zu Methanmolekülen zusammen und speichern ihre Energie in chemischen Bindungen. Allerdings muss die Energie dazu bereitstehen: zum einen in Form der Hitze, unter der die Sabatier-Reaktion abläuft, zum anderen in Form des gegenüber Wasser chemisch bereits energiereicheren Wasserstoffs.
So fabriziertes Methan wird nach heutiger Technik noch lange Zeit nicht mit Erdgas konkurrieren können. Das sei derzeit aber auch nicht das Ziel, sagt Ulrich Zuberbühler vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung ZSW in Baden-Württemberg. "Wir sehen darin einen Speicher für Strom aus regenerativen Quellen", erklärt er. Mittels der Sabatier-Reaktion soll also die Überproduktion aus Windparks und Solaranlagen in chemische Bindungsenergie im Methanmolekül verwandelt werden, in "Windgas" also, oder noch neuhochdeutscher, "Solar-Fuel". Denn im Gegensatz zu elektrischem Strom lässt sich Gas einfach speichern. "Das gesamte deutsche Erdgasnetz steht dafür zur Verfügung", sagt Zuberbühler, der mit Kollegen die erste deutsche Testanlage konstruiert hat. Nach Berechnungen des Fraunhofer Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) kann das deutsche Stromnetz gerade einmal 0,04 Terawattstunden aufnehmen, die Speicher für Gas fassen hingegen 200 Terawattstunden, was dem Verbrauch von mehreren Monaten entspricht. Zwar könnte man überschüssigen Wind- und Solarstrom auch einfach nur zur Produktion von Wasserstoff verwenden. Doch verträgt das Gasnetz Wasserstoff nur in geringen Mengen, weil er weniger Energie transportiert als Erdgas und damit den Brennwert verschlechtert. Abgesehen davon geht von Wasserstoff eine höhere Explosionsgefahr aus als von Methan.
Die Verwandlung von Strom in Methan soll einmal mit einem Wirkungsgrad von 60 Prozent ablaufen. Verbrennt man das in modernen Gaskraftwerken, würde am Ende 40 Prozent der in das Methan investierten Energie wieder herauskommen. Das sei immer noch besser, als den Strom ungenutzt zu lassen, sagt Zuberbühler. Jürgen Schmid vom IWES sieht zudem reichlich Entwicklungspotential. Für die Wandlung von Strom zu Gas und wieder zurück zu Strom nennt er einen Wirkungsgrad von 80 Prozent als Zielgröße.
Am meisten Energie schluckt die Produktion des Wasserstoffs. Bislang geschieht das meist durch Elektrolyse, die Wassermoleküle in einem elektrischen Feld in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Weltweit arbeiten Forscher daran, diese Wasserspaltung mit weniger Energie hinzubekommen. So versucht man etwa, die Hitze der Sonne zu nutzen, um die starke Bindung zwischen Wasser- und Sauerstoff aufzubrechen. In der Wüste des amerikanischen Bundesstaates New Mexico zum Beispiel haben Ingenieure der Sandia National Laboratories einen Spiegel mit sechs Meter Durchmesser aufgestellt, der Sonnenlicht auf einen Reaktor von der Größe eines kleinen Bierfasses bündelt. In seinem Inneren erhitzt die Strahlung rotierende Scheiben aus Eisenoxid auf 1400 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur entweicht der Sauerstoff aus dem Oxid und hinterlässt eine reaktionsfreudige Eisenoberfläche. Sobald diese sich in den Schatten dreht und abkühlt, will sie wieder mit Sauerstoff reagieren. Dieses chemische Verlangen ist so groß, dass es sogar Wassermoleküle zerreißt. Um das zu ermöglichen, pumpen die Forscher Wasserdampf in das Gefäß und saugen das übriggebliebene Wasserstoff-Gas durch ein Ventil heraus. Es ist ein aufwendiges Verfahren. Um damit pro Tag die Menge Wasserstoff zu produzieren, die einer Menge von einer Million Litern Treibstoff entspricht, müsste man eine Fläche von etwa 1000 Hektar verspiegeln - und hätte damit erst den Gegenwert eines Zehntausendstels des weltweit verbrauchten Sprits. Natürlich lässt sich Wasserstoff auch billiger gewinnen, am allerbilligsten geht es heute durch sogenannte Dampfreformierung, bei der Kohlenwasserstoffe zusammen mit Wasser erhitzt werden, bis sie in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zerfallen. "Es wäre allerdings bizarr, Wind- oder Sonnenstrom unter Verbrauch fossiler Energie zu speichern", sagt Florian Pontzen, der Methanol-Synthesewege für das französische Unternehmen Air Liquide erforscht. "CO2-basiertes Methan ist ja gerade deshalb attraktiv, weil es die Gesamtemission von Kohlendioxid reduzieren kann. Das funktioniert nur, wenn der notwendige Wasserstoff mit regenerativer Energie gewonnen wird."
Das Kohlendioxid, die zweite wichtige Zutat der Methanproduzenten, ist leichter zu beschaffen. Kohle- oder Gaskraftwerke pusten es massenhaft in die Luft. Mit der heute existierenden Abscheidetechnik könnte man es zwar unter Verlust von etwa zehn Prozentpunkten am Wirkungsgrad aber doch fast vollständig einfangen und zum Recycling in einen Methan-Reaktor pumpen. Einfacher ist das Treibhausgas in Biogasanlagen zu haben. Mit einem Anteil von gut 40 Prozent blubbert es aus dem Gärkessel, der Rest ist Methan und ein paar Spurengase. Bevor die Betreiber das Bio-Methan aber in das Erdgasnetz einspeisen dürfen, müssen sie das CO2 entfernen. Das könnten zukünftig Methanfabriken übernehmen. "Die meisten Biogasanlagen stehen an guten Standorten und bieten genügend Fläche, um eine Anlage für die Methansynthese anzuschließen", sagt Ulrich Zuberbühler. Mit Wasserstoff vermischt und unter Druck erhitzt, wird aus dem Gemisch fast reines Methan, und das darf ins Gasnetz.
Hat man schließlich Wasserstoff und Kohlendioxid in hinreichenden Mengen, muss man sie nur noch miteinander reagieren lassen. Das ist nicht so einfach, denn CO2 ist eines der trägsten Moleküle, das Chemiker kennen. Erleichtert wird die Sache durch Katalysatoren wie das Nickel in Sabatiers Originalrezept. Je besser der Katalysator, desto schneller läuft die Reaktion und desto weniger Druck und Hitze sind notwendig. Denn Katalysatoren setzen die sogenannte Aktivierungsenergie herab, die erst einmal aufgebracht werden muss, damit eine Reaktion abläuft. Ein idealer Katalysator wäre in der Lage, Wasser und Kohlendioxid bei geringstem Energieverbrauch in einem Becher miteinander reagieren zu lassen. Unmöglich sei das nicht, sagt Katalysatorenforscher Fritz Kühn.
In der ersten deutschen Testanlage des ZSW kommt allerdings ein handelsüblicher Katalysator zum Einsatz, welche, will Zuberbühler nicht verraten. Nur so viel gibt er zu: Kupfer ist im Spiel. Andere Katalysatoren, mit denen im Labor gute Erfahrungen gemacht wurden, enthalten das teure Ruthenium und spielen in den ersten Testanlagen keine Rolle.
Neben den Reaktionsbeschleunigern für die Methanisierung gibt es auch solche, die CO2-Moleküle zu Ketten aneinanderfügen und so Polymere schaffen, die zu Kunststoffen weiterverarbeitet werden können. David Milstein vom Weizmann Institut im israelischen Rehovot, einer der renommiertesten Kohlenstoff-Forscher der Welt, hat erst kürzlich einen Katalysator beschrieben, der über einen Umweg Kohlendioxid in Methanol verwandelt, eine Flüssigkeit also, die als Treibstoff für Motoren taugt. Kühn beschreibt Milsteins Reaktion als "elegant" und "atom-effizient", weil praktisch keine Abfallprodukte entstehen und der Energieverbrauch der Reaktion sehr niedrig ist.
Optimal ist auch diese Reaktion noch nicht, aber sie wäre ein erster Schritt in Richtung auf eine Methanolwirtschaft, wie sie der amerikanische Chemie-Nobelpreisträger George Olah entworfen hat. In seiner Zukunftsversion nimmt Methanol, das aus CO2 und regenerativer Energie gewonnen wird, den Platz von Erdöl ein. Olah hofft, dass durch die immens ansteigende Methanolproduktion der Kohlendioxidgehalt in der Erdatmosphäre sogar wieder sinken könnte. So optimistisch sind die deutschen Forscher nicht. "Ich glaube nicht, dass wir spürbare Mengen CO2 aus der Luft herausholen können", sagt Zuberbühler. Ebenso wie Jürgen Schmid hält er es jedoch für durchaus möglich, den anthropogenen Anteil des Kohlenstoffkreislaufs technisch zu schließen und so viel von dem Treibhausgas zu recyceln, wie alle Kraftwerke und Transportmittel zusammen in die Luft pusten.
Ein Bericht des Umweltbundesamtes über die Energieziele der Bundesregierung räumt regenerativem Methan bereits im Jahr 2050 eine strategische Rolle als Energiespeicher ein. Österreichische Experten kommen für ihr Land zu einem ähnlichen Bild. Auch die amerikanische Kohleindustrie hat das neue Gas entdeckt. Während für deutsche Forscher die Möglichkeit im Vordergrund steht, regenerative Energie in Methan oder Methanol zu speichern, werben amerikanische Unternehmen mit angeblich klimafreundlichem CO2-Recycling.
Florian Pontzen bezweifelt indes, dass sich mit der heutigen Technik Kohlekraftwerke in CO2-Senken verwandeln lassen, insbesondere wenn nicht klar sei, woher der dafür notwendige Wasserstoff kommen soll. Er hält es derzeit für sinnvoller, Kohlendioxid in die konventionelle Methanolproduktion einzuspeisen, wodurch zumindest ein Teil des darin enthaltenen Kohlenstoffs Recycle-Ware wäre. Den Klimawandel stoppen kann dieser Trick allein nicht. Doch könnte er einer der ersten Schritte sein, um die notwendige Aktivierungs-Energie herabzusetzen, sagt Pontzen. Diesmal spricht er aber nicht von reaktionsträgen Molekülen, sondern von der trägen Gesellschaft. "Das ist auch ein politisches Thema." Viel Forschung ist noch notwendig, um das Treibhausgas Kohlendioxid in einen recycelbaren Rohstoff zu verwandeln. Und ein wichtiger Katalysator dafür ist wiederum noch immer das Geld.
