CO2-Abscheidung Wissenschaftler erreichen Durchbruch bei der Umwandlung von CO2 für die Ethylenproduktion

Ein Forscherteam der University of Illinois Chicago hat eine Methode entdeckt, mit der 100 % des aus Industrieabgasen abgeschiedenen Kohlendioxids in Ethylen umgewandelt werden kann. Dieser dient als wichtiger Grundstoff für die Plastikproduktion.

Forscher beschäftigen sich zwar schon seit mehr als zehn Jahren mit der Möglichkeit, Kohlendioxid in Ethylen umzuwandeln, doch ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Meenesh Singh erreichte als erstes eine nahezu hundertprozentige Nutzung von Kohlendioxid zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen. Ihr System nutzt die Elektrolyse, um abgeschiedenes Kohlendioxidgas in hochreines Ethylen umzuwandeln, wobei andere kohlenstoffbasierte Brennstoffe und Sauerstoff als Nebenprodukte anfallen.

Das Verfahren kann bis zu sechs Tonnen Kohlendioxid in eine Tonne Ethylen umwandeln, wobei fast das gesamte abgeschiedene Kohlendioxid recycelt wird. Da das System mit Strom betrieben wird, kann der Prozess durch den Einsatz erneuerbarer Energien kohlenstoffnegativ werden.

Singh zufolge übertrifft der Ansatz seines Teams das Netto-Null-Kohlenstoff-Ziel anderer Technologien zur Kohlendioxidabscheidung und -umwandlung, indem er den gesamten Kohlendioxidausstoß der Industrie tatsächlich reduziert. „Es ist netto negativ“, sagt der Forscher. „Für jede produzierte Tonne Ethylen werden sechs Tonnen CO₂ aus Punktquellen entfernt, die sonst in die Atmosphäre gelangen würden.“

Frühere Versuche, Kohlendioxid in Ethylen umzuwandeln, beruhten auf Reaktoren, die Ethylen innerhalb des Kohlendioxid-Emissionsstroms der Quelle erzeugen. In diesen Fällen werden in der Regel nur zehn Prozent der CO₂-Emissionen in Ethylen umgewandelt. Das Ethylen muss später in einem energieintensiven Prozess, bei dem häufig fossile Brennstoffe zum Einsatz kommen, vom Kohlendioxid getrennt werden.

Bei dem UIC-Ansatz wird ein elektrischer Strom durch eine Zelle geleitet, die zur Hälfte mit abgeschiedenem Kohlendioxid und zur anderen Hälfte mit einer Lösung auf Wasserbasis gefüllt ist. Ein elektrifizierter Katalysator zieht geladene Wasserstoffatome aus den Wassermolekülen in die andere, durch eine Membran getrennte Hälfte der Einheit, wo sie sich mit geladenen Kohlenstoffatomen aus den Kohlendioxidmolekülen verbinden und Ethylen bilden.

Unter den weltweit hergestellten Chemikalien steht Ethylen bei den Kohlenstoffemissionen an dritter Stelle nach Ammoniak und Zement. Ethylen wird nicht nur zur Herstellung von Kunststoffprodukten für die Verpackungs-, Landwirtschafts- und Automobilindustrie verwendet, sondern auch zur Herstellung von Chemikalien, die in Frostschutzmitteln, medizinischen Sterilisatoren und Vinylverkleidungen für Häuser eingesetzt werden.

Kohlenstoff als Rohstoff

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Ethylen wird in der Regel durch Steamcracking hergestellt, das enorme Wärmemengen erfordert. Beim Cracken entstehen etwa 1,5 Tonnen Kohlenstoffemissionen pro Tonne Ethylen. Im Durchschnitt produzieren die Hersteller jedes Jahr etwa 160 Millionen Tonnen Ethylen, was weltweit zu mehr als 260 Millionen Tonnen Kohlendioxidemissionen führt.

Neben Ethylen konnten die UIC-Wissenschaftler mit ihrem Elektrolyseverfahren auch andere für die Industrie nützliche kohlenstoffreiche Produkte herstellen. Sie erreichten auch einen sehr hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Solarenergie, indem sie zehn Prozent der von den Sonnenkollektoren abgegebenen Energie direkt in Kohlenstoffprodukte umwandelten. Dies liegt weit über dem Standard von zwei Prozent, der heute üblich ist. Für das gesamte von ihnen produzierte Ethylen lag der Wirkungsgrad der Solarenergieumwandlung bei etwa vier Prozent, was in etwa dem Wert der Photosynthese entspricht.

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