CO₂-Verwertung: Neue Technologien zur Umwandlung von CO₂ und warum GIG Karasek auf die elektrochemische Reduktion setzt

Der Einsatz von Technologien zur CO₂-Verwertung hat in den letzten Jahren weltweit große Aufmerksamkeit erlangt. Langfristig gesehen werden sie ein unverzichtbarer Bestandteil für zukünftiges Wirtschaften sein. In diesem Artikel zeigen wir verschiedene CO₂ Umwandlungs- und Nutzungspfade auf und erläutern, warum GIG Karasek die elektrochemische CO₂-Umwandlung im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte vorantreibt.

1. Warum GIG Karasek den Fokus auf CO₂-Verwertung richtet

CO₂ Abscheidung und Verwertung (Carbon Capture & Utilization, kurz CCU) bezeichnet Technologien, die CO₂ aus der Atmosphäre oder aus Rauchgasen abscheiden und anschließend in Produkte mit Mehrwert wie Kunststoffe, Baumaterialien, synthetische Brennstoffe oder Chemikalien (z.B. Kohlenmonoxid, Methanol, Ethanol, Olefine, Ameisensäure) umwandeln. Wie lange das CO₂ durch diese Nutzungen gebunden bleibt, ist abhängig vom Produkt. 

CCU-Technologien beruhen im Wesentlichen auf zwei voneinander isolierten Schritten: dem Abscheidungs- und dem Umwandlungsschritt. Obwohl die Gesamteffizienz des CCU-Prozesses von der Kombination dieser Schritte abhängt, wurden CO₂-Abscheidung und Verwertung bislang meist unabhängig voneinander erforscht. Dieser Umstand hat dazu geführt, dass Abscheidesysteme bereits im industriellen Maßstab entwickelt sind, während sich Verwertungs- bzw. Umwandlungstechnologien noch in unterschiedlichen Entwicklungsstadien befinden.

Abbildung 1: CO₂-Abscheidung aus Punktquellen und anschließende Verwertung von CO₂ über verschiedene Umwandlungspfade (Eigendarstellung).

2. CO₂-Verwertung: Umwandlungspfade und ihre technologische Reife 

Da CO₂ eine thermodynamisch stabile Verbindung ist, erfolgt die Umwandlung von CO₂ in der Regel durch einen katalytischen Prozess mit zusätzlichem Input, z.B. aus erneuerbaren Energiequellen. Nachfolgend ein Überblick der wichtigsten Verwertungstechnologien, die derzeit untersucht werden, einschließlich deren technologischer Reifegrad (TRL):

2.1. Thermochemische CO₂-Umwandlung (TRL 5–9)

Die thermochemische CO₂-Umwandlung verwendet Katalysatoren und eine Kombination aus Hitze und Druck, um CO₂ in wertvolle Produkte umzuwandeln. Mit einem Technologiereifegrad zwischen 5 und 9 ist dies derzeit die ausgereifteste Technologie für die CO₂-Umwandlung. Zu den Herausforderungen bei diesem Reaktionsweg gehören die Reversibilität und die thermodynamischen Einschränkungen von Reaktionen.

2.2. CO₂-Mineralisierung (TRL 4–8 Betoninhaltsstoffe, TRL 7–8 Betonaushärtung)

CO₂-Mineralisierungsprozesse basieren auf der Reaktion von Metallkationen (z. B. Mg, Ca, Fe) mit CO₂, um feste und stabile Carbonat-Mineralien zu bilden und so CO₂ dauerhaft zu speichern. Die entstehenden Carbonate sind potenziell vielseitig einsetzbar, zum Beispiel als Füllstoffe, Zementzusätze oder für Projekte zur Landgewinnung. Die CO₂-Mineralisierung wird dennoch nur ein Hebel zur Dekarbonisierung der Industrie bleiben, sie wird nicht in der Lage sein, die Massenbilanz ins Gleichgewicht zu bringen.

2.3. Elektrochemische CO₂-Umwandlung (TRL 4–8 C1-Produkte, TRL 1–3 C2+-Produkte)

Die Technologie der Plasmakatalyse ist ein weiterer neuartiger Ansatz zur CO₂-Verwertung. Bei diesem Verfahren wird durch Zufuhr von Elektrizität ein schwach ionisiertes Plasma erzeugt, welches sehr reaktiv ist. Die Umwandlung des CO₂ in Grundchemikalien wie Methanol und Ethylen wird durch freie Elektronen aktiviert, die im Plasma enthalten sind. Die Plasmachemie ist jedoch sehr komplex, und ein besseres Verständnis der Plasmareaktionen und der Wechselwirkungen zwischen Plasma und Katalysator ist erforderlich.

Tabelle 3: Technologien zur CO₂ -Umwandlung, einschließlich des technischen Reifegrads (TRL), erstellt nach ¹.

3. Elektrochemische CO₂-Umwandlung als zukunftsweisender Weg

Aus der Bandbreite der vorgestellten Verwertungsmethoden gewinnt die elektrokatalytische bzw. elektrochemische Umwandlung von CO₂ (eCO₂R) in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zunehmend an Interesse. Dafür sind insbesondere folgende Faktoren ausschlaggebend:

1. Einstufige Umwandlung: Das Verfahren ermöglicht die einstufige Umwandlung von CO₂ in C1-, C₂- und sogar C₂+-Produkte (komplexe Kohlenwasserstoffe). Bei der elektrochemischen Reduktion von CO₂ entstehen somit in nur einem Umwandlungsschritt auch Produkte, die zwei und mehr Kohlenstoffatome pro Molekül enthalten (z.B. Ethanol CH₃-CH₂-OH).
   
2. Produktbandbreite: Das elektrochemische Verfahren erlaubt daher potenziell die Herstellung einer breiten Palette von Produkten.
   
3. Flexiblere Nutzung von Strom: Überschüssige erneuerbare Energie kann in Form von chemischer Energie gespeichert und bei Bedarf wieder eingesetzt werden. Damit ist eine flexiblere Nutzung von Strom (d.h. Nachfragesteuerung) möglich.

Im Vergleich zu anderen Technologien bietet die elektrochemische CO₂-Reduktion eine Reihe wesentlicher Vorteile, auf die nachfolgend näher eingegangen wird.

Im Vergleich dazu ist die CO₂-Gewinnung aus Abgasen, bei denen die Konzentration meist mehr als 10 % beträgt, deutlich günstiger als DAC. Als CO₂-Quellen kommen in erster Linie gefasste Punktquellen in Frage, z.B. Rauchgasströme in Kraftwerken oder industrielle Prozesse, bei denen CO₂ als Nebenprodukt produziert wird.

4. Elektrochemische CO₂-Umwandlung im Vergleich

Die elektrochemische Reduktion stellt eine attraktive Technologie dar, da sie unter milden Bedingungen (nahe Raumtemperatur und Umgebungsdruck) in wässrigen Lösungen durchgeführt werden kann, wobei Wasser anstelle von molekularem Wasserstoff (H₂) als Wasserstoffquelle verwendet wird. Darüber hinaus sind elektrochemische Umwandlungen aus mehreren Gründen sowohl hinsichtlich der Energieeffizienz als auch der Kosten attraktiver als andere Verwertungstechnologien:

Abbildung 2: Vorteile der elektrochemischen CO₂-Umwandlung (Eigendarstellung)

Die zuvor genannten alternativen CO₂-Verwertungstechnologien haben im Vergleich zur elektrokatalytischen Umwandlung einige Nachteile, die sie aus Sicht von GIG Karasek weniger attraktiv machen²:

1. Die thermochemische CO₂-Umwandlung erfordert hohen Druck und hohe Temperaturen, wodurch entsprechende Kosten anfallen. Auch ist die Methode nicht nachhaltig aufgrund der Verwendung einer nicht erneuerbaren Energiequelle.
2. Der Nachteil des bioelektrokatalytischen Verfahrens liegt vor allem in seinen hohen Kosten. Derzeit ist die biologische Methanisierung sogar teurer als die ohnehin sehr kostenintensive thermochemische Methanisierung.
3. Das photokatalytische Verfahren ist für die großflächige Umsetzung und den Nachtbetrieb aufgrund fehlender Sonneneinstrahlung nicht möglich. Auch ist das Verfahren weniger benutzerfreundlich und die Produktisolierung und -trennung ist vergleichsweise schwierig.
4. Die Plasmakatalyse Technologie als ein weiteres neuartiges Verfahren ist physikalisch sehr komplex und erfordert noch mehr Forschung, um den Prozess vollständig zu verstehen. 

Aus den angeführten Gründen setzt GIG Karasek auf die elektrochemische CO₂-Umwandlung als Verwertungstechnologie. Nachfolgend geben wir einen kurzen Einblick in die Strategie, die GIG Karasek auf diesem Weg verfolgt.

5. Fokus auf Ameisensäure und Kohlenstoffmonoxid

Wie bereits erwähnt wird bei der elektrochemischen Umsetzung von CO₂ Elektrizität angewendet, um CO₂ als Rohstoff für chemische Synthesen zu nutzen. Abhängig vom eingesetzten Katalysatormaterial, dem Reaktionsweg, der Menge des CO₂-Einsatzmaterials und der Energie gibt es eine Vielzahl von eCO₂R-Produkten, die erzeugt werden können.

GIG Karasek hat Ameisensäure (HCOOH) und Kohlenmonoxid (CO) als zwei der vielversprechendsten Produkte für die Anwendung der CCU-Technologie ausgewählt:

• Ameisensäure ist eine Massenchemikalie, die für die Energiespeicherung (Ameisensäure-Brennstoffzelle) und als Grundstoff für die chemische Industrie von großem Interesse ist.
• Kohlenmonoxid kann in Verbindung mit Wasserstoff (H₂) zur Herstellung von Synthesegas und als chemischer Grundstoff genutzt werden.

Darüber hinaus verzeichnen CO und Ameisensäure den höchsten Marktpreis pro eingesetztes Elektron, obwohl der Marktpreis niedriger ist als bei anderen Produkten wie Methanol und Ethanol. Sie sind daher gute Kandidaten für die Entwicklung von CCU-Technologien.

Tabelle 4: Elektrochemische CO₂R-Produkte, adaptiert nach ³

6.Innovatives Forschungsprojekt: Direktelektrolyse von CO₂

GIG Karasek ist aktuell in mehreren Forschungsprojekten aktiv, die sich mit innovativen Ansätzen zur elektrochemischen Umwandlung von CO₂ in Wertstoffe befassen. Die Forschungskooperation mit der Johannes Kepler Universität Linz (JKU Linz) zur CO₂-Verwertung auf Basis der sogenannten „Dream Reaction“ haben wir bereits vorgestellt.

Im Rahmen eines weiteren Projektes zur Direktelektrolyse von CO₂ entwickelt GIG Karasek in Kooperation mit drei oberösterreichischen Unternehmen und der Universität Innsbruck ein erweitertes CCU-System auf Basis einer neuartigen Elektrolysezelle.⁴

Ziel des Projekts ist es, mittels einer CO₂-Direktelektrolyse die Energie/Kostenbilanz der CO₂Abscheidung und Verwertung von Rauchgasen zu optimieren, indem Zwischenschritte wie z.B. die thermische Desorption und Produktabtrennung bzw. -aufbereitung eingespart werden können. Die Abscheidung und elektrochemische Umwandlung von CO₂ erfolgt somit nicht mehr in zwei gesonderten Schritten, sondern wird in einer Einheit integriert.

Die innovative Technologie basiert auf einer symbiotischen CO₂-Absorptions- und Elektrolysezelle, die den Prozess deutlich verschlankt und die Energieeffizienz erhöht. Diese Mini-Plant Anlage dient als Basis für nächste Scale-up Schritte zur industriellen Forschung mit dem Ziel die CO₂-Nutzung als künftigen Geschäftszweig zu etablieren und einen Innovationsschritt in der Abgasreinigung zu implementieren.

Abbildung 3: Bei der Direktelektrolyse erfolgt die CO₂-Abscheidung und Umwandlung zu Wertprodukten in nur einem einzigen Schritt. Idealerweise wird der Prozess aus erneuerbaren Energiequellen gespeist (Eigendarstellung).

7. Herausforderungen bei der elektrochemischen CO₂-Reduktion in der Industrie

Der wichtigste Engpass auf dem Weg zur Industrialisierung des elektrochemischen CO₂-Reduktionsprozesses ist die Systemintegration und Optimierung auf Systemebene.

Die Reaktorzelle mit integriertem Katalysator bildet lediglich die Basis der Technologie. Die größere Herausforderung besteht darin, die Reaktorzelle optimal in das Gesamtsystem zu integrieren und einsatzfähig zu machen. Selektivität, Aktivität und Stabilität von Katalysatoren stellen diesbezüglich Schlüsselparameter dar:

• Aktivität beschreibt die Leistungsfähigkeit eines Katalysators bei einem bestimmten Energieeinsatz.
• Selektivität definiert, ob und wie viele verunreinigende Nebenprodukte erzeugt werden.
• Stabilität gibt an, wie leistungsfähig ein Katalysator auf Dauer ist.

Die wirtschaftliche Machbarkeit von CCU-Konzepten hängt nicht nur von der technologischen Bereitschaft ab, sondern auch von der Schaffung politischer Rahmenbedingungen. Diese umfassen insbesondere die Kohlenstoffsteuerpolitik, die staatliche Förderung der Technologieentwicklung sowie Anreize für umweltfreundliche Produktionswege.

Die industrielle eCO₂R ist im Vergleich zu Alternativen aus fossilen Rohstoffen für die chemische Industrie und die Energiespeicherung noch nicht wettbewerbsfähig. Sobald jedoch die elektrische Energie, die für die Umwandlung notwendig ist, aus erneuerbaren Energiequellen gespeist werden kann, ist eine wettbewerbsfähige Produktion möglich. Dies gilt insbesondere in Anbetracht enorm steigender Preise für Energie aus fossilen Quellen.

Natürlich ist die Elektrifizierung der chemischen Industrie ein herausfordernder Weg in Hinblick auf die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit mit Industrien, die auf fossilen Brennstoffen oder nicht-elektrochemischen Pfaden basieren. Dennoch ist GIG Karasek der Überzeugung, dass die Entwicklung von elektrochemischen Großtechnologien (z.B. eCO₂R), die mit emissionsfreiem Strom betrieben werden, angesichts der enormen Umweltauswirkungen und der unvermeidlichen CO₂-Emissionskosten in Zukunft notwendig ist.

Abbildung 4: CCU-Technologien im Kontext einer nachhaltigen Chemieindustrie, adaptiert nach ⁵© nova-institute.eu.

9. Fazit: CO₂-Verwertung als neuer Geschäftszweig

CO₂ kann durch innovative Technologien mittelfristig als Rohstoff nutzbar gemacht werden, etwa für Kunststoffe, Baumaterialien oder Kraftstoffe. Entscheidende Vorteile zur CO₂-Nutzung als künftigen Geschäftszweig bieten Technologien, die regenerativ erzeugte elektrische Energie direkt für die CO₂-Konvertierung nutzen können. Die elektrochemische CO₂-Umwandlung bei moderaten Prozesstemperaturen stellt dafür eine besonders effiziente und umweltschonende Methode dar. Die Erforschung und Entwicklung dieses CO₂-Umwandlungspfades müssen daher jetzt stattfinden, um auf die Zukunft vorbereitet zu sein.

Mehr dazu, warum Investitionen in diesen Markt gerade jetzt sinnvoll sein können, erfahren Sie in unserem Artikel „CO₂-Verwertung: 5 Gründe, warum sich Unternehmen jetzt beteiligen sollten“.

1 Nishikawa, E. (2022, April 29). CO2 conversion & utilization pathways: Techno-economic insights. PreScouter.
https://www.prescouter.com/2022/04/co2-conversion-utilization-pathways/ (abgerufen 27.9.2022)

2 Samanta, S., & Srivastava, R. (2020). Catalytic conversion of CO2 to chemicals and fuels: the collective
thermocatalytic/photocatalytic/electrocatalytic approach with graphitic carbon nitride. Materials
Advances, 1(6), 1506–1545. https://doi.org/10.1039/d0ma00293c

3 Mohsin et al., Economic and Environmental Assessment of Integrated Carbon Capture and Utilization, Cell
Reports Physical Science (2020), https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100104

4 CO 2 : Rohstoff statt Schadstoff. Cleantech-cluster.at. https://www.cleantech-cluster.at/news-presse/detail/news/co2-rohstoff-statt-schadstoff (abgerufen 27.9.2022)

5 Steeg, D., Renewable energy and renewable carbon for a sustainable future − graphic. Renewable Carbon
Publications. Abgerufen 18. Oktober 2022, von https://renewable-carbon.eu/publications/product/renewable-energy-and-renewable-carbon-for-a-sustainable-future-%E2%88%92-graphic/