Der Klimawandel hat das Potenzial, die Lebensgrundlagen der Menschheit weltweit zu gefährden.

Forscher am Institut für Mikroverfahrenstechnik des KIT arbeiten an innovativen Prozessen zur effizienten Umwandlung von Kohlendioxid zusammen mit Wasserstoff aus erneuerbaren Energien in chemische Energieträger, um so einen CO2-Kreislauf ohne weitere CO2-Emissionen zu realisieren. © IMVT / M. Klumpp


Am härtesten wird es die Menschen in Ländern mit weniger gut entwickelter Infrastruktur und in meeresnaher Lage treffen. Aber auch in den Industrieländern in Europa, Nordamerika und Asien kann es und wird es durch globale und lokale Klimaveränderungen spürbare Auswirkungen geben. Als Beispiel sei auf den aktuellen "Jahrhundertsommer" in Deutschland in diesem Jahr verwiesen, der einen Eindruck von dem vermittelt hat, was auf uns zukommen könnte.

In einem am 8. Oktober 2018 veröffentlichten aktuellen Bericht zur Begrenzung der globalen Erwärmung bis zum Ende des 21. Jahrhunderts auf 1,5 °C kommt der Weltklimarat IPCC zu dem Schluss, dass es noch möglich sei dieses, über das Pariser Klimaschutzabkommen vom Dezember 2015 hinausgehende Ziel zu erreichen. Dies sei auch für eine nachhaltige Entwicklung der Weltwirtschaft, eine gerechte Beteiligung großer Teile der Menschheit am Wohlstand und die Eindämmung geopolitischer Spannungen erstrebenswert. Der Bericht kommt gleichzeitig aber auch zu dem Schluss, dass hierfür ein entschlossenes Handeln aller Länder Voraussetzung ist, und zwar dahingehend, dass die weltweiten, vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen bis 2030 gegenüber dem Stand von 2010 um 45 Prozent reduziert und bis 2050 im Prinzip auf null gebracht werden müssen. Dies ist ganz ohne Zweifel eine der größten Herausforderungen, der sich die Menschheit bisher zu stellen hatte!

Prof. Dr. Roland Dittmeyer, Leiter des Instituts für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). © privat

Der Transportsektor ist global für etwa 14 Prozent der anthropogenen CO2Emissionen verantwortlich (Zahlen für 2014, Quelle: IPCC). In Deutschland entfielen auf den Sektor Verkehr im letzten Jahr 170,6 Millionen Tonnen CO2Äquivalente. Dies entspricht einem Anteil von knapp 19 Prozent. Der Trend in Deutschland ist dabei steigend, sowohl absolut als auch für den Anteil an den Gesamtemissionen (Quelle: Umweltbundesamt).

Verkehrswende


Es wird also dringend CO2freie Mobilität benötigt, was hierzulande seit Kurzem auch unter dem Schlagwort "Verkehrswende" in der öffentlichen Diskussion ist. Wie lässt sich die Verkehrswende erreichen? Infrage kommt die mit erneuerbarem Strom, aber besser nicht mit Kohlestrom (!) betriebene Elektromobilität oder Elektrolyse, um Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge herzustellen. Darüber hinaus kommen auch strombasierte synthetische Kohlenwasserstoffe infrage, also E-Benzin, E-Diesel, E-Kerosin und E-Methan sowie neue, alternative E-Kraftstoffe mit konsequent verminderter Schadstoffbildung bei der Verbrennung. Diese müssen natürlich alle auch auf CO2freiem erneuerbarem Strom beruhen.

Technisch ist die Herstellung solcher Kraftstoffe heute bereits möglich. Als Kohlenstoffquelle kommt CO2 aus Industrieanlagen, die nicht oder nicht so schnell auf erneuerbare Energiequellen umgestellt werden können (beispielsweise Stahloder Zementwerke) infrage, ebenso kleinere CO2-Emittenten wie Biogasanlagen, oder mit Biomasse oder Abfall befeuerte Wärmeerzeugungsanlagen. Sogar CO2 aus der Umgebungsluft ist nutzbar. Um das umzusetzen, muss zunächst das reaktionsträge CO2 aktiviert werden. Dies erfordert ein reaktives Molekül wie beispielsweise Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser mit CO2-freiem Strom erzeugt werden kann.

"Ich denke unser Ansatz moderne Fertigungs­methoden, neueste Erkenntnisse der Katalyse­forschung und die Computer­simulation zu nutzen, um integrierte Systeme zur dezentralen Umwandlung von CO2 in speicher­bare chemische Energie­träger kosten­günstig verfügbar zu machen, besitzt großes Potenzial und lohnt daher jede Anstrengung."

Prof. Dr. Roland Dittmeyer, Leiter des Instituts für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)


Das entstehende, Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltende Gas wird als "Synthesegas" bezeichnet und ist ein in der chemischen Industrie gut bekanntes und wichtiges Zwischenprodukt. Es kann nach verschiedenen Verfahren über in der Regel mehrere Schritte bis zu den genannten etablierten Kraftstoffen weiterverarbeitet werden. Allerdings sind all diese Prozessketten kompliziert. Sie beinhalten viele Einzelstufen, benötigen viel Platz, erfordern hohe Investitionen und eignen sich nicht für eine flexible Prozessführung, die sich am räumlich und zeitlich variablen Angebot an erneuerbarer Energie vor allem aus Wind und Solarstrahlung orientiert.
Flexible dezentrale Anlagen

An dieser Stelle setzt die Forschung des Instituts für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) an. "Unser Ziel sind vereinfachte integrierte Verfahren zur Erzeugung von speicherfähigen synthetischen Kraftstoffen und chemischen Produkten aus CO2 und erneuerbarer elektrischer Energie. Dazu setzen wir auf passende kompakte modulare Anlagen, die etwa in Gebäude oder Container eingebaut und automatisiert betrieben werden können", erläutert Professor Roland Dittmeyer, Leiter des IMVT am KIT. "Zu den wichtigen Merkmalen dieser Technologie gehört eine hohe Kohlenstoffausnutzung. Das heißt, möglichst der gesamte, im CO2 enthaltene Kohlenstoff soll sich im Produkt wiederfinden. Außerdem soll ein möglichst großer Teil des eingesetzten erneuerbaren Stroms chemisch gespeichert und so eine hohe Energieeffizienz erreicht werden. Wichtig ist auch eine hohe Flexibilität bezüglich der pro Zeiteinheit erzeugten Produktmenge, um auf Änderungen des Stromangebots schnell reagieren zu können, und natürlich geringe Kosten", so Professor Dittmeyer weiter. "Hierfür entwickeln und untersuchen wir neue Katalysatoren, entwerfen, bauen und testen ultrakompakte Reaktoren und integrierte Prozessketten, dringen mit speziellen experimentellen Methoden und Computersimulationen vor in alle Details, die sich in solchen Anlagen an verschiedenen Stellen und in unterschiedlichen realen Betriebszuständen abspielen. Diese Erkenntnisse nutzen wir gemeinsam mit unserer Ausgründung INERATEC GmbH und weiteren industriellen Partnern, um eine Markteinführung dieser neuen Technologien zu erreichen."

Wie kann es gelingen dezentrale Anlagen großflächig einzusetzen, um speicherfähige chemische Energieträger aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen zu erzeugen? Hier beschäftigen sich die Wissenschaftler mit technischen und ökonomischen Fragen, zum Beispiel, was die Sicherheit der Anlagen oder die Kosten der erzeugten Produkte angeht. Neben neuen Arbeitsplätzen, die für die Herstellung der Anlagen entstehen könnten, und der Frage nach Geschäftsmodellen und Akteuren für den Betrieb der Anlagen und die Logistik der Produkte spielt – global betrachtet – auch die sehr verschiedene Qualität der verfügbaren Infrastruktur in unterschiedlichen Ländern und Regionen eine Rolle. Dabei geht es auch darum, einseitige Abhängigkeiten zu vermeiden und größeren Teilen der Gesellschaft die Möglichkeit zu geben, sich aktiv zu beteiligen. Auch aus diesem Grund ist es wichtig, dass Wissenschaftler nicht nur mit Fachkollegen, sondern auch mit Schülern und Studierenden, mit Entscheidern in Politik und Wirtschaft und generell mit der breiten Öffentlichkeit kommunizieren, wenn der angestrebte Systemwechsel gelingen soll. "Übrigens, die im Titel formulierte Frage kann präzise beantwortet werden, indem man ›oder‹ im letzten Satzteil durch ›und‹ ersetzt."


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