CO2 lohnend als Ausgangsstoff für Kohlenmonoxid

In einer Studie, deren Ergebnisse in diesen Tagen im Fachmagazin Renewable & Sustainable Energy Reviews erscheinen, belegen Forschende des PSI die Wirtschaftlichkeit der sogenannten CO2-Elektrolyse. Diese bezeichnet ein Verfahren, bei dem CO2 aus der Atmosphäre oder am Ort seiner Entstehung in der industriellen Produktion aufgefangen wird. Die anschließende Umwandlung über eine Elektrolysezelle macht dieses CO2 dann für die chemische Industrie nutzbar.

Im Rahmen ihrer Studie untersuchten die Forschenden des PSI gemeinsam mit internationalen Kollegen, ob die Elektrolyse von CO2 zur Herstellung von Kohlenmonoxid (CO) oder Ameisensäure (HCOOH) wirtschaftlich profitabel betrieben werden kann und ob sie mehr CO2 verbraucht, als sie selbst durch ihren Energiebedarf erzeugt. 

Lohnend: CO2 als Ausgangsstoff für andere Produkte

Den aktiven Entzug des CO2 aus der Atmosphäre sehen die Forschenden des PSI als unumgänglich zur Erreichung der Klimaziele. Aber was geschieht dann mit diesem Treibhausgas? Auf diese Frage nennen die Studienautorinnen und -autoren die CCS- und CCU-Technologien. Bei CCS (Carbon Capture and Storage) wird CO2 in unterirdische Speicher wie etwa leere Erdgas- oder Salzlagerstätten gepumpt. CO2 dagegen als Rohstoff zu nutzen − CCU (Carbon Capture and Utilization) − ist die andere Option. So lasse sich CO2 als Lösch-, Kälte- und Düngemittel verwenden. Noch lohnender ist jedoch laut dem PSI die Verwendung des CO2 als Ausgangsstoff für andere Produkte wie etwa CO und HCOOH.

Diese Produkte seien per Elektrolyse mit Wasser leicht aus CO2 herzustellen, betonen die Wissenschaftler. Deren Bedarf sei groß: HCOOH diene etwa als Antirheumatikum in der Medizin oder als Beiz- und Imprägniermittel in der Textil- und Lederindustrie. CO werde dagegen etwa als Reduktionsmittel bei der Verhüttung von Erzen benötigt. Vor allem aber könnten daraus zusammen mit Wasserstoff synthetische Kraftstoffe hergestellt werden.

Möglichst realitätsnahe Simulationen

Bei seiner Analyse ging das Forscherteam zweistufig vor: Zunächst durchforstete es die Literatur nach Daten für die effizientesten Niedrigtemperatur-Elektrolyseur-Systeme, die CO und HCOOH produzieren. In einem zweiten Schritt modellierten die Forschenden für die jeweiligen Zellarchitekturen virtuell elektrochemische Großanlagen zur Produktion der beiden Chemikalien. Teils sehr komplexe Simulationssoftware half dabei, die Leistung der Zellen im industriellen Maßstab möglichst realitätsnah abzubilden.

Das Team spielte zwei Szenarien durch: Das erste beruhte auf dem derzeitigen Stand der Technik (Basisszenario) und ging von 75 Tonnen CO- beziehungsweise HCOOH-Produktion pro Tag aus. Das zweite, optimistischere Szenario postulierte, dass sich die CO2-Elektrolyse in naher Zukunft weiter optimieren wird. Es simulierte die Produktion von 100 Tonnen CO beziehungsweise HCOOH pro Tag. 

Ergebnis Ameisensäure-Produktion

Die Simulationen zeigten eine profitable Herstellung von HCOOH in beiden Szenarien. Der Haken: Die Produktion verursachte mehr CO2 als sie verbrauchte. Die Forschenden begründen dies insbesondere mit dem hohen Energieverbrauch: Die Ameisensäure falle als Flüssigkeit in Lösung mit Wasser an und muss energieintensiv abgeschieden werden, um sie verwenden zu können, schreiben die Forscher.

Gleichzeitig werde für die Produktion weniger CO2 benötigt als für die gleiche Menge an Kohlenmonoxid. Der aktuelle EU-Strommix, der noch überwiegend auf fossilen Energieträgern beruht, verursache 235 Gramm CO2 pro Kilowattstunde. Als CO2-Senke dienen könnte die Ameisensäure-Produktion erst bei einem Wert unter 137 Gramm pro Kilowattstunde. Das heißt: Der Erneuerbaren-Anteil muss noch erheblich steigen, bevor die Elektrolyse von CO2 zu Ameisensäure einen positiven Klimaeffekt mit sich bringt.

Ergebnis Kohlenmonoxid-Produktion

Bei der CO-Herstellung in den dafür üblichen alkalinen Zellsystemen reicht laut der Forscher bereits ein Wert von unter 346 Gramm pro Kilowattstunde. Der Grund: Das Produkt fällt als Gas an und ist leicht separierbar. "Die Kohlenmonoxid-Produktion hat also schon jetzt das Potenzial zur CO2-Senke", sagt Projektleiter Thomas Justus Schmidt, Leiter des Forschungsbereichs Energie und Umwelt am PSI. Dieses werde noch größer, je mehr der Erneuerbaren-Anteil am Strommix zunimmt.

Jedoch, so das Ergebnis der Forscher, konnte Kohlenmonoxid im Basisszenario mit keiner Zellarchitektur profitabel hergestellt werden. Im optimistischen Szenario hingegen konnten alle vier Architekturen ein positives Ergebnis erzielen. Im Schnitt zeigte die CO-Produktion eine Verbesserung um 22 % verglichen zur Herstellung von Ameisensäure. Unterm Strich schreiben die Forschenden der Produktion von Kohlenmonoxid das größte Potenzial für eine ökonomische und ökologische Verwendung von CO2 zu.