Aachener für Zukunftspreis nominiert: Vom Klimagas zum Rohstoff

Aachener für Zukunftspreis nominiert : Vom Klimagas zum Rohstoff

Walter Leitner betreibt eine Partnervermittlung. Der Professor für Technische Chemie an der RWTH Aachen bringt aber keine heiratswilligen Menschen zusammen, sondern bindungsscheue Moleküle. Eines hat es ihm besonders angetan: Kohlenstoffdioxid (CO2).

Dieses oft als Klimakiller bezeichnete Gas entsteht bei Verbrennungen entsteht bei Verbrennungen und entweicht meist ungehindert in die Atmosphäre, wo es den Klimawandel anheizt. Zusammen mit dem rheinischen Chemiekonzern Covestro hat Leitner ein Verfahren entwickelt, CO2 in Kunststoffe einzubauen – und ist damit für den Deutschen Zukunftspreis nominiert, einen der bedeutendsten Wissenschaftspreise des Landes.

Rund zehn Jahre Entwicklungsarbeit stecken in dem Produkt, das Covestro nun seit einiger Zeit in einer Anlage in Dormagen herstellt. Aus dem CO2-haltigen Stoff mit Namen Cardyon, einem Vorprodukt für Polyurethane, lassen sich bereits Textilfasern, Matratzenschäume oder ein Bindemittel für Sportböden herstellen. Bis zu 20 Prozent der normal aus fossilen Quellen stammenden Grundstoffe lassen sich in dem sogenannten Polyol durch Kohlenstoffdioxid ersetzen. Chemisch fest gebunden kann es nicht einfach so wieder in die Atmosphäre gelangen. Das CO2 dafür stammt aus dem Abgasstrom eines auf dem gleichen Gelände ansässigen Chemiebetriebs.

Für Industrieunternehmen wie Stahlwerke, Chemie- und Zementfabriken ist Kohlenstoffdioxid derzeit noch ein Abfallprodukt. Millionen Tonnen davon pusten sie jährlich in die Luft. Doch wie der Name schon sagt, enthält CO2 Kohlenstoff – die Substanz also, aus der Benzin, Kerosin, Kunststoffe oder andere Chemikalien hergestellt werden. Bislang allerdings wird Kohlenstoff aus fossilem Rohöl gewonnen. Das Ziel von Walter Leitner und seinen Mitarbeitern: Den Kreislauf schließen und dadurch Erdöl einsparen sowie weniger CO2 emittieren.

„Wir wollen erreichen, dass CO2 nicht als Abfall-, sondern als Rohstoff begriffen wird“, sagt Leitner. Der 56-Jährige ist nicht nur Professor in Aachen, sondern auch Direktor am Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr. Außerdem koordiniert er das vom Bundesforschungsministerium (BMBF) geförderte Projekt „Power-to-X“ und ist Co-Sprecher des RWTH-Exzellenzclusters „The Fuel Science Center“. Immer wenn alternative Kohlenstoffquellen und deren Integration in chemische Prozesse gefragt sind, ist Leitner zur Stelle. Er ist einer von Deutschlands führenden Köpfen auf dem Gebiet der Entwicklung von Katalysatoren und Katalysatortechnologien für nachhaltige chemische Prozesse. Denn darauf kommt es bei der molekularen Partnervermittlung an: auf den richtigen Katalysator.

Erst der ermöglicht es, dass die gewünschte Reaktion abläuft und sich Moleküle miteinander verbinden, die eigentlich nichts voneinander wissen wollen. Chemisch gesprochen senkt ein katalytischer Stoff die Aktivierungsenergie einer Reaktion, erhöht also die Chance, dass die Reaktionspartner zueinander finden. Katalysatoren kommen in der Natur in vielfältiger Weise vor. In Lebewesen laufen fast alle lebensnotwendigen chemischen Reaktionen, wie beispielsweise die Photosynthese bei Pflanzen oder die Energiegewinnung aus der Nahrung bei Tieren, mit Hilfe von Katalysatoren ab. Meist sind es bestimmte Eiweiße, die diese Funktion übernehmen.

Kohlenstoffdioxid gilt als besonders hartnäckiger Bindungsverweigerer. „CO2 ist ein sehr träges Molekül, das nicht von sich aus mit anderen Molekülen eine Verbindung eingeht“, erklärt Leitner. Es braucht deshalb einen kräftigen Schubs in die richtige Richtung. Oft eigneten sich dazu Metallverbindungen, in diesem Fall sei Zink ein Hauptbestandteil des Katalysators. Die genaue Rezeptur, zu der Leitner mit seinem Team beigetragen und die Covestro zur technischen Reife gebracht hat, ist allerdings geheim.

Außerdem müsse man nicht nur den richtigen Reaktionspartner finden, sondern es auch schaffen, dass die beiden sich im richtigen Verhältnis und der richtigen Anordnung verknüpfen. „Wir haben unser Vorhaben zwar zunächst als ‚Traumreaktion‘ bezeichnet, aber es war eigentlich schon zu Beginn klar, dass es etwas mehr als ein Traum ist, Kohlendioxid in Kunststoffe einzubauen“, sagt Leitner.

Gesagt, getan. Eine der wesentlichsten Herausforderungen für die Wissenschaftler war es, herauszufinden, wie viel CO2 überhaupt eingebaut werden kann. Denn am Ende, so der Plan, sollte ein Produkt stehen, das mit bereits existierenden Weiterverarbeitungsmethoden kompatibel ist – eine sogenannte Drop-in-Lösung. „Viele Forschungsteams sind in den vergangenen Jahrzehnten daran gescheitert, möglichst viele CO2-Moleküle zu integrieren“, sagt Leitner. Dann aber werde der Kunststoff brüchig. Es gehe also um das Optimum, nicht das Maximum.

Welche Eigenschaften ein Kunststoff haben muss, um auf dem Markt zu bestehen, weiß Berit Stange. Die promovierte Polymerchemikerin arbeitet seit 2005 bei Covestro und hat entscheidenden Anteil an der Vermarktung von Cardyon. Bis zu 5000 Tonnen des dickflüssigen Materials können aktuell jährlich aus der neuen Anlage fließen. Das klingt zwar zunächst nach viel. Weltweit werden jedoch rund vier Millionen Tonnen Weichschaum-Polyole hergestellt. „Das Weltklima retten wir mit solchen einzelnen Maßnahmen natürlich nicht“, sagt Stange. „Aber es ist einer von vielen Schritten in die richtige Richtung – jetzt sollten andere Industriezweige nachziehen.“

Und das sollten sie wirklich. Nicht nur aufgrund des zunehmenden Drucks aus der Öffentlichkeit über Bewegungen wie „Fridays for Future“. Bis 2030 will Deutschland jährlich 55 Prozent weniger CO2 emittieren als noch 1990. Das hat der Bund auf der Pariser Klimakonferenz versprochen. Auf fossile Rohstoffe zu verzichten, ist dabei ein Schlüsselelement, um dem Ziel näher zu kommen, Kreislaufwirtschaft ein anderes. Dass ein Projekt wie die Produktion von Cardyon für den Zukunftspreis nominiert ist, soll also auch Ansporn für andere Forschungsanstrengungen sein.

Hüttengase der Stahlproduktion

So erforschen Wissenschaftler im Projekt Carbon2Chem unter Beteiligung von Unternehmen wie ThyssenKrupp, Evonik oder BASF bereits seit 2016, wie aus Hüttengasen der Stahlproduktion Vorprodukte für Kraftstoffe, Kunststoffe oder Düngemittel werden könnten. Laut BMBF soll Carbon2Chem 20 Millionen Tonnen des jährlichen deutschen CO2-Ausstoßes der Stahlbranche wirtschaftlich nutzbar machen. Das entspricht etwa zehn Prozent der Kohlendioxidemissionen aus deutschen Industrieprozessen.

Doch bei solchen Projekten geht es nicht nur um den Klimaschutz. Allein rund um Covestros Entwicklung der Cardyon-Produktion sind mehr als 60 Patente entstanden. Denn kein Unternehmen würde in eine Technologie investieren, die auf lange Sicht keine Zukunft hat. „Cardyon hat vergleichbare, wenn nicht teils sogar bessere Eigenschaften als rein fossile Polyole“, sagt Stange. Auch das mache das Produkt so attraktiv. Die Ideen, was man daraus machen könne, seien fast unerschöpflich. „Für mich ist CO2 in vielerlei Hinsicht der Rohstoff der Zukunft.“

Inwieweit sich CO2 tatsächlich auch in anderen Bereichen als ökonomisch und ökologisch sinnvoller Rohstoff einsetzen lässt, darauf hat Walter Leitner mit seiner Katalysatorforschung wenig Einfluss. Oft ist es die Politik, die die Weichen stellen muss. Manchmal ist es der Verbraucher, der entscheidet, ob sich ein Produkt durchsetzt. Jetzt hoffen er und die Kollegen Berit Stange und Christoph Gürtler von Covestro erstmal darauf, am 27. November den Deutschen Zukunftspreis aus den Händen von Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier in Empfang nehmen zu dürfen. Nominiert sind noch zwei andere Teams. Wie Leitner, Stange und Gürtler ihre Chancen einschätzen? „Als Wissenschaftler würden wir behaupten: ein Drittel“, sagen alle drei unisono und lachen.

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