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Über dieses Buch

Klimaschutz und Rohstoffwandel erfordern für die Chemie- und Treibstoffindustrie neue, nachhaltige Kohlenstoffquellen. Tatsächlich erreichen Verfahren, die kohlenstoffhaltige Emissions- und Gasströme industriell verwerten, die industrielle Praxis. Sie werden auch in Europa einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Kohlenstoff-Emission und für den Einstieg in eine echte Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft leisten.

Dieses Buch beschreibt die Grundlagen chemischer und biotechnologischer Verfahren zur Umsetzung von CO und CO2 zu Chemikalien und Treibstoffen und geht auf das Potential für die produzierende Wirtschaft, Industriestandorte und Regionen ein:

Welche Emissions- und Gasströme bieten Rohstoffpotential? Welche Verfahren werden bereits implementiert, werden geprüft und sind in Entwicklung?Welche Produkte können aus gasförmigen Kohlenstoffquellen hergestellt werden?Wie können Kohlenstoff abgebende und verbrauchende Industrien zu neuen Wertschöpfungsketten verknüpft werden?Wie sehen die regulatorischen Rahmenbedingungen aus?Wie sieht der ökologische Fußabdruck aus?Wie tragen die neuen Verfahren zur regionalen Wirtschaft bei und unterstützen damit die gesellschaftliche Akzeptanz?

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. CO2 und CO: nachhaltige Kohlenstoffquellen für die zirkuläre Wertschöpfung

Zusammenfassung
Die heutige Wirtschaft beruht zu einem großen Teil auf fossilen Energie- und Kohlenstoffquellen. Mit der fortschreitenden Energiewende zu emissionsfreien Energien wird der Bedarf an Kohlenstoffquellen zwar abnehmen, aber organische Chemieprodukte und auch Treibstoffe für bestimmte Anwendungen werden weiterhin auf kohlenstoffhaltige Rohstoffe angewiesen sein. Dieses Buch diskutiert schwerpunktmäßig das Potenzial von C1-Gasen (CO2, CO) als industrieller Kohlenstoffquelle, den Stand der Technik der Konversionstechnologien und mögliche Produkte. Kap. 1 führt in das Thema ein und stellt den Aufbau des Buches vor.
Manfred Kircher, Cornelia Bähr, Dennis Herzberg, Thomas Schwarz

Kapitel 2. CO und CO2

Zusammenfassung
Für die chemische Industrie ist die Nutzung von CO2 als Kohlenstoffquelle eine Option, die zurzeit intensiv beforscht wird. Die entsprechenden Nutzungspfade setzen dabei die Verfügbarkeit von wirtschaftlich verwertbaren CO2-Quellen voraus. Schlüsselkriterien sind die Größe und Reinheit des Gasstroms sowie die Entfernung zum Verbraucher. Kap. 2 beschreibt mögliche CO2-Quellen und ihr Potenzial.
Dennis Krämer, Katy Armstrong

Kapitel 3. Konventionelle Verfahren zur Wasserstoffherstellung

Zusammenfassung
Wasserstoff ist ein notwendiger Rohstoff in der Erzeugung von Ammoniak, für Hydrocracking sowie für die Herstellung von Methanol und Pharmazeutika und wird auch von Lebensmittel- und Metallindustrien benötigt. Nach dem Stand der Technik ist die Herstellung von Wasserstoff von der Verwendung fossiler Ausgangsstoffe und Energieträger abhängig und damit mit einer erheblichen CO2-Emission verbunden. Kapitel 3 beschreibt die derzeit eingesetzten Verfahren und benennt nachhaltigere Alternativen .
Jose Antonio Medrano, Emma Palo, Fausto Gallucci

Kapitel 4. Alternative biologische und biotechnologische Verfahren zur Wasserstoffherstellung

Zusammenfassung
Kap. 3 hat gezeigt, dass die herkömmliche Herstellung von Wasserstoff mit einer bedeutenden CO2-Emission einhergeht. Kap. 4 diskutiert deshalb, welche biologischen Stoffwechselwege und biotechnologischen Verfahren zur Verfügung stehen, um Wasserstoff emissionsfrei zu produzieren. Es werden Substrate und Energiequellen, aus denen Bakterien, Mikroalgen und Biokatalysatoren Wasserstoff generieren, vorgestellt und die entsprechenden Verfahrensbedingungen bzw. limitierende und unterstützende Faktoren diskutiert.
Christina Marx, Thomas Happe

Kapitel 5. Herstellung von Synthesegas

Zusammenfassung
Unter Synthesegasen werden Gase verstanden, die im Wesentlichen CO und H2 enthalten. Sie werden als Ausgangsstoffe für großtechnische Synthesen eingesetzt. Nach dem Stand der Technik werden feste, flüssige und gasförmige fossile Rohstoffe vergast. Auch Biomasse kann als Ausgangsstoff dienen. Kap. 5 stellt die verschiedenen Rohstoffe und Vergasungstechnologien sowie die resultierenden Synthesegase mit ihrer Zusammensetzung und Nutzung vor.
Johannes Booz, Dominik Höhner, Stefan Burmester

Kapitel 6. Chemisch-katalytische Konversion

Zusammenfassung
Oxidiert man kohlenstoffhaltige Stoffe bis zum thermodynamischen Minimum der Energie, so erhält man Carbonat. In dieser Form ist auf der Erde bei Weitem der meiste Kohlenstoff in Gesteinen gespeichert. Das Gas CO2 dagegen ist noch erheblich reaktiv und kann daher sowohl zu organischen Carbonaten oder Carboxylaten oxidiert als auch zu Kohlenwasserstoffen reduziert werden. Eine zentrale Rolle spielt dabei das erste Reduktionsprodukt CO. Bereits früh wurde dies erkannt, und die Forschung begann sich lange vor einer „Energieforschung“ mit der stofflichen Nutzung von CO2 in der chemischen Industrie zu befassen.
Robert Schlögl

Kapitel 7. Biokatalytische Konversion

Zusammenfassung
Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid und Methan sind gasförmige Kohlenstoffquellen, die von einer Vielzahl von Mikroorganismen verwertet werden können. Kap. 7 stellt die entsprechenden Bakterien, Cyanobakterien und Mikroalgen sowie die von ihnen verwendeten Stoffwechselwege vor. Abschließend wird der Stand der industriellen Nutzung präsentiert.
Frank R. Bengelsdorf, Peter Dürre

Kapitel 8. Mikrobielle Verfahren zur Umsetzung von CO2 und CO

Zusammenfassung
Kohlenstoffdioxid (CO2) muss reduziert werden, um daraus Biomasse (Biokatalysatoren) und organische Moleküle herstellen zu können. Mikroorganismen verfügen über eine ganze Reihe von Möglichkeiten zur Bereitstellung von Elektronen zur CO2-Reduktion.
Dirk Weuster-Botz, Frank Kensy, Heleen De Wever, Linsey Garcia-Gonzalez

Kapitel 9. Herausforderungen bei der Produktaufarbeitung

Zusammenfassung
In chemischen und biotechnologischen Reaktionssystemen entstehen natürlicherweise nicht nur die gewünschten Zielprodukte, sondern in der Regel auch Nebenprodukte. Die Verfahrensschritte der Produktaufarbeitung haben die Aufgabe, das Zielprodukt vom Reaktionsmedium zu trennen und von Nebenprodukten zu reinigen. Die dafür eingesetzten Anlagen und Verfahren sind kosten- und energieintensiv und deshalb ein wichtiges Element in der Entwicklung der Wettbewerbsfähigkeit der Zielprodukte. Kap. 9 präsentiert die Produktaufarbeitung in chemischen und biotechnologischen Prozessen und geht beispielhaft auf die Aufarbeitung von Produkten auf Basis von C1-Rohstoffen ein.
Bettina Sayder, Kerstin Schwarze-Benning, Hans-Jürgen Körner, Ute Merrettig-Bruns

Kapitel 10. Möglichkeiten der Integration in bestehende industrielle Anlagen mit relevanten C1-Gasströmen

Zusammenfassung
Die Stahl- und die Zementindustrie sowie Kraftwerke und chemische Industrie emittieren große Volumen CO2 aus fossilen Kohlenstoffquellen, biotechnologische Verfahren setzen biobasiertes CO2 frei und auch die Tierzucht ist mit der Emission von Treibhausgasen verbunden. Das vorliegende Kapitel geht auf die Nutzung dieser Gasströme durch stoffliche Verwertung zu Chemieprodukten ein. Diskutiert werden auch das zukünftige Potential derartiger CO2 -Gasströme als industrieller Kohlenstoffquelle sowie weiterer Ansätze, die zur Reduktion der CO2-Emissionen führen sollen.
Görge Deerberg, Michael Hensmann, Marten Sprecher, Helmut Hoppe, Jens Hannes, Ute Merrettig-Bruns, Bettina Sayder, Kerstin Schwarze-Benning, Hans-Jürgen Körner

Kapitel 11. Möglichkeiten der Integration von Reststoffen in industrielle Anlagen mit relevanten C1-Gasströmen

Zusammenfassung
In Kapitel 11 werden die Rohstoffquellen beleuchtet, die sich durch Gasifizierung in nutzbare C1-Gase (Synthesegas, konzentrierte/reine CO2-Ströme, Methan) überführen lassen. Hierzu gehören landwirtschaftliche, Siedlungs- und Industrieabfälle. Geeignete Gasifizierungsmethoden werden vorgestellt, und das volumenmäßige Potenzial der entstehenden C1-Gasströme wird diskutiert.
Thomas Bayer, Michael Binder, Johannes Booz, Stefan Burmester

Kapitel 12. CO2 als Systemkomponente für Energiespeicher und Rohstoff für Basischemikalien

Zusammenfassung
Konzepte zur chemischen Umwandlung von CO2 haben das Ziel, chemische Energiespeicher zu entwickeln und Basischemikalien herzustellen, die sich in den Produktstammbaum der chemischen Industrie integrieren lassen. Ausgangspunkt zur Herstellung ist meistens Wasserstoff, der durch Elektrolyse aus regenerativem Strom hergestellt werden kann. Anschließend erfolgt eine Weiterverarbeitung des Wasserstoffs mit CO2 zu organischen Produkten. Je nachdem, ob diese Weiterverarbeitung zum Zwecke der Energiespeicherung geschieht oder der Herstellung von Chemikalien dient, kann die vergleichende Bewertung der jeweiligen Synthese unterschiedlich ausfallen. So ist im ersten Fall die Speicherung regenerativer Energie das Ziel der Reaktion von CO2 und Wasserstoff, während im zweiten Fall vermarktungsfähige Basischemikalien hergestellt werden sollen.
Thomas Marzi, Görge Deerberg

Kapitel 13. CO- und CO2-Nutzung und Nachhaltigkeit

Zusammenfassung
Die Nutzung von CO2 und Co ist nur sinnvoll, wenn dadurch die Nachhaltigkeit der Konversionsprozesse und der resultierenden Produkte gesteigert werden kann. Kap. 13 definiert zunächst den Begriff der Nachhaltigkeit, um sich dann auf die ökologischen Aspekte der Konversion von C1-Gasen zu Chemikalien und Energieträgern zu konzentrieren.
Michael Carus

Kapitel 14. Regionalentwicklung

Zusammenfassung
Ein Industrieland wie Deutschland benötigt Kohlenstoffquellen für Produkte des eigenen Bedarfs und für Exportprodukte. Dies sind heute vorwiegend fossile Kohlenstoffquellen, für die eine umfangreiche logistische Infrastruktur geschaffen wurde. In Deutschland ist insbesondere Nordrhein-Westfalen eine Region mit einer solch hochentwickelten Infrastruktur sowie leistungsfähigen Energie-, Chemie- und Stahlindustrien. Sie sind zugleich intensive CO2-Emittenten und bieten damit das Potenzial, CO2 zu rezyklieren. Kap. 14 diskutiert, welches Potenzial das Rezyklieren von CO2 aus industriellen Punktquellen gerade in Industrieregionen bietet, und stellt dies am konkreten Beispiel der Region Rheinland dar.
Dennis Herzberg, Manfred Kircher

Kapitel 15. Regulatorische Rahmenbedingungen für die stoffliche Nutzung von CO2

Zusammenfassung
Kap. 15 gibt einen Überblick über die wichtigsten politischen Instrumente, die einen Einfluss auf die CO2-Nutzung haben können. Dabei wird der aktuelle Stand dargestellt und zusammengefasst, welche Änderungen der politischen Rahmenbedingungen die Realisierung von CO2-Nutzungsprozessen beschleunigen können.
Jörg Rothermel, Dennis Krämer, Tilman Benzing, Tina Buchholz

Kapitel 16. Industriebeispiele und Anwendungsbereiche

Zusammenfassung
Die industrielle Verwendung von C1-Gasen hat einerseits Tradition (z. B. Fischer-Tropsch-Katalyse), andererseits werden neue Ansätze erprobt und befinden sich z. T. an der Schwelle zur Kommerzialisierung. Kap. 16 stellt beispielhaft Entwicklungs-, Pilot-, Demonstrations- und Produktionsverfahren unterschiedlicher Unternehmen vor, darunter VITO aus Belgien, BASF, b.fab und Covestro aus Deutschland, AlgaTechnologies aus Israel, AlgaeParc und Photanol aus den Niederlanden sowie Cellana, Cyanotech, Lanzatech und White Dog Labs aus den USA.
Thomas Schwarz, Christoph Gürtler, Torsten Müller, Christophe Mihalcea, Freya Burton, Robert Conrado, Sean Simpson, Biniam T. Maru, Pradeep C. Munasinghe, Shawn W. Jones, Bryan P. Tracy, Ronnie Machielsen, Ross Gordon, Deepak Pant, Metin Bulut, Heleen De Wever, Frank Kensy, Stefan Verseck, Christian Janke

Kapitel 17. Abschließende Bewertung und Zusammenfassung

Zusammenfassung
In den vorangehenden Kapiteln haben Autoren der akademischen und der angewandten Forschung, der Großindustrie, des Mittelstands und von Start-ups ihre Sicht auf das Nutzungspotenzial von C1-Gasen, insbesondere von CO2 und CO, aber auch von Methan dargestellt. Das abschließende Kap. 17 untersucht, wo sich die Autoren einig sind, wo unterschiedliche Meinungen deutlich werden und welches Gesamtbild zum ökonomischen Potenzial und zu den ökologischen und gesellschaftlichen Auswirkungen der C1-Verwertung sich daraus ableiten lässt.
Manfred Kircher

Backmatter

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