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15.10.2018 | Verfahrenstechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Vom Schadstoff zum Werkstoff

Autor:
Dieter Beste
6 Min. Lesedauer

Der Hersteller Covestro beteiligt sich intensiv an der Entwicklung von Katalysatoren für die Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoff in der Produktion und hat jetzt ein erstes thermoplastisches Polyurethan im Angebot, das Polyethercarbonatpolyole auf CO2-Basis enthält.


Die Freisetzung von Kohlendioxid und die Auswirkungen auf Atmosphäre und Klima beherrschen die Schlagzeilen. Dass CO2 auch ein vielseitiger Rohstoff und damit Wertstoff ist, findet in öffentlichen Debatten kaum Beachtung. Zur Wahrheit gehört, dass Kohlendioxid in vielen Bereichen der chemischen Industrie, der Nahrungsmittel- oder der Pharmaindustrie eingesetzt wird, beispielsweise als Lösemittel in Extraktions- und Reinigungsprozessen, als Kältemittel, als Prozesshilfsmittel in Konfektionierungsprozessen – und neuerdings auch als Rohstoff für chemische Synthesen.

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Um wertvolles CO2 einzufangen, satt es in die Atmosphäre entweichen zu lassen, erscheint Carbon Capture and Storage (CCS) als ein Weg, die durch die Energiewirtschaft verursachten Emissionen des Treibhausgases einzudämmen und Kohlendioxid systematisch als Rohstoff zu nutzen. Die zahlreichen technischen Möglichkeiten der CO2-Abtrennung und seiner physikalischen, chemischen und biologischen Nutzung beschreiben die Springer Autoren Daniela Kruse, Katina Kiep und Benjamin Schäffner in "CO2: Abtrennung, Speicherung, Nutzung" ab Seite 511.

Wenngleich die chemische Industrie bereits in beschränktem Maße CO2 als kohlenstoffhaltigen Rohstoff verwendet, indem sie insbesondere die sehr reinen Emissionen aus der Ammoniak- bzw. Synthesegaserzeugung abscheidet und stofflich weiterverwendet, dürfe man jedoch nach Auffassung des Verbands der Chemischen Industrie (VCI) nicht die Hürden der Kohlendioxidverwendung übersehen: "Grundproblem der Verwendung von CO2 als Rohstoff ist, dass CO2 eine energetische Senke des Kohlenstoffs darstellt und jegliche chemische Verwendung mit einem erheblichen Energieaufwand verbunden ist" (ebenda, Seite 779). Dieser könne jedoch mithilfe chemischer und biotechnologischer Katalyse grundsätzlich verringert werden, so Springer-Autor Jörg Rothermel, Leiter der VCI-Abteilung Energie-, Klimaschutz- und Rohstoffpolitik, im Juni 2012.

Katalysator für die Kohlendioxidreduktion

Die Idee, Kohlendioxid als Rohstoff für die Werkstoffentwicklung zu nutzen, ist nicht neu. Allein der über Jahrzehnte hinweg erfolglose Versuch, einen Katalysator zur finden, der dem Kohlendioxid seine Reaktionsträgheit nimmt, stand dem bislang im Weg. Zahlreiche Ansätze wurden und werden in Industrie und Wissenschaft verfolgt. So berichtete Ende 2017 der Chemiker Peter Strasser aus dem Fachgebiet Elektrochemische Katalyse und Materialien der TU Berlin, wie sich seine Forschergruppe von der Biokatalyse zu einem Katalysator für die Kohlendioxidreduktion inspirieren ließ. 

"Das im Produktionsprozess benötigte Kohlenmonoxid wird bislang aus Methan, einem fossilen Brennstoff, gewonnen", so Strasser, "ein Prozess, bei dem nicht nur fossile Brennstoffe verbraucht werden, sondern bei dem zusätzlich auch noch Kohlendioxid entsteht. Die Frage war, ob man das Kohlenmonoxid unbedingt aus Methan gewinnen muss oder ob es nicht auch eine Möglichkeit gibt, es effektiv aus CO2 zu gewinnen? Die Antwort darauf ist: Ja, elektrochemisch geht das und dieser Prozess wird zurzeit intensiv untersucht, unter anderem auch von Industriepartnern wie der Firma Covestro. Das Problem: Der beste bislang bekannte Katalysator für diese Elektrolyse ist immer noch relativ unspezifisch und benötigt zusätzlich noch Gold oder Silber in seinem reaktiven Zentrum – ist also relativ kostenintensiv."

Biologie inspiriert

In einem im Rahmen von Horizon2020 geförderten Gemeinschaftsprojekt der Technischen Universität Dresden, der Ruhr Universität Bochum, der Universität Kopenhagen und der TU Berlin als Konsortiumsführer ließ sich die Arbeitsgruppe um Peter Strasser bei der Katalysatorentwicklung von der Biologie inspirieren – sie suchten nach einem aktiven Zentrum, das sich an das aktive Zentrum des Hämoglobins, dem Porphyrin, anlehnt. Das enthält vier Stickstoff-Atome und in der Mitte ein Metall-Atom. Die entscheidende Rolle spielt dabei das zentrale Metall. Es bindet das CO2-Molekül und macht daraus über verschiedene Zwischenstufen Kohlenmonoxid. 

"Wir haben unter anderem Nickel und Eisen als zentrales Atom in dem Katalysator untersucht. Nickel zum Beispiel ist ein besonders interessantes Derivat, da es das Kohlenmonoxid nur schwach bindet und es relativ leicht wieder als Gas entlässt. Enthält das aktive Zentrum dagegen Eisen, liegt die Produktion von Kohlenmonoxid anfangs zwar höher als beim Nickel, allerdings wird das Kohlenmonoxid deutlich stärker gebunden. Als eine Folge davon wird der Katalysator auch deutlich schneller blockiert. Im Vergleich von den verschiedenen Katalysator-Derivaten konnten wir belegen, dass zumindest im Labormaßstab ein zu 99 Prozent kohlenstoffbasierter Katalysator mit Nickel in seinem aktiven Zentrum effektiver und selektiver Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid herstellt, als die bekannten Gold- und Silber-Katalysatoren", fasst Peter Strasser die Versuchsergebnisse zusammen. Die Katalysatoren, bislang im Labormaßstab untersucht, werden nun im Grammbereich hergestellt und bei dem Industriepartner Covestro getestet.

Erfolgreiche Katalysatorentwicklung

Covestro, einer der weltweit größten Polymer-Hersteller, engagiert sich in vielfältiger Weise für die Nutzung von Kohlendioxid als Baustein für Kunststoffe und arbeitet dabei mit anderen Unternehmen sowie zahlreichen Forschungseinrichtungen und Universitäten zusammen. Beispielsweise im europaweiten Forschungsprojekt Carbon4PUR; das Konsortium umfasst 14 Partnern aus sieben Ländern. Ziel dieses von der EU geförderten Projekts ist es herauszufinden, wie Hüttengase aus der Stahlindustrie besonders effizient und nachhaltig zur Produktion von Kunststoffen verwendet werden können. Darin eingebunden ist das Katalyse-Forschungszentrum CAT in Aachen, eine Einrichtung, die gemeinsam von der RWTH Aachen und Covestro betreiben wird zu dem Zweck, einen zuvor in dem Projekt "Dream Reactions" gefunden Katalysator für die Industrieproduktion fit zu machen und weiterzuentwickeln.

Inzwischen zeigt sich, dass das Engagement Früchte trägt. So eröffnete Covestro vor zwei Jahren am Standort Dormagen eine Produktionsanlage für Polyol, einem Vorprodukt für Polyurethan (PU)-Weichschaum, der etwa in Polstermöbeln und Matratzen Verwendung findet. Dem Unternehmen gelingt es hier, im Polyol bis zu 20 Prozent CO2 chemisch zu binden – und eine entsprechend große Menge an Erdöl einzusparen. Und vor wenigen Tagen nun eine weitere Erfolgsmeldung: Covestro bietet den ersten Vertreter einer neuen Reihe von thermoplastischen Polyurethanen (TPU) an, die Polyethercarbonatpolyole auf Basis der CO2-Technologie enthalten. 

TPU mit exzellenten mechanischen Eigenschaften

Das neue Produkt (Desmopan® 37385A) hat nach Unternehmensangaben eine Härte von 85 Shore A. Seine mechanischen Eigenschaften sollen mindestens auf dem Niveau von konventionellen TPU-Typen ähnlicher Härte liegen oder diese sogar übertreffen. Beispielsweise habe es eine Zugfestigkeit von 36 Megapascal. Die Reißdehnung erreiche 660 Prozent (DIN 53504). Der Kunststoff ist für die Extrusion ausgelegt, eignet sich aber auch für das Spritzgießen. "Das Einsatzspektrum deckt typische Anwendungen von konventionellen TPU-Typen mit vergleichbarer Härte ab und reicht von Sohlen und Komponenten des Oberschuhs über Sportbekleidung, Griffe und Knäufe bis hin zu Verpackungen für empfindliche Elektronik", sagt Georg Fuchte, TPU-Experte bei Covestro. Die neue TPU-Reihe soll um Varianten unterschiedlicher Härte erweitert werden. Zudem kündigt das Unternehmen an, weiterhin eng mit Unternehmen und Forschungseinrichtungen zu kooperieren, um die nun vorhandene CO2-Technologie auch als Syntheseplattform für andere großchemisch eingesetzte Rohstoffe zu nutzen. Zum Beispiel werde an neuen CO2-basierten Polyolen für Polyurethan-Hartschäume gearbeitet, die etwa in der Wärmedämmung von Gebäuden, im Automobil und in Sportartikeln Verwendung finden könnten.



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