Sprit aus der Klimaanlage

Um katastrophale Auswirkungen des globalen Klimawandels zu verhindern, müssen die vom Menschen verursachten Treibhausgas­emissionen in den kommenden drei Jahrzehnten komplett vermieden werden. Das geht aus dem aktuellen Sonderbericht des Inter­governmental Panel on Climate Change (IPCC) deutlich hervor. Die notwendige Transformation stellt die Weltgemeinschaft vor gewaltige Heraus­forderung: Ganze Sektoren wie die Stromerzeugung, die Mobilität oder die Gebäudebe­wirtschaftung müssen umgestaltet werden. In einem zukünftigen klimafreundlichen Energiesystem könnten synthetische Energieträger einen wesent­lichen Baustein darstellen: „Wenn wir den erneuerbaren Wind- und Solarstrom sowie Kohlenstoff­dioxid direkt aus der Umgebungsluft nutzen, um Kraftstoffe herzustellen, dann können wir große Mengen an Treibhausgas­emissionen vermeiden“, sagt Roland Dittmeyer vom Institut für Mikroverfahrens­technik (IMVT) des KIT.

Wegen der geringen CO₂-Konzentration in der Umgebungsluft – der Anteil liegt heute bei 0,038 Prozent – müssen aber große Mengen Luft in großen Filter­anlagen behandelt werden, um signi­fikante Mengen synthetischer Energie­trägern herzustellen. Ein Forscherteam rund um Dittmeyer und Geoffrey Ozin von der University of Toronto schlägt nun vor, die Herstellung synthetischer Energieträger zukünftig dezentral zu organisieren – und mit bestehenden Lüftungs- und Klimaanlagen in Gebäuden zu koppeln. Die notwendigen Technologien seien dafür im Wesent­lichen vorhanden und durch die thermische und stoffliche Integration der einzelnen Prozessstufen ließe sich eine hohe Kohlenstoff­ausnutzung und eine hohe Energie­effizienz erreichen, so Dittmeyer: „Wir wollen die Synergien zwischen der Lüftungs- und Klimatechnik auf der einen und der Energie- und Wärmetechnik auf der anderen Seite nutzen, um Kosten und Energie­verluste bei der Synthese zu senken. Darüber hinaus könnten durch „crowd oil“ viele neue Akteure für die Energiewende mobi­lisiert werden. Wie gut das funktionieren kann, haben wir bei den privaten Photovoltaikanlagen gesehen.“

Für die Umwandlung des CO₂ würden allerdings große Mengen an elektrischem Strom zur Herstellung von Wasserstoff beziehungsweise Synthesegas benötigt. Dieser Strom müsse CO₂-frei sein, das heißt er darf nicht aus fossilen Quellen stammen. Ein forcierter Ausbau der erneuer­baren Strom­erzeugung, unter anderem auch durch gebäude­integrierte Photovoltaik, sei daher notwendig, so Dittmeyer. Die Forscher zeigen nun anhand quantitativer Betrachtungen am Beispiel von Bürogebäuden, Supermärkten und Energiespar­häusern das CO₂-Einsparungs­potenzial ihrer Vision von dezentralen, an Gebäude­infrastruktur gekoppelten Konversions­anlagen. Sie schätzen, dass ein signifikanter Anteil der in Deutschland für Mobilität eingesetzten fossilen Energieträger durch „crowd oil“ ersetzt werden könnte. Nach den Berechnungen des Teams würde beispielsweise allein die Menge CO₂, die potenziell in den Lüftungs­anlagen der rund 25.000 Supermärkte der drei größten Lebens­mittelhändler Deutschlands abgeschieden werden könnte, ausreichen, um etwa dreißig Prozent des Kerosinbedarfs oder rund acht Prozent des Dieselbedarfs in Deutschland zu decken. Zudem wäre eine Verwendung der erzeugten Energieträger in der chemischen Industrie als universelle Synthese­bausteine möglich.

Das Team kann dabei auf Vorunter­suchungen der einzelnen Prozess­schritte und Prozess­simulationen, unter anderem aus dem Kopernikus-Projekt P2X des Bundesministeriums für Bildung und Forschung zurückgreifen. Auf dieser Grundlage rechnen die Wissenschaftler mit einer Energieeffizienz – das heißt hier, dem Anteil der aufgewendeten elektrischen Energie, der in chemische Energie umgewandelt werden kann – von etwa fünfzig bis sechzig Prozent. Darüber hinaus erwarten sie eine Kohlenstoff­effizienz – also den Anteil der aufgewendeten Kohlenstoffatome, die sich im produzierten Kraftstoff wiederfinden – von etwa neunzig bis annähernd einhundert Prozent. Um diese Simulations­ergebnisse bestätigen zu können, bauen die Forscher zusammen mit Projektpartnern derzeit am KIT den voll integrierten Prozess auf, mit einem geplanten CO₂-Umsatz von 1,25 Kilogramm pro Stunde.

Gleichzeitig arbeiten die Wissenschaftler aber auch heraus, dass das vorgeschlagene Konzept – selbst bei flächen­deckender Einführung – nicht in der Lage wäre, den heutigen Bedarf an Rohölprodukten vollständig zu decken. Das Reduzieren des Bedarfs an flüssigen Kraftstoffen bleibe eine Notwendigkeit, beispielweise durch neue Mobilitäts­konzepte und den Ausbau des öffentlichen Nahverkehrs. Obwohl die Bausteine der vorge­schlagenen Technologie wie die Anlagen zur CO₂-Abtrennung und zur Synthese von Energieträgern teilweise schon heute kommerziell erhältlich sind, so die Forscher, bedürfe es außerdem noch großer Forschungs- und Entwicklungs­anstrengungen sowie einer Anpassung der rechtlichen und gesellschaftlichen Rahmen­bedingungen, um diese Vision in die Praxis umzusetzen.

KIT / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Dittmeyer et al.: Crowd oil not crude oil, Nat. Commun. 10, 1818 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-09685-x
• Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT), Karlsruhe Institut für Technologie KIT, Eggenstein-Leopoldshafen