Kohlefasern aus Treibhausgas

Forschung

13.11.2018

Zusammen mit Forscherkollegen haben Chemiker der Technischen Universität München (TUM) einen Prozess entwickelt, der nach ersten Berechnungen eine wirtschaftliche Entfernung des Treibhausgases Kohlendioxid aus der Atmosphäre ermöglichen könnte. Der aktuellste Weltklimareport (IPCC Special Report on Global Warming of 1.5 °C) stuft das Verfahren als global relevant ein.

Die Armierung mit Kohlefasern verleiht der Steinplatte eine extrem hohe Festigkeit und ermöglicht damit völlig neue, effiziente Konstruktionen. (Bild: A. Battenberg / TUM)

Um die Erderwärmung wenigstens noch halbwegs eindämmen zu können, besteht akuter Handlungsbedarf. In diesem Zusammenhang weist der aktuelle Weltklimabericht auf eine Technologie von Chemikern der TU München hin, die als Möglichkeit einer Netto-Kohlenstoffsenke das Problem der Aufheizung der Atmosphäre quasi an der Wurzel packt.

Algen verwandeln dabei Kohlendioxid aus der Atmosphäre, aus Kraftwerken oder Abgasen der Stahlindustrie in Algenöl. In einem zweiten Schritt werden daraus wertvolle Carbonfasern erzeugt – und das auch noch wirtschaftlich, wie erste Analysen zeigen.

Ein klimaneutrales Verfahren

Wichtige technologische Grundlagen legten Professor Thomas Brück und sein Team am Algentechnikum der TU München. Die dort untersuchten Algen erzeugen nicht nur Biosprit, sondern aus ihnen lassen sich auch sehr effizient Polyacrylnitrilfasern (PAN) herstellen. Die Energie von Parabol-Sonnenspiegeln verkohlt anschließend die PAN-Fasern CO₂-neutral zu Carbonfasern.

Mit Carbonfasern lassen sich leichte und hochfeste Werkstoffe herstellen. Am Ende des Lebenszyklus der Carbonfasern könnte man diese in leere Kohleflöze einlagern und entzöge damit die entsprechenden Kohlendioxid-Äquivalente dauerhaft der Atmosphäre.

Ein klimafreundliches Wirtschaftsmodell

Brücks Kollegen Prof. Dr.-Ing. Uwe Arnold und Dipl.-Ing. Kolja Kuse prüften auch die wirtschaftliche Seite, die technischen Anwendungsmöglichkeiten und die Umweltbilanz des gesamten Prozesses. „Das ist ein neues, klimafreundliches Wirtschaftsmodell, bei dem wir gängige Verfahren sinnvoll mit Innovationen kombinieren“, sagt Arnold.

„Stellt man aus Kohlendioxid Kunststoffe her, so ist es über die Müllverbrennungsanlage nach wenigen Jahren Nutzung schnell wieder in der Atmosphäre“, sagt Kolja Kuse. „Mit der sicheren Einlagerung am Ende entziehen wir der Atmosphäre das Kohlendioxid auf Jahrtausende. Damit sind wir auch der Abtrennung und Speicherung von CO₂ in der Erde (Carbon Capture and Storage, CCS) eindeutig überlegen.“

Die Kohlefasern aus Algen unterscheiden sich nicht von herkömmlichen Fasern und können daher in allen bereits bestehenden Prozessen eingesetzt werden. Ein weiteres wichtiges Einsatzfeld ist die Bauindustrie, die für einen erheblichen Teil des weltweiten Kohlendioxidausstoßes verantwortlich ist.

In Baustoffen können Kohlefasern Baustahl ersetzen. Dank ihrer Festigkeit sparen sie Zement, und aus mit Kohlefasern verstärktem Granit lassen sich sogar Träger herstellen, die bei gleicher Tragfähigkeit wie Stahl so leicht wie Aluminium sind.

Algenfarmen von der Größe Algeriens

Brück will nun die Algentechnologie weiterentwickeln. Großanlagen seien in Südeuropa und Nordafrika denkbar. „Das System ist leicht auf große Flächen skalierbar“, sagt Brück. „Weltweit ließen sich Anlagen von in Summe der Größe Algeriens bauen und so beispielsweise die CO₂-Emissionen der Luftfahrt ausgleichen.“

Vorwürfe, man würde wie beim Biogas mit landwirtschaftlichen Flächen konkurrieren, weist Brück zurück. „Die Salzwasser-Algen gedeihen idealerweise in sonnenreichen Gegenden. Beispielsweise in Nordafrika gibt es genügend Flächen, auf denen Landwirtschaft nicht sinnvoll ist.“

Publikationen:

Carbon Capture and Sustainable Utilization by Algal Polyacrylonitrile Fiber Production: Process Design, Techno-Economic Analysis, and Climate Related Aspects. Uwe Arnold, Thomas Brück, Andreas De Palmenaer und Kolja Kuse, Industrial & Engineering Chemistry Research 2018 57 (23), 7922-7933, DOI: 10.1021/acs.iecr.7b04828

Energy-Efficient Carbon Fiber Production with Concentrated Solar Power: Process Design and Techno-economic Analysis. Uwe Arnold, Andreas De Palmenaer, Thomas Brück und Kolja Kuse. Industrial & Engineering Chemistry Research 2018 57 (23), 7934-7945, DOI: 10.1021/acs.iecr.7b04841

Zitiert in “IPCC Special Report on Global Warming of 1.5°C”, Chapter 4: Strengthening and implementing the global response; http://report.ipcc.ch/sr15/pdf/sr15_chapter4.pdf

Weitere Informationen:

Die Forschungsarbeiten wurden gefördert von der Werner Siemens Stiftung und dem European Business Council for Sustainable Energy e.V.. Beteiligt waren neben dem Werner Siemens Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie der Technischen Universität München die AHP GmbH & Co. KG (Berlin), die TechnoCarbonTechnologies GbR (München) und das Institut für Textiltechnologie der RWTH Aachen.