Forscher der Universität Aarhus (AU) haben eine neue Technologie entwickelt, die mithilfe von Mikroorganismen das CO2 im Rauchgas direkt für neue Zwecke umwandelt – beispielsweise Kraftstoffe oder Stoffe für die chemische Industrie.
Die Technologie kann CO2 als Rohstoff nutzen, im Gegensatz zur herkömmlichen Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS), bei der Kohlenstoff aus Rauchgasen abgeschieden und in Feststoffe umgewandelt wird, die dann beispielsweise unter der Erde gespeichert werden können. Die Forschung wurde kürzlich durchgeführt veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.
„In einer Netto-Null-Zukunft müssen wir Technologien einsetzen, die das CO2, das wir einfangen, recyceln, anstatt weiterhin mehr aus dem Boden zu extrahieren“, sagt Amalie Kirstine Hessellund Nielsen, Ph.D. Student am Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen und einer der Hauptautoren der Forschung.
Hyperspezialisierter Prozess
Weltweit trägt CO2 aus Rauchgasen am meisten zu höheren Konzentrationen von Treibhausgasen in der Atmosphäre bei. Es handelt sich zudem um eine der am problematischsten zu beseitigenden Punktquellen, da das CO2 in Rauchgasen beispielsweise aus Industrieschornsteinen mit anderen Gasen vermischt ist und daher nur schwer ohne große Zusatzkosten entfernt werden kann.
Diese neue Technologie basiert auf der Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (Carbon Capture and Utilization, CCU), bei der die sogenannte Aminwäsche CO2 aus Rauchgasen mithilfe von Chemikalien entfernt, die das CO2 binden. Bei der konventionellen Kohlenstoffabscheidung wird der Kohlenstoff bei hohen Temperaturen in einem geschlossenen Kreislauf von den Chemikalien getrennt. Das konzentrierte CO2 kann dann in anderen anspruchsvollen Prozessen weiter veredelt werden.
Die von den AU-Forschern vorgeschlagene alternative Technologie ist eine neue Form der biointegrierten Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (BICCU), bei der Kohlenstoff direkt im Kreislauf wiederverwendet wird und viele der herkömmlichen Zwischenprozesse vermieden werden. Die Forscher der AU verwenden Mikroorganismen, die CO2 direkt in der Abscheideeinheit aus den Rauchgasen entfernen und umwandeln, ohne dass große Hitze angewendet werden muss.
„Mikroorganismen sind auf den Prozess der Absorption und Umwandlung von CO2 hochspezialisiert und haben diesen Prozess über Milliarden von Jahren verfeinert. Wir machen uns dies in unseren Bioreaktoren zunutze. Anstelle von Wärme verwenden wir also Mikroorganismen, die CO2 aus anderen Chemikalien extrahieren können, was uns ermöglicht.“ um Geld bei unseren Heizkosten zu sparen“, sagt Mads Ujarak Sieborg, Postdoktorand am Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen und Hauptautor der neuen Forschung.
Die Mikroorganismen nehmen den Kohlenstoff durch ihren Stoffwechsel auf und wandeln ihn in andere Produkte um, beispielsweise Methan, das direkt in der Industrie wiederverwendet werden kann.
„Was aus den Mikroorganismen entsteht, ist grünes Erdgas oder Essigsäure oder andere chemische Bausteine, die die Industrie nutzen kann, anstatt dem Boden Kohlenstoff zu entziehen“, fährt Ujarak Sieborg fort.
Anreiz zur Kohlenstoffabscheidung
Bisher ist die CO2-Abscheidung noch eine neue Technologie, die nicht von vielen Branchen angenommen wird. Aufgrund des hohen CO2-Anteils in den Abgasen – bis zu 50 % – haben Biogasanlagen damit begonnen, CO2 aus ihrer Produktion abzuscheiden. Im gewöhnlichen Schornsteinrauch aus der Industrie ist der CO2-Anteil jedoch viel geringer, nämlich etwa 5–10 %.
Die Umsetzung der Kohlenstoffabscheidung ist so begrenzt, weil der Erhitzungsprozess zur Trennung des Kohlenstoffs von den Chemikalien sehr teuer ist. Die Energiekosten machen etwa 30 % der gesamten Energie aus, die das Kraftwerk produziert.
Daher hoffen die Forscher, dass durch den mikrobiologischen Ansatz ein größerer Anreiz zur CO2-Abscheidung geschaffen werden kann, weil die Kosten deutlich geringer sind und weil das CO2 gleichzeitig mit der Abscheidung in neue Produkte umgewandelt wird:
„Der biologische Prozess läuft bei viel niedrigeren Temperaturen ab, und unsere Mikroben sind resistent gegen die anderen Gase in den Rauchgasen. Aber Mikroorganismen brauchen für ihren Prozess Wasserstoff, den wir durch Elektrolyse gewinnen. Wasserstoff ist heute der limitierende Faktor im System.“ Es bleiben noch einige Herausforderungen, bis wir eine fertige Technologie haben, aber es gibt auch Lösungen für die Probleme. „Wir müssen bereits eine Vielzahl verschiedener Reaktoren testen – es geht in erster Linie darum, das System richtig zusammenzustellen“, sagt Hessellund Nielsen.
Sie fährt fort: „CCU ist ein kleines, aber notwendiges Element, um die Ziele eines grünen Übergangs der Industrie und Netto-Null zu erreichen, so dass der Ausstoß von Treibhausgasen und der Abbau dieser Gase im Gleichgewicht sind. Allerdings kann die Technologie erneuerbare Energiequellen nicht ersetzen.“ , die nach wie vor das wichtigste Instrument im grünen Wandel sind.“
Weitere Informationen:
Mads Ujarak Sieborg et al., Biointegrierte Kohlenstoffabscheidung und -nutzung: an der Schnittstelle zwischen Abscheidungschemie und archaischer CO2-Reduktion, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51700-3