Kraftstoff aus Kohlendioxid

Stanford-Chemiker haben ein Verfahren entwickelt, mit wenig Energieaufwand und einem speziellen Kupferkatalysator Ethanol herzustellen. Damit ließe sich die Produktion dezentralisieren.

Millionen Autos in aller Welt fahren heute mit Ethanol. Doch die vermeintlich umweltfreundliche Benzin-Alternative ist längst in Verruf geraten: Der Anbau von Mais und Zuckerrohr, aus denen Ethanol gewonnen wird, belegt enorme Ackerflächen und benötigt sehr viel Wasser und Dünger. Forscher der Stanford University haben nun ein elektrochemisches Verfahren vorgestellt, das eine günstigere und umweltschonendere Alternative sein könnte: Sie wandeln Kohlenmonoxid und Wasser in den Kraftstoff um.

Mit Hilfe eines Kupfer-basierten Katalysators konnten sie das Abgas mit deutlich weniger Energieeinsatz herstellen als zuvor in anderen Verfahren. „Die Aktivität des Kohlenmonoxids übertrifft das, was bisher möglich war. Das ist ein großer Schritt hin zu einem praktikablen System, um Kohlenmonoxid in Ethanol umzuwandeln“, sagt Clifford Kubiak, Chemiker an der University of California in San Diego.

Noch ist das Verfahren in einem frühen experimentellen Stadium. Es könne aber mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben werden, betonen die Forscher, und sei eine Alternative zum herkömmlichen Biosprit aus Mais- oder Zuckerrohr-Ethanol.

Um den herzustellen, sind große Energiemengen nötig. Die Biomasse muss vorbehandelt und der in ihr enthaltene Zucker vergoren werden. Die Arbeit der Stanford-Forscher zeigt nun, dass das Produkt auch aus Abgasen und Wasser hergestellt werden kann. „Das Endprodukt ist dasselbe“, sagt der Stanford-Chemiker Matthew Kanan. „Im Prinzip könnte es viel effizienter sein, weil man keine Biomasse mehr braucht.“

Im ersten Schritt wird Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umgewandelt. Hierzu stehen verschiedene, auch neue energieeffiziente Verfahren zur Verfügung. Das Kohlenmonoxid wird dann elektrochemisch und in Anwesenheit von Wasser mit Hilfe des Katalysators in Ethanol umgewandelt.

Bislang klappte diese Umwandlung nur unter hohen Drücken in sehr großen Reaktoren. Mit einer elektrisch ausgelösten Reaktion seien nun auch viel kleinere Produktionsanlagen möglich, sagt Joel Rosenthal von der University of Delaware. Damit ließe sich die Ethanolherstellung auf viele Anlagen verteilen und dezentralisieren.

Denkbar wäre, mit einer Solaranlage auf dem Dach Ethanol in einem Tank von der Größe eines Boilers zu produzieren. „Der Vorteil von chemischen und besonders von flüssigen Kraftstoffen ist, dass sie eine viel höhere Energiedichte haben als die derzeit üblichen Batterien“, sagt Rosenthal. So passe mehr Energie in ein kleineres Raumvolumen. Ib Chorkendorff, von Katalysator-Experte von Technischen Universität von Dänemark (DTU) hält die Arbeit für „einen wichtigen Schritt, Elektrizität auf effiziente Weise als chemische Energie zu speichern.“

Kernstück des Stanford-Verfahrens ist der Katalysator. Mit Kupferkatalysatoren werden zwar schon lange Kohlenwasserstoffe hergestellt. Aber sie bringen immer mehrere Verbindungen gleichzeitig hervor, und der Energieeinsatz ist hoch.

Die Stanford-Gruppe hat einen Weg gefunden, die molekulare Struktur des Metalls zu ändern. Das Kupfer wird zunächst an der Luft erhitzt, so dass sich eine Kupferoxid-Schicht an der Oberfläche bildet. Diese Schicht wird dann chemisch wieder in reines Kupfer zurückverwandelt. Dabei verändert sich die Oberfläche des Metalls so, dass sie eine größere aktive Fläche bekommt, die als Katalysator dienen kann.

Ob das Verfahren kommerziell anwendbar ist, muss sich noch zeigen. Sollte es wirtschaftlich sein, könnte es einen wichtigen Anreiz setzen, das Treibhausgas Kohlendioxid aus der Atmosphäre herauszuziehen. (nbo)