Kraftstoffe aus der Klimaanlage

Kli­ma- und Lüf­tungsan­la­gen, die aus Kohlen­diox­id (CO2) und Wass­er aus der Umge­bungsluft syn­thetis­che Kraft­stoffe her­stellen – ein Ver­fahren, das dies möglich machen soll, haben nun Forsch­er des Karl­sruher Insti­tuts für Tech­nolo­gie (KIT) und der Uni­ver­si­ty of Toron­to vorgeschla­gen. Dabei sollen kom­pak­te Anla­gen direkt in Gebäu­den CO2 aus der Umge­bungsluft abtren­nen und syn­thetis­che Kohlen­wasser­stoffe her­stellen, die sich dann als erneuer­bares syn­thetis­ches Öl nutzen lassen. Dieses „crowd oil“-Konzept stellt das Team nun in Nature Com­mu­ni­ca­tions vor.

Um katas­trophale Auswirkun­gen des glob­alen Kli­mawan­dels zu ver­hin­dern, müssen die vom Men­schen verur­sacht­en Treib­haus­gase­mis­sio­nen in den kom­menden drei Jahrzehn­ten auf „null“ gesenkt 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 Treib­hause­mis­sio­nen ver­mei­den“, sagt Pro­fes­sor 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 Pro­fes­sor Geof­frey Ozin von der Uni­ver­si­ty of Toron­to (UoT) in Kana­da 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.

In ein­er gemein­samen Veröf­fentlichung in der Fachzeitschrift Nature Com­mu­ni­ca­tions zeigen die Wis­senschaftler um Roland Dittmey­er vom KIT und Geof­frey Ozin von der UoT 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 30 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 50 bis 60 Prozent. Darüber hin­aus erwarten sie eine Kohlen­stof­f­ef­fizienz – also den Anteil der aufgewen­de­ten Kohlen­stoffatome, die sich im pro­duzierten Kraft­stoff wiederfind­en – von etwa 90 bis annäh­ernd 100 Prozent. Um diese Sim­u­la­tion­sergeb­nisse bestäti­gen zu kön­nen, bauen die Forsch­er des IMVT 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.