Carbon Black Forscher machen CO₂ zu hochreinem Kohlenstoff

Forscher des KIT filtern in einer weltweit einzigartigen Versuchsanlage CO₂ aus der Luft und wandeln es in hochreines Kohlenstoffpulver, sogenanntem Carbon Black, um.

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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

CO₂ aus der Luft filtern und in einen industriell nutzbaren Rohstoff umwandeln - daran forscht derzeit das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Projekt „Necoc“ – „Negative Carbon dioxide to Carbon“. Eine weltweit einzigartige Versuchsanlage im Containermaßstab produziert aus dem in der Umgebungsluft enthaltenen CO₂ das hochreine Kohlenstoff-pulver „Carbon Black“, welches industriell als Rohstoff genutzt werden soll.

Um die Ziele des Pariser Klimaabkommens von 2015 umzusetzen, muss nicht nur der CO₂-Ausstoß reduziert werden, sondern auch bereits emittiertes CO₂ aus der Atmosphäre wieder entfernt werden.

Prof. Thomas Wetzel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik (TVT) am KIT erklärt: „Der in unserem Projekt verfolgte Ansatz ist es, CO2 aus der Atmosphäre abzutrennen und in Carbon Black umzuwandeln, einen pulverförmigen, hochreinen Kohlenstoff.“ Aus einem schädlichen Treibhausgas werde so ein Rohstoff für Hightech-Anwendungen. Carbon Black kann etwa in der Elektronik-, Druck-, oder Bauindustrie eingesetzt werden.

Aus CO₂ wird Methan und Wasser

Im Forschungsprojekt Necoc soll nun eine entsprechende Versuchsanlage entstehen, in der die folgenden Prozessschritte miteinander kombiniert werden: Mithilfe eines Adsorbers wird CO₂ dabei zunächst aus der Umgebungsluft gefiltert (Direct-Air-Capture-Verfahren, DAC). Anschließend wird es zusammen mit erneuerbarem Wasserstoff in einem mikrostrukturierten Reaktor in Methan und Wasser umgewandelt.

Das erzeugte Methan dient als Kohlenstoffträger für den weiteren Prozess und wird in einen mit flüssigem Zinn befüllten Blasenreaktor geleitet. In den aufsteigenden Methanblasen kommt es zur Pyrolysereaktion, bei der Methan in seine Bestandteile zerfällt. Dies sind zum einen Wasserstoff, der direkt in die Methanisierung zurückgeführt wird, sowie fester Kohlenstoff in Form von mikrogranularem Pulver, dem Carbon Black.

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Nachhaltige CO₂-Reduzierung

Alle Prozessschritte wurden von den beteiligten Forscherinnen und Forschern bereits bis zum Labormaßstab entwickelt und untersucht. „Wir kennen die einzelnen Bausteine gut“, sagt NECOC-Projektkoordinator Dr. Benjamin Dietrich (TVT). „Allerdings wurden sie noch nie im Verbund in einer integrierten Anlage realisiert, das ist eine Weltpremiere.“ Die geschickte Integration der Prozessbausteine und die richtige Prozessführung seien entscheidend für die Energieeffizienz des Verfahrens und die Qualität des Produkts Carbon Black.

Der entscheidende Vorteil gegenüber den bisher vorgeschlagenen Konzepten zur Reduzierung von atmosphärischem CO₂ – etwa Carbon-Capture-and-Storage-Methoden (CCS), bei denen die Speicherung von CO₂ in tiefen Gesteinsschichten vorgesehen ist – liege dabei vor allem in diesem Endprodukt: „Fester Kohlenstoff ist viel weniger komplex in der Handhabung als CO₂ und sogar als Rohstoff nützlich. Bislang wurde Carbon Black im Übrigen hauptsächlich aus fossilem Erdöl hergestellt. Insofern ist das Verfahren in mehrfacher Hinsicht ein technologischer Ansatz für eine nachhaltige Zukunft: Es kombiniert den direkten Beitrag zur Lösung des Klimaproblems mit einem Baustein einer postfossilen Rohstoffversorgung“, so Dietrich.

Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen

Die Versuchsanlage wird auf dem Gelände des KIT errichtet. Ziel ist es, den Betrieb über einen längeren Zeitraum zu demonstrieren. In zukünftigen Ausbaustufen wird dann sowohl die Leistungsfähigkeit pro Container gesteigert als auch der parallele Betrieb vieler Anlagen möglich.

Möglich wird der Aufbau der neuartigen Versuchsanlage durch die enge Kooperation mit zwei Industriepartnern, die jeweils für spezifische Module innerhalb der Containeranlage verantwortlich sind. Die Firma Climeworks Deutschland GmbH konzentriert sich dabei auf das DAC-Verfahren: „Unser Know-how betrifft die CO₂-Filterung aus der Umgebungsluft. Aber damit ist natürlich immer auch die Frage verknüpft, was nach der Filterung mit dem CO₂ geschieht“, sagt Dr. Dirk Nuber, Leiter von Climeworks Deutschland GmbH. „Die Umwandlung von CO₂ in einen lagerbaren Wertstoff kommt einer idealen Lösung dabei sehr nahe.“

Die Firma Ineratec GmbH wiederum hat sich auf mikrostrukturierte Reaktoren spezialisiert, in denen sonst regenerativ erzeugte Synthesegase in klimaneutrale Flüssigtreibstoffe oder chemische Produkte gewandelt werden. „Ziel von Necoc ist es, CO₂ dauerhaft aus der Atmosphäre zu entfernen“, sagt Dr. Tim Böltken, einer der Gründer des Start-ups. „Mit unserer Reaktortechnologie tragen wir dazu bei, dass dieser neue Prozessweg für negative Emissionen möglich wird“, so Böltken.

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