Mission Negative Emissionen: Teil 1 – die Methanolsynthese

2023 war das wärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen, mit weltweit drastischen Folgen. Ohne Zweifel der Hauptverursacher ist der Mensch mit seinen Emissionen. Die Gegenmaßnahmen sind bekannt: Wir müssen den Ausstoß von Treibhausgasen vermeiden und die erneuerbaren Energien ausbauen. Doch reicht das, um die Erwärmung tatsächlich aufzuhalten? Der Weltklimarat hat berechnet, dass wir die Begrenzung der Erderwärmung auf 1,5 Grad nur erreichen können, wenn wir einen Teil des ausgestoßenen Kohlendioxids zusätzlich aus der Atmosphäre entfernen.

Zum Beispiel durch Aufforstung über Bäume und Pflanzen. Oder maschinell über Filter aus der Luft. Das CO₂ wird dann verflüssigt und unter der Erde gespeichert. Dieser Prozess kostet jedoch viel Energie und bringt vergleichsweise wenig für eine negative CO₂-Bilanz. Eine CO₂-Reduktion lässt sich aber auch bei bestehenden Prozessen erzielen:

Der Rhein-Main-Kreis in Hessen, eine dicht besiedelte und industriell geprägte Region. Wie könnten hier die Treibhausgas-Emissionen verringert werden? Das untersucht das Forschungsprojekt SynBioTech. SynBioTech gehört zu dem Innovationsnetzwerk BioBall, mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie. Ziel ist es, die Nutzung von biogenen Stoff- und Abfallströmen zu fördern. Dabei wird Chemie mit Biotechnologie verbunden:

Bastian Etzold: „Bei SynBioTech geht es darum, dass man CO₂ und CO, was aus Biomasse stammt, als Biomasse-Rohstoff-Ströme nutzt und umwandelt zu Produkten. Das eine Produkt, das wir im Blick haben, sind solche Derivate, die dann in Kunststoffe eingehen können. Und das andere Produkt ist, dass man einfach Biomasse-Protein generiert mit Mikroorganismen, das als Futtermittel verwendet werden könnte.“

Der Prozess von SynBioTech startet in Darmstadt. Auf dem Forschungscampus der Technischen Universität steht eine Anlage, die genau das erforscht: die Verwertung von Verbrennungsgasen aus biogenen Reststoffen. Geleitet wird sie von Bernd Epple, Maschinenbauer vom Institut für Energiesysteme und Energietechnik der TU Darmstadt. Der Zweck seiner Anlage ist es, herauszufinden, wie gut sich aus verschiedenen Reststoffen wie Holz, Stroh oder Klärschlamm Biomethanol herstellen lässt:

Bernd Epple: „Hier in der TU Darmstadt arbeiten wir an der Klassifizierung von biologischen Stoffen… Die werden in fester Form in die Anlage gefahren. Dann erfolgt bei Temperaturen von 900 bis 1000 Grad eine partielle Oxidation und wir sind interessiert an zwei Komponenten. Das ist Kohlenmonoxid und Wasserstoff… daraus entsteht ein Synthese Gas, welches gereinigt werden muss. Das erfolgt hier in diesem Bereich und letztendlich wird dieses Synthesegas umgewandelt in ein Produkt, nämlich in ein Methanol-Wasser Gemisch.“

Die Methanol-Synthese erfolgt klassischerweise aus fossilen Kohlenstoffquellen. Methanol aus biogenen Reststoffen zu gewinnen, ist dagegen schwieriger, weil die Bezugsquellen unterschiedlich sind und die Gasmengen schwanken. Wie die Synthese unter diesen Bedingungen am besten funktioniert, hat der Ingenieur Bastian Etzold mit seinem Team an der TU-Darmstadt erforscht. Seine Testanlage dockt an die große Verbrennungsanlage seines Kollegen Epple an. Von dort bezieht sie die Synthesegase für die Methanol-Produktion.   

Bastian Etzold: „An der TU Darmstadt haben wir eine Anlage realisiert, eine mobile Methanol-Synthese-Anlage, die hier im Labor etabliert wurde, die eine Größe wie eine Labor Anlage hat, aber eine komplette chemische Anlage repräsentiert. Das sind mehrere Reaktoren drin verschaltet… Natürlich noch mit einer Online-Analytik. Wir sehen immer, an welcher Stelle in der Anlage haben wir gerade welche Bedingungen, welche Konzentrationen, welche Umsätze. Und diese Anlage ist so gebaut, dass sie irgendwo hintransportiert werden kann.“

Je nach Ausgangsmaterial entstehen mehrere Gase, welche die Testanlage entsprechend verarbeiten kann: Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder eine Mischung aus beiden Gasen. Zusammen mit dem Wasserstoff lässt sich Biomethanol herstellen. Und so läuft der Prozess:

Animation: Das Gasgemisch wird über einen Katalysator geströmt. An diesem reagieren CO₂ und CO mit dem Wasserstoff zu Methanol. Um die Ausbeute zu erhöhen, wird zusätzlich grüner Wasserstoff hinzugefügt. In dem Prozess entsteht Wasser, das, wie auch das Methanol, durch Kühlung und Kondensation abgetrennt wird. Über dem entstandenen Methanol-Wasser bleibt ein Teil des Synthesegases zurück. Dieses Gas wird erneut über den Katalysator geführt. So fährt der Prozess im Kreis. Und die Methanol-Produktion wird gesteigert.

Mit über 100 Millionen produzierten Tonnen jährlich ist Methanol einer der wichtigsten Syntheserohstoffe der Industrie. Auch das biogene Methanol aus Darmstadt soll in größerem Maßstab weiterverarbeitet werden. Das Anlagenprinzip von Team Etzold könnte zum Beispiel Biogasanlagen ergänzen, um dort auch Methanol zu produzieren:

Bastian Etzold: „Wenn Sie eine Biogasanlage sehen, auf dem Bauernhof oder im Industriepark Höchst, einer der größten Biogasanlagen Deutschlands, dann wird da ja Bio-Methan hergestellt. Ungefähr 50 % des Kohlenstoffs geht in das Bio-Methan, aber ungefähr 50 % geht in CO₂ an der Stelle. Das ist ein Rest Strom, der gerade in die Luft geht und diesen Rest könnte man nutzen… Man könnte also auf einem Bauernhof an der Biogasanlage übers Jahr produzieren und dann irgendwann das produzierte Methanol weiter transportieren.“

Zum Beispiel nach Frankfurt am Main zur DECHEMA. Dort versuchen Forschende, das Methanol aus Darmstadt biotechnologisch aufzuarbeiten. Markus Buchhaupt leitet die Arbeitsgruppe Mikrobielle Biotechnologie. Sein Ziel ist es, Mikroorganismen so zu optimieren, dass sie hohe Methanol-Konzentrationen verstoffwechseln können:

Markus Buchhaupt: „Unsere Bakterien können das Methanol aufnehmen, können daraus Energie gewinnen, indem sie es selbst wieder bis zum CO2 oxidieren und gleichzeitig können sie den Kohlenstoff aus Methanol nutzen und ihn zu größeren Molekülen verknüpfen und daraus nicht nur ihre eigenen Zellen bilden, sondern eben auch möglicherweise die Produkte, die wir mit Ihnen dann herstellen wollen.“
 
Dafür wird das Nährmedium für die Mikroorganismen im Bioreaktor noch mit Stickstoff, Phosphat, Schwefel und Spurenelementen angereichert. Dank des flexiblen Stoffwechsels der Bakterien lassen sich verschiedene Produkte herstellen:

Markus Buchhaupt: Der Organismus selbst produziert zum Beispiel ein Bioplastik. Wir versuchen aber auch die Bakterien-Biomasse selbst als Futtermittel oder vielleicht sogar mal als Nahrungsmittel zu entwickeln. Der Organismus ist nämlich sehr reich an Vitamin B12.

Damit die Bakterien später als Futtermittel eingesetzt werden können, dürfen sie nicht gentechnisch verändert werden. Dafür gilt es im Labor herauszufinden, wie sich das Methanol, das ab einer bestimmten Konzentration schnell toxisch wird, am besten zuführen lässt. – Arbeit für den erfolgreichen Einsatz des Prozesses in der Industrie:

Markus Buchhaupt: „Ja, wir denken, dass unser Prozess ein wunderbar geeigneter Prozess ist, um wirklich Bioökonomie zu betreiben, weil letztendlich nutzt dieses Bakterium nur CO2 und Energie, um verschiedenste Wertstoffe herzustellen. Damit ist es eigentlich ein Paradebeispiel für nachhaltige Produktion abseits von erdölbasierten Prozessen.“

Das Methylobakterium hat das Potenzial zum bioökonomischen Alleskönner. Besonders Methanol-resistente Bakterienstämme gehen an das Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, den Kooperationspartner in Marburg. Hier wird die Stammentwicklung der Mikroben vorangetrieben. Laborrobotik hilft dabei, aus den Kolonien die besten herauszupicken.

Alina Schrodt ist Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Tobias Erb. Sie forscht daran, das Methylobakterium für die Industrie fit zu machen. Die Arbeit mit lebenden Organismen ist immer eine Herausforderung, aber sie lohnt sich:

Alina Schrodt: „Methylo, wie wir ihn auch nennen, ist besonders interessant wegen seines Stoffwechsels. Dieser besitzt nämlich Intermediate, die man in anderen gängigen Organismen zum Beispiel nicht finden kann. Unter den Synthese Produkten, also den Säure Derivaten, kann man sich Bausteine vorstellen für andere Chemikalien beispielsweise. Daraus können Pharmazeutika hergestellt werden oder auch Polymere, die für uns besonders interessant sind.“

Wenn Kohlenstoffe aus Biomasse biotechnologisch gebunden werden, entstehen negative Emissionen. Neben dem Projekt SynBioTech gibt es bereits weitere vielversprechende Verfahren, die das möglich machen sollen.