Biotreibstoff: Ethanol aus Kohlenmonoxid

Biotreibstoff ohne Biomasse: US-Forscher haben ein neues Verfahren entwickelt, um den alternativen Treibstoff Ethanol herzustellen. Der große Vorteil: Als Rohstoffe braucht man nur Wasser und Kohlenmonoxid. Deshalb müssen dafür keine Energiepflanzen angebaut werden, wie bei der Ethanol-Produktion aus Biomasse. Zudem läuft das Verfahren bei Raumtemperatur, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Bisher wird der alternative Treibstoff Ethanol vor allem aus Biomasse hergestellt. Energiepflanzen wie Mais, Zuckerrohr oder andere Pflanzenreste werden dazu unter Druck und Hitze fermentiert und meist mit Mikrobenhilfe zu dem brennbaren Alkohol umgewandelt. Das Problem dabei: Der lukrative Anbau der Energiepflanzen belegt Flächen, die eigentlich für die Produktion von Getreide und anderen Nahrungsmitteln gebraucht werden und fördert Monokulturen. Schon jetzt haben sie in manchen Gegenden herkömmliche Feldfrüchte fast verdrängt. Zudem müssen beim Anbau große Mengen Wasser und Düngemittel eingesetzt werden.

Alternative gesucht

Eine Alternative könnten Verfahren bieten, die Ethanol durch elektrochemische Reaktionen erzeugen. Bisher allerdings gab es dabei mehrere Probleme: Halbwegs effektiv waren meist nur Prozesse, die Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff mit Hilfe eines Katalysators zu Ethanol umwandeln. Diese benötigen aber hohe Temperaturen und sehr hohen Druck und erfordern Großreaktoren. Das CO-Gas dafür stammt zudem meist aus fossilen Brennstoffen.

Elektrochemische Zelle. Im Fall der Ethanol-Erzeugung besteht eine Elektrode aus Oxid-abgeleitetem Kupfer, die Flüssigkeit aus Wasser, gesättigt mit CO-Gas. © Niko Lang / CC-by-sa 3.0

Eine bessere Lösung könnten nun Christina Li von der Stanford University und ihre Kollegen gefunden haben. „Wir haben den ersten metallischen Katalysator entdeckt, der nennenswerte Mengen Ethanol aus Kohlenmonoxid produziert – und dies bei Raumtemperatur und normalem Druck“, so die Forscher. Für ihre Methode bauten die Forscher eine spezielle elektrochemische Zelle. Diese besteht aus zwei Elektroden, die in mit Kohlenmonoxid gesättigtes Wasser getaucht sind.

Kupfer aus Oxid als Katalysator

Unter normalen Umständen würde diese Anordnung einfach das Wasser spalten und an einer Elektrode Sauerstoff, an der anderen Wasserstoff freisetzen. Die Herausforderung bestand darin, ein Elektrodenmaterial zu finden, das nicht nur mit dem Wasser reagiert, sondern auch das darin gelöste CO-Gas zu Ethanol reduziert. „Das einzige Material, das dies kann, ist Kupfer, aber herkömmliches Kupfer ist viel zu ineffizient“, erklärt Seniorautor Matthew Kanan.

Deshalb griffen die Forscher zu einem Trick: Sie erzeugten ihre Kupferelektrode aus Kupferoxid und erzwangen damit eine spezielle Nanostruktur im Metall. „Das aus Oxid abgeleitete Kupfer besteht aus Nanokristallen, die ein kontinuierliches Netzwerk mit sauber definierten Korngrenzen bilden“, so Kanan.

Zehnfach effektiver als herkömmliche Methoden

Und tatsächlich erwies sich die elektrochemische Zelle mit dieser Elektrode aus Spezialkupfer als überraschend effektiv: Sie produzierte Ethanol und Acetat mit 57 prozentiger Faraday-Effizienz, wie die Forscher berichten. Das bedeutet, dass schon bei geringen Potenzialdifferenzen 57 Prozent der elektrischen Energie in die Produktion dieser Moleküle geht.

„Wir sind begeistert, denn das bedeutet eine mehr als zehnfache Steigerung der Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Kupfer-Katalysatoren“, sagt Kanan. Das demonstriere, dass die Erzeugung von Ethanol durch Elektrokatalyse machbar ist und lohnend sein kann. Nach Ansicht der Forscher eröffnet ihre Technik Möglichkeiten, die Produktion von alternativen Treibstoffen noch klimafreundlicher zu machen. Denn die kleinen dezentralen Anlagen könnten gut mit Sonne- oder Windstrom betrieben werden.

Ethanol-Fabrik in den USA. Würden sie das Kupfer-Verfahren nutzen, könnten sie mit der CO2-Abscheidung kombiniert werden. © USDA

Mit CO2-Abscheidung kombinierbar

Und noch einen großen Vorteil gibt es: Wird Ethanol über Kohlenmonoxid erzeugt, dann könnte dieses Gas aus dem klimaschädlichen Kohlendioxid gewonnen werden, beispielsweise aus Anlagen zur CO2-Abscheidung oder aus Abgasen großer Industrieanlagen oder Kraftwerke. „Die Technologie, um CO2 in CO umzuwandeln, existiert bereits. Das fehlende Puzzleteil war bisher die effiziente Umwandlung des CO-Gases in einen Treibstoff, der flüssig, nichtgiftig und leicht zu lagern ist“, erklärt Kanan. Diese Lücke könnten die Forscher nun geschlossen haben.

Noch muss das System allerdings für größere Anlagen optimiert werden. Außerdem arbeiten die Wissenschaftler bereits daran, auf die gleiche Weise auch Propanol herzustellen, einen Alkohol mit höherer Energiedichte als Ethanol. Dennoch: In einem begleitenden Kommentar wertet Aaron Appel vom Pacific Northwest National Laboratory in Richland die Entwicklung der Forscher als bemerkenswerten Fortschritt und wichtigen Schritt hin zu einer Erzeugung von Treibstoffen ohne fossile Energien zu nutzen. (Nature, 2014; doi: 10.1038/nature13249)

(Nature, 10.04.2014 – NPO)