Robert Klatt
Ein neues Verfahren produziert mithilfe von Elektrokatalyse effizient Biodiesel aus CO₂. Der Prozess wandelt CO₂ deutlich effizienter in Biomasse um als die natürliche Photosynthese von Pflanzen und übertrifft Biodiesel aus Sojabohnen um das 45-Fache.
College Station (U.S.A.). Laut der U.S.A. Energy Information Administration (EIA) verursachen Autos und Lkw mit Dieselmotoren etwa ein Viertel der gesamten CO₂-Emissionen im Verkehrssektor des Landes. Die Wissenschaft sucht deshalb nach klimafreundlicheren Alternativen, etwa einem Biodiesel, den Forscher der University of California, Santa Cruz (UCSC) kürzlich mit einem neuen Verfahren aus altem Speiseöl produziert haben.
Forscher der Texas A&M University (A&M) und der Washington University (WashU) haben nun einen neuen sogenannten Elektro-Biodiesel entwickelt, der mithilfe Elektrokatalyse aus CO₂ gewonnen wird. Laut der Publikation im Fachmagazin Joule ist der Treibstoff rund 45-mal effizienter und benötigt 45-mal weniger Landfläche als Biodiesel aus Sojabohnen.
„Dieses neuartige Konzept kann in der Kreislaufwirtschaft genutzt werden, um emissionsnegative Kraftstoffe, Chemikalien, Materialien und Lebensmittelzutaten mit einer wesentlich höheren Effizienz als bei der Photosynthese herzustellen – und dabei weniger Kohlenstoffemissionen zu verursachen als petrochemische Prozesse. Wir haben die Herausforderungen der elektro-biotechnologischen Produktion systematisch untersucht, die metabolischen und biochemischen Grenzen der Nutzung diatomischen Kohlenstoffs identifiziert und diese überwunden.“
Um den neuen Elektro-Biodiesel zu erzeugen, haben die Wissenschaftler die Elektrokatalyse, eine chemische Reaktion, die durch Elektronenübertragungen auf der Oberfläche von Katalysatoren ausgelöst wird, verwendet, um CO₂ in Zwischenprodukte wie Acetat und Ethanol umzuwandeln. Die Zwischenprodukte wurden anschließend von einer gentechnisch veränderten Bakterienart (Rhodococcus jostii), die für ihren hohen Lipidgehalt bekannt ist, in Lipide umgewandelt, aus denen dann der Biodiesel produziert wurde.
Die Effizienz der Umwandlung von CO₂ in Lipide lag bei 4,5 Prozent, also deutlich höher als bei den bisher verwendeten Verfahren zur Biodieselproduktion. Die solar-to-molecule-Effizienz von natürlicher Photosynthese liegt ebenfalls deutlich geringer (1 %), wandelt also nur ein Prozent der Sonnenenergie in Pflanzenbiomasse um, indem CO₂ für Moleküle für das Pflanzenwachstum verwendet werden.
„Die Menge an Energie, die dabei in den Biodiesel-Vorläufer Lipid fließt, ist noch geringer, da Lipide eine hohe Energieintensität aufweisen. Im Gegensatz dazu kann der Elektro-Biodiesel-Prozess 4,5 % der Solarenergie in Lipide umwandeln, wenn eine Solaranlage zur Stromerzeugung für die Elektrokatalyse genutzt wird. Das ist wesentlich effizienter als der natürliche photosynthetische Prozess.“
Die Wissenschaftler haben zudem die Auswirkungen des Elektro-Biodiesels auf den Klimawandel analysiert. Im Produktionsprozess werden demnach pro 1 Gramm Elektro-Biodiesel 1,57 Gramm CO₂ verwendet. Zudem entstehen Nebenprodukte wie Biomasse und Ethylen, die zu negativen CO₂-Emissionen beitragen können. Die Gesamtemissionen für Diesel aus Erdöl liegen hingegen bei mehr als vier Gramm CO₂ pro Gramm Treibstoff.
„Diese Forschung beweist das Konzept einer breiten Plattform für die hocheffiziente Umwandlung erneuerbarer Energien in Chemikalien, Kraftstoffe und Materialien, die die fundamentalen Grenzen der menschlichen Zivilisation adressiert. Dieser Prozess könnte den Mangel an Rohstoffen für Biodiesel lösen und die erneuerbare Produktion von Kraftstoffen, Chemikalien und Materialien revolutionieren, indem er die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen in stark fossilen Brennstoffsektoren wie Schwerlastfahrzeugen und Flugzeugen beendet.“
Joule, doi: 10.1016/j.joule.2024.10.001
