Unter Strom

Auf den ersten Blick unterscheidet sich der weiße Raum im Industriepark Wolfgang in Hanau kaum von anderen Laboren bei Evonik: In der Mitte stehen lange Tische mit kleinen Kreiselpumpen, an den Seiten sind Abzüge installiert, an denen Frauen und Männer in weißen Kitteln mit Reagenzgläsern und Erlenmeyerkolben arbeiten.

Wer jedoch genauer hinschaut, erkennt für Labore eher untypische Objekte: silbrig-graue, rechteckige Geräte – manche kaum größer als ein Smartphone, manche so groß wie ein Computer. Die Geräte bestehen aus zwei Metallplatten, die an Kabel angeschlossen sind. In die Zwischenräume wird durch dünne Leitungen eine Flüssigkeit eingeleitet. Auf der anderen Seite strömen andere Flüssigkeiten wieder heraus.

„Das sind Natronlauge und Schwefelsäure, die wir hier in unserer Elektrodialysezelle gewonnen haben“, erklärt Patrik Stenner. Der Verfahrensingenieur leitet die Plattform Elektrochemische Prozesse & Produkte. Gemeinsam mit etwa 20 Mitarbeitern an den Evonik-Standorten in Hanau und Schanghai (China) erforscht er, wie sich Chemie mit Strom betreiben lässt.

„Die Technologie ermöglicht es uns, Prozesse und Produkte viel grüner zu machen“, schwärmt Stenner. „Mithilfe von Elektrizität können wir es schaffen, Rohstoffe im Kreis zu führen und damit Ressourcen einzusparen.“

Viele Verfahren sind gut bekannt. Die Grundlagen dafür wurden bereits vor fast 250 Jahren gelegt. Bis ins 20. Jahrhundert ­hinein wurden immer neue Verfahren entwickelt, mit denen Produkte elektrochemisch hergestellt worden sind.

Manche Prozesse haben sich in der Industrie etabliert – beispielsweise die Galvanik, bei der Oberflächen unter Strom gesetzt werden, um sie mit einer feinen Metallschicht zu überziehen. Oder die Chlor-Alkali-Elektrolyse, bei der mittels Elektrizität aus Kochsalz Chlor und Natronlauge gewonnen wird.

Doch solange Rohstoffe und fossile Energie preiswert waren und Umwelt- wie Klimaschutz eine untergeordnete Rolle spielten, verließ sich die Industrie in vielen Bereichen zumeist auf etablierte, klassisch-präparative Verfahren.

Seit einiger Zeit hat ein Umdenken eingesetzt: Der Klimawandel, hohe Energiepreise und immer mehr Verbraucher, die Wert auf nachhaltig erzeugte Produkte legen, verändern die Rahmenbedingungen. Bis 2050 will die Chemiebranche in der EU klimaneutral wirtschaften. Gelingen kann das nur, wenn Stoffkreisläufe geschlossen, alternative Rohstoffe genutzt und die Chemie elektrifiziert wird.

Eines der Projekte, das am weitesten vorangeschritten ist, hat mit den silbrig-grauen Kästen im Hanauer Labor zu tun. In ihnen läuft die sogenannte Elektrodialyse ab. Mithilfe dieses Prozesses sollen künftig in großem Stil Rohstoffe aus Nebenprodukten chemischer Reaktionen gewonnen werden. Beispielsweise bei der pH-Wert-Einstellung, einem wichtigen Prozessschritt in vielen Verfahren: Wird der pH-Wert eines Stoffstroms durch Zugabe einer Lauge oder Säure eingestellt, entsteht dabei am Ende des Prozesses eine salzhaltige Lösung, zum Beispiel Natriumsulfat.

Bislang lässt es sich nicht wiederverwenden. Stenners Ziel ist, die beiden Ausgangsstoffe zurückzugewinnen - in diesem Fall Natronlauge und Schwefelsäure. „Das wäre ein Paradebeispiel für eine Kreislaufwirtschaft – und ökonomisch wie ökologisch sinnvoll“, erläutert Stenner. Zum einen müsste Evonik weniger Lauge und Säure zukaufen. Zum anderen würden Umwelt und Klima entlastet: Die Rohstoffe würden mithilfe der Elektrodialyse mit einem deutlich geringeren CO2-Fußabdruck gewonnen als bei konventioneller Herstellung, und die Salzfracht in Abwässern würde reduziert. Beispielsweise zeigen erste Abschätzungen mithilfe von Life-Cycle-Analysen, dass der CO2-Fußabdruck der aus Natriumsulfat zurückgewonnenen Natronlauge etwa zwei Drittel niedriger ist als der konventionell hergestellter Natronlauge. Dieser Wert verbessert sich nochmals deutlich beim Einsatz von Grünstrom in der Elektrodialyse. Die Ingenieure haben sich allerdings noch ambitioniertere Ziele gesteckt: Sie arbeiten daran, den pH-Wert künftig ganz ohne Laugen oder Säuren einzustellen – allein mittels einer im Prozess zwischengeschalteten Elektrodialyse.

In anderen Bereichen hat sich die Elektrodialyse bereits bewährt: So wird damit seit den 1960er-Jahren Meerwasser entsalzt. Seit den 1990er-Jahren darf das Verfahren in der EU verwendet werden, um den Alkoholgehalt von Wein zu senken oder um Weinstein zu entfernen. Was sich bei der Trinkwasseraufbereitung und in der Lebensmittelindustrie bewährt hat, steckt in der Chemieindustrie noch in den Anfängen. Die Branche holt zwar auf, „von einem Standardprozess sind wir aber noch weit entfernt“, sagt Stenner. Die Eigenschaften der Ausgangsstoffe und Endprodukte machen ein auf jeden einzelnen Prozess individuell abgestimmtes Vorgehen nötig.

Die Elektrodialyse, die Stenner und sein Team zurzeit erforschen, ist technisch aufwendiger als eine klassische Elektrolyse. „Das Herzstück unseres Aufbaus sind Membranen, die die Elektrolysezellen in mehrere Kammern aufteilen.“ Sie fungieren als eine Art engmaschiges Gitter, das nur bestimmte Ionen durchlässt.

Nun geht es daran, die erzeugten Mengen zu erhöhen: Um mehr Natriumsulfat aufzubereiten, sind leistungsstärkere Elektrodialysezellen nötig. Größere Membranen verbrauchen allerdings überproportional mehr Strom. Statt wie in der Chemie üblich von einer kleinen Anlage in eine große Anlage zu wechseln, werden in der Elektro­chemie die Einheiten vervielfacht (Numbering-up).

Evonik prüft, ob die Technologie im kommenden Jahr in einer Demonstrationsanlage bei der Herstellung gefällter Kieselsäuren zum Einsatz kommen kann. Diese werden beispielsweise genutzt, um den Rollwiderstand von Reifen zu senken und sie damit energiesparender zu machen. Ein Teil der natriumhaltigen Rohstoffe und Reaktionsprodukte, die bei der Herstellung der gefällten Kieselsäure eine Rolle spielen, können mithilfe der Elektro­dialyse im Kreis geführt werden. Ziel ist es, Rohstoffe mit großem CO2-Fußabdruck mehrfach zu nutzen. Funktioniert die Demonstrationsanlage reibungslos, wäre das ein wichtiger Schritt in Richtung mehr Nachhaltigkeit.

Vor vier Jahren ist die Plattform mit zwei Dutzend elektrochemischen Projekten gestartet, mittlerweile hat sich die Zahl mehr als verdoppelt. „Und wir entdecken immer mehr Einsatzgebiete“, erklärt Stenner – von der Abwasserbehandlung bis zur Aktivierung von Kohlen­dioxid, um dieses in andere Moleküle einzubauen.

Die Begeisterung für die Vielseitigkeit der Elektrochemie teilt Patrik Stenner mit Siegfried R. Waldvogel. Auch der Max-Planck-Experte ist davon überzeugt, dass diese Methode einen wichtigen Beitrag für eine energieeffi­ziente und ressourcenschonende Wirtschaft leisten kann: „Wir sind damit weniger abhängig von fossilen Quellen und verringern den CO2-Fußabdruck“, so Waldvogel.

Das macht die Elektrochemie zu einem Baustein für ­Evonik, um die selbst gesteckten Nachhaltigkeitsziele zu erreichen und damit einen Beitrag zum Erreichen des Pariser Klimaziels zu leisten: 2015 einigten sich die Staaten der Welt darauf, dass die Erderwärmung möglichst auf 1,5 Grad Celsius, auf jeden Fall aber auf deutlich unter zwei Grad Celsius im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter beschränkt werden soll.

Evonik hat zugesagt, ihre Treibhausgasemissionen, die bei Energieversorgung und Produktion anfallen, von 2021 bis 2030 um ein Viertel zu senken – und das ohne die Produktion zu verringern. 700 Millionen Euro investiert das Unternehmen in sogenannte Next Generation Technologies, also in die Weiterentwicklung von Produktionsprozessen und Infrastruktur zur Einsparung von CO2-Emissionen.

Auch in die Plattform Elektrochemische Prozesse & Produkte fließt Geld: Evonik will in den kommenden fünf Jahren einen zweistelligen Millionenbetrag aufwenden. Damit Patrik Stenner und sein Team noch schneller Ergebnisse erzielen, wird zurzeit in Hanau ein neues Labor eingerichtet. Für Stenner eine zusätzliche Motivation: „Wir können elektrochemische Verfahren konsequent weiterentwickeln und damit Zukunftstechnologien vorantreiben, die wesentlich für die grüne Transformation der Chemieindustrie sind.“