Klimapositive Geschäftsideen in die Realität umsetzen

Die ?eindeutige Erw?rmung des Klimasystems? ist im f¨¹nften Weltklimabericht des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) gut dokumentiert: Noch nie in den letzten 800 000 Jahren war die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosph?re so hoch wie heute. Seit 1750 hat die Menschheit 555 Milliarden Tonnen Kohlenstoff freigesetzt, dadurch ist der Kohlendioxid-Gehalt der Atmosph?re im Vergleich zur vor-industriellen Konzentration um 40 Prozent gestiegen. Gleichzeitig hat die Durchschnittstemperatur der Erdoberfl?che zwischen 1880 und 2012 um 0,85 Grad Celsius zugenommen. Weil die weltweiten Schnee- und Eismengen wegschmelzen, schwellen die Meeresspiegel ¨C im Schnitt um drei Millimeter pro Jahr ¨C an.

Die Wissenschaft ist sich einig, dass die Menschheit alles in ihrer Macht Stehende unternehmen muss, um den Anstieg der Treibhausgas-Konzentrationen zu drosseln oder sogar wieder umzukehren. An der ETH Z¨¹rich weisen Forschende zusehends nicht nur m?gliche Beitr?ge zur Schonung des Klimas auf, immer mehr wagen sich auch aus der Akademie ¨C und verwenden ihre Energie, um klimapositive Gesch?ftsideen in die Realit?t umzusetzen. Von den 242 Spin-offs, die seit 2010 an der ETH Z¨¹rich entstanden sind, tragen 34 Unternehmen dazu bei, die Klimaerw?rmung zu stoppen. Schauen wir uns zwei Beispiele, eins aus der Energiebranche, das andere aus dem Bausektor, etwas genauer an.

Klimaneutrale Treibstoffe aus Luft und Sonnenlicht

Seit seiner Gr¨¹ndung im Jahr 2016 entwickelt Synhelion eine ¨C wie Zauberei anmutende ¨C Solartechnologie, mit der sich der Verbrennungsprozess umkehren l?sst. Nur aus Luft und Sonnenlicht will das Unternehmen synthetische fl¨¹ssige Kraftstoffe gewinnen. Diese Solartreibstoffe setzen bei der Verbrennung nur so viel CO₂ frei, wie zuvor der Luft entnommen wurde. Sie haben daher das Potenzial, die Transportindustrie praktisch klimaneutral zu machen. Aktuell bl?st der gesamte Flug-, Schiff- und Strassenverkehr ungef?hr acht Milliarden Tonnen Kohlendioxid in die Atmosph?re und ist damit f¨¹r einen Viertel der menschengemachten CO₂-Emissionen verantwortlich.

?Wir glauben, dass fl¨¹ssige Solartreibstoffe ein wichtiges Element in der Energiewende sind?, sagt Gianluca Ambrosetti, der CEO von Synhelion. In der Tat kann kein anderer Energietr?ger auch nur ansatzweise mit fl¨¹ssigen Treibstoffen mithalten, wenn es um die Energiedichte, aber auch um die Langzeit-Speicherung geht. ?Hinzu kommt, dass unsere Solartreibstoffe eine Drop-in-Technologie sind, f¨¹r die keine zus?tzliche Infrastruktur aufgebaut werden muss?, sagt Ambrosetti. ?Unsere Kraftstoffe k?nnen in den bereits bestehenden Raffinerien aufbereitet und ¨¹ber das vorhandene Tankstellen-Netz verteilt werden.?

Mehrtausendfach konzentrierte Sonnenstrahlung

Die ausgekl¨¹gelte Solartechnologie von Synhelion fusst auf drei Neuerungen, die alle urspr¨¹nglich in der Forschungsgruppe um Aldo Steinfeld, Professor f¨¹r Erneuerbare Energietr?ger an der ETH Z¨¹rich, erfunden wurden ¨C und nun von Synhelion weiterentwickelt werden. Erstens: Der Solar Receiver, ein schwarzer Hohlraum hinter einem durchsichtigen Quarzglas. Hier trifft die von Spiegeln mehrtausendfach konzentrierte Sonnenstrahlung ein ¨C und erhitzt das Transportgas auf weit ¨¹ber 1000 Grad Celsius. Zweitens: Der keramische thermochemische Reaktor, der ¨C wenn er vom heissen Transportgas gen¨¹gend aufgeheizt ist ¨C Wasser und Kohlendioxid aufspalten und in eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, in so genanntes Syngas, umwandeln kann. (Das Syngas kann mittels konventioneller Verfahren zu unterschiedlichen fl¨¹ssigen Treibstoffen, etwa Methanol, Benzin oder Kerosin, weiterverarbeitet werden.) Und drittens: Ein thermischer Energie-Speicher, der auch nachts und an bew?lkten Tagen f¨¹r den Betrieb des Reaktors sorgt.

Vor eineinhalb Jahren hat das Team um Steinfeld auf dem Dach des Maschinenlaboratoriums der ETH Z¨¹rich eine Mini-Raffinerie-Anlage aufgestellt, die rund einen Deziliter Methanol pro Tag produziert. ?Damit haben wir bewiesen, dass die Herstellung von nachhaltigem Treibstoff aus Sonnenlicht und Luft auch unter realen Bedingungen funktioniert?, sagt Steinfeld.

Als N?chstes gelte es nun, die Prozesse zu skalieren, die Effizienz zu steigern ¨C und die Kosten zu senken, sagt Ambrosetti. Zweifeln an der Skalierbarkeit begegnet Ambrosetti mit einem gewissen Verst?ndnis. ?Bis wir die Technologie im industriellen Massstab einsetzen k?nnen, dauert es mindestens noch f¨¹nf Jahre.? Deshalb setzt Synhelion auf eine Zwischenl?sung, das sogenannte Solar Upgrading, um die Zeit bis zur Markteinf¨¹hrung zu verk¨¹rzen. ?Wenn wir zum Gasgemisch aus Wasser und Kohlendioxid zus?tzlich Methan hinzuf¨¹gen, kann die thermochemische Umwandlung in Syngas bereits ab 800 ¡ãC erfolgen?, sagt Ambrosetti. ?Dank dieser Vereinfachung sollten wir schon in zwei Jahren in der Lage sein, zu einem wettbewerbsf?higen Preis Solartreibstoffe herzustellen, die netto nur halb so viel CO₂ freisetzen wie fossile Brennstoffe.?

Kohlendioxid zu Stein verwandeln

Eine v?llig andere Idee liegt dem Gesch?ftsmodell von Neustark zugrunde: Das 2019 gegr¨¹ndete ETH-Spin-off treibt eine Technologie voran, mit der aus Betonbruch hochwertiger Kalkstein gewonnen ¨C und dabei Kohlendioxid zu Stein verwandelt und dauerhaft eingelagert ¨C werden kann. ?Im Baubereich hat die Industrie bisher nur kleine Emissionsreduktionen erzielt, weil ein grosser Teil der Forschungserkenntnisse schubladisiert wird und nicht zur Anwendung gelangt?, sagt Johannes Tiefenthaler, einer der beiden Gr¨¹nder von Neustark. ?Ich m?chte meine Energie, die ich in mein Doktorat stecke, verwenden, um etwas zu bewirken.?

Schon w?hrend seiner Masterarbeit hat sich Tiefenthaler mit verschiedenen M?glichkeiten besch?ftigt, wie man Kohlendioxid mit mineralischen Stoffen reagieren lassen und in Karbonatgestein umwandeln kann. Eigentlich g?be es genug mineralische Stoffe auf der Erde, um mehrere Hundert Milliarden Tonnen Kohlendioxid zu binden. Doch weil diese Materialien, etwa Magnesiumsilikate, nicht besonders reaktiv seien, m¨¹ssten sie zuvor auf 700 Grad Celsius aufgeheizt werden, f¨¹hrt Tiefenthaler aus. Im Gegensatz dazu habe sich in Betongranulat gebrochenes R¨¹ckbaumaterial als hochreaktiv erwiesen, wegen der insgesamt riesigen Oberfl?che der vielen millimeterkleinen Partikel. Auch ohne Vorbehandlung forme der Betonbruch mit dem Kohlendioxid sehr stabile chemische Verbindungen.

?Mich hat gereizt, dass die L?sung nicht erst in f¨¹nf oder zehn Jahren, sondern schon jetzt greifbar ist?, sagt der andere Gr¨¹nder von Neustark, der ?konom Valentin Gutknecht. F¨¹r ihn liege im Moment die gr?sste Herausforderung darin, zwischen vielen verschiedenen Themenbereichen zu jonglieren, sagt Gutknecht. ?Wir m¨¹ssen nicht nur die Betoneigenschaften im Griff haben, sondern uns auch auf den verschlungenen Pfaden der CO₂-Zertifizierungen zurechtfinden.?

Negative CO₂-Emissionen, die einen wirtschaftlichen Gewinn bringen

W?hrend Tiefenthaler am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der n?chsten Technologiegeneration f¨¹r die Mineralisierung von Kohlendioxid t¨¹ftelt, k¨¹mmert sich Gutknecht mit einem immer gr?sser werdenden Team um die operativen Aspekte: In einem vom Bundesamt f¨¹r Umwelt und der Klimastiftung Schweiz unterst¨¹tzten Projekt hat Neustark auf dem Gel?nde des Betonwerks K?stli im bernischen Rubigen eine Pilotanlage in der Form eines leuchtend orangen Containers installiert. In diesem Container wird das Abbruchmaterial aus alten Betonbauten von fl¨¹ssigem CO₂ umstr?mt. Nach einem rund zweist¨¹ndigen Kohlendioxidbad sehen die Altbetonbruchst¨¹cke zwar immer noch gleich aus, sie wiegen aber deutlich mehr, weil sie in den feinen Poren ihrer spr?den Oberfl?che etwa zehn Kilogramm CO₂ pro Kubikmeter aufgesogen haben.

Dabei geht das Kohlendioxid eine chemische Bindung mit dem im Altbeton enthaltenen Calciumoxid ein. So entstehen Kalksteinkristalle, die die Eigenschaften des Betonbruchs entscheidend verfeinern: Wenn das Betonwerk aus dem behandelten Abbruchmaterial Recycling-Beton mischt, braucht es weniger Zement, um dieselbe Festigkeit zu erreichen. Die weltweite Betonproduktion entl?sst j?hrlich mehr als zwei Milliarden Tonnen Kohlendioxid in die Luft ¨C und macht damit etwa sieben Prozent der anthropogenen CO₂-Emissionen aus. Wenn die Technologie von Neustark also hilft, den Zementbedarf im Bauwesen zu verringern, verbessert sich dessen CO₂-Bilanz, weil ein Teil der Emissionen aus der Zementherstellung vermieden werden kann.

Doch Gutknecht und Tiefenthaler weisen beide auf einen zus?tzlichen Aspekt hin: Mit ihrem Trick, Kohlendioxid aus der Luft zu entnehmen ¨C und es in die Poren des Betongranulats zu stopfen und als Kalkstein dauerhaft zu binden, k?nnen sie CO₂-Emissionen sogar r¨¹ckg?ngig machen. ?Es gibt nur ganz wenige technische Ans?tze f¨¹r echte negative Emissionen?, sagt Tiefenthaler. Die Anwendung dieser Ans?tze h?lt sich bislang in Grenzen, insbesondere weil ¨¹berzeugende Anreiz- und Gesch?ftsmodelle fehlen. ?In dieser Hinsicht ist unser Vorgehen einmalig, weil wir zeigen, dass sich mit dem Binden von Kohlendioxid ein Mehrwert schaffen l?sst?, sagt Gutknecht. ?Die verfeinerten Eigenschaften des Betonabbruchs belegen, dass negative Emissionen nicht nur kosten ¨C sondern sogar einen wirtschaftlichen Gewinn bringen ¨C k?nnen?, sagt Gutknecht.