Nachhaltige Chemie mit neuer Chlor-Technik
Chlor ist eine wichtige Basischemikalie. Aber der Umgang mit dem gasförmigen Element ist herausfordernd und die traditionelle Chlor-Chemie verbraucht enorme Mengen fossiler Energie. Ein Team an der FU Berlin will das in einem neu von der Werner Siemens-Stiftung (WSS) finanzierten Projekt ändern: In Form von reaktiven Ionischen Flüssigkeiten erlaubt Chlor die nachhaltige Erschliessung von Ressourcen aus Elektroschrott, Biomasse oder Altlasten.
Ohne Chlor liefe in der modernen Welt wenig: Als Desinfektionsmittel schützt dieses chemische Element Trinkwasser vor Bakterien und Viren. Es steckt in Medikamenten, Kunststoffen, Batterien und ermöglicht unzählige chemische Prozesse in der industriellen Fertigung. Es spielt eine Schlüsselrolle bei der Herstellung von Computerchips und Hightech-Materialien. Trotzdem geniesst Chlor einen eher zweifelhaften Ruf: Der «Chlor-Geruch» im Hallen- oder Freibad steht für manche Menschen für eine umweltschädliche Chemie. Und das Chlorhühnchen gilt in Europa als Inbegriff für die Auswüchse einer unnatürlichen Nahrungsmittelproduktion.
Klar ist, dass die heutige Chlor-Chemie viel Energie verbraucht und die Umwelt belastet, wenn sie fossile Energieträger verwendet. In Deutschland produziert die chemische Industrie jährlich rund 5,5 Millionen Tonnen Chlorgas (Cl2), meist durch eine Elektrolyse aus Kochsalz (NaCl) und Wasser (H2O). Ungefähr 2,3 Prozent des gesamten Stromverbrauchs des Landes gehen in diese Produktion. Zudem ist das gasförmige Chlor giftig und muss unter sehr aufwendigen Sicherheitsvorkehrungen gespeichert oder transportiert werden.
Mit einer innovativen Technologie will ein Forschungsteam um Sebastian Hasenstab-Riedel, Professor für Anorganische Chemie an der Freien Universität (FU) Berlin, diese Probleme aus der Welt schaffen – und einer neuen, sicheren und nachhaltigen Chlor-Chemie zum Durchbruch verhelfen. Die Werner Siemens-Stiftung (WSS) unterstützt das Projekt namens «WSS-Resources» in den kommenden zehn Jahren mit insgesamt 18 Millionen Euro.
Sicherer Chlor-Speicher
Dreh- und Angelpunkt des Projekts sind sogenannte Ionische Flüssigkeiten, die Hasenstab-Riedel mit seinem Team in den letzten Jahren entwickelt hat. Dabei handelt es sich um bei Raumtemperatur flüssige Salze, die ohne hohen Dampfdruck enorme Chlor-Mengen aufnehmen können. Ein solcher Speicher bindet chemisch Chlorgas oder Chlorwasserstoff in flüssiger Form. Durch leichtes Erwärmen lässt sich der Speicher entladen: Das Chlor entweicht und das Salz kann erneut als Speichermedium benutzt werden.
Die neuartigen Chlor-Speicher hätten enorme Vorteile, sagt Sebastian Hasenstab-Riedel. «Eine solche Flüssigkeit ist viel weniger gefährlich als Chlorgas – das vereinfacht die Lagerung und den Transport.» Chlor lässt sich so unbedenklich in grossen Mengen speichern. Bereits dies könnte die Chlor-Chemie deutlich nachhaltiger machen: Heute nutzt die chemische Industrie permanent verfügbare fossile Energie zur Chlor-Produktion, weil sie Chlorgas aus den genannten Gründen ungern speichert, sondern möglichst rasch nach der Herstellung verwenden will. Die flüssigen Chlor-Speicher hingegen liessen sich in Zukunft mit erneuerbarem Strom dann füllen, wenn Überschüsse aus der Solar- oder Windenergieproduktion vorhanden sind. In Zeiten von Dunkelflauten würde man auf diesen Vorrat zurückgreifen und das Stromnetz dadurch entlasten.
Möglich ist ein solches Zukunftsszenario nur, wenn solche Speicher ein ausreichendes Fassungsvermögen aufweisen. «Ein grosses Chemie-Unternehmen bräuchte wahrscheinlich einen Speicher von ungefähr 2000 Kubikmetern, also etwas weniger als ein olympisches Schwimmbecken», sagt Hasenstab-Riedel. «Darin liesse sich ungefähr der Chlorbedarf für eine Tagesproduktion speichern.» Ein Grundelement von WSS-Resources ist es deshalb, technische Speicheranlagen zu bauen, auf deren Basis grossskalige Anlagen entwickelt werden können.
Vorteile für die Chemie
Das Projekt geht aber weit darüber hinaus. Hasenstab-Riedel hat ein Team zusammengestellt, das die Ionischen Flüssigkeiten nutzen möchte, um ganz unterschiedliche Ressourcen nachhaltig zu erschliessen und umzuwandeln. Mit an Bord sind die Professoren Rainer Haag (Organische Chemie, FU Berlin), Timm John (Mineralogie und Petrologie, FU Berlin) und Siegfried Waldvogel (Elektrosynthese, Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr). Sie wollen mit WSS-Resources aufzeigen, dass die neuartigen Ionischen Flüssigkeiten als Plattform für die Transformation hin zu einer nachhaltigeren Chemie dienen können.
Die Ionischen Flüssigkeiten verfügen nämlich über eine weitere, entscheidende Eigenschaft: Das Chlor darin ist chemisch bereits voraktiviert, es geht leichter Reaktionen ein als Chlorgas. «Das erlaubt uns einfachere chemische Umsetzungen – bei niedrigeren Temperaturen, teilweise ohne die Verwendung von zusätzlichen Katalysatoren», sagt Hasenstab-Riedel. Zudem würde die Arbeit sicherer: Statt mit kniffligen Gasgemischen zu hantieren, können die Forschenden mit Flüssigkeiten arbeiten und diese für ihre Prozesse nutzen.
Biomasse-Abfälle aufwerten
WSS-Resources wird die Ionischen Flüssigkeiten nutzen, um drei konkrete Themenfelder zu bearbeiten. Dem ersten Forschungsfeld widmen sich die Forschungsgruppen von Rainer Haag und Sebastian Hasenstab-Riedel: Ionische Flüssigkeiten sollen dazu beitragen, biologische Reststoffe in wertvolle chemische Rohstoffe oder Materialien umzuwandeln. Ein Beispiel sei Glycerin, sagt Rainer Haag. «Bei der Herstellung von Biodiesel fallen weltweit jedes Jahr vier Millionen Tonnen Glycerin als weitgehend ungenutztes Nebenprodukt an.»
Das Team habe bereits ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Glycerin mithilfe des Chlorspeichers zu Epichlorhydrin umwandeln lasse. Bei Epichlorhydrin handelt es sich um ein vielseitiges chemisches Zwischenprodukt, das unter anderem zur Herstellung moderner Kunststoffe genutzt wird. «Heute», sagt Haag, «wird Epichlorhydrin aus fossilen Rohstoffquellen, also aus Erdöl, produziert.»
Ein Reststoff, der noch in viel grösseren Mengen als Glycerin vorliegt, ist Lignin. Bei der Herstellung von Papier fallen jährlich rund 100 Millionen Tonnen Lignin an, die heute zumeist als Brennstoff verwendet werden, weil Lignin schlecht löslich und chemisch schwierig umsetzbar ist. Das WSS-Resources-Team arbeitet daran, diesen Rohstoff mithilfe der neuartigen, reaktiven Ionischen Flüssigkeiten direkt aufzulösen und in Bausteine zu zerlegen, die zur Synthese von Kunststoffen, Agrar- und Pharmaprodukten genutzt werden können.
Metalle aus dem Handy lösen
Das zweite Themenfeld des Grossprojektes ist das sogenannte Urban Mining. Beteiligt daran sind die Arbeitsgruppen von Timm John und Sebastian Hasenstab-Riedel. In Elektromotoren, Windturbinen oder Handys stecken grosse Mengen an wertvollen Metallen, zum Beispiel Seltenerdmetalle. Ein Handy etwa besteht zu ungefähr 45 Prozent aus Metallen. «Wir wollen Methoden entwickeln, um diese Rohstoffe einfach aus den Produkten herauszulösen und zu rezyklieren», sagt Timm John.
Heute werden Handys für das Recycling geschreddert und danach oft zu einer sogenannten «Schwarzmasse» verbrannt, die nur noch Metalle und Kohlenstoff enthält. «Wir glauben, dass wir mithilfe unserer Technologie die Metalle auch schonender herauslösen können – so dass Schreddern reichen würde», sagt Hasenstab-Riedel. Tatsächlich zeigen erste Resultate, dass sich mit der Ionischen Flüssigkeit Hightech-Metallverbindungen schon bei niedrigen Temperaturen auflösen lassen. «Die grosse Herausforderung wird es sein, die gelösten Metalle voneinander zu separieren und einzeln zurückzugewinnen.»
Aus Altlasten werden Rohstoffe
In einem dritten Arbeitspaket geht ein Team um Siegfried Waldvogel die chemische Aufbereitung von chlorhaltigen Altlasten an – beispielsweise von Abfällen der Pestizidproduktion, die noch aus den 1950er- bis 1990er-Jahren stammen. Bei der Herstellung des heute in Europa nicht mehr zugelassenen Insektizids Lindan etwa fielen auch sogenannte Isomere an: Diese Verbindungen enthalten genau gleich viele Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Chloratome wie Lindan, sie unterscheiden sich aber in der atomaren Struktur.
«Im Gegensatz zu Lindan verströmen diese Isomere einen unangenehmen Geruch, sodass man sie nicht auf Felder ausbringen konnte. Man lagerte sie deshalb auf Halden», erzählt Siegfried Waldvogel. Bis zu sieben Millionen Tonnen dieser hochgiftigen Lindan-Isomere liegen bis heute europaweit in Deponien – und sind langfristig eine Gefahr für die Umwelt. Weil sie zumeist in sehr hoher Reinheit vorliegen, könnten sie als ressourcenschonende Rohstoffquellen dienen.
In WSS-Resources arbeiten die Forschenden deshalb an elektrochemischen Verfahren, um die Chlor-Atome aus den Lindan-Isomeren abzulösen und in der Ionischen Flüssigkeit zu speichern. So liesse sich das Chlor für die Herstellung neuer chemischer Produkte verwenden. Das übrig bleibende organische Molekül, das sogenannte Benzol, ist ein ebenfalls unverzichtbarer und dringend benötigter chemischer Grundstoff, der unter anderem für die Kunststoff-, Waschmittel- und Medikamentenherstellung gebraucht wird. «Wir wollen also Altlasten sanieren und gleichzeitig zwei wichtige Basischemikalien erzeugen», sagt Hasenstab-Riedel.
Neben Pestiziden existieren diverse weitere chlorhaltige Abfallstoffe. Etwa Polychlorierte Biphenyle (PCB), die bis in die 1980er-Jahre als Hydraulikflüssigkeiten oder als Weichmacher in Baumaterialien eingesetzt wurden. Oder sogenannte Polyvinylchloride (PVC), die zu den häufigsten Kunststoffen überhaupt zählen und vor allem in der Baubranche sehr wichtig sind. Weil sie chemisch sehr stabil sind, werden viele PVC-Abfälle noch immer deponiert statt rezykliert. «Mit solchen anspruchsvollen Umwandlungen werden wir uns im Verlauf des Projekts ebenfalls befassen», sagt Siegfried Waldvogel.
Ideen noch und nöcher
Und das ist noch nicht alles: «Unsere Technologie entwickelt sich – wir lernen erst gerade, was mit den Ionischen Flüssigkeiten alles möglich ist», sagt der Hasenstab-Riedel. Eine vielversprechende Idee sei eine neuartige Anwendung in der Medizin, zu der das Team gerade eine Publikation vorbereite. Ein anderer Impuls stammt vom deutschen Umweltbundesamt. Es kam auf die Forschenden zu mit der Frage, ob sich die neuartige Technologie eignen könnte, um Wasser sicher aufzubereiten. «In Schwimmbädern arbeitet man heute oft mit Chlorgasflaschen, dabei kommt es immer wieder zu Problemen und Unfällen», sagt der Forscher.
Nicht zuletzt dient das WSS-Projekt als eine Art Kristallisationskeim. Laut Hasenstab-Riedel plant die FU Berlin, den nachhaltigen Umgang mit Ressourcen zum regionalen Forschungsschwerpunkt zu entwickeln. Ein entsprechendes Institut, das «Center for Sustainable Resources, CSR|Berlin», ist bereits gegründet. Unter den Fittichen von WSS-Resources könnte also ein breit abgestütztes Unterfangen entstehen, um neue Lösungen für drängende Herausforderungen wie die Energiewende, den Klimawandel oder die Versorgungssicherheit mit Rohstoffen zu finden.
Zahlen und Fakten
Mittel der Werner Siemens-Stiftung
18 Mio. Euro
Projektdauer
2026 – 2035
Projektleitung
Prof. Dr. Sebastian Hasenstab-Riedel, Institut für Chemie und Biochemie, Freie Universität Berlin
