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Politik stoppt energetische Sanierung der Gebäude – Klimaschutz ade ?
(Wirtschaftswoche) – Die KfW fördert vorübergehend keine energetische Sanierungen von Häusern mehr. Es fehlen Haushaltsmittel. Betroffene sollten vor allem auf sechs Punkte achten.
Die Ampelkoalition stoppt die KfW-Förderkredite für energieeffiziente Gebäude. Betroffen sind auch Mittel für die Sanierung von Altbauten. Beides gehört zum Programm Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG). Der Klimaschutz für Immobilien ist ein Vorzeigeprojekt von Klimaminister Robert Habeck (Grüne). Habecks Wirtschafts- und Klimaministerium (BMWK) weist die Schuld für den Förderstopp von sich. Die enorme Antragsflut im Januar habe die bereit gestellten KfW-Mittel deutlich überstiegen. Das Förderprogramm werde wieder aufgenommen, wenn es entsprechende zusätzliche Haushaltsmittel gebe.
Für den Run auf die Fördermittel der KfW seien vor allem Mitnahmeeffekte bei Neubauprojekten verantwortlich, heißt es aus dem BMWK. Es geht dabei um die Förderung von Gebäuden, die den Energiestandard „Effizienzhaus 55“ erfüllen. Dieser Standard macht Vorgaben für den Energiebedarf und den Wärmeverlust von Immobilien. Das Programm „Effizienzhaus 55“ wäre Ende Januar plangemäß ausgelaufen. Die Ankündigung des Auslaufens hatte zu einer Antragsflut geführt.
Der Standard „Effizienzhaus 55“ sei bei Neubauten ohnehin schon üblich, so das BMWK. Eine Förderung sei daher überflüssig. Die Förderpolitik der alten Bundesregierung bezeichnet das Ministerium als „massive klimapolitische und fiskalische Fehlsteuerung“. So sei die jährliche CO2-Einsparung je Fördereuro beim „Effizienzhaus 55“ im Vergleich zu energetischen Sanierungen bis zu zehnfach niedriger. Notwendige Anpassungen der Förderprogramme seien versäumt worden. Die Erklärung der Ampel für das Förderchaos erinnert an deren Ausführungen zur Coronapolitik. Schuld sei die Vorgängerregierung, so die Botschaft in beiden Fällen.
Die Lobby der Wohnungswirtschaft kritisiert hingegen die fehlende Verlässlichkeit der aktuellen Bundesregierung. Sie reagiert alarmiert auf den Förderstopp. „Das bedeutet eine Vollbremsung beim Klimaschutz im Gebäudebereich“, sagt Axel Gedaschko, Präsident des Spitzenverbandes der Wohnungswirtschaft GdW. Nicht nur künftige, sondern auch bereits beantragte Bauvorhaben für Neubau und Bestandsmaßnahmen würden damit von heute auf morgen beendet. Insgesamt sei der Bau von rund 300.000 Wohnungen gefährdet, so der GdW. Was Bauherren vor allem bräuchten sei Planungssicherheit, sagt Verbandspräsident Gedaschko.
Jetzt, da die Fördertöpfe der KfW leer sind, wird auch das Förderprogramm für die Sanierung bestehender Wohnhäuser gestoppt. Anders als bei Neubauprojekten soll die Förderbank ihre Programme für die Sanierung von Altbauten aber wieder aufnehmen. Bis dahin ist jedoch offen, wie es weitergeht. Die WirtschaftsWoche hat daher die Antworten auf die wichtigsten Fragen zusammengestellt:
1. Warum kommt jetzt das Aus für KfW-Förderung?
Im November 2021 kündigte die Bundesregierung an, die Förderung des Neubaus nach dem Standard „Effizienzhaus 55“ Ende Januar 2022 einzustellen. Im vergangenen Jahr gingen mit sechs Milliarden Euro ein Drittel der Fördermittel an diese Neubauprojekte. Allein im Januar flossen weitere fünf Milliarden Euro an KfW-Fördermitteln ab. Damit waren die Haushaltsmittel bereits erschöpft. Die Ampelkoalition will aber vornehmlich die Sanierung von Altbauten fördern, weil sich so pro investiertem Euro mehr vom Klimakiller CO2 vermeiden lässt.
2. Was genau ist der Standard Effizienzhaus 55?
Die KfW förderte bisher Maßnahmenpakete, bei denen die Wohnhäuser nach der Sanierung bestimmte Vorgaben an Energiebedarf und Wärmeverlust erfüllen mussten. Beim diesem Standard darf das sanierte Haus maximal 55 Prozent des Energiebedarfs und 70 Prozent des Wärmeverlusts des fiktiven Gebäudetyps „Effizienzhaus 100“ erreichen. Die meisten Neubauten erfüllen auch ohne Förderung diese Vorgaben.
3. Welche Förderprogramme sind vom Stopp betroffen?
Auch die KfW-Programme für das „Effizienzhaus 40“ im Neubau sowie alle Fördertöpfe für die Sanierung bestehender Immobilien sind betroffen. Bei Sanierungen schließt das sowohl die Kredite und Tilgungszuschüsse für Paketlösungen als auch für Einzelmaßnahmen ein. Für bereits eingereichte aber noch nicht entschiedene Anträge bei der KfW sollen die Mittel ebenfalls nicht reichen.
4. Um wie viel Fördergeld geht es?
Von November 2021 bis Januar 2022 sind Förderanträge mit einem Volumen von 20 Milliarden Euro eingegangen. Davon entfielen 14 Milliarden Euro auf das Programm „Effizienzhaus 55“, vier Milliarden Euro auf „Effizienzhaus 40“ und nur rund zwei Milliarden Euro auf die energetische Sanierung. Das ist nicht im Sinne der Ampelkoalition. Sie will primär eine verbesserte Energieeffizienz im Gebäudebestand fördern.
5. Wie geht es bei baureifen Projekten weiter?
Das Wirtschaftsministerium kündigt an, dass Bauherren bei baureifen Projekten Darlehen aus einem anderen Fördertopf der KfW erhalten sollen. So will das Wirtschaftsministerium Liquiditätsengpässe bei Fällen vermeiden, bei denen die KfW die Anträge abgelehnt hat. Zugang sollen auch Bauherren erhalten, bei denen nach Ende der Förderung ein finanzieller Härtefall eingetreten ist.
6. Was gilt bei der Bafa-Förderung?
Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa) fördert einzelne Maßnahmen einer energetischen Sanierung mit Zuschüssen. Dazu gehören beispielsweise der Austausch der Heizung oder das Dämmen der Fassade. Anders als bei den KfW-Krediten soll das Bafa-Programm wie bisher weiterlaufen. Bauherren können dort also weiter Anträge auf Förderung einreichen.
Robert Habeck, und sein vergeblicher Kampf gegen die Windmühlen
Frei nach Don Quijote, der Held, der von ganz Spanien verehrt wird. Sein berühmter Dichter Cervantes löst das Problem mit Humor, der geht Harbeck und den Grünen aber völlig ab, die meinen es bierrnst.
Die deutsche Politik hat sich in einer Fiktion verrannt, leider auch die neue Ampelkoalition unter Olaf Scholz. Aus populistischen Gründen wurden die unrealistischen Wunschvorstellungen der Grünen kritiklos übernommen. Tragisch ist, dass der Politik diese Wolkenkuckucksheime durch die Naturgesetze langfristig einen Strich durch die Rechnung gemacht werden.
Wie konnte es soweit kommen? Es scheint, dass die Schwarmintelligenz der Deutschen in Sachen ‘technologisches Wissen‘ nicht ausreicht, um auf demokratischem Weg den Regierenden einen Riegel vorzuschieben. Die Ziele der Klimarettung sind lobenswert, doch sobald es um die Realisierung geht, schweigt des Sängers Höflichkeit. Der Teufel steckt im Detail, die Nebenwirkungen und Risiken bestimmter Klimagesetze und Vorhaben wurden nicht erkannt oder bewusst verschwiegen.
Verhängnisvoll ist dabei, dass sich die Regierung mit Beratern umgibt, die ihrer Aufgabe nicht gerecht werden: ‚wes‘ Brot‘ ich ess‘, des Lied ich sing‘, denn viele dieser Fachleute stammen aus Universitäten und Forschungseinrichtungen, die in ihren Drittmitteln von Subventionen, Zuwendungen und Forschungsaufträgen der politischen Instanzen abhängig sind. So hat sich klammheimlich auf Kosten der Glaubwürdigkeit der Wissenschaft political correctness breit gemacht. Hinzu kommt, dass auch die Abgeordneten des Bundes und der Länder nicht mehr das Volk repräsentativ vertreten können, Techniker und Ingenieure spielen nur eine untergeordnete Rolle, dafür sind aber Schöngeister, Bürokratiespezialisten und Juristen in der Mehrzahl vertreten, die der Retorik mächtig sind, das heißt gut reden und argumentieren können, auf Fachkenntnis kommt es weniger an.
Dann gibt es noch ein fast unüberwindliches Problem: Naturwissenschaftler müssen, um Beweise zu liefern, rechnen und in Statistiken kramen können, damit wird es kompliziert und umfangreich.
Und welcher Abgeordnete hat schon die Zeit und macht sich die Mühe, sich fundamental damit zu beschäftigen? Meistens wachsen diese Expertisen zu einem unüberschaubaren Buch an. Noch schwieriger ist es, dies dem Bürger plausibel zu machen. So haben Populisten leichtes Spiel, auf Vorurteile und Nichtwissen zurück zu greifen und Ziele zu setzen, die nur plausibel erscheinen, aber nicht erreichbar sind. Beispiel: Mit regenerativem Strom könne man angeblich den deutschen Energiebedarf decken, die am meisten CO2-erzeugende Wärme-Energie wird dabei völlig vergessen, so etwas nennt man Primär-Energiebedarf – oder, wenn ein Auto keinen Auspuff hat, sei es umweltfreundlich – oder, aus Deutschland heraus könne das Klima der Welt gerettet werden. Das alles führt zu katastrophalen Fehleinschätzungen, die Deutschland in Zukunft aus dem Kreis der erfolgreichen Industrienationen hinauskatapultieren.
Zum Resignieren ist allerdings auch kein Anlass, wenn wir die regenerative Energie nicht nur in Deutschland suchen, sondern über den eigenen Tellerrand hinweg dezentral die Länder einbeziehen, die mehr von der Sonnen-Energie profitieren oder darunter leiden wie wir, rund um den 52. Breitengrad. In diesen Tropen und Subtropen liegen vorwiegend die Entwicklungsländer. Sie eignen sich besonders zur Gewinnung von regenerativen Energien.
Dazu habe ich, Jean
Pütz, ein umfangreiches Konzept entwickelt, welches den Ruf ‚Klimarettung‘ verdient. Stichwort: Wasserstoff und daraus produziertes Methanol, das sämtliche Energieträger ersetzen kann auf Basis von vorhandener Infrastruktur für Transport und Verteilung dieses flüssigen Methyl-Alkohols. Die Billiarden-schweren Investitionskosten fallen weg. Aber welche politische Instanz macht sich schon die Mühe, einem kleinen Querkopf wie mir, auch nur Aufmerksamkeit zu schenken – trotzdem entwickelt sich immer mehr vernunftbetonter Widerstand unter Ingenieuren und Chemikern – ein Hoffnungszeichen.
Folge 244 Der Vernunft eine Chance
Wenn Sie sich die Mühe machen wollen, einige meiner Thesen nachvollziehen zu wollen, dann lesen Sie bitte die folgenden Links:
Unendliche Energie durch Fusion? Forschung zu einer neuen, revolutionären Methode!
(Helmholtz) – Gepulste elektrische Felder, die zum Beispiel durch Blitzeinschläge verursacht werden, machen sich als Spannungsspitzen bemerkbar und stellen eine zerstörerische Gefahr für elektronische Bauteile dar. Sie richten beträchtlichen Schaden an. Ein Team vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat jetzt herausgefunden, dass solche Spannungsspitzen durchaus nützliche Eigenschaften haben können. In der Fachzeitschrift Physical Review Research (DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.033153) berichten die Wissenschaftler, wie sich zum Beispiel Kernfusionsprozesse durch extrem starke und schnelle gepulste elektrische Felder deutlich verstärken lassen.
Kernfusionen, wie sie beispielsweise in der Sonne stattfinden, werden durch den quanten-mechanischen Tunneleffekt ermöglicht. „Eine Folge des Tunneleffekts ist es, dass gleichartig geladene Teilchen ihre gegenseitige Abstoßung überwinden können, auch wenn ihre Energie dafür eigentlich gar nicht ausreicht – zumindest nicht nach den Gesetzen der klassischen Mechanik“, sagt Prof. Ralf Schützhold, Leiter der Abteilung Theoretische Physik am HZDR, und fährt fort: „So etwas können wir zum Beispiel bei der Verschmelzung zweier leichter Atomkerne beobachten: Je stärker sich ein Kern dem anderen nähert, desto größer wird die Abstoßung, die wir uns bildlich als einen sich vor dem Kern auftürmenden Berg vorstellen können, die sogenannte Potentialbarriere. Anstatt den energieaufwändigeren Weg über den Gipfel zu nehmen, erlauben die Gesetze der Quantenmechanik, dass der Kern energetisch deutlich günstiger geradewegs durch diesen Berg dringt beziehungsweise ‚hindurchtunnelt‘ – und schließlich fusionieren kann.“
Obwohl der Tunneleffekt in vielen Bereichen der Physik eine wichtige Rolle spielt und erstmals bereits vor fast einhundert Jahren beschrieben wurde, ist unser Verständnis des Vorgangs auch heute noch lückenhaft. „Verschiedene Facetten des Einflusses elektrischer Felder auf Tunnelprozesse waren schon bekannt. So können elektrische Felder die Teilchen zusätzlich beschleunigen und dadurch zu mehr Energie verhelfen. Außerdem können sie die Potentialbarriere deformieren und auf diesem Weg die Tunnelwahrscheinlichkeit erhöhen“, umreißt Dr. Christian Kohlfürst die Situation zu Beginn ihrer Forschungen.
Sein Kollege Dr. Friedemann Queisser bringt ihre Ergebnisse kurz auf den Punkt: „Unsere Berechnungen zeigen jetzt erstmals eine Besonderheit von gepulsten, sich zeitlich schnell verändernden elektrischen Feldern: Sie können dafür sorgen, dass die Teilchen, bildlich gesprochen, aus der Potentialbarriere herausgeschubst werden und so leichter tunneln.“ Das zeigen die Rechnungen des Teams vom HZDR ganz konkret an verschiedenen Beispielen, unter anderem auch an einer für eine mögliche Energieerzeugung interessanten Fusionsreaktion: der Verschmelzung eines Protons mit dem Isotop Bor-11.
Fusionsreaktion mit Vorteilen
Sie ist vor allem aufgrund des relativ leicht verfügbaren Brennstoffs interessant. Dabei entstehen drei jeweils zweifach positiv geladene Alphateilchen. Bemerkenswert an dieser Reaktion: Die Energie wird in Form geladener Teilchen freigesetzt und nicht als Neutronenstrahlung wie bei den derzeit bekanntesten Fusionsreaktionen. Das hat Vorteile: Zum einen würden die Probleme, die mit dem Neutronenfluss verbunden sind, deutlich reduziert, wie etwa die Gefahren im Umgang mit ionisierender Strahlung. Zum anderen kann die Energie geladener Teilchen direkt und damit viel einfacher in Elektrizität umgewandelt werden.
Die für die Nutzung der Reaktion erforderlichen Bedingungen sind jedoch noch extremer als die der im aktuellen Fusionsreaktor-Experiment ITER favorisierten Deuterium-Tritium-Fusion. Die Zündung der Proton-Bor-Reaktion ist im Vergleich dazu schwieriger, die Wissenschaft sucht noch nach gangbaren Wegen. Das Team um Schützhold zeigt nun eine Möglichkeit auf: „Unseren Berechnungen zufolge kann ein hinreichend schnelles und starkes gepulstes elektrisches Feld nicht nur die Deuterium-Tritium-Fusion, sondern auch die Proton-Bor-Reaktion deutlich verstärken.“
Die Erzeugung solcher Felder ist jedoch sehr schwierig. „Wir können uns das prinzipiell wie bei einem Gewitter vorstellen, bei dem sich die in riesigen Wolkenformationen gespeicherte Energie in kürzester Zeit und auf engstem Raum in der Form eines Blitzschlags entlädt. Weltweit sind Anlagen im Bau oder in Planung, die immer höhere Energien auf immer kürzere Zeitspannen und immer kleinere Raumbereiche konzentrieren sollen“, sagt Schützhold. Leider sind die heute verfügbaren Anlagen noch nicht ganz in der Lage, derartig schnelle und starke „künstliche Blitze“ zu erzeugen.
Es gibt aber einen möglichen Ausweg: So kann das elektrische Feld eines schnell und vor allem dicht am Proton vorbeifliegenden Alphateilchens wie ein solches gepulstes elektrisches Feld wirken und so stark zustoßen, dass das Proton die Potentialbarriere von Bor-11 durchtunneln und die Fusionsreaktion auslösen kann. Alphateilchen mit der dafür notwendigen Pulsenergie werden bei der Proton-Bor-Reaktion tatsächlich erzeugt, können aber auch von außen eingeschossen werden.
Habeck: Angeblich 80% regenerative Energie zur Versorgung möglich – ein Plan aus dem Wolkenkuckucksheim
(Morning Briefing) – In der kommenden Woche hat der neue Wirtschafts- und Klimaminister Robert Habeck seinen ersten großen Auftritt vor den Hauptstadtjournalisten. Im Gepäck: Sein Sofortprogramm zum grünen Umbau des Landes.
Fest steht: Habeck will die Öko-Energien bis 2030 zur Hauptenergiequelle des Landes machen, 80 Prozent des Strombedarfs sollen dann aus Wind, Solar & Co. gespeist werden. Dazu muss er rund 16.000 neue Windräder im Land aufstellen und acht Millionen neue Photovoltaik-Anlagen bauen.
In einem 20-seitigen Maßnahmenplan haben die Beamten des Ministeriums dem Minister aufgeschrieben, wie es gehen könnte. Unser Hauptstadt-Team kennt exklusiv Details aus dem Programm:
- Eine Solarpflicht für die Dächer von neuen Gewerbebauten ist demnach geplant.
- Im Planungs- und Genehmigungsrecht soll künftig der Vorrang für Anlagen der Erneuerbaren Energien gelten.
- Auch die Reduzierung der Artenschutz-Klagemöglichkeiten wird empfohlen. Das wäre neu: Kröten und Wandervögel müssen zurückstehen vor dem Ausbau-Interesse der Grünen.
- Geplant sind Steuererleichterungen für ökologische Dachsanierungen, zahlbar an den Eigentümer.
- Großzügige Genehmigung und Förderung von Solardächern auf Parkplätzen und Supermarktdächern.
- Die Reduzierung der Abstandsregeln zwischen Windkraftanlagen und Wohnbebauung, die bisher vor allem von grünen Bürgerinitiativen abgelehnt wird.
Das Maßnahmenpaket von Robert Habeck lesen Sie im Newsletter Hauptstadt Das Briefing, der werktäglich ab sechs Uhr verschickt wird, und den Sie hier bestellen können.
Es klingt wie Reklame und ist doch mittlerweile die Realität: Mit dem, was die Pioneer-Redaktion täglich zusammenträgt, sind Sie schneller, tiefer und präziser informiert als mit jeder Tageszeitung.
Kohlenstoffanteil der verschiedenen fossilen Energieträger ( Grundlage zur Berechnung)
Nasenspray schützt vor Corona-Infektion
(pte) – Forscher der Universität Helsinki haben ein Nasenspray entwickelt, das vor einer Ansteckung mit dem Coronavirus und seinen Varianten schützen soll. Es wirkt laut den Experten von der ersten Minute der Anwendung an und verhindert für etwa acht Stunden, dass sich die gefährlichen Mikroorganismen einnisten.
Bei Mäusen funktioniert es
Eigenen Angaben der finnischen Fachleute nach verhindert der Wirkstoff, dass sich das Spike-Protein des Virus, das wie eine Nadelspitze aus dem Mikroorganismus herausragt, an eine Körperzelle andocken und sie infizieren kann. „TriSP92“ heißt das Molekül, das die Forscher entwickelt haben. „In Tiermodellen bot nasal verabreichtes TriSb92 Schutz vor Infektionen in einer Expositionssituation, in der sich alle ungeschützten Mäuse infizierten“, sagt Postdoktorandin Anna Mäkelä, die Erstautorin der Studie
„Da die hemmende Wirkung des TriSb92-Moleküls auf eine Stelle des Coronavirus-Spike-Proteins zielt, die alle Varianten des Virus haben, verhindert es Infektionen mit jeglicher Form des Virus, einschließlich Omikron“, so Mäkelä. In Modellvirusstudien konnte TriSb92 sogar die Ausbreitung von SARS verhindern, dem Virus, das Anfang der 2000er-Jahre aufkam. „Wir können ziemlich zuversichtlich davon ausgehen, dass künftige Varianten von SARS-CoV-2 und vielleicht sogar ganz neue Coronaviren, die Pandemien zu verursachen drohen, daran gehindert werden, dass sie sich einnisten“, glaubt die Virologin.
Spray ersetzt Impfung nicht
Das Spray kann die Impfung aber nicht ersetzen, betonen die Virologen. Es sei lediglich für den kurzfristigen Schutz vorgesehen, wenn Menschen in eine Situation geraten, in der sie sich infizieren können. Auch diejenigen, die sich aus medizinischen Gründen nicht impfen lassen können, ließen sich mit dem Spray schützen. Zudem auch Menschen, deren Immunsystem auf eine Impfung zu schwach reagiert, sodass sie vor einer Ansteckung nicht geschützt sind. Noch in diesem Frühjahr sollen klinische Tests erfolgen.
Batterie für Windstrom auf dem Meeresgrund
Eine interessante Idee, physikalisch astrein. Allerdings glaube ich nicht, dass dies ausreicht, um den wechselnden Windeinfluss zu kompensieren. Außerdem müssten mindestens 1000 Meter tiefe vorhanden sein, die in den Offshore-Windparks nicht vorhanden sind, denn das Fundament der Offshore-Windräder ist maximal 50 Meter tief.
Jean Pütz
(pte) – Mit einem Stromspeicher auf dem Meeresgrund sichern Forscher des Unternehmens Ocean Grazer die kontinuierliche Stromlieferung durch Offshore-Windkraftwerke – auch dann, wenn der Wind schwächelt oder gar nicht weht. Heutzutage liefern Wind- und Solarkraftwerke nur Strom, wenn Wetter und Tageszeit es zulassen. Die „Ocean Battery“ überbrückt die Zeiten, in denen Flaute herrscht.
Betontank mit 20 Mio. Litern
Die Batterie auf dem Meeresgrund besteht aus drei Komponenten. Die erste ist ein Betontank, der weitgehend im Meeresboden verbuddelt wird und bis zu 20 Mio. Liter fasst. Er ist verbunden mit dem eigentlichen Kraftwerk, in dem sich eine Pumpe, eine Turbine und ein Generator befinden. Die dritte Komponente besteht aus einem druckfesten, langgestreckten Ballon, der auf dem Meeresboden verankert ist.
Erzeugen die zugehörigen Windgeneratoren mehr Strom, als das Netz aktuell verkraften kann, wird dieser genutzt, um die Pumpe im Kraftwerk laufen zu lassen. Sie drückt Wasser aus dem Betontank in die flexible Hülle, die immer dicker wird, bis der Nenndruck erreicht ist. Ein Ventil sorgt dafür, dass das Wasser nicht gleich wieder zurück in den Betontank fließt. Herrscht Strommangel, wird genau dieses Ventil geöffnet. Die Wassersäule über dem flexiblen Tank drückt das Wasser ins Kraftwerk. Dort treibt es eine Turbine an, die mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden ist und landet schließlich wieder im Betontank.
Lebensdauer rund 20 Jahre
Der neue Stromspeicher, der den Niederländern vorschwebt, hat eine Kapazität von 20 Megawattstunden. Dies ist der Jahresverbrauch von fünf Haushalten. Das klingt wenig, doch wenn tausende Offshore-Windgeneratoren mit einem solchen Puffer ausgestattet werden, lässt sich beachtlich viel Überschussstrom speichern. Der Wirkungsgrad soll bei 70 bis 80 Prozent liegen, die Lebensdauer bei 20 Jahren.
Ein ähnliches Konzept haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik entwickelt und 2017 erfolgreich getestet. Sie versenkten einen Kugeltank aus Beton vor Überlingen im Bodensee. Einströmendes Wasser wurde mithilfe einer Turbine und eines Generators in Strom umgewandelt. Umgekehrt wurde Wasser aus dem Tank herausgepresst, wenn Überschussstrom zur Verfügung stand.
Aus klimaschädlichem CO2 werden nützliche Chemikalien
(Fraunhofer) – Aus Kohlenstoffdioxid wichtige Ausgangsmaterialien für Feinchemikalien machen – das funktioniert tatsächlich: Einem Forscherteam des Fraunhofer IGB ist es im Max-Planck-Kooperationsprojekt eBioCO2n erstmals gelungen, CO2 in einer auf dem Transfer von Elektronen basierenden Enzymkaskade zu fixieren und in einen festen Ausgangsstoff für die chemische Industrie umzuwandeln. Das Verfahren zur elektrobiokatalytischen CO2-Fixierung wurde bereits publiziert und gilt als »Hot Paper«.
Durch die Verbrennung von fossilen Rohstoffen entsteht klimaschädliches Kohlenstoffdioxid, das als Treibhausgas eine große Rolle bei der Erderwärmung spielt. Dennoch ist Erdöl aktuell immer noch einer der wichtigsten Rohstoffe – nicht nur als Energieträger, sondern auch als Ausgangsmaterial für die chemische Industrie und damit für zahlreiche Dinge unseres Alltags, wie Medikamente, Verpackungen, Textilien, Reinigungsmittel und mehr. An verschiedenen Alternativen für fossile Quellen wird daher intensiv geforscht.
Nachwachsende Rohstoffe sind eine zukunftsträchtige Möglichkeit, aber nicht die einzige alternative Rohstoffbasis, um die Verfügbarkeit von grünen Syntheseprodukten in den nächsten Jahren abdecken zu können. Eine nachhaltige Ergänzung hierzu im Sinne einer kreislauforientierten Kohlenstoffwirtschaft ist die Möglichkeit, CO2 gezielt und unter milden.
Abscheidung aus der Luft für weniger CO2-Emissionen
Einem Forscherteam am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ist es nun gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und der TU München erstmals gelungen, CO2 elektrobiokatalytisch in wertvolle Substanzen für die chemische Industrie umzuwandeln. Durch Kombination verschiedener Ansätze aus Bioelektrochemie, Enzymbiologie und synthetischer Biologie wurden hierfür spezielle Bioelektroden entwickelt, um mit Strom aus erneuerbarer Energie Enzyme anzutreiben, die in einer gekoppelten Reaktion ähnlich der Photosynthese feste organische Moleküle aus dem Treibhausgas herstellen.
Ziel ist es, damit CO2 direkt aus der Luft abzuscheiden: »Das Verfahren könnte dann nicht nur dazu beitragen, dass die Industrie auf fossile Rohstoffe verzichten kann, sondern durch die CO2-Reduktion die Klimawende außerdem aktiv vorantreiben«, erklärt Dr. Michael Richter, Leiter des Innovationsfelds Bioinspirierte Chemie am Fraunhofer IGB. »Zunächst ging es uns jedoch darum zu zeigen, dass unsere Idee überhaupt funktioniert, eine solch komplexe biokatalytische Multienzym-Reaktion auf diese Art mit Strom anzutreiben.«
Hydrogel transportiert Elektronen für CO2-fixierende Enzyme
Mit Erfolg: Die Forschenden haben sich vom Stoffwechsel der Mikroorganismen inspirieren lassen und ein strombasiertes Verfahren für die CO2-Fixierung entwickelt. Hauptakteure sind CO2 fixierende Enzyme, die von den Kollegen Dr. David Adam und Prof. Tobias Erb, Direktor am MPI in Marburg, entwickelt wurden. Eine Herausforderung bestand nun darin, die CO2-fixierenden Enzyme kontinuierlich mit den für die Reduktion von CO2 benötigten Elektronen zu versorgen, die regenerativer Strom liefern kann. Dies gelang durch Einbettung der Enzyme in ein redoxaktives Hydrogel, wodurch sie elektrochemisch so angetrieben werden können, dass sie Kohlenstoffdioxid an ein Substrat binden und damit in einen wertvollen Zwischenstoff umwandeln. »Das Verfahren ist ein sehr effizienter Reaktionsweg, eine reduktive Carboxylierung, die sehr ökonomisch und sauber abläuft, weil man keine weiteren Substanzen im System braucht – lediglich Kohlenstoffdioxid, Substrat und Elektronen, bevorzugt aus erneuerbaren Quellen«, erläutert Dr. Leonardo Castañeda-Losada, der in seiner Doktorarbeit auf dem Gebiet der Elektrobiokatalyse forschte und nun am Fraunhofer IGB gemeinsam mit Dr. Melanie Iwanow und Dr. Steffen Roth im Projekt arbeitet.
Die an der TU München am Lehrstuhl von Prof. Nicolas Plumeré eigens entwickelten Hydrogele, in denen die Enzyme ihre Arbeit verrichten, sind so modifiziert, dass sie Elektronen gut leiten und den Biomolekülen gleichzeitig optimale Arbeitsbedingungen bieten. »So können wir nicht nur Monolagen an Enzymen einsetzen, sondern dies auch dreidimensional um ein Vielfaches erweitern, da die Elektronen im Gel an jeden Ort geleitet werden. Das sind gute Voraussetzungen für eine zukünftige Skalierung des Verfahrens für die chemische Industrie«, verdeutlicht Prof. Volker Sieber, der am Straubinger Institutsteil des Fraunhofer IGB schon lange Strategien zur CO2-Speicherung verfolgt.
Cofaktoren werden gleichzeitig permanent regeneriert
Der völlig neue Ansatz der Forschenden beruht aber nicht nur auf der Tatsache, dass eine enzymatische Reaktionssequenz erfolgreich mit Strom angetrieben werden kann, sondern beinhaltet auch ein weiteres äußerst innovatives Modul: Damit die Reaktionen wie gewünscht ablaufen und am Ende eine möglichst hohe Produktausbeute steht, braucht es in dem Fall eine kontinuierliche Zufuhr an »Doping« fürs Enzym: die passenden und funktionalen Cofaktoren. Diese kleinen, organischen Moleküle werden im Lauf jeder einzelnen Reaktion verbraucht und müssen regeneriert werden, um wieder einsatzfähig zu sein. Sie in großen Mengen neu bereitzustellen, ist sehr teuer und damit für die Industrie unwirtschaftlich. Deshalb haben die eBioCO2n-Experten eine Möglichkeit gefunden, um sie mithilfe von Strom innerhalb des gleichen Reaktionssystems in den Hydrogelen wieder erneuern zu können – theoretisch unendlich lange. »Eigentlich müsste man nur ein einziges Mal Cofaktor ins System geben, und dieser würde dann immer wieder automatisch regeneriert. Aber in der Praxis funktioniert das nur annähernd so gut, weil der Cofaktor nicht unendlich lange stabil bleibt – aber durchaus schon sehr lange«, sagt Richter.
Für den bioelektrokatalytischen Recyclingprozess der Cofaktoren steht den Forschenden sogar ein ganzer Werkzeugkasten an unterschiedlichen Enzymen zur Verfügung, die sie aus verschiedenen Organismen aufgespürt haben. So ist das Spektrum dieser Biomoleküle für weitere Arbeiten je nach Anwendung modulartig erweiterbar und als Plattformsystem verwendbar. »Man kann aus bioinformatischen Datenbanken praktisch beliebig Enzyme auswählen, diese biotechnologisch herstellen und in die Hydrogele einbauen«, sagt Richter. »So wäre die Herstellung verschiedener biobasierter Feinchemikalien denkbar, die man bei entsprechendem Ausbau über weitere Enzymkaskaden praktisch nach Bedarf diversifizieren könnte.“« Hier bringt inbesondere das Marburger MPI seine Expertise ein. Gelingt dies in einer entsprechenden Skalierung, könnte die Plattformtechnologie ein zukunftsträchtiges Geschäftsmodell für die chemische Industrie werden.
Plattformsystem soll beliebig erweiter- und skalierbar werden
Mithilfe der bioinspirierten CO2-Fixierung aus dem Labor konnte man am Fraunhofer IGB ein Coenzym-A-Derivat carboxylieren, ein für viele Stoffwechselvorgänge in Lebewesen wichtiges Biomolekül. »Hierbei handelt es sich um das bislang anspruchsvollste Molekül, an das auf biokatalytischem Weg CO2 fixiert werden konnte«, so Richter. »Das ist bei weitem nicht selbstverständlich, eine so große und strukturell anspruchsvolle Substanz mit dieser Technologie zu modifizieren.« Nun steht für die Forschenden die letzte Herausforderung an: zu beweisen, dass ihre Idee zuverlässig und skalierbar funktioniert sowie modular erweitert werden kann. Am IGB ist man jedoch optimistisch, vor allem auch vor dem Hintergrund eines gut funktionierenden interdisziplinären Teams, wie der Wissenschaftler betont. In Folgeprojekten sollen dann auch möglichst schnell Industriepartner mit einbezogen werden.
Aus CO2 kann mit Katalysatoren und Elektrolyse Kunststoffe und Sauerstoff gewonnen werden
(pte) – Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) http://mit.edu haben einen Weg gefunden, CO2 ähnlich wie Wasser per Elektrolyse in industriellem Maßstab zu spalten. Dazu wird es in Wasser gelöst und einer elektrischen Spannung ausgesetzt. Je nach Prozessführung entsteht dabei neben Sauerstoff reiner Kohlenstoff, ein chemischer Rohstoff oder Sprit für Autos, Flugzeuge und Schiffe.
Spannung kurz abschalten
Nach mehr oder weniger kurzer Zeit spaltet der Elektrolyseur nicht mehr CO2, sondern Wasser, was in diesem Zusammenhang unerwünscht ist, weil es den Wirkungsgrad des Prozesses schmälert, auf den es ankommt, eben die Umwandlung von CO2 in nützliche Produkte. Der Elektrolyseur weicht auf die Wasserspaltung aus, weil sich nach einer gewissen Zeit in der Nähe der Elektroden kaum noch CO2-Moleküle befinden, denn sie alle sind aufgespalten worden.
Wird die Spannung nicht kontinuierlich aufrechterhalten, sondern ab und zu der Strom ausgeschaltet, kann die CO2-Konzentration nahe den Elektroden wieder steigen, so dass der erwünschte Spaltungsprozess wieder beginnt, wenn die Spannung erneut aufgebaut wird. Mitentscheidend für den Erfolg des Prozesses ist der Katalysator, der die Spaltung ermöglicht.
Maschinenlernen unterstützt
Kripa Varanasi und sein Post-Doc Alvaro Moreno Soto sowie Doktorand Jack Lake haben mit drei verschiedenen Katalysatoren gearbeitet und sich dabei auf die Entwicklung eines Sensorsystems konzentriert. Dieses soll exakte Infos darüber liefern, wann der richtige Zeitpunkt zum Abschalten und Wiedereinschalten des Stroms ist.
Die MIT-Forscher haben ausgefeilte Analysetechniken einschließlich Gaschromatografie eingesetzt und landeten schließlich bei einer einfachen pH-Analyse. Sie gibt Aufschluss über den Säuregehalt des Wassers. Er nimmt ab, je weniger CO2 darin gelöst ist. Diese Möglichkeit, die Reaktion in Echtzeit einfach zu überwachen, könnte zu einem System führen, das durch maschinelles Lernen optimiert wird und die Produktionsrate der gewünschten Verbindungen durch kontinuierliches Feedback steuert, sagt Soto abschließend.