Hoffnungsträger CO2-Elektrolyse - eine Chance?

Mit der Aufgabe der Dekarbonisierung in der Industrie stehen zahlreiche Unternehmen massiv unter Druck. Ein neuer Hoffnungsträger in diesem Transformationsprozess ist die elektrochemische Umwandlung von Kohlenstoffdioxid in Ethylen (C2H4). Dieser Prozess verspricht, ein Treibhausgas direkt in einen der wertvollsten Grundstoffe der chemischen Industrie zu verwandeln und damit die Basis für eine nachhaltige Kohlenstoffwirtschaft zu legen.

Das technische Prinzip, oft als Power-to-Ethylene bezeichnet, basiert auf der direkten CO2-Elektrolyse. In einer spezialisierten Elektrolysezelle wird CO2 unter Zufuhr von elektrischer Energie und Wasser an einem Katalysator reduziert. Im Gegensatz zur einfachen Wasserelektrolyse zur Wasserstoffgewinnung stellt die Reduktion von CO2 zu Ethylen einen komplexen Multi-Elektronen-Transfer dar, bei dem zwei Kohlenstoffatome gekoppelt werden müssen. Die größte technologische Hürde liegt hierbei in der Selektivität, auch Faraday-Effizienz genannt. Da an der Kathode konkurrierende Reaktionen stattfinden, entstehen oft unerwünschte Nebenprodukte wie Kohlenmonoxid, Methan oder Wasserstoff. Die Forschung konzentriert sich daher auf das Design hochspezialisierter Kupfer-Katalysatoren, die durch Nanostrukturierung die Bildung von Ethylen begünstigen. Zudem erschweren die chemische Instabilität der Komponenten in alkalischer Umgebung sowie die Bildung von Carbonaten die Skalierung auf industrielle Multi-Megawatt-Anlagen, wie sie das Fraunhofer UMSICHT derzeit untersucht.

Unter ökonomischen Gesichtspunkten gibt es, wie zu erwarten, deutlichen Unterschiede zwischen dem hocheffizienten, fossil basierten Steam Cracking und der noch jungen Elektrolyse-Variante. Das herkömmliche Verfahren ist seit Jahrzehnten optimiert und dominiert den Markt mit Preisen zwischen 400 und 1.000 Dollar pro Tonne, verursacht jedoch massive CO2-Emissionen. Die direkte CO2-Elektrolyse versucht, den sogenannten Green Premium Aufpreis zu eliminieren, ist jedoch extrem stromintensiv. Die Stromkosten machen bis zu 80 Prozent der Betriebskosten aus, weshalb die Wirtschaftlichkeit massiv von günstigen erneuerbaren Energien und steigenden Preisen für CO2-Zertifikate abhängt. Im Vergleich zu anderen grünen Alternativen, wie der zweistufigen Hydrierung über Wasserstoff oder der oxidativen Kopplung von Methan, bietet die direkte Elektrolyse den Vorteil, den verlustbehafteten Umweg über die separate Wasserstoffproduktion zu überspringen.

Das Fraunhofer Institut UMSICHT hat 2024 erfolgreich Elektrolysezellen entwickelt, die CO2 direkt in Ethylen umwandeln, wobei der Fokus inzwischen auf der Systemintegration und der Skalierbarkeit liegt. Start-ups wie Dioxycle arbeiten bereits daran, die Energieeffizienz so weit zu steigern, dass die Kosten in Regionen mit günstigen Strompreisen (z.B. Südeuropa) konkurrenzfähig werden.

Das Potenzial dieser Technologie ist angesichts einer Weltproduktion von über 200 Millionen Tonnen Ethylen pro Jahr gigantisch. Ethylen bildet den fundamentalen Baustein für eine Vielzahl von Alltagsprodukten, von Polyethylen-Verpackungen über PET-Flaschen bis hin zu Frostschutzmitteln und synthetischen Kraftstoffen für die Luftfahrt.

Pionierprojekte wie die der Rohrdorfer Zementwerke demonstrieren bereits die praktische Umsetzung des Carbon-Capture-and-Utilization-Ansatzes, indem sie CO2 aus der Abgasreinigung direkt als Rohstoffquelle nutzen. Damit wandelt sich das Treibhausgas vom Klimakiller zum wertvollen Kreislaufgut. Obwohl grünes Ethylen derzeit noch das Doppelte bis Dreifache der fossilen Variante kostet, rückt die wirtschaftliche Realität durch technologische Fortschritte und regulatorische Druckmittel stetig näher. Sobald die Katalysatoren eine ausreichende Langzeitstabilität erreichen und die Strominfrastruktur den Bedarf deckt, könnte die CO2-Elektrolyse zum Rückgrat einer vollständig defossilisierten Chemieindustrie werden.

Anmerkung: Es gibt zahlreiche Prozesse, die CO2-reiche Quellen für eine solche Elektrolyse darstellen. Namentlich die Zementproduktion kann die Freisetzung des im Gestein gebundenen CO2 bei der Herstellung nicht verhindern. Anders sieht es bei der Gewinnung von ausreichend CO2 aus CO2-armen Quellen oder gar der Umgebungsluft mit ihrem sehr geringen Anteil an CO2 aus. Das jedoch ist ein anderes Thema!

Interessanter Link zu diesem Thema: Das Projekt H2-Reallabor https://www.reallabor-burghausen.de/h2-reallabor/ - Integration eines Zweiwege-SOFC-Systems an einer Biogasaufbereitungsanlage zur Produktion von Strom oder (aus dem Biogas) Wasserstoff und flüssigem CO2, um damit die Direktelektrolyse zu grünem Ethylen zu betreiben.

© Gerald Friederici 01/2026