Das Element steckt in hochwirksamen Antibiotika, ist unverzichtbar, um Trinkwasser sicher zu machen, und spielt eine Schlüsselrolle bei der Herstellung von Computerchips und Hightech-Materialien. Und trotzdem hat es einen schlechten Ruf. Denn das Element ist als Gas hochgiftig, und seine Herstellung verschlingt enorme Mengen fossiler Energie. Die Rede ist von Chlor. Der Stoff ist überall – und auf absehbare Zeit nicht zu ersetzen. Doch eine neue Technik schickt sich nun an, die beiden größten Probleme des Alleskönners gleichzeitig zu lösen. Sie basiert auf einer exotischen Form von Lösungsmitteln, sogenannten ionischen Flüssigkeiten, und könnte dabei helfen, eines der wichtigsten Elemente der Chemie künftig nachhaltig und gefahrlos zu nutzen.

Allein in Deutschland produziert die chemische Industrie jedes Jahr rund 5,5 Millionen Tonnen Chlorgas durch die enorm energieintensive Chloralkalielektrolyse (CAE). Diese Technik ist in ihren Grundlagen fast 150 Jahre alt. Man legt dabei eine elektrische Spannung an eine Lösung von Kochsalz an, erzeugt so Chlor, Wasserstoff und Natriumhydroxid und verbraucht riesige Mengen Energie. 2,3 Prozent des deutschen Strombedarfs gehen in diese Produktion. Ein weiteres Problem dabei ist, dass man das hochgiftige, gasförmige Chlor nur ungern in großen Mengen speichern möchte. Das meiste hergestellte Gas verbraucht man deswegen direkt in nachgelagerten Prozessen. Dazu muss Chlor permanent zuverlässig nachproduziert werden. Da erneuerbare Energien aber nicht permanent in gleichem Maß zur Verfügung stehen, kommt der Strom dafür bisher aus fossilen Quellen.

Kann die Chemie ob dieser Nachteile komplett auf Chlor verzichten? Dabei gibt es gleich mehrere Probleme – denn Chlor bietet große Vorteile. So macht gerade die gefürchtete Reaktivität das Element zu einem idealen Synthesebaustein. Es knüpft einerseits zwar starke Bindungen zu anderen Elementen wie Kohlenstoff, andererseits sind Chemiker aber auch in der Lage, diese mit wenig Aufwand durch eine große Vielfalt anderer Baueinheiten zu ersetzen. Chlor ist daher wie ein idealer Legostein, der einfach an vielen Stellen eingesetzt und wieder ausgetauscht werden kann.

Der perfekte Legostein

Deshalb enthalten viele großtechnische Zwischenprodukte wie Phosgen, Vinylchlorid, oder Epichlorhydrin Chloratome. Sie dienen dort als Platzhalter, an denen weitere Reaktionen stattfinden können. Mitunter ist Chlor auch explizit im Molekül erwünscht, da es ihm besondere Eigenschaften verleiht. Chloratome können zum Beispiel einen Wirkstoff besser fettlöslich machen oder seinen enzymatischen Abbau erschweren. Ein Arzneistoff etwa bleibt so länger im Körper, ist chemisch stabiler oder wirkt weit stärker als chlorfreie Vorläufermoleküle. Rund 20 Prozent aller molekularen Medikamente enthalten Chloratome.

Etwa 20 Prozent aller molekularen Medikamente enthalten Chloratome

Sogar die Chloralkalielektrolyse steht auf den zweiten Blick deutlich besser da. Zum einen nämlich liefert die CAE neben Chlor auch Natronlauge – und dieses Koppelprodukt ist als eine der wichtigsten Basen in der Chemie fast ebenso unverzichtbar wie Chlor. Im Jahr 2023 wurden allein in Deutschland 2,7 Millionen Tonnen Natronlauge produziert. Sie ist für eine Vielzahl von chemischen Prozessen essenziell und spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Seifen, Papier, Textilien, Reinigungsmitteln, in der Wasseraufbereitung sowie in der Lebensmittelindustrie.

Zum anderen erfüllt die CAE fast alle Anforderungen an eine moderne Chemie, die wir so dringend für die Transformation der chemischen Industrie benötigen. Das CAE-Verfahren nutzt Ressourcen bereits erstaunlich effizient und basiert ausschließlich auf den natürlichen Rohstoffen Wasser und Natriumchlorid, welche durch elektrischen Strom zur Reaktion gebracht werden. Die dabei gebildeten Koppelprodukte Natronlauge und Wasserstoff stellen ebenfalls wichtige Basischemikalien dar, Wasserstoff kann sogar als Energieträger fungieren. Somit erzeugt die CAE fast ausschließlich industriell bedeutende Basischemikalien. Hingegen fallen kaum niederwertige Nebenprodukte oder Abfallstoffe an.

Ohne Chlor und die Chloralkalielektrolyse wird es deswegen auch in Zukunft nicht gehen. Durch neue technologische Ansätze wird sich die Ressource Chlor effizienter und nachhaltiger nutzen und zurückgewinnen lassen.

Das große Speicherproblem

Für eine neue Chlor-Ökonomie fehlt vor allem eine Möglichkeit, das Gas sicher und in großen Mengen zu speichern. Damit nämlich könnte man Chlor nicht nur besser handhaben, sondern dank der Pufferwirkung großer Speicher auch den grünen Strom für die Chloralkalielektrolyse nutzen, der bisher zu variabel ist. Heute speichert man Chlor, indem man es unter hohem Druck verflüssigt und in speziellen druckstabilen Tanks lagert – eine herausfordernde und potenziell riskante Technik. Wenn so ein Tank leckschlägt, strömen große Mengen Chlorgas aus, das schwerer ist als Luft. In Deutschland regeln deswegen gesetzliche Vorgaben und technische Regeln, wie weit chlortechnische Anlagen etwa von Wohngebieten entfernt sein müssen, um die Sicherheit der Umgebung zu gewährleisten.

Jenseits dessen liegen die größten Probleme im enormen Energiebedarf und dem daraus resultierenden großen CO₂-Fußabdruck. Tatsächlich lässt sich das Speicherproblem aber überraschend einfach lösen – und die Chloralkalielektrolyse gleichzeitig mit grünem Strom betreiben. Die Lösung basiert zum einen auf der etwas ungewöhnlichen Neigung von Chlor und seinen chemischen Verwandten, negativ geladene Atomketten zu bilden, so genannte Polyanionen. Zum anderen nutzt sie die besonderen Eigenschaften Ionischer Flüssigkeiten.

Ionische Flüssigkeiten sind eine bestimmte Klasse von Salzen mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 100 Grad Celsius. Varianten dieser Stoffe sind bereits bei Raumtemperatur flüssig und haben einen sehr geringen Dampfdruck, sind auch bei hohen Temperaturen stabil, leiten elektrischen Strom gut und sind wenig viskos. Zusätzlich kann man ionische Flüssigkeiten speziell designen, um gewünschte Eigenschaften zu erhalten. Eine Gruppe unter diesen Salzen sind reaktiv-ionische Flüssigkeiten, die auf Polyhalogeniden basieren – negativ geladenen Ketten aus den Halogenen Brom, Chlor und Jod. Diese entstehen, wenn sich die einfachen Halogenide, negativ geladene Einzelatome wie Chlorid, mit den ungeladenen zweiatomigen Gasmolekülen (Cl₂) verbinden.

Komplexe Strukturen aus reinem Chlor

Polyhalogenide des schweren Iods sind schon seit über 200 Jahren bekannt – zum Beispiel in der rotbraunen und desinfizierenden Jodtinktur. Ganz anders sieht es für die leichteren Polyhalogenide von Brom und Chlor aus. Einige Vertreter wurden bereits vor 100 Jahren entdeckt, doch lange hatte sie kaum jemand systematisch untersucht oder gar genutzt. Das änderte sich um das Jahr 2010, als einige Wissenschaftler neue Wege fanden, diese interessanten Verbindungen in beziehungsweise als ionische Flüssigkeiten herzustellen und zu charakterisieren. Dabei zeigte sich zuerst, dass Polybromide mit geeigneten Kationen ebenfalls Salze bilden, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Und damit lag nahe: Auch Chlor sollte solche ionischen Flüssigkeiten mit Polychlorid-Anionen bilden können.

Könnte man Chlorgas einfach in derartige Stoffe umwandeln, wäre das ein echter Gamechanger für die Chlorchemie. Denn eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität kann man einfach durch Pipelines pumpen und in Tanks lagern. Mögliche Leckagen setzen zudem nicht mehr automatisch große Mengen Chlorgas frei. Die aufwändige Technik zur Speicherung aggressiven Chlorgases kann entfallen und das Gefährdungspotenzial sinkt dadurch deutlich.

Allerdings sind Polychloride wesentlich schwieriger herzustellen als Polyiodide und Polybromide: Die Atomgröße nimmt von Jod über Brom zu Chlor hin ab. Je kleiner das Atom, desto unwilliger bilden sich die Ketten aus ihren Bestandteilen, den einzelnen geladenen Ionen und freien zweiatomigen Molekülen. Grundvoraussetzung, dass die Ketten überhaupt entstehen, ist ein möglichst »nacktes« Chloridion (Cl^–), das keinen starken Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel unterliegt.

Wie Chlor ein Salz verflüssigt

Liegt ein solches nacktes Chlorid vor, kann es seine negative Ladung nutzen, um Chlormoleküle (Cl₂) an sich zu binden. So entsteht zuerst Cl₃^–, das kleinste und stabilste der Polychloride. Ist das so gebildete Anion von geeigneten großen und schwach bindenden Kationen stabilisiert, bildet es keine festen Salze mit geordneten Strukturen, sondern formt ionische Flüssigkeiten aus. Je nach verwendetem Kation sind diese auch bei Raumtemperatur flüssig. Der Clou ist, dass der Prozess damit nicht endet. Bis zu sechs Cl₂-Moleküle kann ein Chloridion binden und auf diese Weise höhere Polyanionen wie Cl₁₃^– bilden. Sie ordnen sich dann nicht mehr zu Ketten, sondern eher zu verzweigten Bäumchen. Das bedeutet: Ionische Flüssigkeiten auf Basis von Cl₃^– können große Mengen weiteren Chlors aufnehmen – und zwar nicht gelöst, sondern chemisch gebunden.

Das interaktive Periodensystem der Elemente auf »Spektrum.de«

Aber es dauerte lange, bis entsprechende ionische Flüssigkeiten aus Polychloriden auch tatsächlich hergestellt werden konnten. Erst im Jahr 2021 gelang dies Wissenschaftlern an der Freien Universität Berlin. Bei Zugabe von Chlorgas zu einfachen organischen Chloridsalzen wie zum Beispiel Triethylmethylammoniumchlorid ([NEt₃Me]Cl) bildet sich das entsprechende Polychlorid [NEt₃Me][Cl₃], eine über Jahre stabile, ionische Flüssigkeit mit sehr geringem Dampfdruck von 200 Millibar bei 25 Grad Celsius – das heißt, es verdampft etwa so leicht wie 60 Grad heißes Wasser. Dieses neuartige Material ist, wie oben beschrieben, in der Lage, weiteres Chlor aufzunehmen.

Dadurch erhöht sich der Dampfdruck etwas. Die größeren Chlormoleküle sind weniger stabil, da eine Ladung nicht wie in Cl₃^– auf ein einzelnes Cl₂-Molekül verteilt wird. Doch selbst die voll »beladene« ionische Flüssigkeit ist bei Weitem nicht so flüchtig wie elementares Chlor. Man erhält somit einen idealen Chlorspeicher, der in der Lage ist, bis zu 0,79 Kilogramm Chlor pro Kilogramm des Salzes [NEt₃Me]Cl zu binden. Durch Erwärmen auf zum Beispiel nur 80 Grad Celsius entlädt sich der Speicher wieder, und Chlorgas entweicht. Den nun unbeladenen Speicher [NEt₃Me]Cl kann man anschließend erneut mit Chlor befüllen. Und nicht nur mit Chlor ist diese Speicherung möglich, sondern auch mit weiteren Molekülen wie Chlorwasserstoff (HCl), einer weiteren sehr wichtigen Industriechemikalie.

Tausende Tonnen an Chlor ließen sich durch diese Technologie in einem Tank lagern. Des Weiteren wird der Transport deutlich einfacher und sicherer, da im Prinzip kein Druckgasbehälter mehr befördert werden muss. Nach dem Transport lässt sich der entladene Speicher wiederverwenden. Auch jenseits von Lagerung und Transport hätte das enorme Vorteile. Da eine solche an Luft handhabbare Flüssigkeit sehr viel weniger gefährlich ist als Chlorgas, könnten die gesetzlich vorgeschriebenen Sicherheitsabstände geringer werden. Auch der Umgang mit Chlor im Labor wäre einfacher und kostengünstiger, das Element ließe sich zum Beispiel leichter dosieren.

Wie ionische Flüssigkeiten das Stromnetz stabilisieren

Vor allem aber löst die Technik ein zentrales Problem der Chlorchemie, das die Chloralkalielektrolyse ineffizienter macht, als sie eigentlich sein könnte, und den Übergang zu erneuerbaren Energien behindert. Da man bisher Chlor nicht in großen Mengen über längere Zeit lagern kann, muss das Chlor, das gebraucht wird, direkt hergestellt werden – und hergestelltes Chlor direkt verbraucht. Damit stehen die kontinuierlich auf Nachschub angewiesenen chemischen Prozesse in Kontrast zur schwankenden Verfügbarkeit erneuerbarer Energien.

Das ändert sich, wenn man Chlor über reaktiv-ionische Flüssigkeiten kostengünstig, sicher und in deutlich größeren Mengen als bisher speichern oder lagern kann. So kann man den Stoff flexibel gerade dann erzeugen, wenn genügend Strom zur Verfügung steht, und chemische Folgeprozesse trotzdem über Tage hinweg kontinuierlich mit Chlor versorgen. Zusätzlich kann der Chlorspeicher als indirekter Energiespeicher für das Stromnetz dienen. Das funktioniert ähnlich wie ein Pumpspeicherkraftwerk.

In Zeiten reichlicher und billiger Energie fährt man dabei die CAE bei möglichst hoher Leistung und lagert das entstehende Chlor ein, vergleichbar mit dem Hochpumpen von Wasser in einem Pumpspeicherkraftwerk. Ist Energie knapp und teuer, fährt man die CAE herunter und entnimmt Chlor aus dem Speicher, vergleichbar mit dem Ablassen von Wasser durch die Turbinen. Allerdings fließt hier kein Strom ans Netz zurück, stattdessen sinkt der Verbrauch. In Bezug auf die Netzflexibilität zeigt sich jedoch kein Unterschied. Wegen des hohen Energiebedarfs der CAE kann man auch dadurch Verbrauchsspitzen im Stromnetz dämpfen.

Erste Abschätzungen haben gezeigt, dass in dem Volumen von zwei olympischen Schwimmbecken (zirka 4000 Kubikmeter), die mit ionischer Flüssigkeit auf Polychloridbasis gefüllt sind, ungefähr die gleiche Energiemenge gespeichert werden kann wie im Pumpspeicherkraftwerk Wehr im Schwarzwald. Das stellt mit seinem Volumen von 4,4 Millionen Kubikmetern Wasser eine Energie von rund sechs Gigawattstunden zur Verfügung. Somit hat diese neue Technologie nicht nur das Potenzial, die Chlorproduktion flexibler und sicherer zu machen, sondern kann auch maßgeblich zur Netzstabilität und zum Ausbau der erneuerbaren Energien beitragen. 

Die große Transformation

Weiteres Potenzial steckt in der Natur der chemischen Bindungen innerhalb der langen Chlorverbindungen. In reaktiv-ionischen Flüssigkeiten auf Basis von Polychloriden ist das Chlor bereits voraktiviert. Das heißt, es geht leichter Reaktionen ein als Chlorgas, das bei den bisherigen Prozessen der Chlorchemie erst noch durch Katalysatoren, Reagenzien oder Energiezufuhr aktiviert werden muss. So stellt man das wichtige industrielle Zwischenprodukt Phosgen (COCl₂) konventionell her, indem man Cl₂ über einem Kohlenstoffkatalysator bei etwa 400 Grad Celsius mit Kohlenstoffmonoxid (CO) reagieren lässt. Dabei aktiviert der Kohlenstoffkatalysator angelagertes Cl₂, sodass dieses im nächsten Schritt mit dem CO reagiert.

Stattdessen kann man Kohlenstoffmonoxid einfach durch die reaktiv-ionische Flüssigkeit leiten, ohne dass ein Katalysator oder Hitze nötig ist. Denn im Vergleich zu elementarem Chlor besitzen Polychloride eine intrinsische Polarität – Teile des Moleküls sind unterschiedlich geladen. Die Bindungen zwischen den Chloratomen sind dadurch schwächer, und das Molekül reagiert einfacher. Außerdem lassen sich mit der ionischen Flüssigkeit deutlich höhere Chlorkonzentrationen realisieren als mit gasförmigem Chlor, was Reaktionen weiter begünstigt. Entsprechend benötigt man bei dieser Herstellung von Phosgen deutlich weniger Energie und erzeugt weniger Nebenprodukte. Entsprechende Verfahren für andere chlorhaltige Produkte können so die Chlorchemie nachhaltiger gestalten. An der Freien Universität Berlin arbeitet derzeit eine Arbeitsgruppe an solchen neuen Verfahren.

Dies gilt auch für weitere Prozesse der chemischen Industrie, die mit der eigentlichen Herstellung des Produkts nur bedingt etwas zu tun haben. So fallen in industriellen chlorchemischen Prozessen immer Restgasströme an, die einen nicht unerheblichen Anteil an Chlor oder Chlorwasserstoff enthalten. Derzeit werden sie über großvolumige Gaswäscher mittels Natronlauge zu Natriumchlorid (NaCl) beziehungsweise Natriumhypochlorit (NaOCl) umgewandelt und über einen weiteren Behandlungsschritt teilweise in den Prozess zurückgeführt. Neuartige Absorber, basierend auf den Forschungen über ionische Flüssigkeiten, können diese Gase dagegen direkt einfangen und zurückgewinnen.

Solche Verfahren stehen bislang erst am Anfang ihrer Entwicklung; es ist schließlich nur wenige Jahre her, dass die erste ionische Flüssigkeit auf Polychloridbasis entdeckt wurde. Doch schon jetzt deutet sich ihr enormes Potenzial an, wichtige Prozessketten in der chemischen Industrie grundlegend zu verändern und deren CO₂-Ausstoß zu reduzieren.

Zur Entwicklung einer nachhaltigen Chemie gehört außerdem, die chemischen Verfahren so weit wie möglich auf grünen, erneuerbaren Strom umzustellen. Hier können Chlorspeicher auf Basis ionischer Flüssigkeiten als indirekte Energiespeicher die fluktuierend produzierenden Energiequellen Sonne und Wind in kontinuierliche chemische Prozesse einbinden und so eine echte Sektorenkopplung erreichen. Ionische Flüssigkeiten auf Polychloridbasis können daher die notwenige Transformation der chemischen Industrie hin zu nachhaltigeren Prozessen mitgestalten. Realisiert die Industrie dieses Potenzial, dann wird die Chlorchemie womöglich zu einer ganzen »Chlor-Ökonomie« mit gesamtwirtschaftlicher Bedeutung – und leistet einen entscheidenden Beitrag zu einer klimafreundlicheren und gleichzeitig effizienteren Industrie in Deutschland.