Anlagenbau & Prozesstechnik

Chemische Transformationsprozesse

Fortschritte in Chemietechnik und Biotechnologie ermöglichen den Übergang von fossilen zu alternativen Rohstoffen und Energiequellen

15.05.2024 - Dechema-Geschäftsführer Andreas Förster über die Rolle von Chemietechnik und Biotechnologie für die Transformation zu einer nachhaltigen und klimaneutralen Industrie.

Die Dechema Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie bündelt das Know-how von mehr als 5.500 Mitgliedern und fördert den technisch-wissenschaftlichen Austausch von Fachleuten unterschiedlicher Disziplinen. Im Netzwerk identifiziert die Dechema Zukunftstrends in Forschung und Technik, analysiert diese und gibt konkrete Handlungsem­pfehlungen. Als gemeinnützige Fachgesellschaft positioniert sie Chemietechnik und Biotechnologie in Politik und Öffentlichkeit als Schlüsseltechnologien und Problemlöser. Ihre Aktivitäten stärken das Bewusstsein für den gesellschaftlichen Nutzen dieser Disziplinen. Michael Reubold befragte Dechema-Geschäftsführer Andreas Förster über die Rolle und die Beiträge dieser Schlüsseltechnologien für die Transformation zu einer nachhaltigen und klimaneutralen Industrie.

CHEManager: Herr Förster, Klimaneutralität, Umweltschutz, Mobilität, Ernährung sowie Energie- und Wasserversorgung – die großen Zukunftsherausforderungen verlangen umfassende Veränderungen in der Art, wie wir Ressourcen nutzen und Waren produzieren. Aber kann die Transformation der Wirtschaft gelingen, ohne dass wir zuvor unsere Denkweisen ändern?

Andreas Förster: Um den Herausforderungen des Klimawandels gerecht zu werden, muss unser Umdenken mit der Transformation der Wirtschaft Hand in Hand gehen. Sowohl dieses Umdenken als auch die Transformation haben dabei schon längst begonnen. Recyclingtechnologien, Effizienzsteigerungen, die Nutzung nachwachsender Rohstoffe und Energie aus regenerativen Quellen – das alles wird ja bereits erforscht, umgesetzt und auch in der Produktion genutzt. Wir brauchen genau diese technologischen Lösungen: Sie ermöglichen es uns, unseren Lebensstandard zu halten und gleichzeitig die Umwelt zu schonen.

Ich persönlich bin davon überzeugt, dass sich nicht nur Staaten und Unternehmen beteiligen müssen, sondern jeder von uns. Das heißt nicht, dass wir auf vieles oder alles verzichten müssen. Aber jeder sollte überlegen, welche Stellschrauben es gibt, an denen er selbst drehen kann. Auch wenn es nur kleine Beiträge sind, können wir auch als Einzelne etwas tun.

Und das überträgt sich dann von den Individuen auf die gesamte Gesellschaft.

A. Förster: Richtig. Ein Beispiel: In der Dechema erarbeiten wir gerade unseren ersten Nachhaltigkeitsbericht. Wir sind nicht verpflichtet dazu, aber die Initiative kam von den Mitarbeitenden selbst und wird von den Kolleginnen und Kollegen des gesamten Führungsteams unterstützt. Wir erstellen diesen Bericht in der Überzeugung, dass auch wir als Dechema – über die von uns betreuten und initiierten Projekte hinaus – zur Steigerung der Nachhaltigkeit beitragen und durch unser Handeln im Verein einen Beitrag leisten können.

Aber der weitaus größere Effekt stellt sich ein, wenn wir als Industriegesellschaft unsere Wirtschaft transformieren. Und das geht nicht von heute auf morgen. Was sind aus Ihrer Sicht die wesentlichsten notwendigen Paradigmenwechsel auf dem Weg in die Nachhaltigkeit?

A. Förster: Um möglichst schnell Erfolge auf dem Weg zu mehr Nachhaltigkeit zu erzielen, müssen wir alle uns zur Verfügung stehenden Optionen nutzen. Eine nachhaltige Wirtschaft erfordert vor allem die Reduktion und letztlich dann die Abkehr von der Nutzung fossiler Kohlenstoffquellen, die derzeit zum Beispiel zur Wärmegewinnung, als Treibstoff oder auch als Rohstoff für die chemische Industrie eingesetzt werden. Einige der Anwendungen lassen sich direkt elektrifizieren. Deshalb muss es unser Ziel sein – wo möglich – den Strom aus erneuerbaren Quellen direkt zu nutzen. Wo dies nicht möglich ist, oder für die mittel- bis langfristige Speicherung von Energie, werden wir auf Power-to-X zurückgreifen und Wasserstoff und seine Derivate herstellen.

Bei den notwendigen Paradigmenwechseln weit oben steht für mich der Übergang vom linearen zum kreislauforientierten Wirtschaftsmodell. Unser Ziel muss es sein, Ressourcen zu erhalten und zu regenerieren, indem Abfälle und Reststoffe reduziert, recycelt und wiederverwendet werden. Das ist vor allem auch vor dem Hintergrund der begrenzten Materialressourcen in Europa entscheidend. In der Dechema beschäftigen wir uns intensiv unter anderem mit der Wiedergewinnung von Lithium aus Batterien oder dem chemischen Recycling von Kunststoffen. Im Juni werden wir ein Papier zur Circular Economy veröffentlichen, das die Notwendigkeit einer Kreislaufwirtschaft und Handlungsoptionen für deren Umsetzung darstellt.

Damit diese Paradigmenwechsel erfolgreich sind, müssen die Umwelt- und Sozialkosten der Nutzung fossiler Rohstoffe berücksichtigt werden. Ein Beispiel hierfür ist die CO2-Abgabe, die zumindest einen Teil der zusätzlichen Kosten abbildet. Um wirtschaftliche Verwerfungen zu vermeiden, müssen diese langfristigen Nachhaltigkeitsziele international getragen werden. Wir müssen deshalb von einem rein nationalen Denken zu einer globalen Solidarität übergehen, die darauf abzielt, gemeinsame Probleme zusammen anzugehen und gerechte Lösungen für alle zu finden.

Mehr als eineinhalb Jahrhunderte lang basierte die industrielle Chemie auf fossilen Rohstoffen. Das fossile Zeitalter muss jetzt innerhalb weniger Jahrzehnte enden, um die CO2-Emissionen zu senken – je früher, desto besser. Sind wir technologisch darauf vorbereitet?

A. Förster: Uns stehen heute bereits zahlreiche technologische Innovationen zur Verfügung, bei denen wir viele vielversprechende Fortschritte sehen. Mit den unterschiedlichen Maßnahmen einer Circular Economy sowie Power-to-X habe ich zwei davon bereits genannt, die ich noch etwas weiter erläutern will.
Durch die Etablierung und Verbesserung von Recyclingverfahren können viele wichtige Metalle, anorganische Stoffe oder auch kohlenstoffhaltige Materialien aufgearbeitet und wiederverwendet werden. Neben den positiven Umweltaspekten sind gerade wir als ressourcenarmer Standort darauf angewiesen, die hier vorhandenen Abfälle und Reststoffe möglichst effizient wieder zu nutzen. In diesem Bereich wird in Deutschland intensiv geforscht. Beispielsweise entwickeln in der ReziProK genannten Fördermaßnahme Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Innovative Produktkreisläufe des BMBF Forschungsteams Konzepte, um Produkte wiederzuverwenden oder den Anteil von Rezyklaten in Neuprodukten zu erhöhen. Der Einsatz digitaler Technologien spielt dabei in vielen Projekten als Enabler für die Kreislaufschließung eine wichtige Rolle.

Power-to-X-Verfahren, die ausgehend von Strom aus erneuerbaren Quellen über eine Wasserelektrolyse Wasserstoff und seine Folgeprodukte herstellen, werden in Deutschland intensiv untersucht und entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist das Kopernikus-Projekt P2X, bei dem auch die Dechema mitwirkt und in dem in der jetzigen Phase vor allen Dingen die Produktion von synthetischem Kerosin im Fokus steht. Gleichzeitig muss auch die dafür notwendige Kapazität an Elektrolyseuren deutlich gesteigert werden. Hier ist die Dechema als Netzwerkpartner im BMBF-geförderten Leitprojekt H2Giga beteiligt. Ziel von H2Giga ist die Indus­trialisierung und Hochskalierung der Wasserelektrolyse – eine notwendige Voraussetzung für den Hochlauf des grünen Wasserstoffs.

 

„Wir müssen von einem rein nationalen Denken zu einer globalen Solidarität übergehen.“

 

Welche weiteren Technologien können den Übergang von fossilen Rohstoffen hin zu nachhaltigen Alternativen beschleunigen?

A. Förster: Essenziell sind weitere Effizienzsteigerungen in unseren Produktionsprozessen. Hier bietet die Prozessoptimierung weitere große Chancen. Vor allem Fortschritte in der Katalyse werden es ermöglichen, chemische Reaktionen effizienter und selektiver durchzuführen, was den Einsatz von Energie und Rohstoffen reduziert. Katalytische Verfahren können auch dazu beitragen, alternative Rohstoffe wie CO2 aus der Atmosphäre zu nutzen und in P2X-Produkte umzuwandeln. Eine Übersicht über die notwendigen F&E-Schwerpunkte gibt die von der Deutschen Gesellschaft für Katalyse erstellte Roadmap Katalyse aus dem Jahr 2023. Für die Umsetzung der Verfahren im industriellen Umfeld brauchen wir Reaktoren und verfahrenstechnische Anlagen; auch da tut sich eine ganze Menge, wie die Roadmap ‚Chemical Reaction Engineering‘ zeigt, die ebenfalls 2023 erschienen ist.

Ein weiterer Schwerpunkt sind biotechnologische Verfahren, etwa zur Herstellung von Chemikalien aus CO2 und biogenen Roh-, Rest- und Abfallstoffen. Hier haben unter anderem Fortschritte in der Molekularbiologie und der synthetischen Biologie, der Datenverfügbarkeit und der raschen Entwicklung von in-silico-Tools das Portfolio entsprechender Prozesse in den letzten Jahren stark erweitert. Auch im Lebensmittelbereich kündigt sich mit den großen Fortschritten in der Präzisionsfermentation eine unter Umständen kleine Revolution – etwa hinsichtlich tierischer Proteine an.

Und last but not least sind es digitale Technologien und Methoden der künstlichen Intelligenz, die uns helfen werden, chemische Prozesse zu optimieren, neue Materialien zu entwerfen und den Einsatz von Rohstoffen zu reduzieren. Ein zentrales Projekt dazu unter Beteiligung der Dechema war KEEN – KI-Inkubator-Labore in der Prozessindustrie –, das durch das BMWK gefördert wurde.

Es gibt zahlreiche weitere vielversprechende technologische Ansätze, um den Übergang von der Nutzung fossiler Rohstoffe in der industriellen Chemie hin zu nachhaltigen Alternativen zu unterstützen. Herausforderungen, die es auf diesem Weg noch zu überwinden gilt, sind die Skalierung der neuen Technologien, die Sicherstellung von Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit sowie die Bewältigung und Beseitigung regulatorischer und gesellschaftlicher Barrieren. Es ist jedoch unstrittig, dass technologische Innovationen eine wichtige Rolle bei der Gestaltung einer nachhaltigeren Zukunft für die industrielle Chemie spielen werden.

Die Dechema ist auf allen für die Transformation wichtigen Forschungsgebieten aktiv und arbeitet unter anderem bei Rohstoff-, Energie- oder Bioökonomie-Themen in Gremien und Konsortien mit. Woher werden künftig die Ressourcen für die chemisch-pharmazeutische Industrie kommen?

A. Förster: An erster Stelle steht die Steigerung der Effizienz der existierenden Prozesse und Verfahren. Hierdurch lässt sich der Bedarf an Ressourcen weiter reduzieren und optimieren. Die derzeitige Ressourcenbasis der chemisch-pharmazeutischen Industrie ist divers, basiert aber noch vor allem auf fossilen Rohstoffen. Über 75 % der Rohstoffbasis entfallen auf Erdölderivate, im wesentlichen Naphtha. Dazu kommen Erdgas mit gut 11 % sowie ein geringer Anteil an Kohle. Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe liegt bei rund 13 %. Insgesamt wird die künftige Versorgung mit Ressourcen für die chemisch-pharmazeutische Industrie ebenfalls von einer Vielzahl von Quellen abhängen, die auf Nachhaltigkeit, Effizienz und Innovation ausgerichtet sind. Hierzu zählen die Nutzung von biobasierten Rohstoffen, die Nutzung von Abfall- und Reststoffen in einer Kreislaufwirtschaft sowie die CO2-Abscheidung und -Nutzung unter Einsatz erneuerbarer Energien und digitaler Technologien.

Der Anteil nachwachsender Rohstoffe wird weiter zunehmen, ist aber aufgrund der Konkurrenz zur Herstellung von Lebensmitteln begrenzt. Die Nutzung biogener Rest- und Abfallstoffe sowie die Kultivierung von Pflanzen und Algen in Gebieten oder zu Jahreszeiten, die sich nicht zur Produktion von Lebensmitteln eignen, bieten ein großes, bisher häufig noch ungenutztes Potenzial. Im Kontext zum Beispiel integrierter Bioraffineriekonzepte werden wir hier Fortschritte beobachten können, und das Portfolio von für die Chemieindustrie relevanten Endprodukten wird steigen. Zwar stellen Prozessstabilität und -effizienz oder Produktionskosten oftmals noch Herausforderungen bei der Skalierung in den industriellen Maßstab dar, jedoch können chemische, thermochemische, mechanische und insbesondere auch biochemische Verfahren in letzter Zeit wesentliche Fortschritte verzeichnen und es werden neue und vielversprechende Konzepte entwickelt.

Eine ebenfalls wichtiger werdende Quelle sind Recyclate. Durch eine verbesserte Kreislaufwirtschaft wird sich die Abhängigkeit von Primärrohstoffen verringern.

Wenn die Nutzung von Kohlenstoff aus fossilen Quellen künftig vermieden werden soll, bleibt neben den biobasierten Kohlenstoffquellen und dem Kohlenstoff aus rezyklierten Kunststoffen nur noch die Nutzung von CO2 aus der Luft oder aus Punktquellen übrig. In diesem Bereich konnten bereits große Fortschritte erzielt werden. So kann CO2 beispielsweise mit Direct Air Capture – kurz: DAC – in großer Reinheit aus der Atmosphäre gewonnen und nachfolgenden Produktsynthesen zur Verfügung gestellt werden. Auf Basis dieser innovativen Technologie konnte im BMBF-geförderten Kopernikus-Projekt P2X die weltweit erste integrierte modulare Anlage zur nachhaltigen Produktion verschiedener Kraftstoffe wie Diesel, Benzin und Kerosin realisiert werden. Eine intelligentes Wärme- und Stoffstrommanagement beim Betrieb und die Integration der Einzelprozesse DAC, Elektrolyse, Fischer-Tropsch-Synthese und Produktaufbereitung ermöglichen dabei einen hohen Wirkungsgrad der Anlage. Die Skalierung in eine industrierelevante Größenordnung wird zurzeit an einem Industrieparkstandort umgesetzt.

Und wie sieht es beim Thema Energie aus?

A. Förster: Die Nutzung von erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Wind, Wasser und Biomasse wird zunehmend dazu beitragen, die Energieversorgung der chemisch-pharmazeutischen Industrie zu diversifizieren. Erneuerbare Energien können in der Produktion eingesetzt werden, um Prozesse zu heizen, zu kühlen und zu betreiben, und können auch als Stromquelle für elektrochemische Verfahren dienen. Die chemische Industrie ist heute schon mit rund 48 TWh/a der bedeutendste industrielle Nutzer von Strom und benötigt damit ungefähr 10 % des gesamten Strombedarfs in Deutschland. Sollte die chemische Industrie ihre Rohstoffe über PtX-Verfahren bereitstellen, ergäbe sich ein zusätzlicher Strombedarf bis zu 450 TWh, abhängig davon, welche Anteile der Rohstoffe über PtX-Verfahren und welche Anteile über Biomasse oder Recycling zur Verfügung gestellt werden.

Wir werden deshalb auch weiterhin auf Stromimporte angewiesen sein. Dabei wird Wasserstoff als Energiespeicher und als reaktives Molekül eine wichtige Rolle spielen, dessen Import aus Ländern mit einem Überschuss an erneuerbaren Energien erfolgen wird.

 

„Fortschritte in der Katalyse werden es ermöglichen, chemische Reaktionen effizienter und selektiver durchzuführen.“

 

Stoffkreisläufe werden künftig die entscheidende Rolle spielen, um natürliche Ressourcen und die Umwelt zu schonen. Welche Beiträge leisten die Chemie, die Biotechnologie und die Verfahrenstechnik für die zirkuläre Wirtschaft?

A. Förster: Chemie, Biotechnologie und Verfahrenstechnik tragen entscheidend zur Förderung einer zirkulären Wirtschaft bei. Die Chemie und Biotechnologie als Wissenschaften spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von leicht recyclebaren und biologisch abbaubaren Materialien. Die Umsetzung dieses Prinzips wird derzeit von der Europäischen Kommission unter dem Begriff Safe and Sustainable by Design – SSbD – vorangetrieben. Ziel ist es, die Rezyklierfähigkeit von Materialen sicherzustellen und so weitgehendst geschlossene Produktkreisläufe zu ermöglichen.

Darüber hinaus werden neue chemische Verfahren entwickelt, um eine breitere Palette von Materialien wiederzuverwerten, einschließlich Kunststoffen, Metallen und Verbundwerkstoffen. Vieles hatte ich schon erläutert. Fortschritte beim chemischen Recycling können es ermöglichen, Materialien zu recyceln, für die das bisher schwer oder gar nicht möglich war. Dieses geht Hand in Hand mit neuen Recyclingtechnologien, zum Beispiel zur Wiedergewinnung von Rohstoffen aus Elektrolyseuren, die in großem Umfang für die Gewinnung von grünem Wasserstoff und somit den Ersatz fossiler Energieträger benötigt werden.

Neben der Weiterentwicklung der Technologien ist hier auch immer das Ziel, weitestgehend automatisierte Verfahren zu entwickeln, um ein effizientes und wirtschaftliches Recycling der künftig zu erwartenden großen Mengen an Elektrolyseuren zu ermöglichen. Die Entwicklung der Recyclingverfahren geht dann auch einher mit Empfehlungen für das Design, um am Lebensende der Elektrolyseure eine gute und möglichst maschinelle Zerlegbarkeit und anschließende Wiederverwendung zu gewährleisten.

Viele Prozesse zur Herstellung wichtiger Produkte für die Energie- und Mobilitätswende sind energieintensiv. Ihre Elektrifizierung gepaart mit Energieeffizienzmaßnahmen soll den CO2-Ausstoß der Chemieindustrie senken und die gesamte Branche schließlich klimaneutral machen. Wie lässt sich der enorme Energiebedarf der Chemieproduktion aus regenerativen Quellen decken?

A. Förster: Zuoberst stehen erneut Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz und Prozessoptimierung. Jede Kilowattstunde, die nicht benötigt wird, muss auch nicht bereitgestellt und eingekauft werden. Durch die Implementierung von Energieeffizienzmaßnahmen und die Optimierung ihrer Produktionsprozesse können Chemieunternehmen ihren Energieverbrauch reduzieren und gleichzeitig ihre Produktivität steigern. Dies umfasst die Verwendung energieeffizienter Technologien, die Reduzierung von Energieverlusten und die Implementierung von Maßnahmen zur Laststeuerung. Ein weiteres wichtiges Element zur Erhöhung von Energie- und Ressourceneffizienz ist der modulare Anlagenbau, der in der BMWK-geförderten Initiative ENPRO entwickelt wird. Durch bedarfsgerechten und einfachen Austausch modularer Prozesseinheiten kann in Mehrproduktanlagen die effizienteste Konfiguration ausgewählt werden, aber auch der Austausch konventioneller, fossil betriebener durch effiziente und nachhaltige Prozessschritte lässt sich realisieren.  

Schließlich kann auch die Wärmeintegration und Wärmerückgewinnung den Energieverbrauch signifikant reduzieren. Unternehmen nutzen die Abwärme aus ihren Prozessen, um Heizung, Kühlung und Dampferzeugung zu unterstützen.

Die Deckung des enormen Energiebedarfs der Chemieproduktion aus regenerativen Quellen erfordert aber neben den eben genannten Maßnahmen zur Effizienzsteigerung eine umfassende Strategie, die auf verschiedenen Ansätzen basiert. Eine der wichtigsten Maßnahmen ist die weitere Erschließung erneuerbarer Energiequellen. Unternehmen gehen dazu über, Fotovoltaik und Windkraft selbst oder in Kooperation mit Energieversorgern zu nutzen, um einen Teil ihres Energiebedarfs aus eigenen Ressourcen zu decken.

Einen Großteil der Energie werden wir und die in Deutschland ansässigen Unternehmen aber weiterhin importieren müssen. Sei es für die Prozessindustrie oder aber für die Elektrifizierung anderer Sektoren oder die Versorgung mit regenerativ hergestellten Brennstoffen und Molekülen. Dieses wird über den Import von Wasserstoff, Ammoniak, Methan oder synthetischen Kraftstoffen aus Ländern erfolgen, in denen erneuerbare Energien kostengünstig zur Verfügung stehen. In Europa sind das die windreichen nördlichen Staaten und der sonnenreiche Süden.

 

„Technologisch sind wir in Deutschland und Europa sehr gut aufgestellt.“

 

Um regenerativen Strom für die spätere Nutzung zu speichern oder umzuwandeln, werden die bereits erwähnten Power-to-X-Technologien erforscht. Was sind Ihrer Meinung nach hier die erfolgversprechendsten Ansätze?

A. Förster: Die erfolgversprechendsten Power-to-X-Ansätze hängen von verschiedenen Faktoren ab, darunter Verfügbarkeit und Kosten der Rohstoffe, Infrastruktur, Marktanforderungen und regulatorische Rahmenbedingungen. Insgesamt bieten Power-to-X-Technologien jedoch vielversprechende Lösungen zur Speicherung und Umwandlung von regenerativem Strom und können dazu beitragen, die Integration erneuerbarer Energien in das Energiesystem zu erleichtern und die Defossilisierung verschiedener Sektoren voranzutreiben. Einige der erfolgversprechendsten Ansätze sind:

  • Power-to-Hydrogen – abgekürzt PtH2: Bei der Umwandlung von überschüssigem regenerativem Strom in Wasserstoff durch Elektrolyse kann der erzeugte Wasserstoff entweder direkt als Brennstoff verwendet werden oder als Rohstoff für die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen, Chemikalien oder als Energiespeicher dienen. Wasserstoff kann gespeichert und bei Bedarf in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung oder als Kraftstoff für Fahrzeuge genutzt werden. Vor allem wenn es um die mittel- bis langfriste Speicherung des Wasserstoffs zur späteren Rückverstromung geht, ist es nicht sinnvoll, weitere verlustbehaftete Prozessschritte zu durchlaufen.
  • Power-to-Methane – PtM: Methanisierung ist ein Prozess, bei dem Wasserstoff mit Kohlendioxid (CO2) kombiniert wird, um synthetisches Methan zu erzeugen. Dieses synthetische Methan kann in das vorhandene Erdgasnetz eingespeist werden oder als Brennstoff für verschiedene Anwendungen verwendet werden. PtM-Technologien ermöglichen die Umwandlung von CO2 in einen nutzbaren Brennstoff und können dazu beitragen, das Problem der CO2-Emissionen zu reduzieren.
  • Power-to-Liquid – PtL: Die Umwandlung von regenerativem Strom in flüssige Brennstoffe wie synthetische Diesel, Kerosin oder Benzin ist ein weiterer vielversprechender Power-to-X-Ansatz. Diese synthetischen Kraftstoffe können in bestehenden Infrastrukturen für Transport und Mobilität verwendet werden und helfen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren. Neben den Kraftstoffen entstehen auch Nebenprodukte, die in der Chemischen Industrie Anwendung finden können, zum Beispiel synthetisches Naphtha.
  • Power-to-Chemicals – PtC: Bei Power-to-Chemicals-Verfahren wird regenerativer Strom genutzt, um chemische Produkte wie Ammoniak, Methanol oder andere Grundchemikalien herzustellen. Diese Produkte können in verschiedenen industriellen Anwendungen verwendet werden und tragen zur Defossilisierung des Chemieprozesses bei.
  • Power-to-Heat – PtH: Die direkte Nutzung von regenerativem Strom zur Erzeugung von Wärme kann dazu beitragen, den Bedarf an fossilen Brennstoffen für Heizzwecke zu reduzieren und die Integration erneuerbarer Energien in den Wärmesektor zu erleichtern. Abhängig vom Temperaturniveau kommen dabei unterschiedliche Technologien zum Einsatz. Bei niedrigen Temperaturen können Wärmepumpen mit ihrer hohen Umwandlung von Strom zu Wärme ihre Vorteile ausspielen. Schon heute kommen Elektrodenkessel zur Dampferzeugung zum Einsatz. Darüber hinaus werden technische Lösungen schnell sehr spezifisch für bestimmte Anwendungsfälle.

Grüner Wasserstoff gilt als ein zentraler Baustein der Energie- und der Mobilitätswende. Dazu muss eine Wasserstoffinfrastruktur aufgebaut werden. Was sind die wichtigsten technischen Eckpfeiler auf dem Weg in die Wasserstoffwirtschaft?

A. Förster: Eine der zentralen Herausforderungen besteht darin, grünen Wasserstoff in ausreichenden Mengen und zu wettbewerbsfähigen Kosten zu produzieren. Die wichtigsten Produktionsmethoden sind Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von erneuerbarem Strom (Power-to-Gas) sowie die Dampfreformierung von Biomethan oder von blauem Wasserstoff aus Erdgas unter Verwendung von CO2-Abscheidungstechnologien. Vor allem die Skalierung der Elektrolyseure und der Aufbau einer industriellen Produktion sind Herausforderungen, denen sich die Anlagentechnik gerade stellt. Die Integration erneuerbarer Energien in die Wasserstoffproduktion erfordert den Ausbau von erneuerbaren Energien und die Entwicklung von Technologien zur Flexibilisierung des Stromnetzes und zur Anpassung der Wasserstoffproduktion an die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien. Zentral für die Umsetzung ist aber die Frage, zu welchen Preisen und Bedingungen erneuerbarer Strom verfügbar ist.

Die überregionale Verteilung des Wasserstoffs ist eine Herausforderung. Zurzeit existieren zwei privat betriebene Netze. Das neue Wasserstoffkernnetz soll die Erzeuger, Großverbraucher und Speicher miteinander verknüpfen sowie die Verbindung zu dem europäischen Netz sicherstellen. Die Kosten werden auf rund 20 Mrd. EUR geschätzt. 

Die Entwicklung und Optimierung von Brennstoffzellentechnologien für verschiedene Anwendungen wie Fahrzeuge, Schiffe, Züge, Flugzeuge und stationäre Stromerzeugung ist entscheidend für den Erfolg der Wasserstoffwirtschaft. Dies erfordert kontinuierliche Fortschritte in den Bereichen Brennstoffzelleneffizienz und -haltbarkeit, Kostenreduktion und Skalierbarkeit.

Auch Sicherheitsaspekte müssen beachtet werden. In der chemischen Industrie ist ein professioneller und sicherer Umgang mit Wasserstoff gewährleistet. Technologien für den sicheren Transport und die Lagerung von Wasserstoff müssen entwickelt und implementiert werden, einschließlich Pipelines, Tankstelleninfrastruktur, Tankbehälter und unterirdische Speicher.

Wie beurteilen Sie die Rahmenbedingungen in Deutschland und Europa, um die notwendigen Veränderungen anzustoßen, innovative Technologien hier zu entwickeln und schleunigst in die praktische Anwendung zu bringen? Wo sehen Sie unsere Stärken, wo unsere Schwächen?

A. Förster: Die Rahmenbedingungen in Deutschland und Europa zur Förderung von Veränderungen und zur Entwicklung sowie Anwendung innovativer Technologien lassen sich schlecht in einem Satz beurteilen. Technologisch sind wir in Deutschland und Europa sehr gut aufgestellt. Wir verfügen über eine starke Forschungs- und Entwicklungslandschaft, die Innovationen in verschiedenen Bereichen unterstützt, darunter Chemie, Energie, Mobilität und Umweltschutz. Renommierte Forschungseinrichtungen tragen dazu bei, innovative Technologien voranzutreiben. Wir haben viele hochqualifizierte Fachkräfte, aber der zunehmende Fachkräftemangel gerade in den Natur- und Ingenieurswissenschaften konterkariert dies gerade. Weiterhin hat Deutschland eine chemische Infrastruktur, die weltweit zu den besten gehört, und gerade in Deutschland besteht eine sehr gute Interaktion zwischen Industrie und Wissenschaft.

Die Politik in Europa hat sich zunehmend der Förderung von Innovationen und der Umsetzung von Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels und zur Förderung nachhaltiger Entwicklung verschrieben. Dies zeigt sich unter anderem in politischen Initiativen wie dem European Green Deal und nationalen Strategien zur Energiewende.

Viele Hoffnungen, was Innovationen angeht, beruhen auf der Start-up-Szene. Gibt es dafür genügend Unterstützung?

A. Förster: Die Beurteilung der Unterstützung für Start-ups in der Prozessindustrie fällt durchwachsen aus. Einerseits gibt es eine Vielzahl von Förderprogrammen und Finanzierungsmöglichkeiten für die Seed-Phase sowie Unterstützungsstrukturen für Start-ups, die innovative Technologien entwickeln. Auf der anderen Seite fehlt es oftmals an Finanzierungsmöglichkeiten für die kapitalintensiveren Wachstumsphasen. Mit der Gründung von ECBF, DCTF und SPRIND sind in den letzten Jahren hier zwar wesentliche Fortschritte gemacht worden, doch auch heute fällt es jungen Unternehmen oft noch schwer, in Europa an das notwendige Kapital zu kommen. Auch bürokratische und regulatorische Herausforderungen sind ein Grund, warum die jungen Unternehmen nicht selten ihre Produkte in anderen Regionen auf den Markt bringen oder sogar abwandern.

Als eine weitere Herausforderung, denen sich Start-ups der Prozessindustrie ausgesetzt sehen, ist das Fehlen der oftmals sehr spezifischen und kostenintensiven Infrastruktur wie geeignete Reaktoren, Labore und Equipment für Analytik. Wir, unsere Partner und unser Netzwerk haben immer wieder auf diese Herausforderungen aufmerksam gemacht und beobachten an der einen oder anderen Stelle bereits ein Umdenken bei der Politik.

Insgesamt ist es wichtig, die Stärken zu nutzen und die Schwächen anzugehen, um die Rahmenbedingungen für die Förderung von Veränderungen und die Entwicklung sowie Anwendung innovativer Technologien in Deutschland und Europa zu verbessern. Dies erfordert eine verstärkte Zusammenarbeit zwischen Regierungen, Unternehmen, Forschungseinrichtungen und anderen Akteuren, um die Transformation zu einer nachhaltigeren Zukunft voranzutreiben.

 

„Deutschland hat eine chemische Infrastruktur, die weltweit zu den besten gehört.“

 

Welche angesichts der notwendigen Veränderungen halbwegs realistische Vision der Chemieproduktion im Jahr 2050 – das ist in gut 25 Jahren – würden Sie heute unterschreiben?

A. Förster: Ich beginne mal damit, was ich mir als Idealfall wünsche: Bis 2050 hat sich die Chemieproduktion in Deutschland grundlegend gewandelt und ist vollständig auf Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft ausgerichtet. Die Industrie verwendet ausschließlich erneuerbare Rohstoffe, recycelte Materialien und grünen Wasserstoff als Energieträger. Produkte werden so konzipiert, hergestellt und recycelt, dass sie den Prinzipien der Kreislaufwirtschaft entsprechen. Die CO2-Emissionen wurden drastisch reduziert und die chemische Industrie ist weitgehend klimaneutral geworden. Erreicht wurde dieses durch den verstärkten Einsatz erneuerbarer Energien, die Elektrifizierung von Prozessen, die Nutzung von Power-to-X-Technologien und die Implementierung von Carbon-Capture- und -Utilization-­Verfahren. Die Chemieproduktion ist hochgradig digitalisiert und automatisiert, was zu einer deutlichen Steigerung der Effizienz, Produktivität und Flexibilität führt. Fortschritte in der künstlichen Intelligenz, Datenanalyse und Robotik haben die Herstellungsprozesse optimiert und ermöglichen eine präzise Steuerung und Überwachung in Echtzeit. Damit konnte der Fachkräftemangel der 2020er und frühen 2030er Jahre abgefangen werden, und die Industrie stellt auch 2050 noch attraktive und gut bezahlte Arbeitsplätze bereit. Zwar ist die Produktion von Basischemikalien in Länder abgewandert, in denen Energie und Rohstoffe billiger sind als in Deutschland und Europa, die weiterverarbeitende und die Spezialchemie hat aber ihre starke weltweite Position behauptet. Dazu trägt die Technologieführerschaft bei, die sich Deutschland und Europa bewahrt haben. Durch Investitionen in Forschung und Entwicklung, die Förderung von Start-ups und die Zusammenarbeit zwischen Industrie, Forschungseinrichtungen und Universitäten bleiben sie an der Spitze der technologischen Entwicklung.

Dieses Idealbild ist anspruchsvoll und erscheint vor dem Hintergrund der derzeitigen Krise in der chemischen Industrie in Deutschland unrealistisch. Wenn wir aber entsprechende Maßnahmen ergreifen und die genannten notwendigen Veränderungen konsequent umgesetzt werden, halte ich ein solches Szenario für möglich. Die Weichen dafür müssen auf deutscher und europäischer Ebene aber jetzt gestellt werden: Um diese Vision zu verwirklichen und eine nachhaltige Zukunft für die Chemieindustrie zu gestalten, braucht es die Zusammenarbeit von uns allen – Unternehmen, Forschungseinrichtungen, Politik und Gesellschaft.

 

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