Märkte & Unternehmen

Erneuerbarer Kohlenstoff – Schlüssel zur Zukunft

Die Chemieindustrie steht vor ihrem größten Wandel seit der industriellen Revolution

12.07.2022 - Die chemische Industrie steht aktuell vor einer Vielzahl an Herausforderungen, aus denen eine neue, nachhaltige Chemie erwachsen kann – wenn die große Transformation in den nächsten Jahrzehnten gelingt. Und das muss sie!

Politik und Gesellschaft fordern einen starken Beitrag der Chemie- und Kunststoffindustrie zu Klimaschutz und Kreislaufwirtschaft sowie eine Reduzierung des Eintrags an Schadstoffen und Mikroplastik. Gleichzeitig hat das Image von Kunststoffen eine Schräglage bekommen, die eine faktenbasierte Materialauswahl erschwert und fraglichen Kunststoffalternativen die Tür öffnet. Aber das ist noch nicht alles. Sowohl die gewohnte Rohstoffbasis als auch etablierten Absatzmärkte und Prozesswege verändern sich fundamental, insbesondere für Raffinerien und die Großchemie.

Die neue Rohstoffbasis: Biomasse, CO2 und Recyclingströme

Die starke Abhängigkeit von den fossilen Rohstoffen Erdöl, Erdgas und Kohle muss drastisch reduziert werden, sowohl für den Klimaschutz – 72 % der menschengemachten Treibhausgasemissionen stammen von fossilen Rohstoffen aus dem Boden – als auch für eine geringere Importabhängigkeit, insbesondere von russischen Lieferungen. Der Energiebedarf der Chemie- und Kunststoffindustrie kann grundsätzlich mit erneuerbaren Energien gedeckt werden. Wie aber auch der stoffliche Kohlenstoffbedarf für die Moleküle der Chemie – im Englischen: embedded carbon – gedeckt werden kann, gerät erst langsam in den Fokus. Welche Kohlenstoffquellen gibt es jenseits der fossilen Rohstoffe für die Chemie? Genau drei: Biomasse, direkte CO2-Nutzung und Recyclingströme. Die Renewable Carbon Initiative (RCI), eine Initiative von über 40 namhaften Unternehmen aus den Branchen Chemie, Kunststoffe und andere Materialien, nennt die drei Kohlenstoffquellen zusammen Renewable Carbon. Der Definition nach umfasst der Begriff alle Kohlenstoffquellen, die die Nutzung zusätzlichen fossilen Kohlenstoffs aus dem Boden vermeidet oder substituiert. Erneuerbarer Kohlenstoff stammt aus der Biosphäre, Atmosphäre und Technosphäre – aber nicht aus der Geosphäre. Durch die Nutzung erneuerbaren Kohlenstoffs entstehen nachhaltige Kohlenstoffkreisläufe, die seit Dezember 2021 auch explizit Ziel der Europäischen Kommission sind, sog. Sustainable Carbon Cycles.

© Nova Instiut

 

Die Grafik zeigt ein mögliches Szenario für die Kohlenstoffversorgung im Jahr 2050. Der Bedarf an „eingebetteten Kohlenstoff“ für die Chemie und ihre Folgeprodukte steigt weltweit von heute 450 Mio. t/a an Kohlenstoff auf 1.000 Mio. t/a im Jahr 2050. Hierbei ist schon ein moderateres Wachstum angenommen als in den letzten Jahrzehnten. Die Weltbevölkerung wächst, die Mittelschicht und der Wohlstand wachsen – auch mit Effizienzsteigerungen wird es daher ein relevantes Wachstum geben. Mechanisches und vor allem alle Arten des chemischen Recyclings werden mit 55 % die wichtigste Kohlenstoffquelle in der Zukunft werden, gefolgt von der direkten CO2-Nutzung, die unter günstigen Rahmenbedingungen die Commodities der Chemie konkurrenzfähig liefern kann. Der Einsatz von Biomasse wird ebenso deutlich steigen, ist aber durch begrenzte Landflächen und potenziellen Gefahren für Biodiversität und Lebensmittelversorgung begrenzt.

Die erneuerbaren Kohlenstoffquellen bringen auch andere Rohstoffe ins Spiel, die zwar noch an das bestehende System der Großchemie andocken können (Grafik), aber auch neue Strukturen fördern. Die neuen Rohstoffe und Energieträger heißen CO2, Wasserstoff, Ethanol und vor allem Methanol, Zucker, Cellulose und Pflanzenöle, Altfette und -öle oder auch chemischem Recycling. Chemisches Recycling von Polymeren liefert via Solvolyse auch Monomere, aus denen wieder hochwertige Polymere entstehen können.

© Nova Institut
Ob das Szenario in der ersten Grafik bis zum Jahr 2050 Realität werden kann, hängt von vielen Faktoren ab. Von den politischen Rahmenbedingungen, Investitionen in Kreislaufwirtschaft und Carbon Capture and Utilisation (CCU) sowie in die Bioökonomie. Für die Biokraftstoff­industrie, die nach 2035 kaum noch einen Markt finden wird, wäre eine Transformationsstrategie vonnöten, die sie zum Zulieferer für die Chemie werden lässt, damit die Milliardeninvestitionen und Arbeitsplätze der Biokraftstoffbranche nicht verloren gehen.

Fakt ist: Ziel ist die komplette Loslösung der Chemie von fossilem Kohlenstoff – bis zum Jahr 2050 wie in erster Grafik  gezeigt oder nach den Szenarien von Shell bis zum Jahr 2100. Allein schon der Wechsel der Rohstoffbasis von fossilem zu erneuerbarem Kohlenstoff, das Entkoppeln der Petrochemie vom „petro“ würde den Titel des Artikels vom größten Wandel seit der industriellen Revolution rechtfertigen. Aber auch die Absatzmärkte und Prozesswege sind im Wandel.

Neue Absatzmärkte und Prozesswege

Durch die fortschreitende Elektri­fizierung des Verkehrs wird der Absatz an Benzin und Diesel in den nächsten Jahrzehnten drastisch sinken und nach 2035 nur noch einen Nischenmarkt von Altfahrzeugen bedienen. Raffinerien produzieren heute weltweit mit einem Anteil von 90 % vor allem flüssige Kraftstoffe, die übrigen 10 % gehen in die Chemie. In Ländern wie Deutschland liegt der Anteil der Chemie bereits heute bei 20 %. Laut Prognosen von Shell, kann der Anteil der Chemie in europäischen Raffinerien bis 2050 auf 80 % ansteigen. Es versteht sich von selbst, dass es hierzu erhebliche Investitionen in neue, veränderte Cracker geben wird und vor allem auch in neuer Prozesswege ohne Cracker, z.B. auf Basis von Methanol oder Elektrochemie.

Grundsätzlich gibt es zwei Strategien, um die Chemie- und Kunststoff­industrie zu transformieren: Zum einen kann man die bestehenden Strukturen mit alternativen Rohstoffen versorgen (Drop-in-Strategie), zum anderen kann man komplett neue Prozesswege und Produkte aufbauen, die die neuen Kohlenstoffquellen effizienter und klüger nutzen (Dedicated-Strategie) als die bestehende petrochemische Infrastruktur, die auf Erdöl und Erdgas ausgerichtet und über Jahrzehnte optimiert wurde.

In der Grafik „Renewable Carbon Refinery“ zeigt, wie die erste Strategie aussehen könnte. Alle zentralen Bausteine der Petrochemie können sowohl aus Biomasse, aus CO2 oder auch über chemisches Recycling bereitgestellt werden. Die meisten dieser Bausteine werden auch heute schon in überschaubaren Mengen über alternative Routen hergestellt, vor allem Methan, Ethanol und Ethylen, aber auch Methanol und Naphtha, um nur die wichtigsten zu nennen. Hier erfolgt die Inwertsetzung durch die „Massenbilanz und Freie Attribution“ (MBFA): Schon eine Substitution fossilen Kohlenstoffs durch erneuerbaren Kohlenstoff von wenigen Prozent, kann Endprodukten zugeordnet werden, die hierdurch z.B. „100 % bio-attributed“ und entsprechend als nachhaltige Produkte vermarktet werden können. Hier wurden in den letzten Jahren belastbare Zertifizierungen entwickelt, die die Substitution fossilen Kohlenstoffs klar belegen.

Die neuen Prozesswege, Zwischenprodukte und Endprodukte sind so vielfältig, dass sie hier nur gestreift werden können. Eine wichtige Rolle spielen hier die Biotechnologie, neue chemische Katalysatoren, das Fischer-Tropsch-Verfahren und die Elektrochemie. Gerade in der Feinchemie mit großen Molekülen und besonderen Eigenschaften kann z.B. die Biotechnologie mit neuen Biomolekülen punkten. Fischer-Tropsch kann Synthesegas, CO2, CO und Wasserstoff, in eine Vielzahl von Zwischenprodukten verwandeln.

Joel A. Ticker, Pionier für grüne Chemie an der University of Massachusetts Lowell in den USA, nennt fünf Herausforderungen für den Wandel in der Chemie:

  • Energy Conversion – der Umstieg auf erneuerbare Energien,
  • Feedstock Substitution – die Umstellung von fossilen auf erneuerbaren Kohlenstoff,
  • Molecular Redesign – neue Moleküle, die nicht mehr der Erdöllogik entspringen, sondern den neuen Kohlenstoffquellen,
  • Production Process Redesign – neue Rohstoffe und neue Zielmoleküle bedürfen neuer Prozesswege und
  • Downstream Product Redesign – Produkte, die sich besser für die Kreislaufwirtschaft eignen.

 

„Mechanisches und chemisches Recycling werden mit 55 % die wichtigste Kohlenstoffquelle in der Zukunft werden."

 

Die Politik muss Wandel aktiv gestalten

Die Chemie und ihre Folgeindustrien stehen vor einem fundamentalen Wandel, der eine große Herausforderung darstellt und an sich nur gelingen kann, wenn Gesellschaft, Markenhersteller und Politik diesen Wandel tatkräftig unterstützen. Gerade die Politik tut sich bislang schwer, den ambivalenten Bereich der Chemie, der schwer zu verstehen ist und als Fluch und Segen empfunden wird, aktiv zu gestalten. Es fehlt im Rahmen des EU Green Deal und „Fit-4-55“ eine Vision und Entwicklungsstrategie für die Chemie, die neue Optionen wie chemisches Recycling, CCU und Massenbilanz und freie Attribution positiv aufgreift. Wie kann sich der Bereich der Chemie und Kunststoffe, der untrennbar mit dem modernen Leben und Herausforderungen wie Klimaschutz verbunden ist, zu einer nachhaltigen Industrie losgelöst von der Petrochemie entwickeln?

Da durch den Wandel der Absatzmärkte und das Reifen neuer Technologien große Investitionen ohnehin unabdingbar sind, wäre dies die ideale Gelegenheit, den Gesamtsektor politisch mitzugestalten und verlässliche Rahmenbedingungen zu schaffen, die Investitionen fördern und Europa zu Vorreiter einer neuen Chemie machen. Sollte dies nicht gelingen, droht die Abwanderung der Chemie aus Europa mit fatalen wirtschaftlichen Folgen für die gesamte europäische Wirtschaft und wachsenden Abhängigkeiten von Importen.

Aber es wird gelingen! Die Renew­able Carbon Initiative (RCI) hat hierzu elf konkrete Politikempfehlungen entwickelt und in der Studie „Renewable Carbon as a Guiding Prin­ciple for Sustainable Carbon Cycles“ veröffentlicht. Vor allem auch in Kooperation mit den Sahara-­Anrainerstaaten. Dort können unter optimalen Bedingungen großen Mengen Solarstrom und grüner Wasserstoff produziert und mit CO2 aus der Atmosphäre zu Ethanol, Methanol, Naphtha und Kerosin umgesetzt werden. In dieser Win-Win-Situation entstehen Investitionen, Arbeitsplätze und Wertschöpfung in Nordafrika; und für die chemische Industrie in Europa erschließt sich eine dauerhafte, nachhaltige und großvolumige Kohlenstoffquelle. die untere Grafik zeigt, wie eine nachhaltige Welt zukünftig aussehen könnte. Nur so können Wohlstand und Lebensstandard gesichert werden.

© Nova Institut

 

Autor:

„Erneuerbarer Kohlenstoff stammt aus der Biosphäre, Atmosphäre und Technosphäre – aber nicht aus der Geosphäre."

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