cav – Prozesstechnik für die Chemieindustrie 09.2021

Bild: nova-Institut
Bild: nova-Institut
Carbon Capture, Biomasse und Recycling sind die Säulen einer
nachhaltigen Zukunft der chemischen Industrie
Globaler Kohlenstoffbedarf für organische
Chemikalien und abgeleitete Materialien
nach Art des Ausgangsmaterials (total 2021
rund 450 Mio. t, Referenz 2015–2020)
Die Klimakrise beschleunigt sich in einem noch nie da gewesenen
Tempo. Die globale Erwärmung, Treibhausgasemissionen und die
Abholzung der Wälder führen zu Ernährungsunsicherheit, globalen
Gesundheitsproblemen und dem Verlust der biologischen Vielfalt.
92 % der Auswirkungen der globalen Erwärmung werden durch
kohlenstoffhaltige Treibhausgasemissionen verursacht, 80 % sind
fossilen Ursprungs. Es ist offensichtlich geworden, dass wir die Folgen
unserer heutigen Produktionsweisen für den Planeten nicht länger
ignorieren können. Um den Energiesektor bis 2050 zu dekarbonisieren
und die Erreichung der Ziele des Pariser Abkommens sicherzustellen,
ist es für die Industrie unerlässlich, vollständig aus
der Nutzung fossiler Energieträger auszusteigen.
Dekarbonisierung der kohlenstoffbasierten Chemie?
Insgesamt werden 89 % des aus dem Boden gewonnenen Kohlenstoffs
für Energie und Kraftstoffe genutzt, während 11 % für Zement,
Chemikalien und Folgeprodukte eingesetzt werden. Der Prozess
der Dekarbonisierung des Energiesektors und der Ausbau der
erneuerbaren Energien ist in vielen Ländern im Gange. Es ist jedoch
unmöglich, auf Kohlenstoff im Sektor der Chemikalien und Folgeprodukte
zu verzichten. Diese Produkte umgeben uns in vielfältiger
Weise und die meisten von ihnen enthalten Kohlenstoff.
Die Menge an (gebundenem) Kohlenstoff in diesen Produkten wurde
vom nova-Institut nun erstmalig berechnet. Kohlenwasserstoffe
(z. B. Öl und Gas, aber auch Biomasse und Rezyklate) werden sowohl
zur Energiegewinnung für Prozessenergie eingesetzt als auch
als Ausgansstoff für die Produkte selbst. Letzteres wird auch „gebundener
Kohlenstoff“ genannt und verursacht derzeit ca. zwei
Drittel des Kohlenstoffbedarfs der Chemieindustrie. Der jährliche
Bedarf an gebundenem Kohlenstoff beträgt 450 Mio. t (Mt), von
denen 85 % aus fossilen Ressourcen, 10 % aus Biomasse und nur
5 % aus dem Recycling stammt.
Steigende Nachfrage nach Kohlenstoff
Die Nachfrage nach gebundenem Kohlenstoff wird in Zukunft noch
weiter steigen. Eine Zunahme der Bevölkerung, höhere Einkommen
und eine wachsende Mittelschicht werden den Bedarf an Produkten
und damit auch an Kohlenstoff antreiben. Bis 2050 wird die Nachfrage
nach gebundenem Kohlenstoff, der in organischen Chemikalien
enthalten ist, auf 1000 Mt pro Jahr ansteigen. Um einen langfristigen
und nachhaltigen Wandel zu schaffen, können nur drei
Quellen von erneuerbarem Kohlenstoff die Nutzung des fossilen
Kohlenstoffs ersetzen: Biomasse, Recycling und CCU (Carbon Capture
and Utilisation; abgeschiedenes CO 2 aus Industrieprozessen
oder der Atmosphäre).
Transformation der chemischen Industrie
Die chemische Industrie ist ein Schlüssel für eine Vielzahl von anderen
Industrien und Produkten. Sie ist eine hochgradig vernetzte, integrierte
Industrie und wurde über Jahrzehnte in vielerlei Hinsicht
optimiert. Für den Ersatz von fossilen Rohstoffen gibt es zwei verschiedene
Strategien, die beide für die Transformation wichtig sind
und parallel entwickelt werden sollten.
Strategie 1: Drop-in
Die Drop-in-Strategie nutzt bestehende Strukturen der chemischen
Industrie, wie z. B. Raffinerien und Chemieparks, um die Rohstofftransformation
auf der Ebene der Einsatzstoffe einzuleiten. Anstelle
von Naphtha, Methan, Ethan, Propan, Methanol aus fossilen Quellen
wie Öl, Erdgas und Kohle können diese Rohstoffe auch aus Biomasse,
CO 2 und chemischem Recycling gewonnen werden. Das Endprodukt
bleibt das gleiche, während der Rohstoff erneuerbar wird und
die bestehenden Prozesse und die Infrastruktur weitgehend erhalten
bleiben. In diesem Fall können große Mengen an zusätzlichem, fossilem
Kohlenstoff schnell ersetzt werden.
Strategie 2: Dediziert
Die dedizierte Strategie baut völlig neue Strukturen mit neuen Verfahren
auf, um neue Rohstoffe zu erzeugen, etwa durch Biotechnologie,
Holz- oder Elektrochemie. Diese Produkte nutzen oft Biomasse
oder CO 2 effizienter und weisen Eigenschaften auf, die in keinem
petrochemischen Pendant zu finden sind. Zu den dedizierten Strategien
gehört der Ersatz von petrochemischen Kunststoffverpackungen
durch Verpackungen aus Papier, Zellulose oder Naturfasern.
Beide Strategien müssen verfolgt werden
Beide Strategien sind notwendig, um die Transformation zu erreichen.
Während die erste Strategie vor allem für Grundchemikalien
geeignet ist, könnte die zweite für Spezialanwendungen mit kleineren
Produktionsmengen eingesetzt werden. Um die Drop-in-Strategie
umzusetzen, müssten die über Jahrzehnte optimierten Anlagen
der chemischen Großindustrie, Chemieparks, integrierten Standorte
und Erdölraffinerien an die neuen Rohstoffe und Zwischenprodukte
des erneuerbaren Kohlenstoffs angepasst werden. Dies erfordert er-
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