Pfade zur Rohstoff-Transformation der Chemie

Die Studie nennt drei Kohlenstoffquellen, die fossiles Naphtha und Erdgas künftig ersetzen sollen: CO₂ aus unvermeidbaren Punktquellen wie Zement- und Kalkwerken und biogenen Quellen wie Biogasanlagen, biogene Rest- und Abfallstoffe sowie Kunststoffabfälle. Für die genannten Quellen werden Prozessketten beschrieben – von der Aufbereitung der Rohstoffe bis zur Herstellung der großvolumigen petrochemischen Plattformchemikalien. Es gibt mehrere technische Wege, um dieselben chemischen Grundstoffe künftig klimaneutral herzustellen – vorausgesetzt, alternative Kohlenstoffquellen und erneuerbare Energie kommen zusammen. Aus einer vergleichenden Bewertung der verschiedenen Prozessketten von den Rohstoffen bis zu den Grundchemikalien werden sogenannte „Effizienz-Verfahren“ abgeleitet, die neben der technischen Reife deutliche Einsparpotenziale bei Kosten und Energiebedarf sowie niedrige Rohstoffbedarfe aufweisen.

Für die chemische Umsetzung von alternativen Kohlenstoffquellen werden drei Schwerpunkte betrachtet:

● Power-to-X-Prozesse: Die Umsetzung von CO2 und grünem Wasserstoff zu Methanol und über Methanol-to-X zu Grundstoffen sowie über die Fischer-Tropsch-Route zu synthetischen Einsatzstoffen für den Steamcracker.

● Biomasse-Gasifizierung und Umsetzung des Synthesegases zu Grundstoffen

● Thermochemisches Kunststoffrecycling, allen voran Pyrolyseverfahren, die zu Cracker-fähigen Einsatzstoffen führen

Manche Verfahren ergänzen sich dabei, etwa die gemeinsame Gasifizierung von Kunststoff und Biomasse oder die parallele Nutzung von Kunststoffpyrolyse und Fischer-Tropsch-Synthese für Cracker-Rohstoffe.

Forschungspolitische Empfehlungen

Bis zur industriellen Umsetzung sind Forschung und Entwicklung zu einzelnen Verfahrensschritten sowie Erfahrungen aus Pilot- und Demonstrationsanlagen notwendig. Die Studie liefert konkrete Handlungsempfehlungen zum Forschungsbedarf in der Rohstoffvorbehandlung, zur Katalysatorentwicklung sowie zur Reaktionstechnik und Produktaufarbeitung. Für eine bestmögliche Energie- und Rohstoffeffizienz müssen diese zusammenspielen und im Zusammenspiel betrachtet werden. Neben rohstoffflexiblen Gasifizierungsverfahren, Power-to-X-Verfahren und chemischem Recycling von Kunststoffen sind auch technisch noch unreife, aber besonders effiziente Verfahren wie die homogen katalysierte Methanolsynthese oder die Direktsynthese von Olefinen aus Synthesegas vorrangige Forschungsfelder.

Infrastruktur und Rahmenbedingungen müssen stimmen

Die Studie benennt drei drängende infrastrukturelle und politische Voraussetzungen:
1. international wettbewerbsfähige Industriestrompreise für elektrifizierte Anlagen

2. den beschleunigten Aufbau überregionaler CO₂- und Wasserstoff-Transportnetze

3. eine klare politische Priorisierung der stofflichen gegenüber der energetischen Nutzung von Biomasse und Kunststoffabfällen.

Klar ist auch: Die Transformation macht die Chemieindustrie zwar unabhängiger vom Import fossiler Rohstoffe, aber nicht autark – die Abhängigkeit verschiebt sich hin zu importiertem Wasserstoff und seinen Derivaten aus Weltregionen mit günstigen Bedingungen für erneuerbare Energien.
Ohne Investitionen ist die Transformation nicht machbar: damit Wertschöpfung in Deutschland und Europa bleibt, kommt der Nachrüstung bestehender Anlagen (Brownfield) gegenüber teuren Neuinvestitionen (Greenfield) eine Schlüsselrolle zu.

Über die DECHEMA
Die DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. http://www.dechema.de führt Fachleute unterschiedlicher Disziplinen, Institutionen und Generationen zusammen, um den wissenschaftlichen Austausch in chemischer Technik, Verfahrenstechnik und Biotechnologie zu fördern. Die DECHEMA sucht nach neuen technologischen Trends, bewertet diese und begleitet die Umsetzung von Forschungsergebnissen in technische Anwendungen. Rund 5.000 Ingenieure, Naturwissenschaftler, Studierende, Firmen und Institutionen gehören dem gemeinnützigen Verein an. Gemeinsam mit der DECHEMA Ausstellungs-GmbH ist er Veranstalter der ACHEMA. Die Studie wurde im Rahmen von DECHEMA Analysis + Consulting https://ac.dechema.de durch die DECHEMA-Fachbereiche Chemie, Energie & Klima, Rohstoffe und Biotechnologie bearbeitet.

Über IREES
Das IREES – Institut für Ressourceneffizienz und Energiestrategien http://www.irees.de arbeitet im Bereich der nachhaltigen Energie- und Ressourcennutzung mit Fokus auf neue Technologien und Dienstleistungen für Unternehmen, energieintensive Produktionsprozesse und im Gebäudebereich. Unsere Projekte führen wir in interdisziplinären Teams mit energietechnischer, ökonomischer und sozialwissenschaftlicher Expertise durch. Dabei werden insbesondere Markthemmnisse und deren Überwindung durch Politikmaßnahmen analysiert, technische Lösungen bewertet und sektorale Energieszenarien erstellt sowie Energie- und Klimaschutzstrategien für Quartiere, Unternehmen, Städte und Länder entwickelt. Unsere Ergebnisse erzielen wir durch die Modellierung komplexer Energiesysteme, ingenieurtechnische und ökonomische Analysen sowie die empirische Sozial- und Innovationsforschung.

Die Studie "Transformation der Chemischen Verfahrenstechnik – Effiziente Herstellungswege mit veränderter Rohstoffbasis" entstand im Rahmen des BMWE-geförderten Verbundvorhabens EE4InG2 – Begleitforschung für Energieeffizienz in Industrie und Gewerbe 2.0 (Förderkennzeichen: 03EN2107A-C). Das Projekt begleitet wissenschaftlich das Forschungsnetzwerk Industrie und Gewerbe und fördert den Austausch zwischen Industrie, Wissenschaft und Politik.