Die organisch-chemische Grundstoffindustrie basiert heute noch weitgehend auf fossilem Kohlenstoff – überwiegend auf Erdgas und Naphtha. Wie sich diese Basis durch alternative Kohlenstoffquellen am Chemiestandort Deutschland ersetzen lässt, zeigt die Studie „Transformation der Chemischen Verfahrenstechnik – Effiziente Herstellungswege mit veränderter Rohstoffbasis“ der Dechema Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie im Auftrag der IREES – Institut für Ressourceneffizienz und Energiestrategien.
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:
international wettbewerbsfähige Industriestrompreise für elektrifizierte Anlagen
den beschleunigten Aufbau überregionaler CO2- und Wasserstoff-Transportnetze
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.
