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Kohlenstoff im Kreislauf führen

Wie kann der weltweite Bedarf in Zukunft gedeckt werden?
Kohlenstoff im Kreislauf führen

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Die Welt muss klimaneutral werden. Das geht aber nicht, ohne den industriell verwendeten Kohlenstoff im Kreislauf zu führen. Bild: lazyllama – stock.adobe.com
Der Chemiesektor hat einen dauerhaften und steigenden Bedarf an Kohlenstoff, der in seinen Produkten gebunden ist. Heute sind insgesamt 450 Mio. t Kohlenstoff in Chemikalien und Polymeren enthalten, die meist aus fossilen Ressourcen stammen. Der Chemiesektor steckt aktuell in der größten Transformation seit der industriellen Revolution. Es gilt, den Bedarf bis 2050 durch erneuerbaren Kohlenstoff zu decken.

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 CO2 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, CO2 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 CO2 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 erhebliche Investitionen in strukturelle Veränderungen sowie die Entwicklung und Integration neuer Technologien (z. B. Elektrochemie).

Die dezidierte Strategie ist stark von Forschung und Innovation geprägt, da es oft um die Schaffung neuer Produktionswege (z. B. biotechnologische Entwicklungen) für Produkte mit verschiedenen neuen und verbesserten Eigenschaften geht.

Recycling

Die heute überwiegenden, mechanischen Recyclingverfahren sind hinsichtlich der Art der nutzbaren Abfallströme und in der Qualität der Rezyklate beschränkt. Mit dem chemischen Recycling hingegen können praktisch alle Abfallfraktionen, insbesondere gemischte, recycelt und in hochwertige Einsatzstoffe umgewandelt werden. In Europa warten die Investoren darauf, dass die Politik mit klaren Rahmenbedingungen den Startschuss gibt, um die notwendigen großen Investitionen zu tätigen.

Beim mechanischen und chemischen Recycling verbleiben große Teile des Kohlenstoffs (aber nicht alle) im Kreislauf. Neben dem Recycling werden daher andere Quellen für erneuerbaren Kohlenstoff benötigt, um Lücken im Kreislauf zu schließen und die Verluste zu minimieren. Diese Quellen erneuerbaren Kohlenstoffs stammen aus Biomasse und der direkten CO2-Nutzung.

Biomasse

Die Biomasse unterteilt sich in primäre Biomasse von Feldern und Wäldern und in sekundäre Biomasse, die aus biogenen Abfällen und Nebenströmen stammt (z. B. aus der Land- und Forstwirtschaft, der Lebensmittel-, Futtermittel- und Chemieindustrie, der Holz- und Papierproduktion sowie aus privaten Haushalten). Die Nutzung dieser „organischen Abfälle“ wird ein Schlüssel für den Übergang zu einer biobasierten Kreislaufwirtschaft sein.

Die Verwertung von Biomasse ist vor allem dort sinnvoll, wo funktionale und komplexe molekulare Einheiten der Biomasse nach der chemischen Umwandlung erhalten bleiben und weiter genutzt werden können. Dies gilt z. B. für die Oleochemie, für Naturkautschuk und Lignin sowie für zahlreiche neuartige biobasierte Komponenten wie organische Säuren und Furan-basierte Produkte. Die industrielle Biotechnologie kann dabei helfen, komplexe Moleküle in kurzen und schonenden Verfahren und mit maßgeschneiderten Produktionsorganismen herzustellen. Lignin zum Beispiel, ein Nebenprodukt der Holzverarbeitung, wird bisher wenig genutzt, könnte aber in Zukunft zur Herstellung von Aromaten und Asphalt eingesetzt werden.

Konflikte in der Landnutzung können gemindert werden, indem hocheffiziente Nutzpflanzen bzw. deren Nebenprodukte genutzt werden. Außerdem könnten Biomasseströme, die heute für Biokraftstoffe genutzt werden, im Zuge der Elektromobilität frei werden. Insgesamt wird die Biomasse allein jedoch nicht ausreichen, um genügend erneuerbaren Kohlenstoff bereitzustellen. Daher ist eine dritte Quelle für erneuerbaren Kohlenstoff notwendig: CO2.

Direkte Nutzung von CO2

Carbon Capture and Utilisation bietet eine breite Palette von Anwendungen, bei denen CO2 als Ausgangsstoff für Chemikalien, Polymere, Kraftstoffe, Mineralien und sogar Proteine verwendet werden kann. Durch die Kombination von CO2 mit grünem Wasserstoff können verschiedene Zwischen- und Endprodukte hergestellt werden, wie z. B. Methan und Methanol, und über die Fischer-Tropsch-Reaktion kann aus CO2 und Wasserstoff synthetisches Naphtha hergestellt werden. Aus synthetischem Naphtha lassen sich auch Grundchemikalien für die Produktion von höherwertigen Chemikalien und Polymeren sowie langkettigen Wachsen mit hohem Reinheitsgrad ableiten. Einige Chemikalien werden standardmäßig direkt aus CO2 synthetisiert, wie z. B. Harnstoff und diverse Polymere (z. B. Polyurethane und Polycarbonate).

Um den Kohlenstoff im CO2 chemisch nutzbar zu machen, sind große Mengen Energie in Form von Wasserstoff notwendig. Aus ökologischer Sicht bedeutet dies, dass für CCU-Prozesse nur erneuerbare Energien oder vorhandene Prozessenergie genutzt werden können. Aus diesem Grund muss es in Zukunft einen massiven, weltweiten Ausbau der erneuerbaren Energien geben.

Fazit

Seit dem Beginn der industriellen Revolution hat sich die Menschheit für ihre Entwicklung fast ausschließlich auf billige, fossile Kohlenstoffquellen wie Kohle und Erdöl verlassen. Heute können wir zum ersten Mal die Produktion von Chemikalien und Folgeprodukten von der Verwendung von frischem fossilem Kohlenstoff entkoppeln. Alle heutigen Chemikalien und Folgeprodukte können mit erneuerbarem Kohlenstoff aus Biomasse, abgeschiedenem CO2 oder Recycling hergestellt werden. Um den Bedarf der Chemie und ihrer Folgeprodukte zu decken, muss die Produktion von erneuerbarem Kohlenstoff bis 2050 jedoch um den Faktor 15 gesteigert werden. Diese äußerst anspruchsvolle Aufgabe erfordert eine sektorübergreifende Zusammenarbeit von Industrie, Regierungen und Verbrauchern.

nova-Institut GmbH, Hürth


Autor: Ferdinand Kähler

Wissenschaftler für Nachhaltigkeit,
nova-Institut


Autor: Michael Carus

CEO und Gründer,

nova-Institut

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