Klimaschutz in der Chemieindustrie

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Die chemische Industrie gehört zu den energie- und emissionsintensiven Industrien in Deutschland. Dabei verbrauchen die weitaus meisten Reaktionen nur sehr wenig Energie oder setzen sogar Wärmeenergie frei. Die hohen Energieverbräuche und hohen klimaschädlichen Emissionen sind auf eine Handvoll von Prozessen der Grundstoffchemie zurückzuführen:

 

  • Allen voran das sogenannte Cracken zur Herstellung von Olefinen und Aromaten. Dieser Prozess allein verursacht reichlich die Hälfte der klimaschädlichen Emissionen der Chemieindustrie.
  • Ammoniak-Herstellung
  • Methanol-Herstellung
  • Chlor-Alkali-Elektrolyse
  • Herstellung von Wasserstoff nach der herkömmlichen Methode der Dampfreformierung

Die emissionsintensiv hergestellten Grundstoffe sind die Ausgangsstoffe für die große Vielfalt der Produkte der chemischen Industrie. Man kann auf die Grundstoffe nicht verzichten. Klimaschutz in der Chemieindustrie bedeutet, dass die Prozesse der Grundstoffchemie verändert werden müssen. Dazu benötigt die klimaneutrale Chemieindustrie große Mengen erneuerbaren Stroms und eine neue klimaneutrale Rohstoffbasis. Statt des heute überwiegend zum Einsatz kommenden Erdöls müssen klimaneutrale Rohstoffe wie nachhaltig hergestellte Biomasse oder direkt aus der Atmosphäre abgeschiedenes CO2 und Elektrolyse-Wasserstoff Verwendung finden.

Dies bedeutet eine große Transformation mit hohen Investitionen in gänzlich neue Art von Anlagen sowie der Umstellung der gesamten Lieferkette auf neue Rohstoffe. Um sicherzustellen, dass diese Transformation gelingt und Deutschland den Wert, den diese Branche schafft, bewahrt, sind systemische politische Maßnahmen erforderlich.

Emissionsintensität der chemischen Industrie

Die Industrieemissionen der chemischen Industrie entsprachen im Jahr 2019 21 Prozent der Industrieemissionen. Darunter fallen die Prozessemissionen sowie die standortbezogene Energieerzeugung. Die meisten dieser Emissionen entfallen auf die genannten fünf besonders emissionsintensive Grundstoff-Prozesse.

Optionen zur Emissionsminderung

Um Klimaneutralität der Chemieindustrie zu erreichen, müssen die Grundstoffprozesse auf neue Verfahren umgestellt werden.

Cracken zur Produktion von Olefinen und Aromaten.  In diesem Prozess wird das Erdölderivat Naphtha sehr stark erhitzt, sodass es in kleine Bruchstücke zerbricht. Die Bruchstücke, die man Olefine nennt, haben eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung und sind somit hervorragend geeignet, eine Vielzahl weiterer Reaktionen einzugehen. Unter anderem reagieren sie auch mit sich selbst und bilden lange Ketten (Polymere). Die Olefine sind somit die Ausgangsstoffe für die weitaus meisten Kunststoffe. Die andere Produktart des Crackens heißt Aromaten. Das sind ebenfalls wichtige Grundstoffe für die chemische Industrie.

Um das Cracken klimaneutral zu gestalten, müsste die erforderliche Hitze elektrisch unter Verwendung von 100 Prozent erneuerbarem Strom bereitgestellt werden. Zusätzlich darf das Naphtha nicht aus dem Erdöl stammen, sondern muss aus atmosphärisch abgeschiedenem oder aus Biomasse gewonnenem CO2 und „grünem“ Wasserstoff hergestellt werden (Carbon Capture and Utilization, CCU). Auch hierfür werden große Mengen erneuerbaren Stroms benötigt.

Eine Alternative ist die klimaneutrale Herstellung von Methanol (siehe unten) und die weitere Umsetzung von Methanol nach der Methanol-to-Olefin (MTO) oder Methanol-to-Aromatics (MTA) Technologie. Diese Alternative wird verfolgt, weil es das energieintensive Cracken vermeidet. So kann der Gesamtenergieverbrauch geringer sein kann. Dennoch benötigt auch die Herstellung von klimaneutralem Methanol sehr große Mengen an erneuerbarem Strom.

Ammoniak wird nach sogenanntem Haber-Bosch-Verfahren aus Stickstoff und Wasserstoff hergestellt. Seine hohe Emissionsintensität ergibt sich aus der hohen Emissionsintensität des eingesetzten herkömmlichen Wasserstoffs. Die Verwendung emissionsarmen Wasserstoffs würde die Emissionen senken. Der emissionsarme Wasserstoff könnte aus Elektrolyse mit 100 Prozent erneuerbarem Strom oder aus emissionsfreier Nutzung von Erdgas stammen. Ebenso ist die Anwendung von CO2-Abscheidung bereits eine anwendungsbereite und erprobte Technologie, welche die Prozessemissionen reduzieren kann.

Methanol wird aus Erdgas hergestellt. Seine klimaneutrale Herstellung gelingt aus emissionsfreiem Wasserstoff und CO2. Dabei ist auch die CO2-Quelle von Bedeutung. Das CO2 sollte direkt aus der Atmosphäre abgeschieden sein oder aus nachhaltig erzeugter Biomasse stammen.

Chlor-Alkali-Elektrolyse. Wie bei allen Elektrolyse-Prozessen ist auch für die Chlor-Alkali-Elektrolyse die Verfügbarkeit von 100 Prozent erneuerbarem Strom die alles entscheidende Voraussetzung für Klimaneutralität.

Die klimaneutrale Wasserstoffherstellung mittels Elektrolyse und aus Erdgas beschreiben wir auf unseren Webseiten im Bereich Energie der Zukunft.

Rolle der Kreislaufwirtschaft. Da alle hier beschriebenen Prozesse sehr große Mengen erneuerbaren Stroms benötigen würden, bleibt auch in Zukunft die Kreislaufwirtschaft ein zentrales Handlungsfeld. Die Produkte, in denen Kunststoffe verwendet werden, müssen langlebig, wieder verwendbar, reparierbar und recycelbar sein. Wo mechanisches Recycling an seine Grenzen stößt, muss chemisches Recycling die weitere Verwendung von Altkunststoff ermöglichen und die Notwendigkeit der Produktion neuer Kunststoffe weiter reduzieren. Nur wenn diese Möglichkeiten ausgeschöpft werden, können die Mengen für die oben beschriebenen Prozesse minimiert und der Verbrauch an erneuerbarem Strom begrenzt werden. Wenn dennoch nicht recycelbare Mengen an Kunststoffen verbleiben, sollten sie thermisch zur Produktion von Strom und Wärme verwertet und die entstehenden CO2-Emissionen abgeschieden und permanent geologisch gespeichert werden. Ihre Verbrennung sollte zur Produktion von Strom und Wärme führen und mit einer CO2-Abscheidung ausgestattet sein.

Nicht alle Produkte der chemischen Industrie können recycelt werden. Viele Produkte sind reines Verbrauchsmaterial, wie zum Beispiel Kosmetika, Reinigungsmittel, Lacke und Farben. Zu deren Herstellung werden weiterhin sowohl eine Kohlenstoffquelle als auch Wasserstoff benötigt. Zur Herstellung dieser Produkte muss das CO2 entweder direkt aus der Atmosphäre abgeschieden oder aus nachhaltig erzeugter Biomasse stammen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass folgende vier Elemente zu einer klimaneutralen Chemieindustrie führen würden:

  • Eine umfassende Kreislaufwirtschaft mit
    • Sicherstellung der Langlebigkeit, Wiederverwendbarkeit, Reparierbarkeit und Recyclingfähigkeit aller Produkte, die nicht reines Verbrauchsmaterial sind, wie zum Beispiel Reinigungsmittel
    • Maximierung aller Potentiale für mechanisches und chemische Recycling
    • CO2-Abscheidung und CO2-Recycling. Nutzung von CO2, welches direkt aus der Atmosphäre abgeschieden wurde oder aus nachhaltig erzeugter Biomasse stammt
  • Verfügbarkeit großer Mengen an erneuerbarem Strom. Studien schätzen, dass eine klimaneutrale chemische Industrie in der EU ähnlich viel Strom verbrauchen könnte wie der gesamte heutige EU-Stromverbrauch
  • Investitionen in neue klimaneutrale Prozesse in der Grundstoffchemie. Die Umstellung der Grundstoffprozesse ist eine große Transformation, die hohe Investitionen in Nachrüstung und Neubau von Anlagen nach sich zieht. Staatliche Unterstützung sowohl bei den anfänglichen Kapitalkosten als auch bei den Betriebskosten ist nötig, um diesen Übergang zu ermöglichen
  • Neue Rohstoffbasis. Klimaneutralität erfordert auch klimaneutrale Rohstoffe. Der künftige Kohlenstoffbedarf muss überwiegend mit nachhaltig erzeugter Biomasse und CO2 gedeckt werden.

Eine neue Rohstoffbasis für die chemische Industrie Eine neue Rohstoffbasis für die chemische Industrie

Benötigte Infrastruktur

Die klimaneutrale Grundstoffchemie benötigt große Mengen erneuerbaren Stroms. Dazu sind entsprechend vergrößerte Stromleitungen zu den Chemiestandorten erforderlich.

Weiterhin werden größere Mengen an emissionsarmem Wasserstoff und an CO2 als Rohstoff gebraucht. Sofern Wasserstoff nicht am Standort hergestellt werden kann oder CO2 aus einer anderen weiter entfernten Quelle stammt, wird Wasserstofftransport und CO2-Transport benötigt.

Bellona fordert:

Die Umstellung der chemischen Industrie auf klimaneutrale Produktion ist eine große Transformation für diese Branche. Damit sie gelingt, sind umfassende branchen-übergreifende Maßnahmen notwendig. Die Bundesregierung muss

  • auf nationaler und EU-Ebene die Kreislaufwirtschaft weiterentwickeln mit dem Ziel
    • durch Langlebigkeit, Wiederverwendbarkeit, Reparierbarkeit und Recyclingfähigkeit von Produkten den Bedarf an zusätzlichen Primärkunststoffen zu senken
    • neben einer Maximierung des mechanischen Recyclings die Potentiale des chemischen Recyclings auszuschöpfen und durch CO2-Abscheidung auch den größeren Kreis des CO2-Recyclings zu schließen
  • die Ausbauziele für erneuerbaren Strom erhöhen und dabei von einem deutlich wachsenden Gesamtstrombedarf ausgehen. Der Netzausbau muss in dem Zusammenhang dringend beschleunigt werden. Importe von erneuerbarem Strom aus dem Ausland müssen schnellstmöglich geprüft und dafür die entsprechenden bilateralen Vereinbarungen mit geeigneten Lieferländern geschlossen werden.
  • Investitionshilfen für die Umstellung der Grundstoffprozesse bereitstellen. Insbesondere ist die Einführung eines Finanzierungsinstruments in Form von Carbon Contracts for Difference (CCfD) notwendig.
  • im Rahmen der Umsetzung der Wasserstoffstrategie ermöglichen und einfordern, dass
    • sofort maximal mögliche Emissionseinsparungen durch Verwendung emissionsarmen Wasserstoffs aus Erdgas angestrebt werden.
    • die zeitnahe Verfügbarkeit hinreichend großer Mengen an emissionsarmem Wasserstoff für die Industrie sichergestellt ist und die industriellen Wasserstoff-Anwendungen priorisiert werden.
  • mit dem Aufbau einer Wasserstoff- und CO2-Infrastruktur als Teil eines Gesamtsystems aus vergrößertem und ertüchtigtem Stromnetz sowie Wasserstoff- und CO2-Transport schnellstmöglich beginnen.