Verfahren zur klimaneutralen Bereitstellung und Verarbeitung von Kohlenstoff für die Herstellung von chemischen Grundstoffen : Studie

Abstract

Alltägliche Produkte wie zum Beispiel Kunststoffe, Farben, Lösemittel, Kosmetika und pharmazeutische Erzeugnisse werden derzeit zum größten Teil aus den fossilen Rohstoffen Mineralöl und Erdgas hergestellt. Der darin gebundene Kohlenstoff wird am Ende des Lebensweges der Produkte meist in Form des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid (CO₂) emittiert. Als Konsequenz aus den Klimaschutzzielen in Deutschland und der Europäischen Union hin zur Klimaneutralität kann die Nutzung von fossilen Rohstoffen in dieser Weise nicht weitergeführt werden. Vor diesem Hintergrund zeigt die vorliegende Studie Möglichkeiten auf, wie die Integration von alternativen Kohlenstoffquellen wie Biomasse, Kunststoffabfälle und CO₂ in die vorhandenen Wertschöpfungsketten der chemischen Industrie dazu führen kann, zukünftig auf fossile Rohstoffe als Kohlenstofflieferant zu verzichten. Um zu verstehen, wie alternative Kohlenstoffquellen integriert werden können, wird zunächst skizziert, über welche Pfade und Zwischenprodukte fossile Rohstoffe in die Endprodukte gelangen. Daraus wird ersichtlich, dass die Grundchemikalien Ethylen, Propylen, C4-Produkte (u.a. Butene), Benzol, Toluol, Xylol, Methanol und Harnstoff am Anfang der Wertschöpfungskette vieler Produkte stehen und aus diesen nahezu alle kohlenstoffhaltigen Produkte der chemischen Industrie synthetisiert werden können. Ammoniak ist eine weitere wichtige Grundchemikalie, die zwar keinen Kohlenstoff enthält, für deren Produktion allerdings momentan fossiles Methan genutzt wird. Gelingt es, diese Produkte komplett auf Basis von Biomasse, Kunststoffabfällen und CO₂ herzustellen, kann die Produktion rohstoffseitig klimaneutral werden. Insgesamt beinhalten die oben genannten Grundchemikalien bezogen auf die Produktionsmenge von 2023 10 Millionen Tonnen Kohlenstoff (Mt C) in Deutschland und 31 Mt C in der EU. Anhand dieser Produktionsmengen und der Berechnung des Kohlen stoffgehalts wird bestimmt, wie viel Kohlenstoff aus alternativen Quellen in Deutschland und der Europäischen Union zukünftig benötigt wird, und ob die verfügbaren Mengen ausreichend sind, um vollumfänglich auf fossile Rohstoffe verzichten zu können. Darauf basierend wird die Frage diskutiert, wie sich die Produktionsmengen, sowie die Nutzung und Etablierung der alternativen Kohlenstoffquellen, ausgehend von 2023, bis zur angestrebten Klimaneutralität in Deutschland in 2045 und in der EU in 2050, entwickeln werden. Das ermittelte theoretisch nutzbare Potenzial von Kohlenstoff aus Biomasse ist mit 14 Mt C pro Jahr (Mt Kohlenstoff pro Jahr) in Deutschland und 72 Mt Kohlenstoff pro Jahr in der EU sehr groß, unterliegt jedoch auch großem Konkurrenzdruck durch andere Industrien. Im Gegensatz dazu ist das theoretische Potenzial von Kunststoffabfällen derzeit gering. In Deutschland könnten ca. 2 Mt Kohlenstoff pro Jahr aus Kunststoffabfällen genutzt werden, in der EU ca. 5 Mt Kohlenstoff pro Jahr. Abgesehen von aus der Atmosphäre abgeschiedenem CO₂ als Kohlenstofflieferant wurde das theoretische Potenzial von industriellen CO₂-Quellen betrachtet, die auch zukünftig zur Verfügung stehen. So sind, unter anderem durch die mineralverarbeitende Industrie, in Deutschland ca. 13 Mt Kohlenstoff pro Jahr und ca. 123 Mt Kohlenstoff pro Jahr in der EU vorhanden. Um zu erfassen, wie die Nutzung von alternativen Kohlenstoffquellen den vorhandenen Bedarf decken kann, wird der Stand der Technik der relevantesten Verfahren zu deren Nutzung für die Produktion von Grundchemikalien betrachtet. Dabei zeigt sich, dass nur wenige Prozesse bereits jetzt eine hohe technologische Reife erreicht haben. Im Fall von Biomasse und dem chemischen Recycling von Kunststoffen eignen sich besonders thermochemische Umwandlungsverfahren wie Pyrolyse und Vergasung. Dabei entstehen wiederverwendbare chemische Ausgangsstoffe – Monomere, Synthesegas oder Pyrolyseöle –, die als Grundchemikalien in die chemische Wertschöpfungskette eingeführt werden können. Im Fall von CO₂-Nutzung müssen die stabilen CO₂-Moleküle zunächst durch die reverse Watergas-Shift Reaktion zu Kohlenstoff monoxid (CO) mit H₂ reduziert werden. Ein Gasgemisch aus überwiegend CO und H₂, meist als Synthesegas bezeichnet, stellt eine zentrale Zwischenstufe für die Herstellung verschiedenster Kohlenwasserstoffe, wie Olefine, Aromaten oder Kraft- und Brennstoffe, dar. Auch die direkte CO₂-basierte Methanolsynthese ist ein weiterer vielversprechender Prozess, um CO₂ als alter native Kohlenstoffquelle für die chemische Industrie einzusetzen. Dabei ist kein Zwischenschritt über CO nötig. Mit diesen Verfahren ist prinzipiell der Grundstein gelegt, damit alternative Kohlenstoffquellen fossile Rohstoffe ersetzen und ein Großteil der Wertschöpfungskette der chemischen Industrie intakt bleiben kann. Jedoch ist bisher keine der genannten Technologien in einem industriell relevanten Maßstab umgesetzt. Es existieren einige erste Anlagen, die gerade über die Größen ordnung einer Demonstration hinaus gehen. Aktuell sind die alternativen Prozesse zur Erzeugung von Grundchemikalien noch deutlich teurer als konventionelle, auf fossilen Rohstoffen basierende Prozesse. Im Rahmen der vorliegenden Studie wird untersucht, wie sich diese Technologien hinsichtlich ihrer technologischen Reife, Skalierung und Wirtschaftlichkeit entwickeln müssen, um in der Zukunft eine relevante Rolle zur Deckung des Kohlenstoffbedarfs der chemischen Industrie zu spielen. Dazu wurde ein Szenario zur Integration der alternativen Kohlenstoffquellen und die zeitliche Entwicklung in Deutschland und der EU entwickelt. Basierend auf dem Stand der Technik und den unterschiedlichen Hürden zur Nutzung der alternativen Kohlenstoffquellen werden im Szenario sogenannte Durchdringungsraten für die Nutzung von Biomasse, Kunststoffabfällen und CO₂ bis 2035 und 2045/2050 angenommen. Dies ist ein Prozentsatz, der wiedergibt, welchen Anteildie alternativen nicht-fossilen Kohlenstoffquellen gemessen an ihrem theoretischen Gesamtpotenzial zur Produktion im Jahr 2035 und 2045/2050 beitragen. In einem Basis-Szenario wird ein Wachstum der chemischen Grundstoffproduktion von jährlich - 1 % von 2023 bis 2035 und - 0,5 % von 2035 bis 2045/50 angenommen. Dies erlaubt eine Projektion auf den zukünftigen Kohlenstoffbedarf. Um eine Sensitivität abzubilden, werden zusätzlich eine optimistische und pessimistische Variante des Basis-Szenarios dargestellt. Hierbei werden Abweichungen von plus und minus 2 % der Wachstumsrate der chemischen Grundstoffchemie betrachtet. Die Anteile der jeweiligen alternativen Kohlenstoffquellen variieren zwischen der optimistischen und pessimistischen Variante. Für die drei Szenarien liegt die Durchdringung von Biomasse als Kohlenstoffquelle bei 5 ± 2 % in 2035 und 25 ± 15 % in 2045/2050. In Deutschland könnten so im Jahr 2045 zwischen 1,4 und 5,6 Mt C aus Biomasse genutzt werden und entsprechend in der EU im Jahr 2050 zwischen 7,2 und 28,8 Mt C – siehe auch Abbildung 1. Für die Durchdringung der Kohlenstoffnutzung durch chemisches Recycling wird ein Anteil von 5 ± 2 % bis zum Jahr 2035 an genommen, mit einem Anstieg auf 65 ± 15 % bis 2045/2050. In Deutschland könnte demnach im Jahr 2045 zwischen 0,8 und 1,3 Mt Kohlenstoff pro Jahr Kohlenstoff aus Kunststoffabfällen stofflich genutzt werden. Für die EU wird bis 2050 mit einer Nutzung zwischen 1,3 und 2,0 Mt Kohlenstoff pro Jahr gerechnet. Durch die Errichtung von ersten CCU-Anlagen (Carbon Dioxide Capture and Utilization) bis 2035 könnten in Deutschland zwischen 0,1 und 0,5 Mt Kohlenstoff pro Jahr stofflich genutzt werden. Um den verbleibenden Kohlenstoffbedarf, der nicht durch Biomasse und Recycling gedeckt werden kann, zur Produktion der ausgewählten Chemikalien bis 2045 zu gewährleisten, müss ten demnach in Deutschland zwischen 3,5 und 6,3 Mt Kohlenstoff pro Jahr durch CO₂-Abscheidung zur Verfügung gestellt und genutzt werden. Aufgrund der höheren Verfügbarkeit von Biomasse und Kunststoffabfällen in der EU relativ zum Produktionsvolumen, ist in der europäischen Betrachtung der Bedarf an CO₂ in Relation kleiner. In der EU fallen demnach bis zum Jahr 2050 Kohlenstoffbedarfe aus CO₂ zwischen 6,0 und 13,1 Mt Kohlenstoff pro Jahr an. Die Betrachtung zeigt, dass es basierend auf den getroffenen Annahmen und Berechnungen möglich ist, den gesamten Bedarf an Kohlenstoff für die Herstellung der Grundchemikalien aus Biomasse, Kunststoffabfällen und CO₂ zu decken. Der zukünftige Bedarf hängt jedoch von vielen unterschiedlichen Faktoren ab, die nicht in den Berechnungen berücksichtigt werden konnten, wie z.B. in welchen Regionen der Erde in der Zukunft in welchen Größenverhältnissen Chemikalien hergestellt werden. Selbst bei gleichbleibender globaler Produktionsmenge kann sich der Bedarf in Deutschland, oder der EU, aufgrund von Standortver lagerungen verringern. Anderseits kann ein geändertes Konsumverhalten dazu führen, dass generell weniger Produkte benötigt werden. Auch der Ausbau der Kreislaufwirtschaft und Verbesserungen des mechanischen Recyclings könnten den Bedarf an Grundchemikalien verringern.