Die heutige Produktionsweise (links) und die drei untersuchten Ansätze (rechts) im schematischen Überblick. Grafik: adaptiert von Gabrielli P et al. Industrial and Engineering Chemistry Research 2020.

ETHZ: Wie die chemische Industrie die Klimaziele erreichen kann

(©FB) ETH-Forschende analysierten verschiedene Möglichkeiten, die Netto-CO2-Emissionen der chemischen Industrie auf null zu reduzieren. Die Wissenschaftler kommen zum Schluss: Eine CO2-neutrale chemische Industrie ist möglich. Alle untersuchten Ansätze haben jedoch neben Vorteilen auch Nachteile. Und alle diese Ansätze benötigen mehr Energie (in Form von Strom) als heutige Produktionsweisen.


Bis 2050 soll unsere Gesellschaft CO2-neutral werden. Dies hat der Bundesrat für die Schweiz beschlossen. Für den Autoverkehr sowie den ganzen Energiesektor ist das zwar herausfordernd, aber möglich, zum Beispiel mit einer konsequenten Elektrifizierung und der ausschliesslichen Nutzung von CO2-neutralen Energiequellen. Schwieriger wird die Umstellung für die chemische Industrie. Denn während sich viele andere Industriezweige vor allem mit ihrer Energieeffizienz beschäftigen müssen, kommt für die chemische Industrie noch die Frage nach den Rohstoffen dazu. «Polymere, Kunststoffe, synthetische Textilfasern und Medikamente enthalten Kohlenstoff. Irgendwoher muss dieser kommen», erklärt Marco Mazzotti, Professor für Verfahrenstechnik an der ETH Zürich. Zurzeit stammt dieser Kohlenstoff zu einem überwiegenden Teil aus Erdöl und Erdgas. Bei der Produktion, und wenn die chemischen Produkte an ihrem Lebensende verbrannt oder zersetzt werden, kommt es zur Freisetzung von CO2.

Netto-Null-Ziel auch für chemische Industrie erreichbar
Mazzotti hat nun zusammen mit Kollegen der ETH Zürich und der Universität Utrecht verschiedene Ansätze, die Netto-CO2-Emissionen der chemischen Industrie auf null zu reduzieren, systematisch und mit konkreten Zahlen miteinander verglichen. Die Wissenschaftler nutzten dazu als Fallbeispiel die Herstellung von Methanol. Die wichtigsten Schlussfolgerungen der neuen Studie: Auch für die chemische Industrie ist das Netto-Null-Ziel erreichbar. Alle untersuchten Ansätze, das Ziel zu erreichen, haben jedoch neben Vorteilen auch Nachteile, die in unterschiedlichen Weltregionen unterschiedlich zum Tragen kommen. Und alle diese Ansätze benötigen mehr Energie (in Form von Strom) als heutige Produktionsweisen.

CO2 abscheiden
Ein Ansatz sieht vor, weiterhin fossile Rohstoffe zu nutzen, CO2-Emissionen jedoch konsequent abzuscheiden und im Untergrund zu speichern (Carbon Capture and Storage, CCS). Dies hätte den grossen Vorteil, dass die heutigen industriellen Herstellungsprozesse nicht verändert werden müssten. Allerdings braucht es dazu geologisch geeignete Speicherstätten, zum Beispiel tiefe Sedimentschichten, die Salzwasser enthalten. Nicht überall auf der Welt sind solche vorhanden.

CCU nur für Länder mit CO2-neutralem Strommix
In einem anderen Ansatz würde die Industrie künftig Kohlenstoff aus CO2 nutzen, das zuvor aus der Luft oder aus Industrieabgasen abgeschieden wurde (Carbon Capture and Utilisation, CCU). Der für die chemischen Produkte benötigte Wasserstoff würde mit Elektrizität aus Wasser gewonnen. Die Produktionsprozesse würden damit stark verändert, grosse Teile der Industrieinfrastruktur müssten neu gebaut werden. Ausserdem benötigt dieser Ansatz extrem viel Strom – sechs- bis zehnmal mehr als die CCS-Variante. «Der Ansatz ist nur in Ländern mit einem CO2-neutralen Strommix zu empfehlen», sagt ETH-Professor Mazzotti. «Wir zeigen klar auf: Würde man dafür zu einem grossen Teil Strom aus Kohle- oder Gaskraftwerken nutzen, wäre dieser Ansatz für das Klima sogar deutlich schlechter als die heutige, auf fossilen Rohstoffen beruhende Produktionsweise.»

Biomasse nutzen
Schliesslich wäre es auch möglich, Biomasse (Ölpflanzen, Zuckerpflanzen, Holz) als Rohstoff für die chemische Industrie zu nutzen. Dieser Ansatz braucht weniger Strom als die anderen, allerdings extrem viel Land, um die Pflanzen anzubauen: Im Vergleich zu den anderen Ansätzen wird 40- bis 240-mal mehr Land benötigt.

Zukunft des Flugverkehrs
Bei der Produktion von Treibstoffen werden ähnliche Verfahren genutzt wie bei der dieser Studie zugrundeliegenden Herstellung von Methanol. Daher wirkt sich die Arbeit auch auf die Diskussion um künftige Luftfahrtstreibstoffe aus, wie Mazzotti betont. «Man hört immer wieder – auch von Fachleuten –, der einzige Weg für die Luftfahrt, CO2-neutral zu werden, sei die Verwendung von synthetischen Treibstoffen», sagt der ETH-Professor. «Das stimmt aber nicht.» Die Produktion von synthetischen Treibstoffen sei extrem energieintensiv. Werde dazu Strom aus Kohle- oder Gaskraftwerken benutzt, hätten synthetische Treibstoffe sogar einen grösseren CO2-Fussabdruck als fossile Treibstoffe. Die Studie zeigt, dass es mindestens zwei valable Alternativen zu synthetischen Treibstoffen gibt: Die Luftfahrt könnte weiterhin fossile Treibstoffe verwenden, wenn das von Flugzeugen ausgestossene CO2 andernorts aus der Luft abgeschieden und gespeichert wird. Oder man könnte die Treibstoffe aus Biomasse gewinnen.

Diese Forschungsarbeit wurde vom «Swiss Competence Center for Energy Research – Efficiency of Industrial Processes» (SCCER-EIP) und vom Bundesamt für Energie gefördert.

Literaturhinweis
Gabrielli P, Gazzani M, Mazzotti M: The Role of Carbon Capture and Utilization, Carbon Capture and Storage, and Biomass to Enable a Net-Zero-CO2 Emissions Chemical Industry. Industrial and Engineering Chemistry Research, 4. März 2020, doi: 10.1021/acs.iecr.9b06579 >> https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.9b06579

Text: Fabio Bergamin, ETH Zürich

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