Drei fragen an ... Paolo Gabrielli

Wie können wir den Übergang von fossilen Rohstoffen zu nachhaltigeren Alternativen in der Chemieindustrie effektiv gestalten?

Obgleich der besonderen Herausforderungen bei der Dekarbonisierung dieser Industrie gibt es inzwischen mehrere technologische Wege zur Herstellung von Chemikalien mit Netto-CO₂-Emissionen auf der Grundlage von Biomasse, Recycling und Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung. Bei der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) werden Chemikalien aus fossilen Brennstoffen wie beim Business-as-­usual (BAU) unter Verwendung der derzeitigen organischen Chemie synthetisiert. Allerdings werden alle entlang der Kette entstehenden CO₂-Emissionen abgeschieden und in geeigneten unterirdischen geologischen Strukturen oder in Baumaterialien dauerhaft gespeichert. Das CO₂ kann, sofern verfügbar, von punktuellen Emittenten (wie Raffinerien oder Ammoniakproduktionsanlagen), durch direkte Abscheidung aus der Luft (DAC) oder durch eine Kombination dieser Verfahren abgeschieden werden. Insgesamt sind CCS-Routen heute in kommerzieller Größenordnung verfügbar. Sie gelten zwar als Schlüssel zur Verringerung der Emissionen schwer abbaubarer Industriezweige, sind jedoch von der weiteren Nutzung fossiler Brennstoffe und der Verfügbarkeit großer CO₂-Speicherkapazitäten abhängig, was zu Problemen bei der sozialen Akzeptanz der CCS-Einführung führt.

»Es gibt mehrere Wege zu einer CO₂-freien Chemieindustrie«

Welche Optionen gibt es noch?

Bei der Kohlenstoffabscheidung und -verwertung (CCU) erreicht die chemische Industrie Netto-Null-Kohlenstoffemissionen, indem sie die Herkunft des Kohlenstoffs für C-basierte Chemikalien austauscht: von fossilem Kohlenstoff zu dem Kohlenstoff im CO₂, der zuvor aus punktuellen Emittenten und/oder aus der Luft abgeschieden wurde. CCU erfordert die Entwicklung einer neuen chemischen Industrie, organische Chemie und Katalysatoren, die CO₂ in das gewünschte C-basierte Produkt umwandeln, sowie kohlenstoffarmen Wasserstoff und Energie als Inputs für die Produktsynthese, da diese nicht mehr aus fossilen Kohlen­wasserstoffen gewonnen werden. Darüber hinaus würden CCU-Strategien die Entwicklung und den Einsatz großer CO₂- und Wasserstoffinfrastrukturen für den Transport von CO₂ und Wasserstoff von der Produktion zu den Verbrauchs­orten erfordern. Biomasse enthält sowohl die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome als auch die für die Synthese chemischer Produkte erforderliche Energie. Die chemische Struktur von Biomasse-Rohstoffen ist jedoch ungünstiger als die von fossilen Brennstoffen, bspw. im Hinblick auf den höheren Wassergehalt und den geringeren Energiegehalt.

Welche Bedeutung könnte Biomasse bei der Dekarbonisierung der Chemieindustrie haben?

Bei der Nutzung von Biomasse wird das CO₂ während des Biomassewachstums durch Photosynthese aus der Luft gebunden und dann bei der Synthese und am Ende der Lebensdauer des Produkts auf Biomassebasis freigesetzt, so dass die CO₂-Emissionen netto null betragen. Während Biomasse ein vielversprechender Rohstoff für den Aufbau einer neuen chemischen Industrie ist, gilt dies auch für mehrere andere Sektoren. Daher könnte ihr Einsatz durch ihre Verfügbarkeit und die für ihren Anbau erforderlichen Land- und Wasserressourcen behindert werden. Wenn sie verfügbar ist, kann Restbiomasse als Rohstoff verwendet werden, ohne die verfügbaren natürlichen Ressourcen zu beeinträchtigen.

Erstveröffentlichung in der GIT-Labor-Fachzeitschrift 11-12/2023