Grüne Chemie
30.12.2013

Stoff für die Zukunft

Fraunhofer Institut
Bioraffinerien sollen künftig Basisstoffe für die chemische Industrie liefern.

Die Chemiebranche will grüner werden. Wasserstoff, CO₂ und nachwachsende Rohstoffe rücken dabei in den Fokus.

Von seinem Bürofenster aus blickt Roel van de Krol auf den Forschungsreaktor des Helmholtz-Zentrums im noblen Berliner Stadtteil Wannsee. Doch der Forscher interessiert sich nicht für die Spaltung von Atomen. Van de Krol möchte eine weit weniger gefährliche und zudem unerschöpfliche Energiequelle nutzen: die Sonne. Mit ihrer Kraft will er Wasser in dessen Grundstoffe Wasserstoff und Sauerstoff spalten, als Ausgangspunkt für eine ganze Reihe von Anwendungen. „Den Wasserstoff kann man direkt als Treibstoff verwenden oder zu Kohlenwasserstoff weiterverarbeiten. Wenn man Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid kombiniert, kann man daraus alles machen, was man will“, erklärt van de Krol.

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Die Nachfrage nach Wasserstoff ist riesig: Für die chemische Industrie ist es eine Basis-chemikalie. Allein 2009 betrug der weltweite Bedarf an Wasserstoff für die nicht-energetische Nutzung 540 Milliarden Kubikmeter. Es ist ein Grundstoff, ähnlich wie das Gas Kohlenstoffdioxid (CO₂). Viele chemische Produkte wie Kunststoffe, aber auch Medikamente, sind ohne die beiden Stoff nicht denkbar. Bisher beziehen die Hersteller sie überwiegend aus fossilen Quellen, die Rede ist dann etwa von schwarzem Wasserstoff. Doch die Chemiebranche sucht nach Alternativen. Fossile Rohstoffe sind endlich und werden zudem immer teurer. Wissenschaftler wie van de Krol arbeiten daher an neuen Methoden, um chemische Grundstoffe zu erzeugen.

Der Niederländer zog dafür erst vergangenes Jahr von Delft nach Berlin, um die Leitung des neuen Instituts für solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum zu übernehmen. Zusammen mit seiner ehemaligen Arbeitsgruppe an der Universität Delft und den Berlinern entwickelt van de Krol eine Technologie, die erlaubt, mit Sonnenlicht Wasserstoff zu erzeugen. Ende Juli gelang ihm ein erster Durchbruch: fünf Prozent der einfallenden Sonnenstrahlen wurde in Wasserstoff umgewandelt. Van de Krol setzt auf ein 2-in-1-Gerät: Es verbindet eine Elektrolysezelle mit einer Solarzelle. Das soll Kosten sparen.

Wasserstoff noch zu teuer

Denn der Preis ist ein Problem: Grüner Wasserstoff ist noch zu teuer in der Herstellung. Auf sieben bis acht Euro schätzt van de Krol den Preis pro Kilogramm. „Der Preis eines Solarmoduls wird nicht nur durch das Silizium bestimmt. Bis zu 40 Prozent der Kosten entstehen durch das Glas, den Rahmen, die Kontakte und vieles mehr“, beschreibt van de Krol das Problem. Sein Gerät braucht weniger Glas, nur einen Rahmen und keine Kontakte. „Damit lässt sich Wasserstoff billiger herstellen“, hofft der Professor der Technischen Universität Berlin. 

In Norddeutschland steht Chemcoast vor einem ähnlichen Problem. Die regionale Initiative des Verbands der Chemischen Industrie Nord (VCI Nord) plant, die Windwasserstoff-Wirtschaft im Norden weiter auszubauen. Der Bedarf ist da, wie eine aktuelle Studie der Unternehmensberatung Ernst and Young zeigt. Allein in der Region werden im Jahr 2025 demnach 92.700 Tonnen Wasserstoff verbraucht – das sind 40.000 Tonnen mehr als für 2015 erwartet. Auch die Unternehmensberater sehen im nach wie vor hohen Preis des mit Wind- oder Sonnenenergie erzeugten Wasserstoffs ein Problem. Ohne staatliche Förderung dürfte dieser auch in den kommenden Jahren nicht unter sieben Euro fallen. Zum Vergleich: Der Preis des fossilen Wasserstoffs liegt bei knapp zwei Euro. Dieter Schnepel, Vorsitzender von Chemcoast, fordert daher einen stabilen Rechtsrahmen, um Windwasserstoff die möglichen Marktchancen zu eröffnen. 

Rohstoff CO₂

Mit dem Einsatz von grünem Wasserstoff hoffen die Unternehmen nicht zuletzt, ihre CO₂-Emissionen zu reduzieren. Da mutet es schon fast kurios an, dass sich eben jenes als Klimakiller verschriene Treibhausgas zu einem Rohstoff entwickelt. Tatsächlich ist Kohlenstoffdioxid ein nützlicher Baustein bei der Produktion von chemischen Grundstoffen, synthetischen Kraftstoffen und Methan. Im Jahr 2010 nutzte die Chemiebranche weltweit rund 110 Millionen Tonnen des Klimagases, etwa 250 Mal so viel gelangten zeitgleich ungenutzt als Abgas in die Atmosphäre.

Das Forschungsministerium setzt auf den Rohstoff CO₂. Insgesamt fließen zwischen 2010 und 2016 circa 100 Millionen Euro an Fördergeldern. Empfänger sind Projekte, die sich mit der Verminderung oder der Wiederverwertung des Problemstoffs beschäftigen. Allerdings kann die stoffliche Nutzung von CO₂ das Klimaproblem nicht lösen. Für die Herstellung von Produkten wie Polymeren könnte die Chemie-Industrie höchstens ein Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen verbrauchen. Ein Großteil der Kohlenstoffdioxid-Abgase sind allerdings nicht sauber genug, um zu chemischen Produkten weiterverarbeitet zu werden. In Kohlekraftwerken etwa fallen schwefelhaltige Stoffe an, die dem CO₂ entzogen werden müssen, das kostet Energie und damit Geld.

Markt für Biokunststoffe wächst

Große Mengen an fossilen Rohstoffen verbraucht die Chemiebranche pro Jahr auch für die Herstellung von organischen Produkten wie Kunststoffen, Waschmittel, Kosmetika oder Medikamenten. Der Rohstoffverbrauch in Deutschland lag 2011 bei insgesamt 21,4 Millionen Tonnen, beim überwiegenden Teil handelte es sich um Erdöl, Erdgas und Kohle. Nur 13 Prozent stammten aus nachwachsenden Quellen wie Zuckerrüben oder Holz. Für einen weiteren Schub beim Einsatz nachwachsender Rohstoffe in der Chemiebranche soll die Bioraffinerie in Leuna, Sachsen-Anhalt, führen. Dort haben sich Chemiekonzerne wie Bayer, Evonik und Wacker zusammengeschlossen. In der Anlage wird Holz in mehreren Schritten zu Basischemikalien wie Ethanol und Ethen umgesetzt. Diese dienen dann als Grundlage für Biopolymere wie Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyethylen (PE), aus denen Bodenbeläge oder Plastiktüten gefertigt werden.

Der Markt für diese Biokunststoffe wächst. Nach einer Studie des Nova-Instituts vom Juli werden sich die Produktionskapazitäten der Biopolymere in Europa von geschätzten 426.780 Tonnen in diesem Jahr bis 2020 verdreifachen. Allerdings mahnen die Autoren: „Ohne eine Unterstützung werden Biochemikalien und -polymere unter einer Unterfinanzierung des privaten Sektors leiden. Im Moment ist es sehr viel attraktiver und sicherer, in bio-basierte Polymere in Asien, Süd- und Nordamerika zu investieren.“ Dennoch, im Vergleich zum grünen Wasserstoff sind die Biopolymere schon im Markt angekommen. Helmholtz-Forscher van de Krol lässt dennoch nicht von seiner Vision ab: Er möchte seine wasserstofferzeugenden Solarzellen auf dem Dach seines Hauses installieren.

Dörte Thyes
Keywords:
Grüne Chemie | Chemie | Wacker | BASF
Ressorts:
Technology

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