Vergleich modellierter Wasserstoffbedarfe der Chemischen Industrie bis 2050 (Bild: acatech/Dechema)

Metaanalyse zur Transformation der chemischen Industrie

Publiziert

Die chemische Industrie nutzt fossile Ressourcen wie Erdgas nicht nur energetisch, sondern auch stofflich. Auf dem Weg der Defossilisierung muss die Branche nicht nur Brennstoffe ersetzen, sondern auch auf eine alternative Rohstoffbasis umsteigen.

Die von acatech und Dechema veröffentlichte Analyse zum Wasserstoffeinsatz in der chemischen Industrie vergleicht mehrere Szenarien verschiedener Forschungseinrichtungen miteinander und zeigt: Um weniger fossile Ressourcen zu verwenden, kann die chemische Industrie Wasserstoff und seine Derivate nicht nur energetisch, sondern auch stofflich verwenden.
„Demnach könnte sich der Wasserstoffbedarf der chemischen Industrie bis zum Jahr 2050 mindestens verdoppeln. Einige Szenarien modellieren auch Erhöhung des Bedarfs um die Faktoren 5 bis 7“, beschreibt Jens Artz, Projektleiter bei Dechema Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., ein Ergebnis des Vergleichs. „Um solche Wasserstoffmengen anbieten zu können, wird es elementar sein, dass günstiger Ökostrom ausreichend verfügbar ist“, prognostiziert Andrea Lübcke, Projektleiterin bei acatech, Deutsche Akademie der Technikwissenschaften. „Die Defossilisierung der chemischen Industrie ist ausserdem darauf angewiesen, dass ihre Standorte an Gasnetze (Wasserstoff, CO2) und das Stromnetz angeschlossen sind.“
Lippenstift, Teppichboden, Waschmittel – die Endprodukte der chemischen Industrie sind so zahlreich wie vielfältig und aus unserem Alltag nicht wegzudenken. Allen gemein ist: Bei ihrer Herstellung spielen fossile Ressourcen wie Naphtha (eine Erdölfraktion) und Erdgas nicht nur energetisch eine wichtige Rolle, sondern sie sind auch der stoffliche Ausgangspunkt dieser Produkte. Aus Naphtha werden beispielsweise Ethylen und Propylen, wichtige Ausgangsstoffe der Kunststofferzeugung, gewonnen.

Wasserstoffbedarfe der chemischen Industrie
Die chemische Industrie in Deutschland hatte im Jahr 2021 einen Wasserstoffbedarf von 37 Terawattstunden. Dies entspricht rund 1,1 Millionen Tonnen. Die Abkehr von fossilen Ressourcen kann dazu führen, dass die Wasserstoffbedarfe in Zukunft steigen werden. Die in der Metaanalyse untersuchten Szenarien gehen von Wasserstoffbedarfen für das Jahr 2050 zwischen 80 bis 283 Terawattstunden aus. Die enorme Spannbreite ergibt sich daraus, dass die Szenarien die verschiedenen Einsatzgebiete von Wasserstoff unterschiedlich gewichten. Dennoch erwartet der Grossteil der untersuchten Szenarien folgende Anwendungen:

  • Der aktuelle, fossil-basierte Wasserstoffbedarf von 1,1 Millionen Tonnen muss gedeckt werden. Beispielsweise werden für die Erzeugung von Ammoniak in Deutschland etwa 0,4 Millionen Tonnen Wasserstoff, v.a. auf Erdgasbasis, benötigt. Diese Bedarfe werden auch zukünftig bestehen und benötigen CO2-neutralen Wasserstoff.
  • Um fossile Rohstoffe, die stofflich genutzt werden, zu ersetzen, bieten sich die Fischer-Tropsch-Synthese und der Ausbau der Methanol-to-X-Prozesse an. Diese Verfahren sind auch auf Wasserstoff angewiesen. Durch die Fischer-Tropsch-Synthese entsteht beispielsweise synthetisches Naphtha, welches fossiles Naphtha als wichtigster stofflicher Rohstoff der Chemischen Industrie ersetzen kann.
  • Die chemische Industrie hat einen hohen Bedarf an Wärme. Die Prozesse benötigen insbesondere Temperaturen von 300 bis 1.000 Grad Celsius. In Zukunft könnten Wasserstoff oder synthetisches Methan zum Einsatz kommen und Prozesswärme erzeugen. „Prozesswärme aus Wasserstoff(-derivaten) wird insbesondere dort relevant, wenn es dafür keine elektrifizierbaren oder biomassebasierten Alternativen gibt“, sagt Jens Artz, Dechema.
  • Um Stoffkreisläufe zu schliessen, ist es notwendig, die Quote des stofflichen Recyclings von Kunststoffabfällen zu erhöhen. Denn: Werden Kunststoffabfälle stofflich genutzt, muss weniger neuer Kunststoff produziert werden. Das mindert den fossilen Rohstoffbedarf der Kunststoffherstellung. Heute werden noch etwa 65 Prozent der anfallenden Kunststoffabfälle verbrannt, um sie energetisch zu nutzen. Um Kunststoffabfälle stofflich zu nutzen und damit fossile Ressourcen zu substituieren, kann eine Aufarbeitung mit Wasserstoff nötig werden. Dasselbe gilt für die Aufarbeitung biogener Reststoffe.

Umstellung auf Wasserstoff und seine Derivate führt zu höherem Energiebedarf
Im Jahr 2021 hat die chemische Industrie in Deutschland rund 450 Terawattstunden Energie verbraucht. Zur Einordnung: Insgesamt macht der Energieverbrauch der chemischen Industrie derzeit mehr als 20 Prozent des energetischen Verbrauchs der gesamten deutschen Industrie aus. Die Metaanalyse macht deutlich, dass alle untersuchten Szenarien modellieren, dass die Defossilisierung der Chemischen Industrie eine Steigerung des Endenergiebedarfs zur Folge haben wird. Auch für die Chemische Industrie ist es daher elementar, auf erneuerbaren Strom zu günstigen Konditionen zugreifen zu können.

Umstellung auf regenerativ erzeugten Wasserstoff spart Treibhausgase ein
Jährlich verantwortet die chemische Industrie bis zu 112 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente. Berücksichtigt werden alle direkten und indirekten Emissionen, die entstehen, wenn chemische Erzeugnisse hergestellt, genutzt oder entsorgt werden. „Hier besteht ein grosses Treibhausgaseinsparpotenzial, das aufgrund des Pariser Klimaschutzabkommens zügig gehoben werden muss“ so Andrea Lübcke. „Wenn die chemische Industrie auf regenerativ erzeugten Wasserstoff umstellt, kann sie ihren Treibhausgasausstoss deutlich reduzieren.“ Emissionen können reduziert werden, wenn Wasserstoff ohne fossile Ressourcen hergestellt wird – zum Beispiel durch Wasserelektrolyse mit regenerativ erzeugtem Strom. Eine zweite Möglichkeit ist die Umstellung der Rohstoffbasis mithilfe der Fischer-Tropsch Synthese und Methanol-to-X-Prozessen. Auch hier wird Wasserstoff benötigt – idealerweise Wasserstoff, der mithilfe regenerativer Energien erzeugt wurde. Zusätzlich kann regenerativ erzeugter Wasserstoff für die Wärmebereitstellung genutzt werden. Auch der Einsatz von Biomasse und eine verbesserte Quote beim Recycling von Kunststoffabfällen helfen, Treibhausgase einzusparen und fossile Rohstoffe zu ersetzen.

Analyse zum Wasserstoffeinsatz in der chemischen Industrie ist Teil der Metaanalyse des Wasserstoff-Kompasses
Die veröffentlichte Analyse zum Wasserstoffeinsatz in der chemischen Industrie ist Teil einer Metaanalyse, welche acatech und Dechema im Rahmen des gemeinsamen Projektes Wasserstoff-Kompass durchführen. Die Metaanalyse führt eine Vielzahl unterschiedlicher Studien und Szenarien zum zukünftigen Einsatz von Wasserstoff in den einzelnen Sektoren in eine Gesamtübersicht zusammen.

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Bezugsquellenverzeichnis