Sicht der Chemischen Industrie Positionspapier

Transkript

1 Sicht der Chemischen Industrie Positionspapier Erstellt durch ein Autorenteam unter Leitung von Prof. em. Dr. W. Keim Prof. Dr. M. Röper Institut für Technische und Makromolekulare Chemie, RWTH Aachen R & D Cooperations BASF SE Ziel: Identifizierung lohnender Forschungsgebiete

2 Chemieprodukte sind allgegenwärtig: Schrittmacher für Innovationen in nahezu allen Industriebranchen

3 Chemis Tree Tree Additive Pflanzenschutzmittel Wirk- und Effektstoffe Polymere Werkstoffe Dispersionen Vitamine Kosmetika Waschmittel Monomere Superabsorber Synthesebausteine Funktionelle Verbindungen Olefine, Aromaten Erdöl Erdgas Kohle Biomasse

4 Rohstoffe für die chemische Industrie in Deutschland: Situation im Wettbewerb Anteil an Bruttowertschöpfung > 30% (Quelle: VCI) Wachsender Energie und Rohstoffbedarf der Schwellenländer Konkurrenz durch Vorwärtsintegration von Rohstoffbesitzern in der Golfregion (Erdöl, Erdgas) oder in China (Seltene Erden) Bildung von Rohstoffkartellen (Erdöl, Edelmetalle, Seltene Erden,...) Physikalische Knappheit Verfügbarkeit zu konkurrenzfähigen Bedingungen zunehmend schwierig Fragen der Nachhaltigkeit und Einfluss auf Klimawandel

5 Rohstoffe für die organisch chemische Industrie Öl Gas Kohle Biomasse Kohlendioxid

6 Rohstoffbasis der organisch chemischen Industrie in Deutschland Kohle 1% Nachwachsende Rohstoffe 13% Erdgas 14% Naphtha, Erdölderivate 72% Gesamt: 21,2 Mio. t (2008) Quelle: VCI, FNR 2010 Quelle: VCI, FNR, meo

7 Verfügbarkeit von fossilen, kohlenstoffhaltigen Rohstoffen Situation Basis für Energiewirtschaft: Kraftstoffe, Brennstoffe, Stromerzeugung Erdöl ist der wichtigste Rohstoff für die chemische Industrie, wird aber fast ausschließlich in der Energiewirtschaft genutzt Ziel: Mehr stofflich nutzen statt verbrennen! Energetischen Verbrauch senken durch Elektromobilität, bessere Wärmedämmung und Leichtbau Energiegewinnung aus regenerativen Quellen Steigerung der Reserven durch verbesserte Gewinnungsverfahren Reichweite: Reserven / jährlicher Verbrauch* 41 Jahre Erdöl Erdgas Kohle * Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

8 Öl

9 Steamcracken von Naphtha Wasserstoff (ca. 1 %) Ethylen (26 31 %) Naphtha Propylen (14 17 %) C4-Schnitt (8 11 %) C5-Schnitt (4 5 %) Aromaten (18 21 %)

10 Propen WSK (Hauptanwendung: Polypropen) Polyacrylsäure O 2 OH O Butanol Butylacrylat, Dispersionen H 2 O 2 O Polypropylenglykol, -ether H 2 O Propylenglykol CO/H 2 O OH CH 2 O Butylacetat Butylglykol Neopentylglykol

11 Superabsorber, Dispersionen 11/11/

12 Endprodukte aus Polyurethanen 11/11/

13 Strategien zur Verbreiterung der Rohstoffbasis Andere Herstellwege für Basis Chemikalien unter Beibehaltung der bestehenden Wertschöpfungsketten. Beispiel: Ethylen, Propylen Neue Zugangswege für Zwischenprodukte unter Abdeckung von Teilen einer Wertschöpfungskette. Beispiel: n Butanol Aufbau neuer Wertschöpfungsketten auf Basis gut verfügbarer, kostengünstiger Plattformchemikalien. Beispiel: Glycerin, Milchsäure, Bernsteinsäure, Sebacinsäure Ersatz von Endprodukten durch solche mit gleichen oder verbesserten Eigenschaften. Beispiel: Glycerin als Frostschutz, Alkylglucoside als Tensid Übergeordnete Gesichtspunkte: Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit bezüglich Umweltund Klimaschutz (Energie, Rohstoffe) und Gesellschaft (food vs. fuel)

14 Erdgas

15 Synthesegas als Rohstoff für Kraftstoffe und Basischemikalien: Basis Erdgas (Steamreforming) CH 4 + H 2 O C Ni-Kat. CO + 3H 2 CO / H 2 Wasserstoff Brennstoffzelle, Ammoniak,... Fischer Tropsch Wachse ( GTL, Diesel) Olefine, Paraffine Methanol Ethylen, Propylen ( MTO ) Aromaten ( MTG, Benzin) Katar

16 Technischwissenschaftliche Herausforderungen bei der Nutzung von Erdgas Neue oder verbesserte Routen über Synthesegas Senkung der Synthesegaskosten durch verbesserte Herstellverfahren (Katalysatoren, Energie Effizienz) Weitere Verbesserung der Folgestufen (MTO, Fischer Tropsch Synthese zu Olefinen) Direkte Umwandlung von Methan in Basisverbindungen Neue Katalysatoren zur Überwindung der kinetischen Reaktionsträgheit Direktsynthesen von Methanol, Olefinen oder Aromaten Direkte Umwandlung der Erdgaskondensate Ethan, Propan und Butan Neue Katalysatoren für die Herstellung von Wertprodukten wie Acrylsäure unter Vermeidung von Zwischenstufen wie Synthesegas oder Olefine

17 Kohle

18 Synthesegas als Rohstoff Basis Kohle (Autotherme Vergasung) "C" + 1/2 O 2 + H 2 O ca C CO + H 2 + CO 2 CO / H 2 Wasserstoff Brennstoffzelle, Ammoniak,... Fischer Tropsch Wachse (Diesel, CTL ) Olefine, Paraffine Methanol Ethylen, Propylen ( MTO ) Aromaten (Benzin, MTG )

19 Technischwissenschaftliche Herausforderungen bei der Nutzung von Kohle Neue oder verbesserte Routen über Synthesegas Senkung der hohen Investitions und Energiekosten bei der Synthesegasherstellung Vermeiden der hohen CO 2 Emissionen durch Sequestrierung (CCS) bzw. durch Einkopplung von nicht fossiler Energie (solar) Weitere Verbesserung der Folgestufen (MTO, Fischer Tropsch Synthese zu Olefinen) Direkte Kohlehydrierung Kostengünstige Verfügbarkeit von Wasserstoff Verbesserte Katalysatoren und Verfahren Acetylensynthesen auf Basis Kohle Verminderung des Energieeinsatzes durch autotherme Verfahren und geschlossene Metallkreisläufe

20 Nachwachsende Rohstoffe

21 Einsatz nachwachsender Rohstoffe für die chemische Industrie in Deutschland 2008, in 1000 t Cellulose 320 Stärke 272 Fette/Öle 1450 Sonstige* 582 Zucker 136 Gesamt: 2,7 Mio. t (2008) Quelle: VCI, FNR 2010 * Naturkautschuk, Pflanzenwachse, Harze, Gerbstoffe, Glycerin, Arzneipflanzen

22 Einsatz nachwachsender Rohstoffe Situation und Aufgaben Stoffliche Nutzung von Biomasse entsprechend ökonomischer, ökologischer und sozialer Nachhaltigkeitskriterien Derzeit: Fette, Öle, Stärke, Zucker und Cellulose Verbesserung der Versorgungssicherheit durch Einsatz heimischer Pflanzen Forschungsziele Kombinierte energetische und stoffliche Nutzung von Biomasse wie Lignocellulose in Bioraffinerien Aufbau neuer Wertschöpfungsketten, beispielsweise über neue Plattformchemikalien oder die Zwischenstufen Synthesegas und Methanol

23 Wertschöpfungsketten Basis Nachwachsende Rohstoffe Lignocellulose Bioraffinerie Zucker Ethanol, Butanol, Milchsäure, PHB, Furfural, Essigsäure, Ameisensäure Lignin Aromaten, Vanillin Pyrolyse Pyrolyseöl Synthese Rohöl Vergasung Fischer Tropsch Wachse (Diesel, BTL ) Methanol Ethylen, Propylen ( MTO ) Aromaten (Benzin, MTG )

24 Lignocellulose Bioraffinerie Feste Biomasse Lignin Hemicellulose Cellulose Extrakte Xylose u. a. Pentosen Glucose L1 Vanillin + Derivate X1 Furf ural H1 Furan + Derivate G1 Ferm. - Prod. z.b. Ethanol C1 L ävulins äure E1 Terpene L2 Phenole + Derivate X2 Xy lit H2 Polyalkohole G2 Ethylen, Ethan C2 Cellulose - ether /- ester E2 F ette / Ö le L3 Benzol X3 Ferm. - Prod. z.b. Ethanol H3 Aliphatische Amine G3 Propylen C3 E3 L4 Polymere X4 H4 G4 C4 E4 L5 X5 H5 G5 C5 E5 thermisch R eststoffe Vergasung und FT-Synthese Energie Biogas Biodiesel/Olefine/ Paraffine 1

25 Bio Liq Verfahren des KIT Quelle: Dinjus et al., CIT, August 2010

26 Technischwissenschaftliche Herausforderungen bei der Nutzung von NaWaRo s Fette, Kohlehydrate Verbesserung der biotechnologischen Verfahren, beispielsweise durch leistungsfähigere Enzyme/Mikrorganismen Optimierung der Pflanzeninhaltsstoffe wie etwa C 12 C 14 Fettsäuren durch verbesserte Züchtungsmethoden Verwertung von Lignocellulose über Synthesegas Überwinden des Logistikproblems der niedrigen Energiedichte von Energiepflanzen, z.b. durch dezentrale Pyrolyse Anpassung der Vergasungsverfahren sowie der Katalysatoren und Verfahren in den Folgestufen Verwertung von Lignocellulose über Bioraffinerien Verbesserte enzymatisch/hydrolytische Aufschlussverfahren für Cellulose und Hemicellulose sowie Entwicklung der Folgestufen zu Wertprodukten Entwicklung von Aufarbeitungsverfahren für Lignin

27 Kohlendioxid

28 Kohlendioxid als Rohstoff Nutzung als technisches Gas (ca. 20 Mill. t/a) EOR (Enhanced oil recovery) Getränkeindustrie Reinigungsmittel, Extraktionsmittel Inertgas, Trockeneis Rohstoff für die chemische Industrie (ca. 110 Mill. t/a) Harnstoff Düngemittel, UF Harze, Klebstoffe, Melamin, MF harze, Textilhilfsmittel,... Methanol Zusatz zu H 2 reichen Synthesegasen Cyclische Carbonate Salicylsäure CO NH 3 CO H 2 - H2 O O H 2 N NH 2 CH 3 OH

29 Potentiale für die stoffliche Nutzung von Kohlendioxid: Synthesegas Höchstes Mengenpotential, da außer Chemierohstoffen (Olefine, Paraffine,... Ersatz des Steamcrackers) auch Kraftstoffe (Methanol, Benzin, Diesel) erzeugt werden können; weitere Folgeprodukte wie Dimethylcarbonat oder DME denkbar Trockene Reformierung von Methan mit CO 2 (Katalytisches Hochtemperaturverfahren) CH 4 + CO 2 2 CO + 2 H 2 Reduktion von CO 2 mit Wasserstoff* (Umkehr der Wassergas Shift Reaktion) CO 2 + H 2 CO + H 2 O Zusatz von CO 2 zu wasserstoffreichen Synthesegasen wie bereits heute bei der Methanolsynthese * Wasserstoff aus regenerativen Quellen!

30 Synthesegasstammbaum Erdgas Kohle Biomasse CO 2 Ammoniak Wasserstoff Synthesegas CO / H 2 CO Essigsäure Olefine Oxo-Alkohole FT-Kraftstoffe Methanol Formaldehyd Höhere Alkohole Niedere Olefine MTBE Niedere Olefine DME Etablierte Prozesse Prozesse in der Entwicklung

31 Vision: Polymere wie Polypropylen und Propylencarbonat aus CO 2 CO H 2 Kat. - H 2 O CH 3 OH Zeolith-Kat. MTP Kat. * n * Kat. H 2 O 2 O Kat. CO 2 * O O O n * Kompostierbarer Werkstoff Polyol für Polyurethane

32 CO 2 freie Wasserstofferzeugung Wasserelektrolyse mit CO 2 frei erzeugtem Strom Regenerative Energiequellen wie solar, thermosolar, Wasserkraft, Geothermie,... Vergasung von Biomasse Thermische Wasserspaltung Regenerative Systeme bei hohen Temperaturen (z.b. Kreisprozesse über Metalloxide) Spaltung von Methan in Wasserstoff und Kohlenstoff Photobiologische Wasserspaltung mit Grünalgen und Purpurbakterien Photo(elektro)katalytische Wasserspaltung mit anorganischen oder metallorganischen Katalysatoren Fermentativ aus zucker oder stärkehaltigen Substraten

33 Kohlendioxid als Rohstoff und Wasserstoff aus regenerativer Energie Situation und Aufgaben Kohlendioxid als Rohstoffquelle für Kohlenstoff nahezu unbegrenzt verfügbar Als Rohstoff hauptsächlich für Harnstoffsynthese genutzt Nutzung durch Reduktion sehr energieaufwendig: nur sinnvoll, bei Einsatz regenerativer Energiequellen (Systemanalyse erforderlich) Wasserstoffherstellung auf Basis fossiler Rohstoffe erzeugt CO 2 Emissionen Forschungsziele Reduktion von CO 2 zu Methanol / Synthesegas zum Anschluss an bestehende Wertschöpfungsketten Synthese von Wertprodukten wie Polymere aus CO 2 Effiziente Herstellung von Wasserstoff auf Basis regenerativer Energie Nutzung von Wasserstoff zur Veredlung von Biomasse, Kohle oder CO 2, alternativ zur Energiespeicherung oder in der Brennstoffzelle

34 Kernaussagen und Forderungen des Positionspapiers Aussage 1 Erdöl wird auf absehbare Zeit der dominierende Rohstoff für die chemische Industrie bleiben. Dabei gilt: Stofflich verwerten statt verbrennen! Um die Verfügbarkeit und Reichweite von Erdöl zu verbessern, brauchen wir Forschung und Entwicklung: Einsatz von Chemikalien zur besseren Ausnutzung von Erdöllagerstätten Bessere Verfahren zur Umwandlung von Erdöl und Erdgas in Chemieprodukte Neue Produkte zur Energieeinsparung wie Leichtbau, Wärmedämmung oder zur Energiegewinnung aus Wind und Sonne

35 Kernaussagen und Forderungen des Positionspapiers Aussage 2 Zur Diversifizierung der Rohstoffbasis sind neue Wertschöpfungsketten auf Grundlage von Erdgas, Kohle oder regenerativer Rohstoffe aufzubauen! Für die hierzu notwendigen Verfahren sind erhebliche Forschungsanstrengungen im Bereich von Katalyse, Verfahrenstechnik und Biotechnologie notwendig: Verarbeitung von Lignocellulose in Bioraffinerien Verfahren zur Herstellung von Plattformchemikalien zur Anknüpfung an bestehende und zur Entwicklung von neuen Wertschöpfungsketten Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff mit Hilfe regenerativer Energien, beispielsweise für die stoffliche Nutzung von CO 2