Diskussionspapier: Wie gelingt eine reibungslose Defossilierung des Schweizer Chemiesektors?
APRIL 2024
HANS-PETER MEYER, CHRISTIAN HOLZNER
Um den Klimawandel zu bremsen ist es unabdingbar, die Treibhausgasemissionen schnell und deutlich zu reduzieren. In der Schweiz und weltweit stammen der grösste Teil der Emissionen aus der Nutzung der fossilen Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle Der Energiebereich steht deshalb im Fokus von Massnahmen zum Klimaschutz. Die fossilen Ressourcen sind aber auch wichtige Grundstoffe in der chemischen Industrie. Um Klimaneutralität zu erreichen und gleichzeitig die Versorgungssicherheit zu verbessern wird eine möglichst umfassende Defossilierung in allen Sektoren und Prozessen angestrebt.
Die Defossilierung ist eine grosse technische und wirtschaftliche Herausforderung. Sie birgt Risiken, aber auch Chancen für innovative Unternehmen, die Alternativen zu fossilen Rohstoffen entwickeln. Im Energiebereich sind Lösungen für den Ersatz fossiler Energieträger vorhanden wie der Umstieg auf erneuerbare Energien und die Elektrifizierung. Demgegenüber steht die chemische Industrie, für die heute viel weniger klar ist, wie die fossilen Rohstoffe ersetzt werden können. Aus diesem Grund möchte die SATW eine Übersicht der Auswirkungen der Defossilierung auf die Wertschöpfungsketten der chemischen Industrie gewinnen und Handlungsansätze für die relevanten Schweizer Akteur:innen aufzeigen. Dazu plant sie ein Forum, an welchem Vertreter:innen von Industrie, Verbänden, Verwaltung und Forschung ihre Erfahrungen und Einschätzungen austauschen, diskutieren und zu einem Gesamtbild zusammenführen können. Die Erkenntnisse aus diesen Aktivitäten werden schliesslich von der SATW publiziert.
1 Die Unterscheidung von Defossilierung und Dekarbonisierung
Defossilierung bedeutet, dass die fossilen Rohstoffe und Energieträger Erdöl, Erdgas und Kohle durch erneuerbare Alternativen ersetzt werden. Damit gelangt kein zusätzlicher Kohlenstoff in den globalen Kreislauf und das Wirtschaftssystem wird klimaneutral.
Dekarbonisierung dagegen bedeutet, in der Energieversorgung und industriellen Prozessen vollständig auf die Nutzung von Kohlenstoffverbindungen zu verzichten und Emissionen von Kohlendioxid (CO2) ganz zu vermeiden.
Der Chemiesektor kann deshalb nicht vollständig dekarbonisiert werden, weil die organische Chemie auf Kohlenstoff basiert ist, der in allen ihren Produkten und Molekülen enthalten ist. Es ist aber möglich, die chemische Industrie zu defossilieren, indem erneuerbare, biogene Rohstoffe und CO2 aus der Luft (Carbon Capture and Utilization, CCU) als Kohlenstoffquellen genutzt werden oder kohlenstoffhaltige Materialien rezykliert werden. Abbildung 1 gibt eine Übersicht von Ansätzen zur Defossilierung im Chemiesektor und in der Energieversorgung.
Abbildung 1: Lösungsansätze für den Ersatz von fossilen Ressourcen durch erneuerbare Kohlenstoffquellen in der chemischen Industrie und erneuerbare Energieträger. Bildquelle: Renewable Carbon Initiative (https://renewable-carbon-initiative.com/)
2 Transformation zur fossilfreien Energieversorgung
Fossile Energieträger sind heute weltweit die wichtigsten Brenn- und Treibstoffe für die Wärmeversorgung und die Mobilität. Sie werden aber gemäss der internationalen Energieagentur IEA noch in diesem Jahrzehnt ihr Nachfragemaximum erreichen, weil sie immer mehr durch erneuerbare Energien ersetzt werden1 In der Schweiz machten Brenn- und Treibstoffe aus Erdöl 2022 knapp die Hälfte des Endenergieverbrauchs aus Zusammen mit Erdgas betrug der fossile Anteil beinahe 60 Prozent2 Der Schweizer Verbrauch von Erdölbrennstoffen sinkt bereits seit den 1970er Jahren. Dieser Effekt wurde lange von zunehmenden Treibstoff- und Gasverbrauch kompensiert, welcher sich erst in den letzten Jahren stabilisiert hat. Insgesamt ergibt sich damit seit etwa 2010 eine abnehmende Tendenz bei den fossilen Energien
Das im Juni 2023 in einer Volksabstimmung angenommene Klima- und Innovationsgesetz hält fest, dass die Schweiz ab 2050 unter dem Strich keine Treibhausgasemissionen mehr ausstossen darf (Netto-Null-Ziel). Obwohl die Defossilierung im Energiesektor ein finanzieller Kraftakt ist, sind die notwendigen Methoden, Technologien und Lösungen bekannt und einsatzbereit. Sichere und bewährte Energiequellen wie Photovoltaik, Wind, Geothermie und möglicherweise auch neue Kernreaktorkonzepte stehen zur Verfügung. Für die Mobilität (insbesondere Schwerverkehr, Hochseeschifffahrt und Flugverkehr) und gewisse industrielle Anwendungen werden zusätzliche erneuerbare synthetische Energieträger benötigt, um das Netto-Null-Ziel zu erreichen. Für diese synthetischen Brenn- und Treibstoffe müssen neue Produktions- und Lieferketten aufgebaut werden.
1 IEA (2023), World Energy Outlook 2023, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2023, Licence: CC BY 4.0 (report); CC BY NC SA 4.0 (Annex A)
2 Bundesamt für Energie BFE (2023), Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2022, https://www.bfe.admin.ch/bfe/de/home/versorgung/statistik-und-geodaten/energiestatistiken/gesamtenergiestatistik.html
Verschiedene Szenarien und Studien des Bundes3, der Energiewirtschaft4, der Forschung5 und der Akademien6 kommen zum Schluss, dass die Transformation zu einem klimaneutralen, bezahlbaren und sicheren Schweizer Energiesystem bis 2050 umsetzbar ist.
3 Herausfordernde Situation im Chemiesektor
Der Chemiesektor ist der grösste industrielle Energieverbraucher und der drittgrösste industrielle CO2-Emittent weltweit7. Die chemische Industrie ist für 14 Prozent des globalen Öl- und für 8 Prozent des Erdgasverbrauchs verantwortlich, denn 90 Prozent der organischen Chemikalien werden aus Öl und Erdgas hergestellt. Der Rest wird aus Kohle und Biomasse gewonnen. Der Verbrauch fossiler Ressourcen nimmt im Chemiesektor seit Jahren relativ und absolut gesehen zu. Kunststoffe sind eine wichtige Triebkraft für die Nachfrage nach Petrochemikalien – also nach Chemikalien und Produkten, die aus Erdöl und Erdgas hergestellt werden. Bis 2050 könnte die Ölnachfrage im Zusammenhang mit dem Kunststoffverbrauch diejenige des Strassenpersonenverkehrs übersteigen. Öl, Erdgas und Kohle zu ersetzen ist eine gigantische und disruptive Aufgabe, da sehr alte und etabliere industrielle und wirtschaftliche Verflechtungen in kurzer Zeit wieder entflochten und ersetzt werden müssen. Diese Transformation birgt die Gefahr von unerwarteten Nebenwirkungen und Engpässen8
Wegen einer leicht besseren Umweltbilanz von Erdgas wurde die Kohle in der chemischen Industrie als Rohstoff weitgehend dadurch ersetzt. Erdöl ist immer noch ein wesentlicher Rohstoff für die Kunststoffproduktion. Der Verbrauch an Treibstoffen, die zum grössten Teil auch aus der NaphtaFraktion des Erdöls gewonnen werden, nimmt mit der zunehmenden Elektrifizierung des Verkehrs ab. Dies wird Auswirkungen haben auf die Förderung von Erdöl und Herstellung von Kunststoffen.
Eine Alternative für denjenigen Teil der chemische Industrie, der nicht an die Treibstoffproduktion gekoppelt ist, wäre Flüssiggas (LPG), das als kleiner Anteil in der Erdgasförderung anfällt. Die sinkende Treibstoffnachfrage wird zur Folge haben, dass Raffinerien neu auf die Produktion von Chemikalien angepasst werden9. Inzwischen gibt es eine ganze Reihe von Technologien mit verschiedenen Katalysatoren10, die eine Umwandlung von Öl in Chemikalien verbessern können.
Das entscheidende Handlungsfeld für die Defossilierung ist die organische Chemie, die Chemie der Kohlenstoffverbindungen. Der in den Produkten und Zwischenprodukten eingebettete Kohlenstoff macht etwa zwei Drittel des Kohlenstoff-Fussabdrucks aus, während die Emissionen im Zusammenhang mit der Produktion nur etwa ein Drittel ausmachen11. Deshalb kann der Chemiesektor nicht vollständig dekarbonisiert werden Es geht vielmehr darum, diesen zu defossilieren, indem die fossilen durch erneuerbare Kohlenstoffquellen ersetzt werden.
Ein Ansatz ist der Umstieg auf biogene Rohstoffe wie Holz oder landwirtschaftliche Produkte. Diese sind aber beschränkt und reichen bei weitem nicht aus, um die heutige und zukünftig zu erwartende Kohlenstoffnachfrage der chemischen Industrie zu decken. Gründe sind die weltweit
3 https://www.bfe.admin.ch/bfe/de/home/politik/energieperspektiven-2050-plus.html
4 https://www.strom.ch/de/energiezukunft-2050/startseite
5 https://blogs.ethz.ch/energy/secure-renewable-switzerland/
6 https://scnat.ch/de/publications/uuid/i/5eca5222-206f-5922-8168-97a73b4a6e1e-Schweizer_Energiesystem_2050_Wege_zu_netto_null_CO2_und_Versorgungssicherheit
7 Mapping global flows of chemicals: from fossil fuel feedstock to chemical products. Peter G. Levi, Jonathan M. Cullen. Environmental Science and Technology (2018) 52:1725-1734
8 https://www.satw.ch/de/news/fuer-eine-defossilierung-ohne-nebenwirkungen
9 Why the future of oil is in chemicals, not fuels. Alexander H. Tullo. CE&N (2024) Vol 97, issue 8
10 NCCR Catalysis: ein Schweizer Forschungsprogramm im Bereich Katalyse und nachhaltige Chemie, https://www.nccr-catalysis.ch/, https://www.youtube.com/watch?v=2elC9hBQp4A
11 A simplified exploratory scenario for CCU-based supply of embedded carbon for the global chemicals and derived materials sectors. F. Kähler and M. Carus (2022) Editor RCI https://renewable-carbon-initiative.com/
abnehmenden Agrarflächen, die geringe Effizienz der Biomasseproduktion mit Photosynthese, der Phosphormangel, sowie die Konkurrenz mit andern Biomassenutzungen wie beispielsweise Bauholz Deshalb kommen auf biogenen Rohstoffen basierende Chemikalien nur für komplexe und hochwertige Produkte in Frage, sie sind nicht geeignet für Primärchemikalien und Massenprodukte. Ausserdem können bestehende Petro-Raffinerien nicht einfach auf biogene Rohstoffe umgestellt werden, denn es gibt deutliche Unterschiede in den Prozessen und beim Anpassungsbedarf der Anlagen
Neben der Defossilierung hätte der Umstieg auf lokale gewonnene und erneuerbare Rohstoffe den wichtigen Vorteil, dass damit die Abhängigkeit von Importen fossiler Ressourcen reduziert und die Versorgungssicherheit verbessert würde.
4 Die Herstellung von Medikamenten als Beispiel
Seit geraumer Zeit ist die Versorgung mit Medikamenten – vor allem Generika – ein Problem. Von diesen niedermolekularen organischen Verbindungen waren zeitweise bis zu 600 Produkte wie z. B. Propofol® (Muskelrelaxans für die Intubierung), Fentanyl (Schmerzmittel) oder Synthocinon® (Mittel zur Geburtseinleitung) nicht oder nur schwer erhältlich12. Weit über 90 Prozent der pharmazeutischen Rohstoffe und Reagenzien stammen aus petrochemischen Quellen. Das zeigt, wie wichtig eine zuverlässige Versorgung an petrochemischen Produkten für Medikamente, aber auch andere organische Chemieprodukte ist und bleibt.
Abbildung 2 zeigt, stellvertretend für tausende von Medikamenten, die Herstellung des Schmerzmittels Paracetamol – einem Generikum, das während der Corona-Pandemie zeitweise nicht lieferbar war. Neben Pyridoxin, Acetylsalicylsäure und Ascorbinsäure gehört Paracetamol zu den umsatzstärksten freiverkäuflichen Arzneimitteln. Weltweit werden jährlich über 100'000 Tonnen Paracetamol produziert und die Schweiz benötigt jährlich 190 Tonnen von diesem Wirkstoff.
Abbildung 2: Die Herstellung von Paracetamol, einer Verbindung ohne asymmetrischem Kohlenstoffatom, ist ein Beispiel eines Wirkstoffes, der aus einem erdölbasierten Ausgangstoff – Phenol in diesem Fall – hergestellt wird
Im Jahr 1980 wurden noch rund 80 Prozent der pharmazeutischen Wirkstoffe (Active Pharmaceutical Ingredient API) in der EU hergestellt. Diese Zahl ist auf unter 20 Prozent gesunken. Die Zahlen für die Schweiz dürften vergleichbar sein, obwohl in der Schweiz der Schwerpunkt auf der Herstellung von therapeutischen Proteinen, Zelltherapien und anderen innovativen Behandlungen liegt.
12 Hecht et al. Biocatalysis in the Swiss Manufacturing Environment Hecht et al. Catalyst (2020), 10, 1420; doi:10.3390/catal10121420
5 Relevante Akteur:innen sind in der Schweiz tätig
Über 50 Prozent der Schweizer Exporte stammen aus der Chemie- und Pharmaindustrie, das ist weit mehr als in jedem anderen Industriesektor. Zum Vergleich: der zweitstärkste Sektor, die Maschinenindustrie, hat nur einen Anteil von 13 Prozent. Die Chemie steht am Anfang unzähliger Wertschöpfungsketten und legt mit ihren Produkten den Grundstein für viele andere Branchen. Es ist also im Interesse der rohstoffarmen Schweiz, die Defossilierung besonders sorgfältig und innovativ zu planen.
In der Schweiz sind Firmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette aktiv, mit Ausnahme der Förderung von fossilen Rohstoffen, von denen keine nennenswerten Lagerstätten in der Schweiz bekannt sind. Dagegen ist die Schweiz eine Drehscheibe für den globalen Rohstoffhandel, wo Rohstoffe im Ausland gekauft, und ohne Zwischenlagerung in der Schweiz im Ausland (Transitsaldo) weiterverkauft werden. Von den Rohstoffhändlern bis hin zu den Produzenten von hochwertigen Feinchemikalien und pharmazeutischen Wirkstoffen tragen alle zum Bruttoinlandprodukt bei (
Tabelle 1). Das bedeutet auch, dass alle notwendigen Markt- und Prozesskenntnisse vorhanden sind, um eine solide Analyse und Empfehlung bezüglich Defossilierung des chemischen Sektors durchzuführen.
Tabelle 1: Es gibt einen direkten Zusammenhang zwischen dem Rohstoffsektor, Basischemikalien bis hin zu den pharmazeutischen Wirkstoffen
Diese Tabelle zählt Beispiele von in der Schweiz ansässigen Firmen auf. Basischemikalien sind Raffinerienebenprodukte die stufenweise in chemischen Syntheseschritten zu immer grösseren Molekülen aufgebaut werden, bis hin zu den optisch aktiven und komplexen organischen Verbindungen, wie sie in der Life-ScienceIndustrie eingesetzt werden.
Stufen der chemischen Wertschöpfungskette
Rohstoffe: Öl, Erdgas, Kohle
Organische Basischemikalien: Ethylene, Propylene, Methanol, Benzene, Toluene…
Petrochemische Produkte: Lösungsmittel, Kunststoffe…
Spezialitätenchemie: Fluoropolymere, Flammschutzmittel, Farbstoffe, Veredlungschemikalien…
Feinchemikalien: Aroma & Duftstoffe, Agrochemikalien, optisch aktive Zwischenprodukte…)
Arzneimittelwirkstoffe: kleine Moleküle (API)
Beispiele von Schweizer Firmen
Vitol, Glencore, Mercuria Energy Group, Avernergy, Carbura, Verband Schweizerische Gasindustrie, Provisiogas
Raffinerie Cressier
AVA-Biochem, Biosimo, Ineos
Archroma, BASF (Schweiz), Clariant, Dottikon, Sika, SSE
Arxada, Givaudan, Syngenta, Agrosustain, Corden Pharma, Siegfried
Bachem, Lonza, Novartis, Roche, Sandoz
6 Forum zur Defossilierung der chemischen Industrie der Schweiz, organisiert von der SATW
Um geeignete Wege zur Defossilierung der chemischen Wertschöpfungsketten aus Schweizer Sicht zu identifizieren, möchte die SATW unter dem Motto «Zukunft gestalten» Vertreter:innen von Industrie, Verbänden, Verwaltung und Forschung zum Erfahrungsaustausch und zur Diskussion zusammenbringen Der geplante Forumsanlass soll wichtige Herausforderungen, Risiken und Lösungsansätze für die betroffenen Akteur:innen (siehe
Tabelle 1) aufzeigen und unter anderem folgende Fragestellungen behandeln:
- Wo ortet die Erdöl- und Petrochemiebranche die grössten Gefahren bei einem Übergang von fossilen zu erneuerbaren Rohstoffen? Wie wird sich das Umfeld verändern, und welche alternativen Rohstoffe stehen in ausreichenden Mengen zur Verfügung?
- Gibt es Abhängigkeiten und Erkenntnisse aus anderen Bereichen, insbesondere der Energieversorgung? Welche Möglichkeiten der branchenübergreifenden Zusammenarbeit bestehen und wäre ein gemeinsames Vorgehen sinnvoll?
- Welche Anpassungen von Prozessen und Methoden der chemischen Wertschöpfungskette sind für die Defossilierung notwendig? Stehen innovative Lösungen zur Verfügung oder werden solche aktuell erforscht? Zum Beispiel: welche neuen Prozesse aus der Biotechnologie, Elektrochemie oder Photochemie haben Potential und sollten verstärkt weiterentwickelt werden?
Die Ergebnisse des Forums werden von der SATW in Absprache mit den Teilnehmer:innen dokumentiert und veröffentlicht. Die SATW wird in Kürze interessierte Teilnehmer:innen zum Forum einladen. Wenn Sie das Thema interessiert, würde uns ihre Kontaktaufnahme sehr freuen.
Kontakt: Hans-Peter Meyer, Expertinova AG, SATW-Vorstandsmitglied, Leiter Wissenschaftlicher Beirat, meyer@expertinova.com
Autor:innen und Projektteam: Rita Hofmann, Christian Holzner, Hans-Peter Meyer, Nicole Wettstein
April 2024
Über die SATW
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