Kurzbericht
Autor:innen: Rita Hofman, Christian Holzner, Hans-Peter Meyer, Nicole Wettstein
27. August 2024 in Bern
Hintergrund und Ablauf des SATW-Diskussionsforums
Seit der ersten erfolgreichen Ölbohrung im August 1859 in Pennsylvanien sind Öl und Gas das Fundament sowohl des Verkehrs zu Wasser, zu Lande und in der Luft als auch Fundament der organischen Chemie. Diese zwei Wertschöpfungsketten, der Treibstoffe und der Chemie, sind eng miteinander verzahnt. Die u.a. aus Gründen des Klimaschutzes und der Ressourcenknappheit notwendige Defossilierung und der sich daraus ergebende unumgängliche Eingriff in diese verzahnten Wertschöpfungsketten hat das Potential zu grossen Verwerfungen, vor allem während einer Übergansphase. Die Preise für Erdölrohstoffe werden sich voraussichtlich erhöhen, weil immer weniger Brenn- und Treibstoffe nachgefragt und deshalb weniger in deren Förderung und Produktion investiert wird. Dagegen wird der Anteil an Naphta, der in die Chemie geht, immer grösser.
Die chemische Industrie ist ein bedeutender Verursacher von Treibhausgasemissionen, insbesondere durch die Nutzung fossiler Rohstoffe wie Erdöl und Erdgas als Energiequelle und als Ausgangsmaterial für die Produktion chemischer Produkte. Der in den chemischen Produkten enthaltene Kohlenstoff trägt am Ende des Lebenszyklus zu den Emissionen bei. Diese Emissionen lassen sich aber durch einen Wechsel von einem linearen zu einem zirkulären Kreislauf mindestens teilweise reduzieren. Für Brenn- und Treibstoffe gibt es reife und marktfähige Alternativen wie die Elektrifizierung oder synthetische Energieträger, welche auf der Nutzung von Photovoltaik, Wasserkraft, Windkraft, Geothermie oder in Zukunft allenfalls neuen Typen von Kernkraftwerken basieren Organische Chemie ist zwingend auf Kohlenstoff angewiesen und kann deshalb – im Gegensatz zur Energie – nicht dekarbonisiert, aber defossiliert, d.h. auf erneuerbare Kohlenstoffquellen umgestellt werden. Für die organische Chemie, welche die Grundlage sehr vieler Industrieprozesse ist, gibt es drei Ansätze zur Defossilierung:
(1) Reduzieren des Rohmaterialverbrauches, Schliessen von Stoffkreisläufen und Rezyklieren,
(2) Biomasse als Ausgangsmaterial,
(3) Nutzung von CO2 als Rohmaterial durch Carbon Capture and Utilization (CCU).
Um Klimaneutralität zu erreichen und gleichzeitig für eine langfristige Ressourcensicherung zu sorgen,isteine möglichst umfassendeDefossilierung nötig. DafürmüsseninZukunftalledreiAnsätze genutzt werden. Weiter besteht ein zunehmender gesellschaftlicher Druck auf Unternehmen, nachhaltiger zu wirtschaften. Eine Defossilierung würde das allgemein schlechte Image der chemischen Industrie verbessern und das Vertrauen der Öffentlichkeit stärken. Nicht zuletzt bietet die Entwicklung defossilierter Wertschöpfungsquellen mittel- bis längerfristig einen grossen Wettbewerbsvorteil für innovative Unternehmen. Die Schweiz könnte hier eine Vorreiterrolle spielen und sich neue Märkte eröffnen.
Alle Bereiche der Chemie vom Rohmaterialhandel über Basis- und Petrochemie bis zur Herstellung von Spezialitäten- und Feinchemikalien, sowie Pharmazeutika sind in der Schweiz vertreten, und das Land ist daher geradezu prädestiniert, die Diskussion über geeignete Wege zur Defossilierung der chemischen Wertschöpfungsketten zu führen und Lösungen zu erarbeiten.
Um diese Prozesse zu unterstützen, organisierte die SATWam 27. August 2024 ein Diskussionsforum in Bern mit 21 eingeladenen Teilnehmer:innen aus Industrie, Forschung Verbänden und Verwaltung. Drei Impulsvorträge von Vertretern der Gasversorgung, Chemie- und Pharmaindustrie legten die Grundlage für angeregte und aufschlussreiche Diskussionen. Diese beleuchteten Chancen und
Risiken der Defossilierung, sowie zu erwartende Veränderungen im Umfeld.Weiter wurde diskutiert, welche alternativen Rohstoffe genutzt werden könnten, welche Anpassungen der rechtlichen Rahmenbedingungen notwendig erscheinen und wo sowie in welcher Form eine branchenübergreifende Zusammenarbeit sinnvoll erscheint.
In den folgenden Abschnitten werden die Haupterkenntnisse des Forums wiedergegeben. Abschliessend werden die nächsten Schritte der SATW zur Bearbeitung des Themas vorgeschlagen.
Reduzieren und Rezyklieren von Rohmaterialien
Die chemische Industrie reduziert und rezykliert schon seit langem und sollte dies weiterhin fördern, nur schon, weil es ökonomisch Sinn macht. Zusätzlich muss aber der Einsatz der Biotechnologie (Biokatalyse anstelle von Chemokatalyse) in der chemischen Industrie, vor allem für die Produktion von strukturell komplexen und optisch aktiven Molekülen, beschleunigt werden, um den Ressourceneinsatz zu reduzieren. Lösungsansätze des Reduzierens und Rezyklierens wurden am Anlass jedoch nicht weiter vertieft.
Biomasse
Der Einsatz von Biomasse für die Chemie ist aus verschiedenen Gründen nur beschränkt möglich. Zum Beispiel ist die Verfügbarkeit an Anbauflächen und Biomasse global limitiert. Zudem ist die Biomasse im Vergleich zu fossilen Rohstoffen überfunktionalisiert, es braucht einen anderen Raffinerietyp. Ausserdem ist die verfügbare Biomasse sehr heterogen. Man kann davon ausgehen, dass es für die meisten Basischemikalien in absehbarer Zukunft keine wettbewerbsfähige nichtfossile Basis geben wird. Anders verhält es sich bei höherwertigen Produkten (Pharma, Fein- und Spezialitätenchemie, Kosmetik u.a.m.) wo biobasierte Lösungen der zweiten und dritten Generation durchaus wettbewerbsfähig sein können.
Kohlendioxid als Rohstoff
Wenn man aus der Atmosphäre oder bei Anlagen mit grossen Emissionen eingefangenes Kohlendioxid als Rohmaterial verwendet (CCU), könnte man zwei Fliegen auf einen Schlag treffen: einerseits dient dies dem Klimaschutz und andererseits lässt sich so ein nicht-fossiler Rohstoff gewinnen. Dieser Ansatz sollte ein Schwerpunkt für die Defossilierung sein. Allerdings ist die Abscheidung von CO2 noch zu teuer und muss optimiert werden. Für die Herstellung von Kohlenwasserstoffen aus CO2 wird zusätzlich Wasserstoff benötigt. Die Importmöglichkeiten oder Herstellung von nachhaltig produziertem und kostengünstigem Wasserstoff in grossen Mengen sind in der Schweiz jedoch noch nicht absehbar.
Der Alltag der Chemieindustrie
Die Preise für nachhaltig produzierte Chemikalien sind heute deutlich zu hoch, respektive jene für die fossil-basierten zu tief,weil bei Letzteren dieKosten fürTreibhausgasemissionennicht vollständig eingerechnet sind. Aus diesem Grund sind die heutigen Bemühungen zur Defossilierung auf jene Branchen und Firmen beschränkt, die dafür eine intrinsische Motivation und entsprechende finanzielle Möglichkeiten haben.
Mengenmässig grosse Plattformchemikalien können aus den oben genannten Gründen nur teilweise biobasierthergestelltwerden. Eine Defossilierung der Chemie mussdaher über dasRezyklieren oder
CCU erreicht werden Ein grosser Teil der Schweizer Chemiefirmen produziert Pharmazeutika und Feinchemikalien in niedrigen Tonnagen. Für solche Firmen stellen die Verbrauchsmaterialien, Verpackungen und der Transport häufig die grösseren Treibhausgasemissionen dar als die Produktion. Wegen der recht kleinen Mengen können diese Rohmaterialien relativ einfach auf erneuerbare Quellen und nachhaltige Prozesse umgestellt werden.
Die Pharmaindustrie und Feinchemie zeichnen sich gegenüber der Petro- und Grundstoffchemie durch geringere Mengen und insgesamt tiefere CO2-Fussabdrücke der Produkte aus. Die organische Chemie hataber in dieser Industrie das Problem mithohen E-Faktoren (Massenverhältnis des Abfalls zum gewünschten Produkt) und hohen PMI (Process Mass Intensity) Werten.
Die Implementierung von biokatalytischen Verfahrensschritten für komplexe und optisch aktive Verbindungen, der gezielte Einsatz von Biomasse der dritten Generation (Mikroorganismen und Algen, welche in speziellen Anlagen gezüchtet werden) als Rohstoff, kombiniert mit Ansätzen der Kreislaufwirtschaft, haben ein grosses Potenzial für innovative Lösungen. Diese Aspekte wurden am Beispiel einer global tätigen Schweizer Pharmafirma illustriert: die Flugreisen des Personals stellen in diesem Unternehmen den grössten CO2-Emissionsposten dar und nachhaltiges Flugbenzin wird zur Kompensation genutzt. In der eigentlichen Pharmawertschöpfungskette hingegen ist Bedarf an Kunststoffen für medizinische Geräte, Labormaterial und Verpackungen sehr hoch. Das Kohlenstoff-Äquivalent in den vom Unternehmen genutzten Kunststoffen kann die direkten CO2-Emissionen aus der Produktion und diejenigen aus eingekaufter Energie bei weitem übersteigen Die Erkenntnis, dass Kunststoffe den grössten Hebel zur Defossilierung bei Pharmafirmen darstellen, hat zur Formulierung von Best Practice Regeln und Kriterien im Umgang mit und Einkauf von nachhaltigen Rohstoffen geführt. Solche firmeninternen Richtliniendürfen aberauskartellrechtlichenGründen nicht an andere Unternehmen weitergegeben werden
In den Diskussionen am Forum wurde mehrfach auf Biomasse der dritten Generation als vielversprechenden Rohstoff hingewiesen. Produkte daraus können die Single Use Plastics Direktive der EU erfüllen, welche Wegwerf-Plastikprodukte ab 2030 verbietet Generell wurden von den Teilnehmenden «green molecules from third generation biomass» als einer der gangbaren und notwendigen Wege für die Defossilierung genannt Im Gespräch ist auch die Nutzung von «einheimischen» Gasen wie Methan aus Biogasanlagen und eingefangenes Kohlendioxid.
Die Energieversorgung und das Potenzial von Wasserstoff
Für die Schweizer Gasversorger ist die Defossilierung ein zentrales Thema und sie beschäftigen sich intensiv mit erneuerbaren Gasen, insbesondere Biogas und Wasserstoff. Weitere, aus Wasserstoff synthetisierte Energieträger, werden momentan kaum in Betracht gezogen.
In der Schweiz wird Biomasse neben der Chemie auch im Energiebereich als Rohstoff für die Biogasherstellung genutzt. Wie in der Chemie ist ein Mix aus biogenen Rohstoffen ungünstig. Am besten funktionieren die Produktionsprozesse mitkonstanthomogener Biomasse.Deshalb sind viele Biogasanlagen an ARAs angegliedert, welche ein geeignetes Ausgangsmaterial liefern Ein anderes funktionierendes Biogasmodell ist die Nutzung von Abfällen aus der Landwirtschaft, beispielsweise Schweinegülle, wenn die Transportwege eine effiziente Nutzung dieser Abfälle in einer regionalen Biogasanlage erlauben Grosse Biogasanlagen können heute zu mit Erdgas konkurrenzfähigen Preisen produzieren. Aktuell decktBiomethangut neun Prozent des SchweizerGasverbrauchs,wobei nur rund ein Fünftel im Inland produziertwird. Die Gasversorger gehen davon aus, dass das Potenzial für die Biomethanproduktion in der Schweiz bis 2050 um den Faktor neun höher liegt, für eine vollständige Versorgung des Landes mit erneuerbarem Methan gäbe es nicht genügend Rohstoffe Ein Vorteil von Biomethan ist, dass es im Gegensatz zu Wasserstoff in das existierende Verteilnetz eingespeist werden kann.
Die Chemieindustrie benötigt günstige, erneuerbare Energie, insbesondere für die Erzeugung von Hochtemperaturwärme, und grüner Wasserstoff (aus Elektrolyse mit erneuerbarem Strom oder Dampfreformation von Biomasse) kann Teil dieser Lösung sein Wasserstoff (H2) kann nach Einschätzung der Gasversorger ein konkurrenzfähiger Energieträger werden und einen zentralen Beitrag zur Versorgungssicherheit in der Schweiz leisten, wenn dieser günstig importiert werden kann und die notwendige Infrastruktur vorhanden ist. In Europa wird ein H2-Transportnetz aufgebaut, der Anschluss der Schweiz ist aber noch nicht geregelt Weiter muss geklärt werden, in welcher Form H2 am effizientesten transportiert und gespeichert werden kann, allenfalls kommend dafür Derivate wie Ammoniak (NH3) oder andere synthetisch flüssige Kohlenwasserstoffe (Liquid Hydrogen Carriers, LHCs) in Frage.
Wirtschaftliche und politische Unsicherheiten erschweren den Aufbau von grüner H2-Produktion in der Schweiz. Weil H2 in sonnenreichen Ländern wie Oman mit Elektrolyse kostengünstig produziert werden kann, konkurrenzieren Importe die inländische Produktion, wenn der Energieträger anschliessend effizient transportiert werden kann. Heute wird Wasserstoff mehrheitlich aus Erdgas gewonnen und die Methan-Pyrolyse als Quelle von Wasserstoff ist eine neue, aber noch nicht skalierbare Technologie, welche die Klimabilanz der fossilen H2-Produktion deutlich verbessern könnte.
Insgesamt ist die Politik zurückhaltend gegenüber einer eigenen Schweizer Wasserstoffstrategie, auch deshalb, weil wenig Druck von Seiten der Industrie kommt, obwohl Wasserstoff ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie ist. Die Schweiz sollte sich auf jeden Fall eng an das geplante europäische Wasserstoffnetz anbinden und entsprechende Infrastrukturen planen.
Die Herausforderungen der Regulierung und Chancen für den Standort Schweiz
Es braucht Regulierungen, die eine korrekte Bemessung der Emissionen von fossilen Rohstoffen und Kostenwahrheit über ganze Wertschöpfungsketten erlauben. Die Teilnehmer:innen des Forums waren sich aber auch einig, dass Regulierungen und lange Bewilligungsverfahren aufgrund von Einsprachen vor allem in Europa als auch in der Schweiz den Um- und Ausbau der Industrie auch behindern können.
Es werden klarere Rahmenbedingungen und Kostentransparenz bezüglich Treibhausgasemissionen und Nachhaltigkeitskriterien gewünscht. Insbesondere fehlt eine allgemein akzeptierte Definition von Nachhaltigkeit, diese sollte aber ein Kriterium sein bei öffentlichen Ausschreibungen.
Die Schweizer Finanzindustrie verfügtüber einengrossenHebel,dieDefossilierung inallenBereichen zu fördern. Trotzdem existieren zu wenig Finanzprodukte, bei denen Nachhaltigkeit im Vordergrund steht und die Bewertungsgrundlagen sind ungenügend.
Defossilierung und Arzneimittelknappheit
Am Beispiel des Schmerzmittels Paracetamol zeigt sich, dass die Defossilierung auch einen direkten Bezug zur Arzneimittelknappheit hat. Vom chemisch hergestellten Generikum Paracetamol benötigt die Schweiz 190 Tonnen pro Jahr. Die Abbildung zeigt die Syntheseschritte des Arzneimittels aus dem fossilen Ausgangsstoff Phenol aus der Petrochemie.
Während und nachder Pandemie wurde auch von Politikern die Herstellung in der Schweiz angeregt.
Die Wiederansiedlung solcher Produktionsanlagen ist aus vielen Gründen schwierig: einzelne Prozessschritte sind mit den heutigen Verfahren in der Schweiz oder Europa verboten oder nicht konkurrenzfähig gegenüber Grossanlagen in andern Weltregionen, und vor allem bleibt die Produktion abhängig von Ausgangs- und Zwischenprodukten aus fossilen Quellen Es bringt keine Vorteile bezüglich Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit, wenn bloss der letzte Prozessschritt in die Schweiz zurückgeholt wird.
Die oben genannten Gründe lassen nur den Schluss zu, dass eine sichere Versorgung mit Paracetamol und anderen Generika lediglichim Verbundmitanderen Ländern erreicht werden kann. Anderseits bietet die notwendige und aktiv betriebene Defossilierung sozioökonomische Vorteile, zwingt zu diversifizierten Lieferketten, besseren Verfahren und treibt die Innovation für neue Verfahren und Rohstoffe (z.B. biobasiert, Kohlendioxyd) voran.
Nächste Schritte
Die SATW beabsichtigt, das Thema «Defossilierung» weiterzuverfolgen. Das aus dem ersten Forum bestehende Netzwerk von interessierten Akteur:innen soll dafür weiter genutzt und ausgebaut werden. Aktuell sind folgende Aktivitäten vorgesehen:
Ein nächstes Diskussionsforum wird Anfang 2025 geplant und soll einen konkreten Aspekt der Defossilierung wie beispielsweise Carbon Capture and Utilization / Storage (CCU / CCS) und die Nutzung von Nebenprodukten der Wasserstoffelektrolyse (Oxy-Fuel Technology) vertiefen. Eine Leitfrage könnte sein: «Wie kann die Schweiz mit nachhaltiger Produktion und Produkten eine profitable Vorreiterrolle spielen?»
Die SATW wird sich in Vorbereitung auf das nächste Forum auch mit ihren nationalen und internationalen Partner:innen austauschen zu Fragestellungen wie : «Wo ist die Innovation am wichtigsten?», «Was sind die Stossrichtungen für Europa?», «Welche Probleme haben alle Akteur:innen?», Wie kann man Greenwashing verhindern (z.B. mit Life Cycle Assessments)?»
Die Politik und die Öffentlichkeit kennen die heutigen Leistungen und Herausforderungen zur Defossilierung zu wenig. Daher werden Fallstudien aus der Anwendung gesucht und dokumentiert, mit welchen man besser für die Thematik sensibilisieren kann.
Längerfristig sollen die Aktivitäten darauf zielen, die Koordination der relevanten Akteure zur Defossilierung der chemischen Industrie in der Schweiz zu stärken und zu prüfen, von wem und in welcher Form eine feste Zusammenarbeit («Verbund») aufgebaut werden könnte.
Die SATW diskutiert in ihrem Netzwerk den Aufbau von Verbundstrukturen (technischen Infrastrukturen) für grünen Strom, Wasserstoff, CO2, und anderen Komponenten einer nachhaltigen Energie- und Rohmaterialversorgung in der Schweiz.
Über die SATW
Die Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften SATW ist das bedeutendste Expertennetzwerk im Bereich Technikwissenschaften in der Schweiz und im Kontakt mit den höchsten Schweizer Gremien für Wissenschaft, Politik und Industrie. Das Netzwerk besteht aus gewählten Einzelmitgliedern, Mitgliedsgesellschaften sowie Expertinnen und Experten.
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