Rund 30 % Wachstum – das ist die wahrscheinlichste Prognose der Vereinten Nationen für die Bevölkerungsentwicklung bis 2050. Die resultierenden allgemeinen Nachfragesteigerungen führen zu einem stärkeren Ressourcenverbrauch, im Fall fossiler Rohstoffe zu deren beschleunigter Erschöpfung. Biomasse aus Pflanzen stellt eine alternative Kohlenstoffquelle für die chemische Industrie dar. Aufgrund ihrer Abhängigkeit von Ackerland ist sie eine nachwachsende, aber begrenzte Ressource, um die weitere Nutzungen konkurrieren.

Jede Umstellung einer so wichtigen Rohstoffbasis wie Kohlenstoff von einer fossilen auf eine erneuerbare Quelle hat weitreichende Auswirkungen auf die chemische Industrie. Fragen, die Entscheidungsträger hierbei berücksichtigen müssen, sind u.a.:

• Welchen theoretischen Anteil des zukünftigen Bedarfs an Basischemikalien kann eine biobasierte Produktion decken ohne in Konkurrenz um Ackerland zu geraten?
  Hieraus ergeben sich Schlüsse auf gesellschaftliche Akzeptanz, regulatorische Restriktionen, mögliche Subventionen und Wirtschaftlichkeit, welche schließlich Entscheidungen hinsichtlich Investments in Marktbeobachtung, Forschung, Anlagenbau oder M&A begründen.
• Welche Einflussfaktoren bestimmen dieses Potenzial wie stark?
  Hieraus ergeben sich Schlüsse auf die Eintrittswahrscheinlichkeit sowie die Priorisierung des notwendigen Monitorings zur künftigen Überprüfung getroffener Entscheidungen.

Welche Konkurrenzen bestehen?

Es ist davon auszugehen, dass die Nahrungsproduktion weiterhin maßgeblich auf Land als Ressource angewiesen sein wird, auch wenn mit Vertical Farming, der Proteinproduktion aus Algen und Insekten sowie der In-vitro-Erzeugung von Fleisch landunabhängige Nahrungsproduktionen in der Entwicklung sind. Der Energieerzeugung stehen bereits heute durch Wind- und Wasserkraft sowie Solarenergie und Photovoltaik viele nicht-fossile Technologien kommerziell nutzbar zur Verfügung. Diese sind nicht auf Biomasse als Ressource und damit auf fruchtbares Land angewiesen.

Politisch wird der Nutzung von Biomasse zur Energieerzeugung Einhalt geboten: Das Europäische Parlament hat im April 2015 eine Obergrenze von 7 % für Biokraftstoff am gesamten Kraftstoffverbrauch ab 2020 beschlossen. Die direkte Nutzung von Biomasse (z.B. für Textilien oder als Baustoff) hat einen sehr geringen Anteil an der Biomassenutzung.

Im Folgenden werden die zwangsläufig auf Land angewiesenen Nutzungen Nahrungs- und Chemieproduktion betrachtet, wobei der Nahrungsproduktion Vorrang eingeräumt wird.

Welche Einflussfaktoren spielen eine Rolle?

Die Entwicklung von Angebot und Nachfrage nach Produkten, die auf fruchtbares Land angewiesen sind, hängt u.a. von folgenden Parametern ab:

• Der Nahrungsbedarf wird maßgeblich von der Entwicklung der Bevölkerungsgröße sowie des Wohlstands getrieben. Steigender Wohlstand bedeutet steigenden Fleischkonsum, welcher einen deutlich höheren Flächenbedarf hat als vegetarische Ernährung. Darüber hinaus spielen bei der Berechnung des Flächenbedarfs Verluste in der Logistikkette der Nahrung eine wichtige Rolle. Sie betragen über die gesamte Kette ca. 40 %.
• Wesentliche Treiber des Nahrungsangebots sind der Nutzungsgrad fruchtbarer Ackerlandflächen (welcher z.B. von der Intensität der Tierhaltung oder der maximal möglichen künstlichen Bewässerung abhängt), ihre Veränderung durch Degradation sowie die Veränderung der Pflanzenerträge (z.B. genetische Modifikation).
• Der Bedarf nach Basischemikalien wird häufig analog zum Weltbruttosozialprodukt prognostiziert, welches ebenfalls durch Bevölkerungs- und Wohlstandsentwicklung bestimmt wird.
• Das Angebot an Basischemikalien aus Biomasse wird zusätzlich durch die Auswahl der Technologie bestimmt sowie der aus Nachhaltigkeitsgründen auf den Feldern belassenen Biomasse. Auf den nicht für Nahrung verwendeten Flächen kommt die Variation der Pflanzenarten als Parameter hinzu, da abhängig von Klima und Böden Pflanzen mit optimalem Biomasseertrag gewählt werden können.

Mit Hilfe einer umfassenden Modellbildung basierend auf parameterspezifischen Quellen (UN Population Division, FAO, IEA, Weltbank, Weltagrarbericht, Bundesregierung, Statistikbehörden, Forschungsinstitute etc.), lassen sich die Auswirkungen verschiedener Parametersettings auf die Einsatzmöglichkeiten der Biomasse zur Bedarfsdeckung von Basischemikalien im Jahr 2050 ermitteln. Im Folgenden wird zur Vereinfachung die vollständige Deckung des Ethylenbedarfs vor der Deckung des Propylenbedarfs betrachtet.

Lässt sich der Bedarf nach Basischemie biobasiert decken?

Je nach Entwicklung von Nachfrage sowie Pflanzenerträgen sind Flächen in der Größe von 20 – 50 % des heute genutzten Ackerlandes notwendig, um die nach Volumen größte Chemikalie Ethylen vollständig mit Technologie der 1. Generation zu produzieren.

Eine „Worst-case“-Betrachtung zeigt, dass eine stark wachsende Weltbevölkerung (11 Mrd. in 2050, entspricht konstanter Fruchtbarkeit) verbunden mit einer starken Wohlstandssteigerung (60 % auf Niveau der Industriestaaten anstatt heute 60 % auf Niveau der BRIC-Länder) ohne eine signifikante Ausweitung von Ackerland und damit Erträgen sowie einer Reduzierung der Verluste in der Logistikkette nicht adäquat ernährt werden kann. Eine Nutzung für die Chemie wäre damit ausgeschlossen.

Im „Best-case“-Szenario mit 8 Mrd. Menschen 2050 und einer globalen Reduzierung des Wohlstandes wäre eine Ernährung der Weltbevölkerung problemlos möglich. Nach vollständiger Deckung des in diesem Szenario prognostizierten Ethylen- und Propylenbedarfs blieben je nach genutzten Pflanzenarten und Technologieauswahl noch knapp 50 % der maximal verfügbaren fruchtbaren Flächen ungenutzt.

In einem Szenario mit einer mittleren Bevölkerungsentwicklung von 9,2 Mrd. Menschen im Jahr 2050 und einer mittleren prognostizierten Wohlstandsverteilung, 10 % Reduzierung der Verluste, einer Vergrößerung der Ackerflächen um 30 % der heute nicht genutzten ackertauglichen Flächen und einer Steigerung der Pflanzenerträge um 30 % wäre eine Produktion von ca. 90 % des Ethylenbedarfs bei ausschließlicher Nutzung von Technologien der 1. Generation möglich, ohne die Nahrungsproduktion zu beeinträchtigen. Abb. 1 zeigt die Verteilung der Landnutzung. Technologien der 2. Generation bieten das Potenzial zur vollständigen Deckung des Ethylenbedarfs und darüber hinaus knapp des vollständigen Propylenbedarfs – abhängig von der Pflanzenzusammensetzung auf solchen Flächen, die nicht für die Produktion von Nahrung genutzt werden.

Welche Faktoren beeinflussen die Ergebnisse am stärksten?

Für den Einsatz der Technologie der 1. Generation ist der Nutzungsgrad fruchtbaren Landes entscheidend. Sucht man die Potenziale jedoch nicht in einer Ausdehnung der Ackerflächen, dann spielt die Art der angebauten Nutzpflanzen eine vorrangige Rolle in der Bedarfsdeckung. Es folgen Ertragssteigerungen der Pflanzen vor Bevölkerungsgröße und Wohlstand. Abb. 2 zeigt den Einfluss auf das Potenzial für die Chemieproduktion durch Veränderung ausgewählter Parameter vom oben genannten mittleren Szenario hin zu den angenommenen Werten des Best-case-Szenarios.

Fazit

Es ist keinesfalls sicher, dass bei Priorisierung der Nahrungsproduktion kein Land zum Biomasseanbau für die chemische Industrie zur Verfügung stehen wird. Mit dem Einsatz von Technologien der 2. Generation ist bei fast allen realistischen Ausprägungen der relevanten Parameter eine vollständige Deckung des Ethylenbedarfs darstellbar – teils deutlich mehr. Bei Technologien der 1. Generation ist die Deckung signifikanter Anteile sehr wahrscheinlich. Landnutzungsgrad, Pflanzenarten und Erträge sind die wichtigsten Parameter. Auf Basis der skizzierten Modellbildung kann zusammen mit tiefgehendem Expertenwissen in diesem komplexen Umfeld eine solide Grundlage für strategische Entscheidungen geschaffen werden. Ferner wird die Beurteilung der Chancen anderer Technologie, wie z.B. Kohlenstoff aus CO₂ oder Algen, durch Klarheit bzgl. der Chancen von Biomasse als Rohstoff unterstützt.