Wir haben Stimmen aus dem Programmkommittee des DECHEMA PRAXISforums „Electrolysis in Process Industry“ eingesammelt; so äußern sich Experten aus Forschung und Industrie zu aktuellen Herausforderungen für Industrie und Gesellschaft und zu nachhaltigen Lösungsansätzen:

Sigmar Bräuninger, Senior Research Manager, BASF:

Der Klimawandel erfordert einen Übergang von fossiler hin zu regenerativer Energie in allen Sektoren – auch in der chemischen Industrie.

CO₂-Reduzierung über Effizienzmaßnahmen hinaus erfordert neue, innovative Ansätze. Eine „Dekarbonisierung“ ist weder möglich noch erstrebenswert; die meisten heute verwendeten kohlenstoffbasierten Materialien werden auch zukünftig benötigt werden. Vielmehr muss es darum gehen, die Emissionen, die zum Großteil durch den Energiebedarf bei der Herstellung verursacht werden, auf ein Minimum zu reduzieren und darüber hinaus Nachhaltigkeitsaspekte über den ganzen Produktzyklus zu berücksichtigen. 

Eine große Chance besteht in der Elektrifizierung von chemischen Prozessen unter Einsatz von „grünem“ Strom.  Sie kann auf zwei Säulen basieren: Power-to-heat-Anwendungen, wie bspw. dem elektrischen Heizen von Reaktoren oder dem Einsatz von Hochtemperaturwärmepumpen, und der Substitution von chemischen Prozessen durch elektrochemische Routen. Power-to-heat-Anwendungen können einen signifikanten Beitrag zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen in der chemischen Industrie leisten. Ein Beispiel ist die elektrische Beheizung des Steamcrackers, mit der im Prozess bis zu 90 % CO₂ eingespart werden können.

Elektrochemische Prozesse haben den Vorteil, dass sie modular aufgebaut sind und flexibel auf ein schwankendes Stromangebot reagieren können. Das macht sie vor dem Hintergrund der Energiewende besonders attraktiv. Entwicklungsziele sind hohe Energieeffizienz und Selektivität. Über die Synthese einfacher Moleküle, wie bspw. Ameisensäure hinaus, stößt die Nutzung von CO₂ als Synthesebaustein zunehmend auf Interesse. 

Gleichzeitig wird zukünftig Wassersoff, der bspw. mittels Wasserelektrolyse oder Methanpyrolyse erzeugt wurde, als Energieträger eine zentrale Stellung einnehmen. In einem wirtschaftlichen Umfeld mit geänderten Rahmenbedingungen wie höheren CO₂-Preisen, werden sowohl Power-to-heat als auch elektrochemische Prozesse einen wichtigen Teil zur Bewältigung anstehender Herausforderungen beitragen und Möglichkeiten für zukunftsweisende Geschäftsmodelle bieten.

Klaus-Michael Mangold und Markus Stöckl, Elektrochemiker am DECHEMA-Forschungsinstitut:

Den elektrischen Strom aus Wind- und Sonnenenergie direkt für die Synthese von Kraftstoffen und Basischemikalien zu nutzen, das wäre der Einstieg in eine nachhaltige Chemie. Eine Chemie, die sich an vielen Stellen elektrochemischer Verfahren bedienen wird.

Dabei ist die elektrochemische Nutzung von CO₂ im doppelten Sinne eine hervorragende Option. Zum einen kann so der Ausstoß an CO₂ in die Atmosphäre verringert werden. Zum anderen kann nur durch die Erschließung von CO₂ als eine der zukünftigen Basischemikalien die Abkehr von fossilen Rohstoffen gelingen. Einfache Kohlenstoffchemikalien lassen sich bereits jetzt via Elektrolyse von CO₂ herstellen. Durch die Kombination mit etablierten biotechnologischen Verfahren lassen sich so auch komplexere und höherwertige Produkte nachhaltig erzeugen.

Elektrochemische Verfahren können natürlich nicht alle Probleme lösen, die beim Übergang von einer Erdöl-basierten auf eine nachhaltige Chemie oder beim Umweltschutz zu lösen sind. Doch für viele aktuelle Aufgaben gibt es elektrochemische Lösungsansätze:

Die Wiedergewinnung von Lösemitteln, nicht-umgesetzten Edukten und inaktivierten Katalysatoren sind wesentliche Bestandteile der Schließung von Stoffkreisläufen (circular economy). Auch die Entfernung störender Nebenprodukte, ist eine typische Aufgabenstellung bei der Schließung von Stoffkreisläufen.

Jürgen Kintrup, R&D HCl Electrolysis, Covestro Deutschland:

Im Sinn der Nachhaltigkeit richten sich Hersteller von Polymeren zunehmend auf eine Kreislaufwirtschaft aus, in der neben ausgedienten Produkten zunehmend nachhaltige Rohstoffquellen wie Biomasse und neuerdings sogar CO₂ als Ressource genutzt werden. Die Kreisläufe effizient unter Nutzung erneuerbarer Energie zu gestalten, ist der Schlüssel zur echten Kreislaufwirtschaft.

Covestro nutzt CO₂ bereits als Rohstoff für Schaumstoffe. Auch darüber hinaus eröffnet insbesondere die Elektrolyse Möglichkeiten, das reaktionsträge Kohlendioxid in wichtige Grundchemikalien wie Kohlenmonoxid, Methanol oder andere Produkte umzuwandeln.

Die Nutzung der Wasserelektrolyse unter Einsatz von „grünem“ Strom ist unter heutigen Randbedingungen allerdings nicht wirtschaftlich. Zur Umstellung auf nachhaltigere Verfahren muss die Technologie weiterentwickelt und optimiert werden. Eine weitere Voraussetzung ist der konsequente Ausbau erneuerbarer Energien zu wettbewerbsfähigen Preisen.

Zur Effizienzsteigerung hat Covestro zusammen mit Partnern neue Elektrolyseverfahren zur Herstellung von Chlor unter Nutzung von Gasdiffusionselektroden, sogenannten Sauerstoffverzehrkathoden, eingeführt. Die Technologie benötigt weniger elektrische Energie und verringert damit beim derzeitigen Energiemix den CO₂-Fußabdruck signifikant.

Gasdiffusionselektroden sind auch ein wesentlicher Baustein für die Entwicklung neuer Elektrolyseverfahren zur CO₂-Umwandlung. Auch bei den anorganischen Rohstoffen kommen elektrochemische Verfahren bei der Reinigung, Aufkonzentrierung und Nutzung verdünnter wässriger Salzlösungen zum Einsatz und helfen dabei, Abwasserfrachten weiter zu verringern.

Wenn Sie mehr zum Thema Elektrolyse in der Industrie und den Beitrag elektrochemischer Prozesse zum Gelingen der Energie- und Rohstoffwende erfahren möchten, oder sich zu diesem Fachgebiet austauschen und vernetzen wollen, sollten Sie das virtuelle PRAXISforum „Electrolysis in Process Industry“ am 9.-10. November 2020 nicht verpassen.