Heute sind 13% der deutschen Chemierohstoffe biobasiert; ein noch geringer Anteil, für den aber eine kontinuierliche Zunahme zu erwarten ist. Der zugrunde liegende Rohstoffwandel wird vor allem durch die im Pariser Klimaabkommen beschlossene Begrenzung der Erderwärmung auf unter 2°C getrieben. Dieses Ziel erlaubt nur noch ein globales „Emissionsbudget“ von akkumuliert maximal 1.000 Gt CO₂-Äquivalenten. Bis 2050 sollen deshalb auf fossilen Rohstoffen basierende Industrien  weitgehend „dekarbonisiert“ werden.

Um den notwendigen Wandel zu forcieren, hat die Bundesregierung bereits 2010 die „Nationale Forschungsstrategie Bioökonomie 2030“ vorgestellt. Sie setzt für industrielle Anwendungen auf den konsequenten Rohstoffwandel zu biobasiertem Kohlenstoff. Potenzielle Rohstofflieferanten sind der Agrar- und Forstbereich sowie die Aquakultur. Die chemische Industrie kann ihren Teil durch Umstieg auf erneuerbare Energien beitragen und für den in den Produkten gebundenen Kohlenstoff sind emissionsneutrale Alternativen zu etablieren.

Biobasierte Verfahren

Landwirtschaftliche Biomasse und daraus gewonnene Zucker und Öle sind bereits etablierte Optionen. Sie werden seit Jahrzehnten in biotechnologischen Verfahren z.B. zu enantiomerenreinen Produkten eingesetzt, weil nur diese Prozesse wirtschaftlich sind. Zunehmend gewinnen biobasierte Verfahren an Bedeutung, wenn der ökologische Fußabdruck reduziert und möglichst auch das Leistungsspektrum des Produkts verbessert wird. Ein Beispiel ist das von Avantium (Spin-off von Shell) entwickelte Polyethylenfuranoat (PEF), eine biobasierte Alternative zu Polyethylenterephthalat (PET) mit verbesserter Gasdichtigkeit. Die Gründung des  JV Synvina durch BASF und Avantium im Jahr 2015 belegt das industrielle Potenzial von PEF. 2017 hat das JV die Investition in eine Anlage mit einer Jahreskapazität von 50.000 t Furandicarbonsäure (FDCA) als Rohstoff zur Herstellung von PEF angekündigt.

Um dem Ziel des Rohstoffwandels nahe zu kommen, müssen allerdings langfristig volumenmäßig wesentlich größere Produkte von fossilen auf biobasierte Rohstoffe umgestellt werden. Bioethylen auf Basis von Bioethanol wird bspw. von Braskem bereits in Brasilien produziert und ist ein Beispiel für ein drop-in, also ein biobasiertes Alternativprodukt, das direkt in bestehende Verfahren eingeführt werden kann.

Rohstoffe der ersten Generation

Es ist aber auch ein Beispiel für die Problematik zukünftiger biobasierter Rohstoffversorgung, denn von landwirtschaftlich erzeugter Biomasse wird die Versorgung mehrerer Märkte erwartet: Lebens- und Futtermittel, Fasern, Treibstoffe, Bioenergie und organische Chemie. Nach Schätzung von KPMG wären „20 – 50% des heute genutzten Ackerlandes notwendig, um die nach Volumen größte Chemikalie Ethylen vollständig mit Technologie der ersten Generation zu produzieren“. Langfristig allein auf Rohstoffe der ersten Generation, d.h. auf primäre Biomasse zu setzen, wäre deshalb unklug, zumal die wachsende Weltbevölkerung einen zunehmenden Bedarf an Landfläche für die Ernährung erwarten lässt. Hier ist maximale Rohstoffeffizienz vor allem für die industriellen Anwendungen gefragt.

Rohstoffe weiterer Generationen

Entlastung bieten Rohstoffe der zweiten, dritten und vierten Generation. Mit der zweiten Generation ist der nicht essbare Anteil von Biomasse gemeint. Auch hier beginnt die industrielle Realisierung. So investiert Clariant in Rumänien in eine Anlage (50.000 t/a) auf Basis seiner Sunliquid-Technologie zu Zellulose-Ethanol, vergibt eine Lizenz an Enviral in die Slowakei und entwickelt gemeinsam mit Ineos und Global Bioenergies ein Verfahren zu Isobuten auf Basis von Stroh. UPM prüft derzeit die Herstellung (150.000 t/a) von Bio-Monoethylenglycol (bMEG) und Bio-Monopropylenglycol (bMPG) ausgehend von Holz.

Unter Verfahren der dritten Generation ist die stoffliche Verwertung von kommunalen und industriellen Abfällen zu verstehen. Erst im Dezember 2017 haben Sekisui Chemical und Lanzatech in Japan eine Anlage zur biotechnologischen Verwertung von Synthesegas zu Ethanol in Betrieb genommen. Das Gas wird aus festen Siedlungsabfällen erzeugt. Ebenfalls von gasifizierten kommunalen Abfällen gehen Air Liquide, AkzoNobel, Specialty Chemicals und Enerkem aus, die im Februar 2018 eine Investition am Hafen von Rotterdam zur Herstellung von 220.000 t/a Methanol angekündigt haben.

Mit der vierten Generation schließlich sind gasförmige Kohlenstoffquellen gemeint. Dazu gehört die chemische und biotechnologische Verwertung von Synthesegas (CO) oder CO₂. Die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen ist bereits seit langem etabliert. BASF und BSE Engineering arbeiten an einem Katalysator um CO₂ und Wasserstoff in Methanol umzusetzen und die Viessmann-Tochter Bioenergy betreibt bereits eine Pilotanlage zur Methanisierung von CO₂. Die Hebung der Rohstoffeffizienz geht bei derartigen Verfahren mit einer signifikanten Senkung des CO₂-Fußabdrucks einher, denn der Kohlenstoff wird technisch recycliert und nicht über die Atmosphäre in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf eingespeist. Ein Konsortium aus Covestro, Evonik und Siemens, das kürzlich die Herstellung von Butanol und Hexanol aus CO₂ berichtet hat, spricht deshalb von technischer Photosynthese. Freilich benötigen die meisten dieser Verfahren elektrische Energie, sodass sie ihre ökologischen Vorteile nur unter Verwendung erneuerbarer Energien ausspielen können. Die Stromspitzen volatiler Energien bieten hier Synergiepotenzial, sind aber sicherlich nicht ausreichend um zu einer Versorgung der chemischen Industrie mit nachhaltigen Rohstoffen signifikant beizutragen.

Die verschiedenen Rohstoffgenerationen erweitern also das Portfolio biobasierter Rohstoffe, heben die Rohstoffeffizienz und entlasten primäre Biomassequellen. Allerdings bleibt zu berücksichtigen, dass viele dieser Optionen hohe Logistikkosten mit sich bringen. Deshalb ist die Verarbeitung in der Nähe des Entstehungsortes zu bevorzugen. Industrielle Ballungsräume mit einem hohen Aufkommen an industriellen und kommunalen Stoffströmen können sich deshalb zukünftig zu relevanten Rohstofflieferanten entwickeln.

Eine Metropolregion als Beispiel

Ein Beispiel ist die Metropolregion Frankfurt/Rhein-Main mit 5,7 Millionen Einwohnern, hoch entwickelter Infrastruktur, starker Chemieindustrie und bedeutenden Biomasseressourcen. Im Rahmen der BMBF-Ausschreibung „Innovationsräume Bioökonomie“ wird hier derzeit ein Konzept entwickelt, wie biobasierte Stoffströme unterschiedlicher Herkunft für die stoffliche Nutzung eingesetzt und zum zukünftigen Rohstoff-Portfolio beitragen können. Kürzlich erstellte Studien zeigen in der Region ein erhebliches Potenzial für die Hebung der Rohstoffeffizienz und damit verbunden die Reduktion von CO₂-Emissionen.

In den angestrebten Forschungsvorhaben, die vom BMBF mit bis zu 20 Mio. EUR gefördert werden können, sollen Verfahren zur Erfassung, Konfektionierung und Verwertung dieser Stoffströme entwickelt werden. Dabei wird die Übertragbarkeit auf ähnliche Regionen in Deutschland und darüber hinaus von Beginn an mit berücksichtigt. Das sich formierende Innovationsbündnis „Bioökonomie im Ballungsraum“ (BioBall) ordnet derzeit Problemstellungen der privaten und kommunalen Wirtschaft und erarbeitet mit der Akademia Lösungskonzepte. Interessenten können sich bis zum 31. August 2018 an der Konzeptentwicklung beteiligen. Die Umsetzung wird im Erfolgsfall Anfang 2019 beginnen.