Neue Rohstoffe stellen die Grüne Chemie vor neue Herausforderungen

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Der Rohstoffwandel umfasst aber nicht nur die Nutzung Nachwachsender Rohstoffe: Erdgas, Kohle, aber auch CO₂, werden in den nächsten Jahrzehnten eine mindestens ebenso große Rolle spielen. Dem letzt genannten Rohstoff wurde früher jegliche Bedeutung mit Hinweis auf das energetisch tiefstliegende Niveau von Kohlenstoff abgesprochen. Heute ist CO₂ interessant geworden, insbesondere wenn im Zielprodukt ein Strukturelement mit Kohlenstoff und ein oder zwei Sauerstoffatomen enthalten ist. Prinzipiell ist dies nichts Neues: Die elegante elektrochemische Kolbe-Synthese zur Herstellung von Benzoesäure ist seit langem bekannt. Ein aktuelles Beispiel ist die Herstellung von Polyether-Carbonaten für Schaumstoffe. Das Verfahren wird derzeit im Rahmen eines F&E-Vorhabens im Rahmen des BMBF-Förderschwerpunkts zur stofflichen Nutzung von CO₂ entwickelt. Dass CO₂ um Wasserstoff in Form von Methanol zu „speichern“, sei nur am Rande erwähnt.

Nachwachsende Rohstoffe erfordern neue Synthesen

Sowohl Nachwachsende Rohstoffe als auch CO₂ enthalten allerdings relativ zu den gewünschten Endprodukten zu viel Sauerstoff, der bei einer Umwandlung reduziert werden muss. Reduktionsprozesse und damit gleichzeitig der Einsatz von Wasserstoff bzw. Energie stellen zwar inhärente Nachteile dar. Dies gilt aber nur, wenn die gleichen Zielverbindungen wie im Fall der petrobasierten Chemie angestrebt werden. Die Entwicklung neuer Zwischenverbindungen, die noch mehr Sauerstoff enthalten, stellt einen attraktiven Lösungsweg dar. Insbesondere als Bausteine für Polyester und Polyamide sind entsprechende Plattformchemikalien wie Diamine, Dialkohole oder Dikarbonsäuren von steigendem Interesse.

Die Alternative zu diesen Konzepten stellt die Umsetzung zu Synthesegas dar. Dies gilt sowohl für Nachwachsende Rohstoffe wie beispielsweise Holz oder Stroh, im gleichen Maße aber natürlich auch für die Alternativen Kohle und Methan. Insofern ist Synthesegas ein universell zugänglicher Rohstoff, für den es universelle Einsatzmöglichkeiten zu entwickeln gilt. Neben den bekannten Prozessen für die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen oder Methanol besteht Bedarf, effiziente Verfahren für diverse andere Zwischenprodukte wie beispielsweise Alkohole oder Ester zu entwickeln.

Katalyse ist der Schlüssel zur Nachhaltigkeit

In diesem Zusammenhang ist die Katalyse definitiv das prioritäre Thema. Katalyse ist der Schlüssel, nicht nur zur Vermeidung von Hilfschemikalien (hier sei auf den „Oldtimer“ der Friedel-Krafts-Aromatenalkylierung verwiesen), sondern durch selektive Steuerung der Reaktion und damit hohen Ausbeuten des gewünschten Produkts bei minimalem Abfallanfall wird der Trennaufwand minimiert. Ergebnis ist eine Minimierung des Energieverbrauchs bei Maximierung der Rohstoffeffizienz. In diesem Zusammenhang fordern die Prinzipien der Green Chemistry gleichzeitig auch die Reaktionsführung bei niedrigen Temperaturen. Im Regelfall bedeuten zwar tiefere Temperaturen eine höhere Selektivität, manchmal wird aber vergessen, dass insbesondere für den Fall einer Verbundproduktion ein höheres Temperaturniveau eine deutlich effizientere Nutzung der Abwärme erlaubt.

Auf welcher Rohstoffbasis auch immer hergestellt, die Rezyklierfähigkeit und die Einbindung in Nutzungskaskaden sind wesentliche Aspekte für die Entwicklung von Produkten und insbesondere von Kunststoffen. Mit Blick auf die Überführung aufwendig gebundenen Kohlenstoffs in CO₂ ohne Nutzung des Energieinhalts sollte die biologische Abbauarbeit nur auf Nischenanwendungen begrenzt werden.

Wasser ist wichtig für chemische Prozesse

Ein sehr wichtiger Aspekt fehlt in den bisherigen Formulierungen der Prinzipien: der Wasserbedarf. Dies gilt sowohl für die Erzeugung pflanzlicher Biomasse und Beschränkungen in vielen Gebieten der Welt als auch für große chemische Prozesse. Dass Letzteres eine hohe Bedeutung hat, zeigt sich daran, dass der Ausbau der kohlebasierten Chemie in China ganz wesentlich durch den Wassermangel in den Kohlefördergebieten behindert wird. Die Prinzipien 4, 5 und 12 der Grünen Verfahrenstechnik (siehe Kasten) müssten daher aus heutiger Sicht um die Forderung nach minimalem Wasserverbrauch bei maximaler Kreislaufführung ergänzt werden.