Industrie + Technik

BASF testet in Ludwigshafen neuartige Öfen für Steamcracker. Sie arbeiten elektrisch statt mit Gas. Das senkt die Kohlendioxid-Emissionen erheblich. Für eine nachhaltige Chemieindustrie sind aber weitere Umstellungen nötig.<p>Martin Brudermüller, bis 25. April Vorstandsvorsitzender des Chemieunternehmens BASF, drückte eine Woche vor Abgabe des Chefsessels noch einmal den Startknopf für eine Anlage am Standort Ludwigshafen. Am 17. April weihte er zwei Spaltöfen an einem <link href="#nadc20244143598-fig-0001">Steamcracker ein – zusammen mit Abdulrahman Al-Fageeh, Vorstandsvorsitzender des saudi-arabischen Chemie- und Metall-Konzerns Sabic, und Jürgen Nowicki, dem Chef von Linde Engineering. Der Medienrummel war groß, denn die neuen Öfen werden nicht mit Gas, sondern mit Strom aus erneuerbaren Quellen beheizt (E-Öfen). Verglichen mit einem herkömmlichen Steamcracker sollen die CO<sub>2</sub>-Emissionen so um mehr als 90 Prozent sinken. BASFs Steamcracker stoßen jährlich etwa 3,5 Mio. Tonnen Treibhausgase aus und sind damit die größte CO<sub>2</sub>-Quelle der Chemieproduktion des Konzerns.</p><figure xml:id="nadc20244143598-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/LeZrDKxQkOaumg860CBJ"><figcaption><label>Abb.1: </label>Steamcracker bei BASF in Ludwigshafen. Foto: BASF</figcaption></figure></figure><p>BASF, Sabic und Linde haben die als eFurnace bezeichnete Technik in den vergangenen drei Jahren gemeinsam entwickelt, konstruiert und gebaut. Die Anlage mit den beiden E-Öfen ist an einen Steamcracker aus dem Jahr 1965 angeschlossen, der bereits über acht konventionelle Öfen verfügt. Die E-Öfen, in denen Temperaturen von etwa 850 °C herrschen, sind als Demonstrationsanlage konzipiert. Sie verarbeiten stündlich jeweils zwei Tonnen Naphtha, entsprechend einem Zehntel der Kapazität eines konventionellen Ofens. Zusammen benötigen sie sechs Megawatt Energie pro Stunde und damit etwa dreimal so viel wie ein Single-Haushalt in Deutschland pro Jahr.</p><h2 type="main">Elektrisch heizen</h2><p>Während der zweijährigen Testphase sollen vor allem die Materialbeständigkeit und zwei Beheizungskonzepte untersucht werden. Bei der direkten Beheizung liegt der elektrische Strom direkt an den Spaltrohren an. Der zweite Ofen erhitzt die Rohre indirekt über die Strahlungswärme von 18 Heizelementen.</p><p>Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz hat das Gemeinschaftsprojekt im Rahmen des Programms „Dekarbonisierung in der Industrie“ mit fast 15 Mio. Euro gefördert. Die gesamten Kosten betragen 70 Mio. Euro. Schon Ende dieses Jahres, also vor Abschluss der Testphase in Ludwigshafen, will Linde die Technik unter dem Namen Starbridge vermarkten.</p><p>Mit elektrisch beheizten Spaltöfen beschäftigen sich weitere Unternehmen. Dow und Shell nahmen vor zwei Jahren eine Versuchsanlage in Amsterdam in Betrieb. Sie ist allerdings kleiner. Die Anlage bei BASF ist die weltweit erste großtechnische Anlage dieser Art, die an einen Steamcracker angeschlossen ist. Durch den Abriss einer Lagerhalle entstand Platz für die E-Öfen.</p><h2 type="main">Weg von fossilen Rohstoffen</h2><p>Die Industrie zu elektrifizieren ist nur sinnvoll, wenn genügend grüner Strom zur Verfügung steht. Um den steigenden Bedarf an erneuerbarer Energie zu decken, kooperiert BASF unter anderem mit dem Energieversorger Vattenfall. Im April kaufte das Chemieunternehmen 49 Prozent der Anteile von Vattenfalls bislang größtem Offshore-Windpark, dem Projekt Nordlicht in der Nordsee. Knapp die Hälfte des dort erzeugten Stroms soll in die BASF-Produktion fließen.</p><p>Eine klimaneutrale Energieversorgung ist nicht das einzige Kriterium für eine nachhaltige Chemieindustrie. Die Branche braucht darüber hinaus neue Rohstoffe. Theoretisch ließen sich die Steamcracker-Öfen mit Ölen aus nachwachsenden Quellen oder mit Pyrolyseöl aus chemischem Recycling füttern. Doch Tests dazu planen BASF und die Partner in der jetzigen Demonstrationsphase nicht. Versuche mit Pyrolyseöl scheiterten schon daran, heißt es, dass es keine ausreichenden Mengen gebe. Ob jemals ein nicht-fossiler Stoff Naphtha ersetzen wird, der sich mit petrochemischen Anlagen verarbeiten lässt, bleibt fraglich.</p><p>Wohl deswegen mochte die Begeisterung, mit der Brudermüller und seine Partner den Startknopf drückten, nicht so recht auf die versammelten Journalisten überspringen. Einige von ihnen kamen zudem gerade von einer anderen BASF-Veranstaltung, die ihnen Einblick in grüne Prozesse gewährt hatte: Am Vormittag desselben Tages hatten Eva Wilke, seit Jahresanfang Forschungsleiterin Weiße Biotechnologie bei BASF, und ihr Team zu einer Laborführung eingeladen. Dort erläuterte Wilke, wie in Bioreaktoren aus nachwachsenden Rohstoffen Biopolymere, Basis- und Spezialchemikalien entstehen. Anders als die üblichen chemischen Synthesen laufen die Bioprozesse in wässrigen Medien und bei Temperaturen ab, die in der Regel zwischen 20 und 40 °C je nach verwendetem Mikroorganismus liegen.</p><h2 type="main">Fermenter statt Steamcracker</h2><p>Weiße <link href="#nadc20244143598-fig-0002">Biotechnik ist für BASF nicht neu. Seit dem Jahr 1985 betreibt das Unternehmen in Ludwigshafen ein Biotechnikum mit Fermentern bis zu einer Größe von fünf Kubikmetern. Vitamin B<sub>2</sub> produziert der Konzern im industriellen Maßstab seit 1990 fermentativ. In den vergangenen Jahren hat das Unternehmen die Palette an Biotechprodukten um Waschmittelenzyme, Futtermittelzusätze, Chemikalien wie Bernsteinsäure und Insektizide erweitert.</p><figure xml:id="nadc20244143598-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/cEondfvLSfGXbEirCFkO"><figcaption><label>Abb.2: </label>Modell der neuen Fermentationsanlage, die im Jahr 2025 in Ludwigshafen in Betrieb gehen soll. Foto: BASF</figcaption></figure></figure><p>Angesichts der über vier Jahrzehnte währenden Beschäftigung mit Biotechnik fällt BASFs Biotechportfolio allerdings bescheiden aus. Nicht auszudenken, wie klimafreundlich und nachhaltig der Chemiekonzern heute wäre, hätte er die Prozessumstellung in Richtung Biotechnik forciert. Doch das scheiterte an den Kosten. Glucose, Rohstoff Nummer eins der Biotechnik, und andere nachwachsende Ausgangsmaterialien sind teurer als fossile Ressourcen. Kunden seien oft nicht bereit, den höheren Preis zu zahlen, erklärte Wilke.</p><p>Die seit dem Jahr 1990 währende Partnerschaft zwischen der BASF-Tochtergesellschaft Wintershall, seit 2019 Wintershall Dea, und dem russischen Staatskonzern Gazprom ließ das Chemieunternehmen jahrzehntelang kostengünstig auf russisches Gas zugreifen. Doch davon musste sich BASF in Folge des russischen Angriffskriegs trennen. Seitdem steigt innerhalb des Konzerns das Interesse an der Biotechnik. Zudem helfen Fortschritte in der Gentechnik und künstliche Intelligenz, Bioprozesse schneller zu entwickeln.</p><p>In der zweiten Jahreshälfte 2025 soll in Ludwigshafen eine neue Fermentationsanlage für einen hohen zweistelligen Millionen-Euro-Betrag in Betrieb gehen. Anders als Steamcracker zählen Fermenter zwar nicht zu den Herzstücken der Chemieproduktion. Das Potenzial dazu aber haben sie.</p><h2 type="main">INFO: Über Steamcracker und weiße Biotechnik</h2><p>Steamcracker sind die Herzstücke der Petrochemie. Aus fossilen Rohstoffen gewinnen sie die Grundbausteine für die Chemieproduktion. Steamcracker bestehen aus Spaltöfen, Quenchkühlern und Aufarbeitungsanlagen. In den Spaltöfen wird der fossile Rohstoff – in Europa meist die Erdölfraktion Naphtha – mit Wasserdampf bei etwa 850 °C in kleinere Moleküle zerlegt. Die instabilen Spaltgase werden anschließend in Sekundenbruchteilen abgekühlt und anschließend in mehrstufigen Prozessen verdichtet, getrennt und aufbereitet. Hauptprodukte eines Steamcrackers sind Ethen, Propen, Butadien, Aromaten und Wasserstoff. In Deutschland gibt es insgesamt zehn Steamcracker, zwei davon bei BASF in Ludwigshafen. Der größere der beiden stammt aus dem Jahr 1980 und beansprucht eine Fläche von 13 Fußballfeldern.</p><p>Die zentralen Anlagen der weißen Biotechnik sind mit Nährbrühe gefüllte Bioreaktoren, Fermenter genannt. Darin schwimmen lebende Zellen. Das sind meist gentechnisch veränderte Bakterien, Hefen oder Pilze, die aus pflanzlichen Rohstoffen ein bestimmtes Produkt herstellen. Einige Mikroorganismen können sogar Kohlendioxid aus der Luft zu anderen Substanzen verarbeiten. Zu den Produkten der weißen Biotechnik zählen Vitamine, Waschmittelenzyme und weitere Spezialchemikalien, zudem Basischemikalien wie Milchsäure, aus denen sich Biokunststoffe und andere Substanzen herstellen lassen. Weiße Biotechnik wird auch als industrielle Biotechnik bezeichnet. Die Grenzen zur roten (medizinischen) und zur grünen (pflanzenbasierten) Biotechnik sind fließend.</p><h2 type="main">Die Autorin</h2><p>Uta Neubauer hat für die Nachrichten aus der Chemie die BASF besucht.</p>

Prozessindustrie

Petrochemie unter Strom

BASF testet in Ludwigshafen neuartige Öfen für Steamcracker. Sie arbeiten elektrisch statt mit Gas. Das senkt die Kohlendioxid-Emissionen erheblich. Für eine nachhaltige Chemieindustrie sind aber weitere Umstellungen nötig.Martin Brudermüller, bis 25. April Vorstandsvorsitzender des Chemieunterne...

Die Konzeption eines Katalysators für die Methanolherstellung begann im Jahr 2017 auf einem leeren Blatt Papier. Bei der Entwicklung neuer Verfahren sind chemische Erfahrung und Intuition mitentscheidend.<p>Die chemische Forschung will ihre Chemikalienproduktion umweltfreundlicher und effizienter machen. Mit quantenmechanischen Simulationen lassen sich neue Katalysatoren und Synthesen entwerfen und validieren. Ein Beispiel ist die computergestützte Entwicklung eines Katalysators für die Methanolherstellung, der die Umweltbelastung reduziert.</p><p>Methanol wird im 100-Megatonnenmaßstab pro Jahr hergestellt, wobei das Verfahren etwa ein Prozent der weltweiten CO<sub>2</sub>-Emissionen verursacht. Die Schifffahrt setzt zunehmend auf nachhaltig erzeugtes Methanol, um fossile Energiequellen zu vermeiden. So entsteht ein Marktpotenzial von jährlich bis zu 500 Megatonnen. Konventionelle Methanol-Anlagen sind ungeeignet, um dezentral und lastenflexibel aus erneuerbaren Energien und Rohstoffen zu produzieren. Es bedarf einer neuen Katalyse, um genügend Methanol zu produzieren, das konkurrenzfähig zu konventionell hergestelltem ist.</p><h2 type="main">Experimentelle Quantenchemie</h2><p>Quantenmechanische Simulationen und Experimente führten nun zu einem neuen chemischen Verfahren, das Synthesegas (Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid) zu Methanol umsetzt. Dieses ist unter milderen Bedingungen produktiver. Es erzeugt also mehr Methanol pro Synthesegas, und es fallen weniger Nebenprodukte an.</p><p>Der Paradigmenwechsel liegt darin, einen speziellen homogenen Katalysator zu verwenden statt der konventionellen heterogenen Katalysatoren, die seit einem Jahrhundert eingesetzt werden.</p><p>Für das Methanolherstellungskonzept war ein Zusammenspiel aus Katalysator und Promotor entscheidend, um Gase wie CO oder CO<sub>2</sub> umzuwandeln. Dabei fängt der Promotor das Gas ein und bildet ein flüssiges Zwischenprodukt, Ameisensäureamide oder -ester, das in der Flüssigphase mit einem maßgeschneiderten homogenen Katalysator zu Methanol umgesetzt wird (capture-hydrogenation-approach, CHA, <link href="#nadc20244143279-fig-0001">Abbildung S. 39).</p><figure xml:id="nadc20244143279-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/eOEA1L6mRb6NSSvG8BRQ"><figcaption><label>Abb.1: </label>Der Hydrierungsansatz (Capture-Hydrogenation-Approach) am Beispiel der Reaktion von CO und H<sub>2</sub> zu Methanol. Abbildung: Creativequantum, <a href="https://webchem.org" target="_blank">webchem.org</a></figcaption></figure></figure><p>Nachdem dieser Ansatz entworfen war, folgten virtuelle Screenings. Diese evaluierten die Varianten aus Metallzentren, Liganden und Promotoren, um das vielversprechendste Katalysatorsystem zu identifizieren. Dazu diente der Computercluster des Berliner Unternehmens Creativequantum. Die Kombination aus menschlicher Kreativität und computergestützter Analyse verdeutlicht, dass trotz des Fortschritts der künstlichen Intelligenz die chemische Erfahrung und Intuition für die Entwicklung neuer Verfahren entscheidend sind.</p><p>Sobald Menschen einen neuen Ansatz erdacht haben, zeigen Computer und Labor, ob das Prinzip funktioniert. Wenn ja, ermöglichen Simulationen, den Ansatz zu verfeinern und zu optimieren, bevor weitere Katalysatoren hergestellt und erprobt werden. Voraussetzend dafür waren nicht nur immer preiswertere Computer, sondern auch verbesserte Methoden wie die Stefan Grimmes von der Universität Bonn.<sup>1)</sup></p><p>Die Analyse der Schlüsselschritte des Katalysemechanismus mit virtuellen Screenings machte klar, dass Mangan, Eisen und Ruthenium aussichtsreiche Metalle dafür sind. Zudem ist ein stabiler Pincer-Ligand mit Metall-Ligand-Kooperativität erforderlich (<link href="#nadc20244143279-fig-0002">Abbildung oben).</p><figure xml:id="nadc20244143279-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/8qN2f2PgT9WCA8iZTHwZ"><figcaption><label>Abb.2: </label>Aktivierter Katalysator: Mn-PNP-Pincer-Komplex. Abbildung: Creativequantum, Stable Diffusion</figcaption></figure></figure><p>Um den Ansatz und die identifizierten Schlüsselkomponenten zu prüfen, musste ein Forschungsinstitut mit einer entsprechenden Laborinfrastruktur beauftragt werden. Die ersten Validierungsversuche und die erste experimentelle Optimierung geschahen zusammen mit der Forschungsgruppe Matthias Bellers am Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock. Bei der weiteren Entwicklung und Skalierung der Technik unterstützte im Jahr 2020 das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.<sup>2)</sup></p><h2 type="main">Wagniskapital beschleunigt die Kommerzialisierung</h2><p>Während der Vorarbeit in den Jahren 2017 bis 2022 sprach der Chemiker Marek Chęciński mit dem Unternehmer Dirk Radzinski darüber, die Methanoltechnik von Creativequantum zu kommerzialisieren. Sie beschlossen, Partner dafür zu finden. Im Jahr 2022 hat Chęciński dann mit dem Unternehmer Christian Vollmann das Unternehmen C1 Green Chemicals (C1) gegründet. Radzinski ist dort Aufsichtsratsvorsitzender.</p><p>Wichtig war es, Know-how und Netzwerke aus Katalyse, technischer Chemie und Wagniskapital zusammenzubringen. Damit bauten sie ein Team sowie eine Forschungs- und Demonstrationsinfrastruktur auf und vereinten das Konzept von der Simulation bis zur Pilotanlage unter einem Dach. Dies wurde in Berlin-Adlershof umgesetzt.</p><p>Mit weiteren Optimierungen am Katalysatorsystem ließen sich die Temperatur von 260 °C auf 120 °C und der Druck von 50 bar auf unter 20 bar senken. Dies reduziert die Herstellungskosten. Zudem stieg der Umsatz der Edukte je Reaktordurchlauf von 15 Prozent auf über 95 Prozent. Damit ließen sich die technischen Anlagen vereinfachen. Da das Produkt reiner ist als das der konventionellen Route, entfällt die energieintensive Wasserabtrennung. Dieser Grad der technischen Verbesserungen ist eine Sprunginnovation.</p><h2 type="main">Technische Demonstration im Chemiepark</h2><p>Um die Risiken der Skalierung zu senken, entstand im Jahr 2023 unter der Leitung von C1 das Demonstrationsprojekt Leuna100.<sup>3)</sup> Im Chemiepark Leuna wird 100 Jahre nach der ersten kommerziellen Produktion von Methanol das neue Verfahren im Containermaßstab in einer kontinuierlichen Produktion im 100-L-Pilotmaßstab unter technischen Bedingungen erprobt.</p><p>Um das Projekt umzusetzen, baut C1 unter anderem auf die Erfahrung ehemaliger Mitarbeiter der Unternehmen Linde und Tesla. Weil man in einem Wagniskapital-finanzierten Start-up andere Wege als in einem Großkonzern gehen kann, erfolgen Forschung, Skalierung und kommerzielle Planung parallel. Das halbiert die typischen Zeithorizonte von der Erfindung bis zur kommerziellen Anlage auf sieben bis acht Jahre. Schon jetzt wird eine vorkommerzielle Anlage im Tagestonnen-Maßstab geplant, um die Kommerzialisierung zu beschleunigen. Denn das Ziel ist eine ökologische und wirtschaftlich nachhaltige Methanol-Kreislaufwirtschaft, die das Potenzial hat, die fossile Erdölwirtschaft zu ersetzen (<link href="#nadc20244143279-fig-0003">Abbildung diese Seite).</p><figure xml:id="nadc20244143279-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/3ycP9sEaSo2Wd6kKErK4"><figcaption><label>Abb.3: </label>Methanol-Kreislaufwirtschaft. Abbildung: C1 Green Chemicals, Blender</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Zukunftsweisende Entwicklung</h2><p>Weitere Alternativen zu chemischen Verfahren mit hohem CO<sub>2</sub>-Fußabdruck soll die neue Infrastruktur schnell von der Simulation zur Pilotanlage bringen. So lassen sich das CO<sub>2</sub>-Einsparpotenzial demonstrieren und die Risiken minimieren, damit konventionelle Anlagenbauer diese Techniken skalieren können. Ressourceneinsparungen bei der Produktion hochvolumiger Chemikalien sollen so früher realisiert und so zum Umweltschutz beitragen.</p><p>Die Anwendung quantenmechanischer Simulationen zur Validierung eines neuen Herstellverfahrens verdeutlicht deren Potenzial als Schlüsselwerkzeug in der Chemieforschung. Diese Simulationen ermöglichen es, komplexe chemische Prozesse auf atomarer Ebene zu verstehen und zu optimieren, was die Entwicklung neuer Technologien beschleunigt und kosteneffizienter als bisher macht.</p><h2 type="main">Der Autor</h2><p>Marek Chęciński ist Gründer und Geschäftsführer von Creativequantum sowie Gründer und Chemievorstand von C1 Green Chemicals. Zudem arbeitet er ehrenamtlich etwa im Young Professionals Board Adlershof und beim Science4Life-Gründungswettbewerb. Er hat Chemie an der Humbold-Universität Berlin studiert und am Leibniz-Institut für Katalyse promoviert. Foto: Falk Weiß<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/mBADj3BRQfuP9HiLzEsU"></p><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244143279-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244143279-bib-0001"><sup>1 </sup> a) S. Grimme, C. Bannwarth, P. Shushkov, J. Chem. Theory Comput. 2017, 13, 1989; b) S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieg, J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104; c) L. Goerigk, S. Grimme, WIREs Computational Molecular Science 2014, 4, 576</li><li xml:id="nadc20244143279-bib-0002"><sup>2 </sup> <a href="https://www.e4mewi.de" target="_blank">www.e4mewi.de</a></li><li xml:id="nadc20244143279-bib-0003"><sup>3 </sup> <a href="https://www.leuna100.de" target="_blank">www.leuna100.de</a></li></ul>

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