DECHEMA - CO2Plus-Statuskonferenz, 17. April 2018, Berlin

Dr. Claus Beckmann, BASF SE

Dekarbonisierung der chemischen Industrie?

Technologische Optionen zur Vermeidung von CO2-Emissionen und ihrer stofflichen Nutzung

Unsere Chemie wird in nahezu allen Branchen eingesetzt

Wir verbinden wirtschaftlichen Erfolg, gesellschaftliche Verantwortung und den Schutz der Umwelt

Umsatz 2017: 64.475 Millionen €

EBIT 2017: 8.522 Millionen €

Mitarbeiter (31.12.2017): 115.490

6 Verbund- und 347 weitere Produktionsstandorte

BASF – We create chemistry

Segmentstruktur der BASF

3

PerformanceProducts

Dispersions & PigmentsCare Chemicals

Nutrition & HealthPerformance Chemicals

Functional Materials & Solutions

Functional Materials & Solutions

ConstructionChemicals

Coatings

Catalysts

Performance Materials

Crop Protection

AgriculturalSolutions

Oil & Gas

Oil & Gas

Chemicals

Monomers

Intermediates

Petrochemicals

Standort Ludwigshafen der BASF

4

Standort Fläche 10 km²

Produktionsanlagen 160 Ufer Länge 6 km Straßen 115 km Schienen 213 km Rohrleitungen 2600 km

BASF SE – Energie Bilanz 2016

Kraftwerke Produktion

Strom: 6,3 TWh

Strom Ausspeisung: 0,7 TWh

Erdgas: 15,6 TWh

Strom Bezug: 0,1 TWh

BASF Ludwigshafen

Dampf7,0 TWh

> 1.000 MW

BASF Energieversorgung mit gasbasierter KWK

Sekundär Brennstoffe:1,5 TWh

Produkte der chemischen Industrie enthalten mindestens 50% Kohlenstoff –„Dekarbonisierung“ ist kein geeigneter Begriff!

Öl & Gas Petro-Chemikalien

Basis Chemikalien Polymere Spezialitäten Aktive

Inhaltsstoffe

Olefine SpezialChemikalien

ZwischenProdukte

HochleistungsKunststoffe

Feinchemikalien

Polyolefine

Anorganika FunktionsChemikalien

Agro-chemikalien

IndustrieGase

• Ethylen• Propylen• Butadien

• Additive

• Butandiol• THF• HMDA

• Polycarbonate• ABS/SAN• PMMA

• Pharma Vorprodukte• Vitamine• Geschmacks- & Duftstoffe

• PE• PP

• Ammoniak • Pigmente• Dispersionen• Coatings

AnwendungsBeispiele

• Folien• Kältemittel

• Düngemittel• Kühlflüssigkeiten

• PET Flaschen• Plexiglas

• Lichtschutz• “Lotus effect” coatings

• Herbizide• Food & nutrition

Kannegieser 2008, Value Chain Management in the Chemical Industry

Fast alleBestandteileund ProdukteenthaltenKohlenstoff !

Politischer Rahmen für die Diskussion über die Minderung von Treibhausgasemissionen von mind. 80% bis 2050

Ziele für die THG-Emissionsreduktion

EU: 2050 minus 80-95% vs 1990

D: 2040 minus 70% vs 1990

Chemische Industrie

Größter industrieller Energieverbraucher in

Europa mit ~20% Anteil

Drittgrößter industrieller THG-Emittent von

~120 Millionen t/a* trotz -60% seit 1990

*THG Emissionen: Total in EU in 2014: 4.420 Mio t/a, davon Industrie 840

Beispiel: BDI Klimapfadstudie 2018

Treibhausgasemission – drei wesentliche Bereiche in der BASF

Zentrale Strom- und Dampfbereitstellung in

hocheffizienter, gasbasierter KWK

Dezentrale Strom- und Heizwärmebereitstellung in den

Produktionsanlagen

100%Reaktionen in der chemischen

Wertschöpfung

50%

Welche Optionen gibt es?

THG-Emissionsreduktion an den Standorten der Chemischen IndustrieVerminderung Steigerung der Effizienz katalytische Reduktion von N2O Prozessoptimierung

Nutzung regenerativ erzeugten Stroms statt fossiler BrennstoffeAbscheiden: CO2 Abtrennung und Sequestrierung (CCS)

Nutzung von CO2 als Rohstoff für die Chemische IndustrieStoffliche Nutzung als C-Quelle (CCU) aus Punktquellen

am Standort Meistens keine dauerhafte CO2-Bindung => nicht THG neutral

Nutzung von Biomasse als Rohstoff für die Chemische Industrie=> THG neutral

Option 1: Verminderung durch Effizienzsteigerung

Entwicklung in der BASF seit 1990 Index 1990 = 100%, BASF Gruppe ohne Öl und Gas Geschäft

0

50

100

150

200

250

1990 1996 2002 2008 2014

Menge Verkaufsprodukte

absolute THG Emissionen

spezifische THG Emissionen

+102%

−50.2%−75.4%

100

Option 2: Stoffliche Verwertung von CO2 mittels CCUEn

ergi

egeh

alt

H H

H C C H

H H

O

H HO C O H2O

CO2

Wo ist das Problem?

Thermodynamische HürdenCO2 ist energetisches Endprodukt aus Verbrennungsprozessen

(„Schlacke“).

Anhebung auf höheres Energieniveau erfordert höheren Energieeinsatz als bei der Verbrennung ursprünglich freigesetzt wurde.

Diese Energie muss regenerativ bereitgestellt werden, sie darf nicht fossilen Ursprungs sein, sonst steigt die CO2 Emission sogar noch an!

Auch Wasser ist auf niedrigstem Energieniveau! H2 Bereitstellung für CCU durch Elektrolyse bedeutet hoher Strombedarf

Fazit: sowohl die Gewinnung von Kohlenstoff mit CCUals auch die Bereitstellung von H2 benötigt sehr große Mengen regenerativ erzeugten Stroms

Wo ist das Problem?

Mengen Problem 1: Erneuerbarer StromCO2 Emissionsmenge aus der deutschen Grundstoffchemie

23 Mio t/a (2,5% der THG Emission von 900 Mio t/a in DE)Theoretischer H2 Bedarf für CCU: 185 TWh (via Wasser Elektrolyse)Strommenge aus Erneuerbaren in DE: 210 TWh *Gesamtstrommenge in Deutschland: 545 TWh *

Umwandlung von 2,5% der deutschen CO2 Emission mittels CCU würde 34% der gesamten deutschen Strommenge benötigen.

* 2017

Wo ist das Problem?

Mengen Problem 2: C Bedarf der Chemischen IndustrieBedarf der Chemischen Industrie an Kohlenstoff ist begrenztCO2 Menge eines einzigen großen Stahlwerkes deckt den C Bedarf der

gesamten europäischen Methanol Produktion (Großprodukt!)

Deutliche Grenzen für Übernahme von CO2 aus anderen Sektoren

Herausforderung: H2 Bedarf für CCU klimaneutral und energieeffizient bereitstellen

Optionale Wege der CO2 freien H2 ErzeugungPhotobiologische Wasserspaltung mit Grünalgen, PurpurbakterienPhoto(elektro)katalytische WasserspaltungThermische Wasserspaltung durch

regenerative Systeme (hohe Temperatur)Vergasung von BiomasseFermentativ aus Zucker oder StärkeSpaltung von Methan

Wasserstoff Gewinnung ohne direkte CO2-Emissionen ist mitgeringem Energieaufwand möglich (thermodynamischer Mindestaufwand)

C(s)+2H2(g)

CH4(g)

H2O(l)

H2(g)+0,5 O2

(g)

∆Hro=+37kJ

mol H2

∆Hro=+286kJ

mol H2

H2 durch Wasserelektrolyse H2 durch Methanpyrolyse

Aber: fossiler Rohstoff MethanAlternativ: Biomethan (Verfügbarkeit?)Synthetisches Methan energetisch unsinnig

87% geringerer Energieeinsatz

Methanpyrolyse

CO2-/Carbon Footprint [kg CO2 / kg H2]

BiomasseVergasung

KohleVergasung

Kosten der H2 Produktion

Elektrolyse (Wasser)Strom 100 % erneuerbar

Methan Steam Reforming

Solar Thermocycle

Strom aus deutschem Netzmit EE Anteil in 2030

Strom 100 % erneuerbar

Methan

Energie

H2

Elementares C

SyngasCO2

Methan PyrolyseCH4 2 H2 + C

CO2 Emission ausEnergieversorgung

Methanpyrolyse

?

optional

aktuellR&D-ProjektBMF gefördert 2013 - 2017

Pilot Anlage~ 20-40 Mio. € Investment start-up > 2020, TRL 6-7

großtechnischeDemonstrations Anlage~100 Mio. € Investmentstart-up > 2024, TRL 8-9

Risiken• Machbarkeit einer großtechnischen Anlage• Konkurrierende CCU in anderen Sektoren (Stahl)• Wirtschaftlichkeit

Methanpyrolyse Projekt Ausblick

Option 2: Nutzung von Biomasse (Biomethan) anstelle fossilem CO2

Nachhaltige verfügbare Biomasse in Deutschland nur begrenzt ausbaubar

Teller / Tank Problematik auch bei industrieller Verwendung vermeiden!

Es existieren ca. 9.000 Biogas Anlagen in DE, Umrüstung von 10 – 20% könnte 10 – 21 TWh Biomethan ergeben.*

Gesamtpotential aus industriellen Rest- und Abfallstoffen: ca 100 TWh*

Industrielle Biomasse Nutzung löst nicht das THG Emissionsproblem

* dena Studie 2017

Option 2: Nutzung von Biomasse anstelle fossilem CO2

dena Studie 2017

Option 3: synthetische Kraftstoffe (CCU)

Kraftstoff-bedingte CO2 Emissionen 161 Mio t/a (im Verkehr)

Ersatz für Benzin (Methanol) und Diesel (OME) erfordert : 40 Mio t Synfuel 100 Mio t CO2 in konzentrierter Form (C aus Industrieabgasen fossil !)

Hohe Produktionskosten (3- 5 mal höher als konventionell)

Alternative zu Elektromobilität => wie entwickelt sich der Markt ??

Kostenvergleich von alternativen und konventionellen Kraftstoffen

w/o costs & emissions for batteries and fuel stack

Bereits existent: CO2 Verwendung in der BASF

Einsatz von CO2 in der BASF für Harnstoff für Salmiak für Ammoncarbonate für Propylen- & Ethylencarbonat für Salpetersäure für Sonstiges im Verbund

Zirkuläre Wirtschaft: Mögliche Kreisläufe für die Chemie

Abscheidung Photosynthese

Ressourceneffizienzin der Produktion

Werkstoffliche Verwertung

Rohstoffliche Verwertung*

chemische Zerlegung

chemische Grundstoffe

Energetische Verwertung

Verbrennung

Wärme, Strom

Stoffliche CO2-Nutzung Bioökonomie

Energie CO2

CO2 als Rohstoff

Biomasse als Rohstoff

Werkstoffe

SortierungA b

f a ll

Ressourcenschonung bei der Nutzung

Wieder-verwendungDesign

* Depolymerisation, Pyrolyse, Vergasung. Auch: Einsatz als Reduktionsmittel im Hochofen bei der Stahlerzeugung

Produkte

Chemie-Produktion

Quelle: VCI