Produkte aus der petrochemischen Industrie umgeben uns täglich, von der Kleidung, die wir tragen, bis zu den Böden, auf denen wir gehen. Acrylsäure ist ein Produkt, das unter anderem quasi unbemerkt die Grundlage für Windeln, Farben, Klebstoffe und Beschichtungen bildet und gleichzeitig als wichtiger Bestandteil für die Herstellung von Kunststoffen, Harzen und Gummi dient (BASF, 2012). Weltweit ist das Produkt so weit verbreitet, dass es einen unverzichtbaren Status erlangt hat.

Im Jahr 2020 wurde der weltweite Acrylsäuremarkt auf 12,0 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2030 19,2 Milliarden US-Dollar erreichen. In den nächsten zehn Jahren wird die jährliche Wachstumsrate (CAGR) für den Acrylsäuremarkt stetig zwischen 3 % und 4,8 % steigen (Allied Market Research, 2022; S&P Global, 2023). Während Festlandchina und Europa zu den größten Verbrauchern zählen, liegen die USA, Japan und Südkorea nicht weit dahinter.

Angesichts der weltweiten Verbreitung von Acrylsäure wächst das Umweltbewusstsein, insbesondere hinsichtlich des hohen Bedarfs an fossilen Brennstoffen im Produktionsprozess. Obwohl die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen für die Acrylsäureproduktion Herausforderungen mit sich bringt, bieten Innovationen nachhaltige Alternativen. Viele bieten realistische und wirtschaftlich tragfähige Optionen zur Verringerung der Umweltbelastung. Zwei Ansätze könnten den CO2-Fußabdruck der Acrylsäureproduktion erheblich reduzieren. Der erste betrifft die Optimierung der Beheizung der Produktionsprozesse, der zweite konzentriert sich auf die Beschaffung und Verarbeitung der Rohstoffe. Beide sind eng miteinander verbunden.

Was sind konventionelle und biobasierte Acrylsäureverfahren?

Rohacrylsäure (CAA) wird in der Regel durch Oxidation des Kohlenwasserstoffs Propylen hergestellt. Etwa die Hälfte wird zu Acrylatestern verarbeitet, der Rest wird zu glazialer Acrylsäure (GAA; 98–99,5 % Reinheit) gereinigt. GAA wird dann zur Herstellung von Polyacrylsäure verwendet und zu vielen Produkten weiterverarbeitet, beispielsweise zu superabsorbierenden Polymeren (SAPs), Dispergiermitteln/Antiscalants oder anionischen Polyelektrolyten für die Wasseraufbereitung.

Es gibt auch andere bekannte biobasierte Verfahren, bei denen Glycerin zu Acrolein dehydriert und anschließend zu Acrylsäure oxidiert wird. Der vorgeschlagene Vorteil der Verwendung von Glycerin besteht darin, dass es ein Nebenprodukt der Biodieselproduktion ist und somit die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert. Die wirtschaftliche Rentabilität und Skalierbarkeit biobasierter Verfahren sind jedoch weniger ausgereift als die von petrobasierten Verfahren.

Angesichts des Stands der Technik sind heute Lösungen zur Verringerung der CO₂-Belastung durch Acrylsäure aus petrochemischen Verfahren erforderlich. Daher wird die Forschung und Entwicklung in beiden Richtungen weiter vorangetrieben.

Unabhängig vom Verfahren werden bei beiden Verfahren die Rohstoffe Propylen oder Glycerin verwendet, Dampf und Wasser benötigt und Abgase, CO₂ und Abwasser erzeugt. Beide Verfahren umfassen zahlreiche Schritte und erfordern Energie aus Wärmequellen, um die chemischen Reaktionen und Reinigungsschritte zu unterstützen.

Wärmeenergiebedarf der Produktionswege für Acrylsäure

Zur Herstellung von Acrylsäure deuten Grand-Composite-Kurven (GCC) darauf hin, dass die kumulative Wärmeentwicklung aus Dampf bei Propylen- und Glycerin-Verfahren bei 488 °C bzw. 505 °C ihren Höchstwert erreicht (Sadid et al., 2023). Allerdings unterscheiden sich die Heiz- und Kühlgeräte (siehe Tabelle 1), beispielsweise sind für petrochemische Verfahren mehr befeuerte Heizgeräte erforderlich, die Brennstoff verbrauchen und zu den Anfangsinvestitions- und Betriebskosten beitragen können. Mehr Feuerungsanlagen bedeuten auch eine anhaltende Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen für die Acrylsäureproduktion und tragen zu CO2-Emissionen bei.

Untersuchungen zeigen, dass ein Glycerinverfahren etwa ein Drittel weniger CO2-Emissionen verursacht als der Propylenweg, ausgehend von einer Produktionsmenge von etwa 10.250 kg Acrylsäure pro Stunde (Sandid et al., 2023). Diese Menge ist erheblich und könnte zu deutlich niedrigeren CO2-Steuern führen.

Darüber hinaus zeigt eine Wärmeintegrationsanalyse, dass bei der Glycerin-Route zwar geringfügig geringerer Heizenergiebedarf, aber höhere Einsparungen beim Kühlenergiebedarf erzielt werden können. Hervorzuheben ist, dass diese Schätzungen und Vergleiche ohne den Einsatz alternativer Brennstoffe wie Erdgas oder erneuerbarer Wärmeenergiequellen zur Erzeugung von Dampf oder anderen Wärmeformen berechnet wurden. Dennoch zeigt eine detaillierte Bewertung, dass Glycerinverfahren im Vergleich zum Propylenverfahren geringere Investitions- und Betriebskosten verursachen würden – rund 96,9 Mio. USD bzw. 224,4 Mio. USD pro Jahr gegenüber 119,5 Mio. USD bzw. 235,9 Mio. USD beim Propylenweg.

Ein zentrales Problem, auf das das Forschungsteam hingewiesen hat, ist, dass für den biobasierten Weg wesentlich mehr Rohmaterial benötigt wird, um eine vergleichbare Acrylsäureproduktion zu erreichen – etwa 100 % mehr Kilogramm Glycerin pro Stunde. Der Bedarf an so viel Rohmaterial erschwert die Entscheidungsfindung und erschwert eine klare Bewertung, und die Ergebnisse erfordern eine Quantifizierung der Glycerinproduktion selbst über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Welche Auswirkungen hat die Produktion von Glycerin in so großen Mengen?

Umweltauswirkungen von petrochemischen und biobasierten Acrylsäure-Herstellungsverfahren

In einer Lebenszyklusanalyse, die einen Cradle-to-Grave-Ansatz für Acrylsäure verwendete, wurden mehrere Umweltauswirkungen betrachtet, darunter (1) globale Erwärmung, (2) Wasserfußabdruck, (3) Versauerung, (4) Eutrophierung, (5) Abbau der Ozonschicht, (6) photochemischer Smog und (7) Toxizität für den Menschen; die Analyse ergab, dass die bedeutendsten Umweltauswirkungen für alle Reinigungsprozesse die globale Erwärmung, die Versauerung, die Toxizität für den Menschen und der Wasserfußabdruck waren (Bansod et al., 2024).

Eine besonders aufschlussreiche Erkenntnis war, dass die Rohstoffe für die Acrylsäureproduktion den größten Beitrag zu allen sieben Auswirkungen leisteten, gefolgt von den Produktionsprozessen, während der Bereich Lagerung und Transport den geringsten Beitrag leistete (Bansod et al., 2024).

Im Allgemeinen gelten Verfahren auf Basis fossiler Brennstoffe als nicht nachhaltig, und der Cradle-to-Grave-Ansatz für eine der neuesten Lebenszyklusanalysen ergab, dass das Verfahren auf Propylenbasis ein geringeres Treibhauspotenzial (GWP) aufweist als Verfahren auf Glycerinbasis (Bansod et al., 2024). Solche Erkenntnisse sollten jedoch nicht abschreckend wirken. Die Optimierung des glycerinbasierten Verfahrens zur Herstellung von Acrylsäure besteht ironischerweise in einem energieintensiven Prozess, der auf rohölbasiertes Propylen und Hochtemperaturreaktionen angewiesen ist – was nicht nachhaltig ist (Bagnato et al., 2017). Anders ausgedrückt: Lösungen wie das Net-Zero-Heat-System von Kraftblock können dazu beitragen, die Umweltauswirkungen von petrobasierten Acrylsäure-Verfahren zu verbessern, indem fossile Energiequellen für die Vorwärmung und Dampferzeugung durch erneuerbaren Strom und eine flexible, groß angelegte thermische Energiespeicherung ersetzt werden.

Dies kann auch in den ersten Schritten der Glyceringewinnung angewendet werden, wodurch sich die CO2-Bilanz dieses Verfahrens verbessert. Um diese Überschneidung zu verstehen, müssen wir zum Propylenverfahren zurückkehren.

Alternative Kraftstoffe und Energiequellen für die Herstellung von Acrylsäure

In einer Lebenszyklusanalyse, die 50.000 Tonnen/Jahr simulierte, verglichen Forscher die Umweltauswirkungen der Dampferzeugung unter Verwendung verschiedener Brennstoffe für Acrylsäure über den Propylenweg. Dampf kann unter Verwendung verschiedener Brennstoffe (z. B. Erdgas, Anthrazit, Braunkohle, Schweröl, Biomasse und eine Kombination aus Erdgas und Biomasse) gewonnen werden.

Die Ergebnisse zeigten, dass aus ökologischer Sicht der schlimmste Fall die Verwendung von Braunkohle zur Dampferzeugung ist (Petrescu et al., 2016). Der beste Fall ergibt sich bei der Verbrennung von Erdgas oder Biomasse (Petrescu et al., 2016), aber welche Variante letztendlich besser ist, bleibt Interpretationssache. Die Dampferzeugung mit Erdgas führt zu niedrigeren Werten für mehrere andere Umweltverträglichkeitsindikatoren, wie z. B. das Versauerungspotenzial (AP); dennoch weist Biomasse den niedrigsten Wert für das Treibhauspotenzial (GWP) auf.

Eine weitere Überlegung ist die Verwendung alternativer Quellen zur Dampferzeugung. Sauberer Strom mit thermischer Energiespeicherung wäre ein Beispiel für einen praktikablen Ersatz, bei dem anstelle der Verbrennung von Erdgas oder Biomassebrennstoffen Strom aus Zeiten mit günstigen Tarifen verwendet würde, um rund um die Uhr Prozesswärme zu liefern. Angesichts der Anzahl der Heizgeräte, befeuerten Heizgeräte und Reboiler, die in der Propylenroute bekannt sind (siehe Tabelle 1), und unter Verwendung von Daten aus der Lebenszyklusanalyse (Petrescu et al., 2016) könnten bei einer Produktion von 50.000 t/Jahr die Ursachen der globalen Erwärmung neben vielen anderen Umweltauswirkungen massiv gemindert werden.

Wie viel CO₂ könnte eingespart werden?

Um die Auswirkungen zu verdeutlichen: Wenn Kohle oder Braunkohle als fossiler Brennstoff zur Dampferzeugung genutzt wird, liegt der GWP bei etwa 5525 kg CO2e/t und reduziert sich auf 3877 kg CO2e/t für Erdgas und 1095 kg CO2e/t für Biomassebrennstoffe. Natürlich werden durch den Ausstieg aus fossilen Brennstoffen und den Ersatz von Kesseln und Heizöfen durch erneuerbaren Strom zu den geringsten Kosten zusätzliche wirtschaftliche und ökologische Vorteile erzielt – ein Übergang, der durch das Net-Zero-Heat-System von Kraftblock ermöglicht wird.

Quellen

Allied Market Research. (2022). Acrylic acidmarket size, share, growth forecast report, 2030. Allied Market Research. https://www.alliedmarketresearch.com/acrylic-acid-market S&P Global. (2023).

Acrylic acid and acrylate esters - Chemical economics handbook. S&P Global Commodity Insights.https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/products/acrylic-acid-acrylate-esters-chemical-economics-handbook.htmlDate of last access 03-10-2024

BASF, 2012 (last access 03-10-2024). http://product-finder.basf.com

Bagnato, G., Iulianelli, A., Sanna, A., & Basile, A. (2017). Glycerol Production and Transformation: A Critical Review with Particular Emphasis on Glycerol Reforming Reaction for Producing Hydrogen in Conventional and Membrane Reactors. Membranes,7(2).https://doi.org/10.3390/membranes7020017

Bansod, Y., Pawanipagar, P., Ghasemzadeh, K., & D'Agostino, C. (2024). Environmental sustainability evaluation of glycerol and propylene-based pathways to acrylic acid via differentintermediates. Green Chemistry. DOI: 10.1039/D4GC01329H

Petrescu, L., Fermeglia, M., & Cormos, C.(2016). Life Cycle Analysis applied to acrylic acid production process with different fuels for steam generation. Journal of Cleaner Production, 133,294-303. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.05.088

Sandid, A., Esteban, J., D'Agostino, C., &Spallina, V. (2023). Process assessment of renewable-based acrylic acid production from glycerol valorisation. Journal of Cleaner Production, 418,138127. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138127