Industrie & Technik

Prof.Dr.

Die Ecke des WirtschaftschemikersVor kurzem habe ich im Gespräch mit Doktoranden der Chemie den Eindruck gewonnen, dass Arbeitgeber in der Industrie Kenntnisse erwarten, die in die Biologie hineinreichen wie Biochemie, Biotechnologie oder Mikrobiologie. Verständlicherweise fühlten sich einige Doktoranden von Lehrstühlen mit Fokus auf traditioneller chemischer Synthese etwas unwohl und fürchteten um ihre Jobchancen.Sind wir Zeuge einer Biologisierung der Chemie? Klar ist: Das Bundesministerium für Bildung und Forschung spricht seit Jahren von Bioökonomie. Die Dechema beschäftigt sich mit den technischen Herausforderungen biotechnischer Verfahren. Und die Nachrichten aus der Chemie berichten regelmäßig über die Biotechbranche. Auch in der Industrie gibt es Zeichen: 20 Prozent des Umsatzes erreicht die Pharmaindustrie in Deutschland mit biotechnisch hergestellten Wirkstoffen – Tendenz steigend. Die Chemie pharmazeutisch interessanter Wirkstoffe wird also zunehmend biologischer. Auch die industrielle Biotechnik gewinnt an Bedeutung, etwa bei der Nutzung von Enzymen in Waschmitteln oder Kosmetika.Warum aber bekommen wir als Chemiker so wenig davon mit? Warum kommt die „biologische“ Revolution nicht mit Pauken und Trompeten? Die Strategen der chemischen Großindustrie würden jetzt mit dem niedrigen Ölpreis argumentieren, der traditionellen chemischen Verfahren einen Kostenvorteil gegenüber biotechnischen Prozessen bringt. Das trifft zu, aber ich denke, dass die wahren Gründe tiefer liegen. Zum einen, weil die Biologisierung der Chemie keine neue Sache ist. Schließlich nutzt die Menschheit biotechnische Verfahren bereits seit langem, auch wenn die alten Ägypter bei der Herstellung von Brot und Bier sicher noch kein Wissen über die Mikrobiologie von Hefepilzen hatten. Zum anderen sollten wir nicht vergessen, dass die Entdeckung der molekularen Grundlagen der Vererbung und die Entwicklung der Gentechnik erst ein halbes Jahrhundert zurückliegt. All das braucht Zeit, um industriell zur Reife zu kommen. So sind wir gerade wohl eher Zeugen einer stillen Revolution, die eher evolutionär in unser Leben diffundiert. Aber: Die Biologie wird tatsächlich wichtiger, auch in der Chemie.Was heißt das für uns als Chemiker? Werden wir obsolet? Ganz sicher nicht. Gut ausgebildete Chemiker werden wir nach wie vor brauchen, da wir auch in der Biologie letztlich immer über stoffliche Umwandlungen reden. Und das ist unsere geistige Heimat. Wir brauchen darüber hinaus aber auch Chemiker, die über den Tellerrand unserer Disziplin blicken und ein interdisziplinäres Netzwerk weben, um diese Bedeutung der Chemie auch Fachfremden verständlich zu machen. Aber auch, um die Bedeutung der anderen Fächer uns Chemikern deutlich zu machen. Und wer weiß: Weil Netzwerke immer etwas Lebendiges sind, liegt hier vielleicht das Tor zur wahren Biologisierung der Chemie.<a href="mailto:daubenfeld@hs-fresenius.de">daubenfeld@hs-fresenius.de</a>Thorsten Daubenfeld ist Professor für physikalische Chemie und Dekan des Fachbereichs Chemie &amp; Biologie an der Hochschule Fresenius. Er engagiert sich im Vorstand der Vereinigung für Chemie und Wirtschaft (VCW). In dieser Kolumne nimmt er uns mit auf die Reise in die Welt der Wirtschaftschemie. Foto: JohnMJohn<div><img src="https://media.graphcms.com/oiVGzyEDQ8G8FKI2D6pN">

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Meldung

Die Ecke des Wirtschaftschemikers: Biologisierung der Chemie

Die Ecke des WirtschaftschemikersVor kurzem habe ich im Gespräch mit Doktoranden der Chemie den Eindruck gewonnen, dass Arbeitgeber in der Industrie Kenntnisse erwarten, die in die Biologie hineinreichen wie Biochemie, Biotechnologie oder Mikrobiologie. Verständlicherweise fühlten sich einige Dok...

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Ende des Jahres 2014 erschien ein Weißbuch des japanischen Industrieministeriums zu Wasserstofftechnologien. Es zeichnet die Vision einer Gesellschaft, die im Jahr 2050 ihren Energiebedarf weitgehend mit H2 deckt. Etliche der Entwicklungen haben ein Pendant in Deutschland (Kasten); diese erwähnt das Weißbuch respektvoll.In Japan sind solche Studien beliebt, das japanische Industrieministerium benötigt Marktabschätzungen, dessen Projektträger die technischen Optionen. So enthält dieses Weißbuch eine Fülle an Expertenwissen zu Wasserstoff als Energieträger, darunter eine Marktprognose für Japan:Erst ab etwa dem Jahr 2035 werden demnach dort große Märkte für Wasserstofftechniken erwartet; sie könnten dann aber schnell auf acht Trillionen Yen wachsen; das sind etwa 62 Milliarden Euro oder 1,3 Prozent des weltweiten Chemikalienmarkts im Jahr 2016. Zurzeit bestimmen vor allem stationäre Brennstoffzellen, langsam zunehmend auch wasserstoffgetriebene Fahrzeuge den noch kleinen Markt (Abbildung 1). Japan unterstützt diese frühe Entwicklungsphase mit öffentlich-privaten Partnerschaften (public private partnerships, PPP). Diese langfristige Orientierung ist ein Kennzeichen japanischer Industriepolitik.<figure><img src="https://media.graphcms.com/x2x1CezDQuOCLKyCcpBD"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Marktprognose für Wasserstoff als Energieträger bis zum Jahr 2050 in Japan.</figcaption></figure>
Eines dieser Gemeinschaftsprojekte zielt beispielsweise auf die Versorgung mit Wasserstoff über den Seeweg: H2 soll im südostasiatischen Ölförderland Brunei aus Erdgas erzeugt werden und in Japan als Energieträger dienen. Von Brunei nach Japan transportieren Schiffe den Wasserstoff als Methylcyclohexan, erzeugt durch Toluolhydrierung. Eine Anlage im japanischen Kawasaki dehydriert das Methylcyclohexan, danach wird das Toluol nach Brunei verschifft und dort wieder hydriert (Abbildung 2). Im Jahr 2019 soll die Prozesskette in Betrieb gehen und pro Jahr 210 Tonnen H2 für 40 000 Tankfüllungen wasserstoffbetriebener Fahrzeuge liefern.<figure><img src="https://media.graphcms.com/je0NmaqtQ3iB4I2tKPWL"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Hydrierung und Dehydrierung laufen nach dem Spera-Prozess von Chiyoda Corporation.</figcaption></figure>
Wasserstoffförderung und -forschung in DeutschlandDie Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie steuert das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur: <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.now-gmbh.de/de" target="_blank">www.now-gmbh.de/de</a></ext-link>Die H2 Mobility Deutschland plant, baut und betreibt Wasserstofftankstellen. Im Juni gab es 30 davon in Deutschland, etwa 100 sollen es im Jahr 2019 sein und bis zu 400 im Jahr 2023. Die Bundesregierung fördert den Bau der Anlagen mit 1,6 Mio. Euro: <ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://h2-mobility.de" target="_blank">http://h2-mobility.de</a></ext-link>Der Bundesbericht Energieforschung 2017 zeigt die Förderpolitik der Bundesregierung in der Energieforschung und fasst Fördermittel der Bundesländer und der EU-Forschungspolitik zusammen: <ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://bit.ly/2sepVcM" target="_blank">http://bit.ly/2sepVcM</a></ext-link>Zusammen mit dem Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie hat Shell eine Energieträgerstudie erstellt, die sich mit der Wasserstoffnutzung befasst: <ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://bit.ly/2vly9hw" target="_blank">http://bit.ly/2vly9hw</a></ext-link>Der Deutsche Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband bezeichnet sich als die „Lobby der Wasserstofftechnologie in Deutschland“: <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.dwv-info.de" target="_blank">www.dwv-info.de</a></ext-link><h2>Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge</h2>Seit Ende des Jahres 2014 ist in Japan für umgerechnet 56 000 Euro die Wasserstofflimousine Toyota Mirai (Abbildung 3) erhältlich, seit März 2016 der Honda Clarity für 60 000 Euro. Die Motoren beider Fahrzeuge arbeiten mit H2 bei 70 MPa (700 bar) Druck. Die Reichweite beträgt 650 bis 700 km, die Befüllung der Tanks dauert drei Minuten. Die Wagen verbrauchen etwa 1,1 kg H2 auf 100 km, äquivalent zum Energieinhalt von 3 L Benzin – die Treibstoffkosten liegen bei 9,50 Euro pro kg H2, umgerechnet bei etwas über 10 Euro auf 100 km. Seit dem Jahr 2016 ist der Toyota Mirai in Deutschland als Leasing-Fahrzeug erhältlich.<figure><img src="https://media.graphcms.com/ENbkrx4GSvMpvW0IF2b7"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Antriebselemente des Toyota Mirai.</figcaption></figure>
Ende 2016 fuhren etwa 1500 Wasserstofffahrzeuge auf Japans Straßen. Das japanische Industrieministerium rechnet im Jahr 2020 mit 40 000, 2025 mit 200 000 und 2030 mit 800 000 Einheiten. Ausschlaggebend für den Erfolg dieser Technik werden Kosten, Sicherheit und Infrastruktur sein. Der Preis für H2 liegt in Japan derzeit bei 1000 Yen (7,60 Euro) pro Kilogramm; bis 2020 soll er auf 667 Yen fallen (5,10 Euro).Das Sicherheitskonzept baut seit dem Jahr 1989 auf dem Standard ISO TC 197 auf, acht Arbeitsgruppen aktualisieren ihn. Für den Ausbau des H2-Tankstellennetzes in Japan ist seit dem Jahr 2016 die bereits im Jahr 2001 gegründete Fuel Cell Commercialization Conference of Japan zuständig, ein Konsortium aus fast 100 Autobauern, Treibstofflieferanten und weiteren Interessenten. Sie überwachen die Standardisierung des Netzes aus über 90 H2-Tankstellen (Abbildung 4, S. 1006). In Japan gab es im Jahr 2016 insgesamt etwa 35 000 Tankstellen und über 40 000 Ladestationen für Elektro- und Hybridfahrzeuge.<figure><img src="https://media.graphcms.com/q3qHWmw8QOKPGEY79RNW"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Wasserstofftankstellen in Japan: In den blau gezeichneten Regionen sind sie in Betrieb, in den gelben geplant. Die weißen Regionen sind größtenteils so gebirgig, dass Tankstellenbau kaum möglich ist. <named-content>Stand Juni, Quelle: FCCJ</named-content></figcaption></figure>
<h2>Stationäre Brennstoffzellen</h2>Seit dem Atomunfall von Fukushima im Jahr 2011 tragen fossile Energieträger fast 90 Prozent zum japanischen Energiemix bei, zur Hälfte ist das importiertes Erdgas. Langfristig soll Japans Energieversorgung weniger umweltschädlich werden, und H2 soll einen Beitrag dazu leisten. Bei der Verstromung von Erdgas gehen etwa zwei Drittel der Energie als Wärme verloren. Brennstoffzellen können dagegen 80 Prozent oder mehr der im Erdgas enthaltenen Energie als Strom und Wärme bereitstellen.Im Jahr 2009 entwickelte Masahirosu Watanabe von der Yamanashi Universität eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC), die den im Erdgas chemisch gebundenen Wasserstoff reduziert und mehr als 99,9 Prozent des dabei entstehenden CO entfernt. Die frei werdende Wärme kann Warmwasser erzeugen, sodass die Energieumwandlungseffizienz des Prozesses bei über 80 Prozent liegt.Nach der Weiterentwicklung des Konzepts zu einer Feststoffelektrolytbrennstoffzelle (SOFC) mit einer Leistung von 750 bis 1000 Watt wurde sie unter der Bezeichnung „Ene Farm” zuerst vom japanischen Unternehmen JX, später auch von Toshiba, Eneos und Panasonic kommerzialisiert. Bis zum Jahr 2015 kauften vor allem Eigenheimbesitzer etwa 140 000 Einheiten für zirka 15 000 Euro pro Stück, allerdings mit beträchtlichen staatlichen Prämien.Von diesem Erfolg ermutigt, entstand Ende 2015 ein Gemeinschaftsprogramm zur Entwicklung von SOFCs der 5-kW-Klasse und höher. Die neue Zielgruppe sind Kleinbetriebe wie Restaurants, Sporthallen und Arztpraxen. Ein erster Hersteller will ab Oktober Geräte mit 4,2 kW Leistung liefern. Das Unternehmen rechnet dafür mit einem Marktvolumen von 100 000 Stück.Die nächste Leistungsstufe von 20 kW, gebaut von Hitachi Zosen, soll nun in einem Energieverbund in Osaka erprobt werden. Mitsubishi Heavy Industries arbeitet an SOFCs mit 250 und 2350 kW Leistung.<h2>Kommunale Entwicklungen</h2>Größer dimensionierte SOFCs sollen in den nächsten Jahren ganze Stadtteile mit Strom und Wärme versorgen. Vorreiter ist die Stadt Osaka mit dem Projekt H2Osaka Vision. Im Rahmen dieser öffentlich-privaten Partnerschaft aus etwa 40 Unternehmen soll die Stadtregion bis zum Jahr 2020 zu einem Demonstrationsbeispiel für die Energieversorgung mit Wasserstoff werden. Dazu gehören ein dichtes Netz von Wasserstofftankstellen (derzeit neun) und wasserstoffbetriebene Busse.Seit dem Jahr 2014 erprobt Osakas Flughafen Kansai ein Wasserstoffstromnetz, an das Busse, mit Brennstoffzellen betriebene Gabelstapler und lokale Energieverbraucher angeschlossen sind. Zudem ist eine Elektrizitäts- und Wärmeversorgung mit Wasserstoff vorgesehen. Im Juni übergab Hitachi Zosen die erste SOFC der 20-kW-Klasse (Maße: 4,3 × 2,2 × 2,8 m) an das Osaka Industrial Technology Institute zur Langzeiterprobung über 4000 Stunden unter Praxisbedingungen.Die Hafenstädte Kobe und Kawasaki treiben ähnliche Projekte voran. Seit dem Jahr 2006 betreibt die Universität von Kyushu in Fukuoka das Wasserstoffforschungszentrum Hydrogenius, das stattlich unterstützt wird. Es befasst sich vor allem mit der technischen Infrastruktur, darunter Materialien und Messgeräte.<h2>Gasreformierung</h2>Es gibt verschiedene Verfahren, um Wasserstoff zu gewinnen; sie befinden sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien (Tabelle). In Japan weit entwickelt ist die Reformierung von Erdgas nach den Gleichungen<table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Verfahren, die Wasserstoff gewinnen (CCS: Carbon Capture and Storage, Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff).</h2><img src="https://media.graphcms.com/hQCTJNSmT5u5BqpIjv3V">

</table-wrap>CH4 + H2O → CO + 3 H2CO + H2O → CO2 + H2Die Reaktion ist endotherm und wird bei zirka 800 °C durchgeführt. Katalysatorvergiftende Schwefelverbindungen entfernt man bis unter 0,1 ppm durch Ni-Mo- oder Co-Mo-Katalysatoren, gefolgt von einer ZnO-Falle. Bei der Reaktion entsteht CO2, dessen Ausstoß es im Sinn des Pariser Abkommens zum Klimaschutz zu verringern gilt. Eine Lösung für „CO2-freien Wasserstoff” – so lautet der japanische Begriff – besteht in einer Methanisierung des CO2 durch überschüssiges H2 nach der GleichungCO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2ODas japanische Programm geht davon aus, dass ab dem Jahr 2040 Smart-Energy-Verfahren wirtschaftlich geworden sind. Dabei wird H2 mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt: Power-to-gas-Verfahren [diese Nachr. S. 1040]. Dies geschieht beispielsweise durch Elektrolyse mit überschüssigem Solar- oder Windstrom, wobei auch feste Polymerelektrolyte (PEM) zum Einsatz kommen.Die Planung des japanischen Projekts „Wasserstoff als Energieträger” ist in drei Phasen eingeteilt. Phase 1 dauert bis zum Jahr 2020: Der Wasserstoff für Japan stammt dann aus Reformgas, Elektrolyse und dem Import per Schiff. Dies gilt auch für Phase 2 bis zum Jahr 2040. Ab dem Jahr 2025 soll Wasserstoff als Treibstoff nicht teurer sein als der Treibstoff für Verbrennungsmotoren. Ab dem Jahr 2030 soll die Energieversorgung weitgehend auf Wasserstoff umgestellt sein. In Phase 3 – ab dem Jahr 2040 – soll der Wasserstoff für Japan komplett aus Japan kommen, erzeugt mit Power-to-gas- oder neueren Verfahren.<h2>Wasserstoffquelle Ammoniak</h2>Ammoniak enthält 17,8 Gewichtsprozent Wasserstoff und lässt sich leicht verflüssigen. Es kann bei 670 °C an Rutheniumkatalysatoren gecrackt und durch LiH oder Elektrolyse dehydriert werden.Ein Industriekonsortium entwickelte eine modular aufgebaute SOFC der 1-kW-Klasse, die stabil über 1000 Stunden mit einer Energieumwandlungseffizienz von über 50 Prozent läuft. Das Tokyo Institute of Technology gewann flüssigen Ammoniak bei Raumtemperatur aus einem Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch; als Katalysator dienten dabei Ru-Nanopartikel auf einem C12A7-Elektrid (12 CaO·7 Al2O3). Dieser kleinvolumige Prozess soll nach Vorstellung des Unternehmens Tsubame BHB, an dem der japanische Aromenhersteller Ajinomoto beteiligt ist, bis zum Jahr 2021 die Ammoniakherstellung revolutionieren.Rolf Schmid leitet das Steinbeis-Beratungszentrum Asia Technology Consulting in Stuttgart. Zu diesem Artikel sind Literaturhinweise erhältlich – mit Literatur größtenteils in japanischer Sprache – bei <a href="mailto:rolf.schmid@asia-tech.eu">rolf.schmid@asia-tech.eu</a>.<h2>Quergelesen</h2>Ein japanisches Weißbuch zur Wasserstofftechnik liefert Marktprognosen für Japan bis ins Jahr 2050.Besonders stark wachsen werden die Wasserstoffinfrastruktur und die Zahl der mit Brennstoffzellen betriebenen Kraftfahrzeuge.Japanischen Projekten ist der langfristige Horizont, der Konsens in der Planung sowie die Realisierung in Verbünden aus Regierung, Kommunen, Forschung und Industrie zu eigen.

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