„Green and Sustainable Electrochemistry - Nachhaltige Elektrochemie“

Hermann Pütter

Das Problem

Gegen Ende des letzten Jahrhunderts, an der Schwelle des neuen Millenniums, blickten viele besorgt in die Zukunft. Der Druck, den die Menschheit auf ihre natürliche Umwelt ausübte, war keineswegs nachhaltig. Und alles deutete und deutet heute noch darauf hin, dass dieser Trend anhalten wird - trotz aller Vorsätze, die bei der Weltumweltkonferenz in Rio 1992 feierlich gefasst wurden.

In den vergangenen hundert Jahren war die Menschheit um den Faktor 4 gewachsen. Der Bedarf an klassischen Ressourcen wie Holz, Eisen, Wasser, Nahrungsmittel, Papier war meist noch deutlicher angestiegen. Hinzu kam der rasante Verbrauch fossiler Energieträger und vieler Mineralien. Die Zahl der Millionenstädte hatte sich verzwanzigfacht und es gab mehr als ein Dutzend Megastädte mit über 10 Mio Einwohnern. Diese Ballungsräume konnten nur entstehen und funktionieren, indem völlig neue Verkehrs- und Kommunikationssysteme entwickelt wurden und die Energieversorgung mehrfach revolutioniert wurde.

Um die Jahrtausendwende machten Fachleute deshalb erneut einen Anlauf, ihre besorgniserregenden Erkenntnisse aber auch Lösungsvorschläge der breiteren Öffentlichkeit vorzutragen. So erschienen auch im deutschsprachigen Raum lesenswerte Bücher zu diesem Themenkomplex [1-8]. Die Welle der Publikationen ist seither nicht abgeebbt, beispielsweise erschienen in diesem Jahr etliche Bücher zum Klimawandel [9-11].

Trotzdem fällt es meist schwer, unsere eigene konkrete Belastung der Umwelt anschaulich zu begreifen. Vielleicht hilft das folgende Bild (Abb. 1). Wenn jeder Deutsche zum Frühstück alle Stoffe angeliefert bekäme, die er durchschnittlich pro Tag braucht, stünde eine Menge, die seinem Körpergewicht entspräche, auf dem Tisch. Sein Durst ist so groß, dass er pro Sekunde am Frühstückstisch mehrere Wassergläser leeren müsste. Wenn er abends den Müll vor die Tür stellte, würde er ein Mehrfaches seines Körpergewichts hinausschleppen (er hat nämlich neben CO2 etliche weitere Emissionen und Abfälle produziert). Es ist kaum zu bezweifeln, dass ein kalorienärmeres Frühstück bekömmlicher wäre.

Abbildung 1: Ein typisches deutsches „Frühstück“
Quelle für die Daten: U. Lauber, Gesamtwirtschaftlicher Rohstoffeinsatz im Rahmen der Materialflussrechnungen, Statistisches Bundesamt, Wirtschaft und Statistik 3/ 2005, 253-264, (Werte für 2002)

Das Statistische Bundesamt analysiert die deutschen Materialflüsse [12, 13] und stellt sie in den EU-Vergleich, dabei liegen wir im Mittelfeld. Bekanntlich verbrauchen die EU und andere Industriestaaten heute schon den Löwenanteil der weltweiten Ressourcen und bekanntlich stoßen weitere Nationen, angeführt von China und Indien zum Club der Großverbraucher hinzu. Es besteht also ein dringender Handlungsbedarf, den weltweiten Ressourcenverbrauch drastisch effizienter zu gestalten.

Green Chemistry

Die Chemie spielt im Zentrum dieses Geschehen mit. Schließlich gilt die Chemie zu Recht als wichtigster Materialausstatter der Menschheit.

Schon vor Rio gingen wichtige Impulse von der Chemieindustrie aus [14]. Vor etwa drei Jahrzehnten hat sie systematisch begonnen, ihre Verfahren umweltgerecht zu gestalten. Ein Jahrzehnt später begann sie, die Verantwortung für ihre Produkte neu zu definieren (Stichworte: Responsible Care - Verantwortliches Handeln). Heute kommt nun ein neuer Aspekt zum Tragen: Green Chemistry.

Der Kerngedanke: Es reicht nicht aus, Emissionen aufzufangen (End-Of-Pipe-Technologien) oder schon im Prozess zu vermeiden (produktionsintegrierter Umweltschutz). Die Chemie muss ganz neue Synthesestrategien entwickeln, die vor erhöhten Nachaltigkeitskriterien bestehen können (Abb. 2). P.T. Anastas und J.C. Warner haben hierfür 1998 zwölf anschauliche Regeln aufgestellt [15]. (Die Regeln finden sich in deutscher Übersetzung in dem Buch der GDCh "Green Chemistry - Nachhaltigkeit in der Chemie" [16], es erläutert die Regeln und wendet sich dabei im Wesentlichen an Lehrer und Studierende.)

Abbildung 2: Die Struktur des Schemas entspricht den 12 Prinzipien von P.T. Anastas und J.C. Warner (Green Chemistry: Theory and Practice, University Press, Oxford 1998)

Green and Sustainable Chemistry

Diese Regeln spiegeln die Umweltleitlinien aus der Chemieindustrie wider. Wegen ihrer plakativen Einprägsamkeit wurden sie in kürzester Zeit populär, halfen dem Begriff Green Chemistry zum Durchbruch, und sie führten Industrie- und Hochschulchemiker in neuartiger Weise zusammen. Dabei stellten beide Seiten fest, welches riesige Feld abzuernten war. Aber das Konzept war zu eng gefasst, um der Agenda 21 des Gipfels von Rio gerecht zu werden.

Der Ressourcenverbrauch "der Chemie" ist vergleichsweise gering (Chemieindustrie Deutschland: 2,8%; [13]), aber chemische Prozesse beschränken sich nicht auf die chemische Industrie sondern spielen in den meisten Branchen eine zentrale Rolle, sie machen weite Teilen des Wirtschaftsgeschehens und den Verkehr erst möglich. Auf diese Bereiche muss eine nachhaltige Chemie ausgedehnt werden.

Es war also nötig, die zukünftige Rolle der Chemie neu zu definieren: Man wählte den Begriff Green and Sustainable Chemistry (Der Begriff Sustainable Chemistry war bereits anderweitig besetzt [14]). Eine Tagung im März 2003 in Tokio trug diesen Titel und stieß eine Entwicklung an, die bis heute andauert. Im September 2006 fand die 1st International IUPAC Conference on Green-Sustainable Chemistry in Dresden statt. In Abb. 3 wird der Themenkatalog dieser Tagung dargestellt. Er deutet die Breite des Anspruchs von Green and Sustainable Chemistry an [17].

Abbildung 3: IUPAC ICGC-1: 1st International IUPAC Conference on Green-Sustainable Chemistry, Dresden, 10-15.09.2006, Final Program, S. 2

Klassische Elektrolysen und Green Chemistry - ein Widerspruch?

Die Elektrochemie mit ihren Großverfahren der Chloralkalielektrolyse, der Schmelzflusselektrolysen, mit ihrem Milliardenausstoß an Batterien jährlich ist ein bedeutender Stoff- und Energieverbraucher. Die Industrie in Deutschland erzeugt jährlich je 4 Millionen Tonnen Chlor und Natronlauge [18] und 670.000 Tonnen Aluminium [19]. Die Industriezweige Chemie und Metalle verbrauchen zusammen 20% des deutschen Stromaufkommens, etwa ein Viertel davon dürfte auf Elektrolysen entfallen [20].

Weltweit werden rund 200 Mio Tonnen Chlor, Natronlauge, Fluor, Aluminium, Magnesium, Kupfer, Natrium und andere Elektrolyseprodukte hergestellt.

Jährlich werden 140 Mio Tonnen Bauxit für die Aluminiumherstellung (28 Mio Tonnen) erzeugt [19]. Ähnliche Mengen Siedesalz werden in der Chloralkalielektrolyse eingesetzt. Elektrolyse- und Brennstoffzellen beanspruchen zwar nur einen Bruchteil der Erzeugung von Platin und anderer Edelmetalle, trotzdem übersteigt der Anteil des Abraumanfalls für deren Förderung die Zehnmillionengrenze deutlich.

Es scheint also, als verstoße die Elektrochemie heftig gegen die Prinzipien der Green Chemistry, was ihren Energie- und Ressourcenverbrauch angeht. Aber die Tatsache, dass die Elektrochemie ein bedeutender Teil der Chemie, der Metallerzeugung und -beschichtung sowie des Korrosionsschutzes ist, belegt noch nicht ihre mangelnde Nachhaltigkeit. Sie ist aus der Materialausstattung der modernen Menschheit nicht wegzudenken! Entscheidend ist, ob und wie sie sich am Wettlauf um Energie- und Ressourcenschonung und der Vermeidung von Umweltbelastungen beteiligt.

Die Chloralkalielektrolyse ist ein lehrreiches Beispiel. Die Chlorchemie stand vor 25 Jahren in der Kritik; sie war das Symbol für negative Umwelteffekte, wie persistente und toxische Rückstände und gefährlicher Emissionen. Dies führte dazu, dass das Produktportfolio überholt wurde und dass kritische Folgeprodukte der Elektrochemie, insbesondere die halogenierten Treibhausgase, Lösemittel und etliche perhalogenierten Stoffe aufgegeben bzw. reduziert wurden. Gleichzeitig wurden die Verfahren modernisiert, die Emissionen wurden drastisch und Energieverbrauch deutlich gesenkt. An Verbundstandorten mit modernen GuD-Kraftwerken halbiert sich so die CO2-Emission pro Tonne Chlor.

Dieses Wechselspiel zwischen Kritik und Optimierung ist nie abgeschlossen, es betrifft auch andere Chemiebereiche und stand Pate für das Green-Chemistry-Konzept.

Green and Sustainable Electrochemistry

Die Elektrochemie beschränkt sich nicht auf die Optimierung ihrer "klassischen" Verfahren. Die Erweiterung ihrer Aktivitäten über den eigenen Tellerrand hinaus lässt sich an den Leistungen der Elektrochemie für den Verkehr veranschaulichen.

Immer mehr Erdenbürger erstreben den westlichen Mobilitätsstil. Nach allen bedeutenden Energieszenarien wird der Verkehr den Energiekonsum drastisch antreiben.
Um die Folgen einzudämmen, muss der spezifische Energieverbrauch der Fahrzeuge deutlich fallen. Neue Antriebskonzepte werden den Verbrennungsmotor unterstützen oder verdrängen. Batterien, Supercaps und Brennstoffzellen werden zu zentralen Energielieferanten: das ist Elektrochemie pur! Der klassische Bleiakku stößt an seine Grenzen und wird durch eine Vielzahl neuer elektrochemischer Lösungen substituiert werden.

Hybridautos, Brennstoffzellen- oder Batteriefahrzeuge sind aber nur ein Teil der Lösung. Auch die neuen Infrastrukturen für Strom und Kraftstoffe benötigen elektrochemisches Know How, Stichworte: Stromspeicher, Wasserstofferzeugung und -speicherung. Außerdem hängt der zukünftige Energiemix vom Verbraucherverhalten und den politischen Randbedingungen ab.

Um erfolgreich zu sein, muss die Elektrochemie sich also auf mehreren Feldern engagieren: Fahrzeugbau, Energieversorgung, Verkehrs- und Energiepolitik. Dies zeigt, wie umfangreich die Aufgaben einer Green and Sustainable Chemistry sein werden.

Was für den Verkehr gilt, gilt auch für viele andere Bereiche (Abb. 4). Die Elektrochemie leistet wertvolle Beiträge zum Wandel unserer Rohstoffbasis und zur Ressourcenschonung. Sie steht in hohem Maße für Dienstleistungen der Gesellschaft zur Verfügung, beispielsweise im Bereich Abwasser- und Abgasreinigung. Auf dem Energiesektor zeigt sich in besonderer Weise ihre Querschnittsfunktion.

Abbildung 4: Nachhaltige Elektrochemie

An dieser Stelle kann auf Detailschilderungen verzichtet werden. Die aktuelle Wochenschau liefert bereits eine Fülle von Beispielen (auf die jeweilige Woche wird verwiesen):


Dr. Hermann Pütter
Haardter Str. 1a
67433 Neustadt
Tel.: +49 (0)6321 88566
E-Mail: puetter-neustadt@t-online.de