„Nachhaltige Chemie - eine Schlüsseltechnologie für das 21.Jahrhundert“

Matthias Beller

Die Umwandlung von einfachen, verfügbaren Rohstoffen zu neuen komplexeren Produkten, die vielfältige Anwendungseigenschaften aufweisen, ist die Basis für unser heutiges Leben. Die Chemie als Wissenschaft und Industrie der Stoffumwandlungen spielt daher eine zentrale Rolle in unserer Gesellschaft. So ermöglicht die chemische Industrie beispielsweise eine große Palette an Produkten und Vorprodukten für andere Industriezweige und Erzeugnisse, die unmittelbar in den Bereichen Gesundheit, Umwelt und Ernährung zum Einsatz kommen. Ohne die chemische Industrie und chemische Reaktionen würde es die meisten uns vertrauten Dinge des täglichen Lebens, ob Benzin oder Kunststoffe, Kraftfahrzeuge oder Computer, Medikamente oder Kosmetika, nicht geben (Schema 1). Noch etwas drastischer ausgedrückt: ohne chemische Reaktionen würde es keine Biologie und auch kein Leben auf der Erde geben. Es ist selbstverständlich, dass die Herstellung chemischer Produkte durch entsprechende Reaktionen ressourcenschonend mit maximaler Ausbeute unter Vermeidung von Nebenprodukten und mit möglichst geringem spezifischen Energiebedarf ablaufen sollte. Dies ist heute leider meist noch nicht der Fall. Die Anforderungen an eine "ideale" Reaktion sind in Schema 2 dargestellt.

Schema 1: Ausgewählte chemische Reaktionen.

Für eine sowohl ökonomisch als auch ökologisch und sozial optimierte Wertschöpfung sind nachhaltige Produktionsprozesse heute und in Zukunft das wichtigste Instrument zur Verbesserung chemischer Produktionsverfahren.

Die meisten organischen Synthesen sind nicht effizient!

Neue katalytische Methoden müssen entwickelt und bekannte Verfahren verbessert werden!
UmweltMinimum an Abfällen; Verwendung von verfügbaren Rohstoffen, keine Lösemittel.
EffizienzEnergieeffiziente Prozesse mit 100% Atomökonomie; Domino-Prozesse und Multikomponentenreaktionen ( MCR´s)
SelektivitätHochselektive (chemo-, regio-, stereoselektive) Prozesse (100% Ausbeute)
ÖkonomieStandard equipment; Minimierung von Katalysatorkosten ("reale katalytische Prozesse); hohe Raum/Zeit-Ausbeuten
Schema 2: Anforderungen an eine "ideale" Reaktion.

Was aber ist Nachhaltige Chemie eigentlich? Bis vor einigen Jahren war der Begriff der Nachhaltigkeit eigentlich nur wenigen Spezialisten geläufig. So wie der Forstwirt unter nachhaltigem Forsten das Schlagen von nur so vielen Bäumen versteht wie auch neue Bäume gepflanzt werden, so verstehen Chemiker unter nachhaltiger Chemie die Anwendung verschiedener Methoden zur Durchführung chemischer Reaktionen ohne Belastung zukünftiger Generationen. Noch allgemeiner formuliert, geht es bei der Nachhaltigen Chemie darum, Technologien zu nutzen und zu entwickeln, die mit weniger Rohmaterialien und Energie auskommen, die den Gebrauch erneuerbarer Ressourcen maximieren und den Einsatz von gefährlichen Chemikalien minimieren bzw. ganz eliminieren. Gerade beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen besteht noch erhebliches Potential, denn gegenwärtig sind ca. 90% der Rohstoffe der chemischen Industrie fossilen Ursprungs (siehe Abbildung ).

Zu den wesentlichen Zielen einer Nachhaltigen Chemie gehören neben der Verwendung nachwachsender Rohstoffe insbesondere die Entwicklung verbesserter katalytischer Verfahren und alternativer Lösemittel sowie die Bewertung chemischer Prozesse (Schema 3).

Um die Herausforderungen für die Zukunft zu verdeutlichen, soll hier ein Beispiel gegeben werden: Anfang 2000 haben jährlich 1.000 Menschen in Deutschland 158 Terajoule Energie verbraucht, wodurch u.a. 13.700 Tonnen Treibhausgase freigesetzt wurden, sie benötigten 655 Tonnen Stahl und fuhren 443 Automobile. Die Vergleichszahlen für ein weniger entwickeltes Land wie z.B. Ägypten lauten 22 Terrajoule, 1.300 Tonnen Treibhausgase, gerade 5 Tonnen Stahl und 6 Autos. Dies macht schlagartig klar, vor welchen zukünftigen Problemen wir stehen, wenn bevölkerungsreiche Länder wie China, Indien oder eben auch Ägypten den Lebensstandard anstreben, den wir schon genießen.

Verbesserte Herstellprozesse für Groß- und FeinchemikalienEntwicklung umweltfreundlicher Synthesemethoden
Wasserstofftechnologie, WasserspaltungGewinnung erneuerbarer Energie
Verbesserte umweltfreundliche ProdukteNutzung von Alkanen und nachwachsenden Rohstoffen
Schema 3: Ausgewählte Ziele einer Nachhaltigen Chemie.

Da es kein Argument gibt, warum diese Staaten nicht einen ähnlichen Wohlstand erreichen sollten, müssen wir Mittel und Wege finden, diese Entwicklung umweltverträglich zu gestalten - eine Aufgabe, bei der die Nachhaltige Chemie und insbesondere auch Katalyse eine entscheidende Rolle übernehmen muss und wird.

Im Bereich der Energieerzeugung besteht die Herausforderung in der Bereitstellung von erneuerbaren Energieträgern, um fossile Ressourcen sowohl im Verkehrssektor als auch bei der Erzeugung von Strom und Wärme abzulösen. Eine Möglichkeit bietet hier in Zukunft die verstärkte Verwendung von biobasierten Kraftstoffen und besonders Wasserstoff, dessen chemische in elektrische Energie mit Hilfe von Brennstoffzellen umgewandelt werden kann. Gerade in diesem Bereich müssen aber noch entscheidende Probleme gelöst werden. So sind effizientere Katalysatoren für Brennstoffzellen notwendig. Schließlich müssen katalytische Prozesse Wasserstoff als Rohstoff - idealerweise durch Wasserspaltung - nachhaltig und kostengünstig verfügbar machen.

Im Bereich Ernährung und Gesundheit sind chemische Prozesse die Basis für die Produktion der aktuell verwendeten Düngemittel, Agrozusatzstoffe und Pharmazeutika. Zukünftige neue Wirkstoffe, insbesondere auch chirale Produkte, sollten verstärkt unter Einbeziehung des Methodenspektrums der Nachhaltigen Chemie hergestellt werden. Überraschenderweise gibt es gerade in diesem Bereich einen großen Nachholbedarf. Innovationen in den verschiedenen klassischen Chemiedisziplinen wie der Organischen und Anorganischen Chemie, aber auch den interdisziplinären Forschungsgebieten wie der Katalyse werden die Grundlage für die anstehende Weiterentwicklung der Lebenswissenschaften ("Life Sciences") bilden. Vor diesem Hintergrund gilt es neue Substanzklassen nachhaltig zu erschließen und selektivere und effizientere Wirkstoffe einzuführen.

Weltweit spielt die deutsche Chemieforschung eine wichtige Rolle im Bereich der Nachhaltigkeit, sie nimmt im weltweiten Vergleich immer noch eine Spitzenposition ein. Deutschland verfügt mit seinen Universitäten, den Forschungsinstituten der Max-Planck-Gesellschaft, der Leibniz-Gemeinschaft sowie der Helmholtz- und Fraunhofer-Gesellschaft über eine sehr gute Forschungsinfrastruktur auf diesem so bedeutenden Gebiet. Um die Zusammenarbeit der beteiligten deutschen Forscher weiter zu steigern, wurde im Frühjahr 2007 die Arbeitsgemeinschaft "Nachhaltige Chemie" der Gesellschaft deutscher Chemiker (GDCH) gegründet. Sie kam im März dieses Jahres zu einem ersten Workshop in Frankfurt zusammen. Die zentralen Themen der Arbeitsgemeinschaft, die in der Chemie zu den großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts zählen, sind: Nachhaltige Energiewirtschaft, Nachhaltige Produkte, Bewertung von chemischen Prozessen und Produkten, Nachwachsende Rohstoffe, Alternative Reaktionsbedingungen, Katalyse sowie Nachhaltige Chemie in der Lehre. Die Arbeitsgemeinschaft soll zukünftig eine wichtige Rolle bei der Vernetzung von Einzelaktivitäten in all diesen Bereichen der Nachhaltigkeit einnehmen.

Die Chemie ist aufgrund ihrer Querschnittsfunktion für alle relevanten Wirtschafts-zweige dem Prinzip der Nachhaltigkeit besonders verpflichtet. Sie wird die Voraussetzungen schaffen müssen, eine immer noch wachsende Weltbevölkerung mit Nahrung, Kleidung und Energie zu versorgen. Nur wenn es gelingt, die zugrunde liegenden Herstellprozesse und Stoffumwandlungen noch nachhaltiger anzuwenden, gibt es eine Chance, diese Herausforderung zu bewältigen. Die deutsche Chemieforschung und damit auch die GDCH und ihre Arbeitsgemeinschaft "Nachhaltige Chemie" werden daran beteiligt sein. Im Jahr 2008 werden Mitglieder dieser Arbeitsgemeinschaft Woche für Woche über wichtige und aktuelle Beiträge der Chemie zu einer nachhaltigen Entwicklung berichten.


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    • Prof. Dr. Matthias Beller
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      Universität Rostock
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      Tel.: +49 (0)381 1281-113
      Fax: +49 (0)381 1281-5000
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