Weitere Forschungsbereiche, die jetzt kommerziell genutzt werden, sind die Nanotechnologie, die Biotechnologie und die Entwicklung von Biokraftstoffen zur Ergänzung der Ölversorgung. Erhebliche Vorteile für die Umwelt haben sich aus der Forschung zur Entwicklung von Verfahren ergeben, die zu einer verbesserten Oktanzahl von Benzin, zu Farben auf Wasserbasis, zum Ersatz von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) und zur Entwicklung der Grünen Chemie als aktivem Forschungsbereich führen.

Von der Forschung zur Produktion

Die in den Labors von Industrie und Universitäten durchgeführte Forschung ist nur der erste Schritt. Diese Entdeckungen müssen in realistische industrielle Prozesse umgesetzt werden. Dies ist die Aufgabe des Chemieingenieurs, der für die Übertragung der Laborchemie auf einen größeren Maßstab verantwortlich ist. Das Hochskalieren der Produktion von Gramm unter Laborbedingungen auf Tausende von Tonnen in einer großtechnischen Anlage ist eine sehr mühsame Arbeit für Chemiker und Chemieingenieure. Für die Zwischenstufen zwischen Labor- und großtechnischer Produktion sind Anlagen erforderlich, die den Prozess im großen Maßstab nachahmen und es ermöglichen, die günstigsten Bedingungen für eine hohe Produktausbeute bei einer geeigneten Rate zu finden (Abbildung 7).

Abbildung 7 Ein Beispiel, das einige Pilot-Batch-Reaktoren zeigt, die getrennt sind und
parallel arbeiten. Ein Computer steuert jeden dieser Reaktoren, und der Benutzer kann eine Reihe
von Experimenten durchführen und dabei Temperatur, Druck und Katalysatorzusammensetzung ändern.
Mit freundlicher Genehmigung der Cambridge Reactor Design Ltd.

Das Foto unten (Abbildung 8) zeigt ein Zwischenstadium, in dem eine Pilotanlage gebaut wurde, um die am besten geeigneten Bedingungen für das neue OMEGA-Verfahren zur Herstellung von Ethan-1,2-diol zu finden. Dies ist ein sehr wichtiger Schritt, da die Bedingungen, die für den Prozess im Labor geeignet sind, nicht unbedingt geeignet sind, wenn der Prozess auf größere Anlagen übertragen wird. Daher werden viele Versuche unter sehr sorgfältig kontrollierten Bedingungen durchgeführt, um eine maximale Ausbeute zu erzielen. Die Chemiker und Chemieingenieure, die diese Arbeit durchführen, müssen auch bedenken, dass die maximale Ausbeute zusätzliche Kosten verursachen kann, die das Verfahren unwirtschaftlich machen.

Abbildung 8 Die Pilotanlage für das neue OMEGA-Verfahren zur Herstellung von Ethan-1,2-diol.
Mit freundlicher Genehmigung von Shell International Ltd.

Wenn diese Arbeit erfolgreich ist, besteht der nächste Schritt darin, das Material in kommerziellem Maßstab herzustellen, was im Fall von Ethan-1,2-Diol mehrere hunderttausend Tonnen pro Jahr bedeutet (Abbildung 9). Die Rentabilität des Produkts liegt in der Konstruktion des Reaktors im industriellen Maßstab, der für die sichere Herstellung der gewünschten Produkte erforderlich ist. Die Investitionskosten für eine solche Anlage dürften sich auf mehrere Millionen Dollar belaufen.

Abbildung 9 Die eigentliche Anlage für das neue OMEGA-Verfahren zur Herstellung von Ethan-1,2-diol, die nach erfolgreichen Versuchen in der Pilotanlage gebaut wurde. In dieser Anlage werden jährlich 750 000 Tonnen des Diols hergestellt. Mit freundlicher Genehmigung von Shell International Ltd.

Die Planung einer Anlage ist ein Teamprojekt, und Chemiker, Anlagenplaner und Chemieingenieure wählen geeignete Materialien für den Bau der Anlage aus. Obwohl das gängige Bild von Chemieanlagen aus glänzendem Stahl besteht, werden beim Bau viele andere Materialien verwendet, darunter eine Vielzahl von Metallen, Kunststoffen, Glas und Gummi. Da es sich bei den Baumaterialien selbst um Chemikalien handelt, ist die Auswahl von Materialien, die nicht mit den am Prozess beteiligten Chemikalien reagieren, von entscheidender Bedeutung, um gefährliche Wechselwirkungen, den Zusammenbruch der Anlage oder die Verunreinigung des Produkts zu vermeiden.

Baustoffe müssen

• inert gegenüber Reaktanten, Zwischenprodukten und Produkten sein
• bei Bedarf sehr hohen Drücken und Temperaturen standhalten können
• beständig sein.

Die chemische Industrie: wie sicher und wie umweltgerecht?

Sicherheit muss in der chemischen Industrie ganz oben auf der Tagesordnung stehen, und das aus gutem Grund. Viele ihrer Produkte sind in irgendeinem Stadium ihrer Herstellung und ihres Transports potenziell gefährlich. Diese Chemikalien können fest, flüssig oder gasförmig, entflammbar, explosiv, ätzend und/oder giftig sein. Die Herstellungsprozesse beinhalten häufig hohe Temperaturen, hohen Druck und Reaktionen, die gefährlich sein können, wenn sie nicht sorgfältig kontrolliert werden. Aus diesem Grund arbeitet die Industrie innerhalb der von den nationalen und internationalen Rechtsvorschriften geforderten Sicherheitsgrenzen.

Abbildung 10 Flusssäure ist eine sehr ätzende Flüssigkeit. Hier wird sie
automatisch in einen Straßentankwagen geladen.
Mit freundlicher Genehmigung von Mexichem Fluor.

Risiken und Verletzungen

Obwohl die chemische Industrie mit gefährlichen Tätigkeiten zu tun hat, ist die Zahl der Unfälle niedriger als in der Industrie insgesamt. Zwischen 1995 und 2005 gab es im gesamten europäischen verarbeitenden Gewerbe aller Art mehr als 4 Unfälle pro 1000 Beschäftigte, doppelt so viele wie in der chemischen Industrie. Die US-amerikanischen Daten, die als unfallbedingte Ausfalltage erfasst werden, zeigen einen noch krasseren Unterschied; die Zahl der unfallbedingten Ausfalltage in den großen Unternehmen der chemischen Industrie ist viermal geringer als in der verarbeitenden Industrie im Allgemeinen.

Abbildung 11 Das Personal wird umfassend in der Verwendung von Sicherheitskleidung und -ausrüstung geschult. Auf diesem Foto wird ein Reaktor zur Herstellung von Hydrofluoralkanen gewartet. Mit freundlicher Genehmigung von Arkema.

Umweltvorschriften

Es gibt ernsthafte Bedenken hinsichtlich der möglichen Auswirkungen bestimmter hergestellter Chemikalien auf lebende Organismen, einschließlich uns selbst, und auf die natürliche Umwelt. Dazu gehören die Verschmutzung der Luft, des Bodens und der Meere, die globale Erwärmung und der Klimawandel, der Abbau der Ozonschicht in der oberen Atmosphäre und der saure Regen.

Die chemische Industrie hat eine weltweite Initiative mit dem Titel Responsible Care ins Leben gerufen. Sie begann 1984 in Kanada und wird inzwischen in über 60 Ländern praktiziert. Sie verpflichtet die nationalen Verbände der chemischen Industrie und die Unternehmen:

• Kontinuierliche Verbesserung der Kenntnisse über Umwelt, Gesundheit und Sicherheit sowie der Leistung unserer Technologien, Verfahren und Produkte während ihres Lebenszyklus, um Schäden für Mensch und Umwelt zu vermeiden.
• Ressourcen effizient nutzen und Abfälle minimieren.
• Offen über Leistung, Erfolge und Mängel berichten.
• Zuhören, sich engagieren und mit den Menschen zusammenarbeiten, um ihre Anliegen und Erwartungen zu verstehen und darauf einzugehen.
• Mit Regierungen und Organisationen bei der Entwicklung und Umsetzung wirksamer Vorschriften und Normen zusammenarbeiten und diese einhalten oder über sie hinausgehen.
• Hilfe und Beratung anbieten, um den verantwortungsvollen Umgang mit Chemikalien durch all diejenigen zu fördern, die sie entlang der Produktkette verwalten und verwenden.

In den USA geben Chemieunternehmen jährlich über 12 Milliarden Dollar für Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsprogramme aus. Dies hat zum Beispiel dazu geführt, dass die Freisetzung gefährlicher Stoffe in die Luft, den Boden und das Wasser in den letzten 25 Jahren um 80 Prozent reduziert wurde. Eine weitere Umweltmaßnahme betrifft die Energienutzung. In den 20 Jahren seit 1994 sparte die chemische Industrie in den USA etwa 20 % Energie pro Produktionseinheit ein, und im gleichen Zeitraum sank die Energieeinsparung pro Produktionseinheit in der EU um 55 %. Die Treibhausgasemissionen pro Produktionseinheit (die Treibhausgasintensität) sind zwischen 1990 und 2014 in den USA um 58 % und in der EU um 75 % zurückgegangen.

In allen größeren Ländern sind Vorschriften in Kraft. In Europa werden sie durch REACH (Registration, Evaluation Authorisation and Restriction of Chemicals) durchgesetzt. Sie verändern die Art und Weise, wie Chemikalien hergestellt, verkauft und verwendet werden, grundlegend, indem sie einen einheitlichen, standardisierten Rahmen für den sicheren Umgang mit Chemikalien schaffen. REACH verpflichtet sowohl die Hersteller als auch die Importeure, dafür zu sorgen, dass alle Chemikalien, die in Mengen von mehr als einer Tonne pro Jahr hergestellt werden, keine nachteiligen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit oder die Umwelt haben. Die Industrie stellt umfassende dokumentierte Informationen zu allen qualifizierten Chemikalien und verwandten Stoffen zur Verfügung, so dass die Anwender der Chemikalien sicherstellen können, dass angemessene Kontrollen vorhanden sind. Chemikalien, die in Mengen von 1000 Tonnen oder mehr pro Jahr produziert werden, müssen bis Dezember 2010 registriert werden, und solche, die in Mengen von mehr als einer Tonne produziert werden, müssen bis Juni 2018 registriert werden.

Nur ein kleiner Teil der chemischen Abfälle ist giftig oder gefährlich. Die meisten dieser Abfälle sowie Materialien, die sich auf natürliche Weise nicht zersetzen lassen, werden bei hohen Temperaturen verbrannt. Wann immer möglich, liefern die Abfälle selbst den Brennstoff für diesen Prozess. Die entstehenden Gase werden gründlich gereinigt und „gewaschen“, bevor sie in die Atmosphäre entlassen werden, so dass nur Asche zur Entsorgung übrig bleibt. Beispiele dafür, wie mit Nebenprodukten umgegangen wird, finden sich in allen Bereichen dieser Website.

Vor welchen Herausforderungen steht die chemische Industrie heute?

Die chemische Industrie befindet sich weltweit im Umbruch. Wie wir oben gesehen haben, geht es zum einen um den Aufstieg der Länder des Nahen Ostens und Chinas, Indiens und Brasiliens als Hersteller von Chemikalien in riesigem Umfang, sowohl für den eigenen Verbrauch als auch für den weltweiten Export. Unternehmen in diesen Ländern investieren auch in Anlagen in den USA und Europa, während US-amerikanische und europäische Unternehmen in Anlagen in diesen großen Schwellenländern investieren, so dass die Branche insgesamt in ihrer Geschäftstätigkeit völlig international ist. Die Herausforderung für Unternehmen in den USA und Europa besteht darin, ihre Kosten zu senken und gleichzeitig sicherzustellen, dass sie die besten Praktiken zum Schutz der Umwelt einhalten. Diese Sorge um die Umwelt wird in den gesonderten Abschnitten über die einzelnen Chemikalien erörtert.

Eine neue Revolution bahnt sich an. Da Erdöl und Erdgas immer knapper und teurer werden, suchen Chemiker nach neuen Rohstoffen, die Erdöl und Erdgas ergänzen oder sogar ersetzen können. Und sie entdecken die Vorzüge von Kohle (die immer noch in großen Mengen vorhanden ist, obwohl es sich um einen fossilen Brennstoff handelt, der nicht ersetzt werden kann) und Biomasse wieder.

Damit schließt sich der Kreis. Im späten 19. und in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts basierte die organisch-chemische Industrie weitgehend auf Kohle und Biomasse. Kohle wurde in Abwesenheit von Luft stark erhitzt, um Kohlegas (eine Mischung aus Wasserstoff, Methan und Kohlenmonoxid) zu bilden. Als Nebenprodukt entstand eine Flüssigkeit (Steinkohlenteer), die viele nützliche organische Chemikalien enthielt, darunter Benzol, und der feste Rückstand war Koks, eine unreine Form von Kohlenstoff. Koks war die Quelle für das, was wir heute Synthesegas nennen. Es wurde bei hohen Temperaturen mit Dampf übergossen, um Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu gewinnen. Eine weitere Quelle für organische Chemikalien war Biomasse. Die Quelle vieler C2-Chemikalien war zum Beispiel Ethanol, das durch die Fermentation von Biomasse hergestellt wurde. C3- und C4-Chemikalien wie Propanon und Butanol wurden ebenfalls in großem Umfang durch Fermentation von Biomasse hergestellt.

Seit den 1940er Jahren hat die Industrie immer bessere Wege gefunden, die Produkte aus der Erdölraffination nicht nur zur Herstellung aller oben genannten Chemikalien, sondern auch vieler anderer zu nutzen. Ein Beispiel dafür ist das Wachstum der petrochemischen Industrie mit einer Reihe neuer Polymere, Reinigungsmittel und unzähliger hochentwickelter Chemikalien, die zu geringen Kosten hergestellt werden.

Die größte Herausforderung besteht daher vielleicht darin, Wege zu finden, unsere Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Ressourcen zu verringern. Da die Erdöl- und Erdgasvorräte schwinden, müssen wir Wege finden, die älteren, auf Biomasse basierenden Technologien zu nutzen, um Chemikalien so umweltverträglich wie möglich herzustellen, was den Energieaufwand und die anfallenden Abwässer angeht. So werden heute beispielsweise Ethen und eine Reihe von Polymeren sowie sehr große Mengen Ethanol aus Biomasse hergestellt.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, unsere Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Ressourcen zur Energieerzeugung zu verringern. Der einfachste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, Wege zu finden, unsere chemischen Anlagen mit Hilfe von Katalysatoren bei niedrigeren Temperaturen zu betreiben oder alternative Wege zu nutzen. Wie im letzten Abschnitt erwähnt, wurde damit bereits ernsthaft begonnen. Der Energieverbrauch pro Produktionseinheit ist in der EU seit 1994 um etwa 55 % und in den USA seit 1990 um etwa 22 % gesunken. Infolgedessen ist der Ausstoß von Kohlendioxid im gleichen Zeitraum um etwa den gleichen Wert gesunken.

Die neuen Technologien auf der Grundlage von Nanomaterialien werden auch bei künftigen Fortschritten in der chemischen Industrie im Vordergrund stehen, und es wird wichtig sein, sicherzustellen, dass die Herstellung dieser revolutionären Materialien sicher und von wirtschaftlichem Nutzen ist.

Die chemische Industrie steht im 21. Jahrhundert vor vielen Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, um im Zentrum jedes größeren Landes zu bleiben. Nur so kann die Industrie der Gesellschaft helfen, ihren Lebensstandard zu halten und zu verbessern, und zwar auf nachhaltige Weise.

Viele der in diesem Referat verwendeten Daten stammen aus Veröffentlichungen des CEFIC (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, Europäischer Rat der chemischen Industrie) und des American Chemical Council.