Nachhaltige und grüne Technologien für die chemische Industrie (Projekt ShaPID)

Die chemische Industrie ist ein wichtiger Bestandteil in fast allen industriellen Wertschöpfungsketten. Die Erzeugnisse der chemischen Industrie – innovative Materialen, Werkstoffe und Komponenten – sind entscheidende Vorprodukte für die industrielle Produktion. Als frühes Glied der Wertschöpfungskette ist der Chemiesektor ein guter Ansatzpunkt, die Nachhaltigkeit von Produkten branchenübergreifend zu steigern.

Die eigenen Produktionsketten defossilisieren und eine zirkuläre, treibhausgasneutrale Stoff- und Energiewandlung etablieren – die chemische Industrie hat sich in Sachen Nachhaltigkeit ehrgeizige Ziele gesetzt.

Im Projekt »ShapID« entwickeln neun Fraunhofer-Institute unter der Federführung des Fraunhofer ICT praxisnahe Methoden und Technologien für eine nachhaltige, grüne Chemie – auf Grundlage der international anerkannten »12 Principles of Green Chemistry« und in den vier Bereichen »Synthese-, Reaktions- und Katalysetechnik«, »Prozess- und Verfahrenstechnik«, »Modellierung, Simulation und Prozessoptimierung« sowie »Digitalisierung und Automation«.

© Henry St. John, Adobestock
Das Konzept der zirkulären Wirtschaft geht weit über klassisches Rohstoff-Recycling hinaus: Es schließt alle Maßnahmen ein, die zu mehr Ressourceneffizienz führen. Insbesondere in der chemischen Industrie hat »Circular Economy« einen großen Einfluss auf Produktportfolios und Geschäftsmodelle.

Vom grünen Rohstoff zum grünen Produkt

Die Anwendung der neuen Technologien und Methoden wird im technischen Maßstab an drei Referenzprozessen demonstriert, die unterschiedliche Produktsparten der Chemie adressieren:

  1. Bei »Green Plastics« geht es um die Gestaltung neuer Polymere aus CO2 und biogenen Rohstoffquellen.
  2. Bei »Green Monomers« werden energieeffiziente Synthesen von Monomeren aus nicht-fossilen Rohstoffen beleuchtet.
  3. Bei »Efficient Building Blocks« wird der Einsatz hochreaktiver Moleküle für die atomeffiziente Synthese untersucht.

Alle drei Prozesse beschreiten den Weg vom grünen Rohstoff über eine grüne Prozessführung bis hin zu grünen Produkten. Die Prozessentwicklungen werden eng sowohl von Life Cycle Assessments und Systemanalysen als auch von REACh-Bewertungen und (Öko-)Toxizitätsvorhersagen begleitet.

© Vectorfusionart, Adobestock
© Dragica, Adobestock
© Christian Liepe, BASF SE

Modularen Anlagenbau durch Digitalisierung gestalten

Die Expert:innen des Fraunhofer IFF unterstützen den Aufbau der Demonstratoren. Sie entwickeln spezielle Schnittstellen und nutzen Konzepte des modularen Anlagenbaus – insbesondere der modularen Regelung und Steuerung auf Basis von Modul Type Package (MTP).

Das Team koppelt digitale Simulationsmodelle vom Fraunhofer ITWM für Prozessmonitoring und -controlling sowie Datenanalysen. Dies beschleunigt später die Einführung der neuen, grünen Reaktions- und Verfahrenstechniken in die Gesamtprozessumgebung.

© Fraunhofer IFF, Denise Nitsche

Die 12 Prinzipen der grünen Chemie

Die zwölf Grundprinzipen der grünen Chemie wurden 1998 von den Wissenschaftlern Paul Anastas und John Warner formuliert. Heute dienen sie den Forschenden am Fraunhofer IFF als Basis für die Integration grenzwertorientierter Kennzahlen für die Analyse und Bewertung chemischer Prozesse. Ansätze aus dem Life Cycle Assessment und der VDI 4663 werden für die Integration von Handlungsempfehlungen in der Prozessgestaltung und im Betrieb eingesetzt.

  • Abfallvermeidung

    Chemie ist grün, wenn bei chemischen Verfahren möglichst keine Abfälle entstehen. Dies ist besser, als Abfallstoffe verarbeiten oder reinigen zu müssen.

  • Atomökonomie

    Chemie ist grün, wenn Synthesen so konzipiert sind, dass alle Ausgangsmaterialen maximal genutzt werden und sich im Endprodukt wiederfinden.

  • Ungefährlichere Synthesen

    Chemie ist grün, wenn die in chemischen Verfahren verwendeten oder erzeugten Substanzen für Mensch und Umwelt ungefährlich sind.

  • Sichere Chemikalien

    Chemie ist grün, wenn chemische Produkte ihre Funktion erfüllen und gleichzeitig möglichst ungiftig sind.

  • Sichere Lösungsmittel

    Chemie ist grün, wenn man auf Hilfsstoffe (Lösungsmittel, Trennmittel usw.) verzichten kann bzw. diese unschädlich sind.

  • Energieeffizienz

    Chemie ist grün, wenn für chemische Verfahren möglichst wenig Energie benötigt wird. Synthetische Methoden sollten möglichst bei Umgebungstemperatur und Normaldruck eingesetzt werden.

  • Nachwachsende Rohstoffe

    Chemie ist grün, wenn Rohstoffe für chemische Produkte so erneuerbar wie möglich sind.

  • Einfache Chemie

    Chemie ist grün, wenn Modifikationen von Molekülen minimiert werden. Unnötige Derivatisierung sollte möglichst vermieden werden, da solche Schritte zusätzliche Reagenzien erfordern und Abfälle erzeugen.

  • Katalyse

    Chemie ist grün, wenn effiziente Katalysatoren verwendet werden.

  • Abbaubarkeit

    Chemie ist grün, wenn chemische Produkte nach Gebrauch umweltfreundlich abbaubar sind, also zu harmlosen Abbauprodukten zerfallen.

  • Echtzeitanalyse

    Chemie ist grün, wenn durch Echtzeitkontrollen von chemischen Verfahren Schadstoffemissionen vermieden werden können.

  • Unfallverhütung

    Chemie ist grün, wenn Chemikalien verwendet werden, von denen kein Gefährdungspotenzial (wie Freisetzungen, Explosionen oder Brände) ausgeht.

Projektinfo

Projekttitel

Verbundprojekt »ShaPID: Shaping the Future of Green Chemistry by Process Intensification and Digitalization«


Stichworte

chemische Industrie, grüne Chemie, nachhaltige Chemie, Kreislaufwirtschaft

 

Projektlaufzeit

01.01.2021 bis 31.12.2023
 

Projektpartner

  • Fraunhofer ICT (Koordination)
  • Fraunhofer IAP
  • Fraunhofer IFF
  • Fraunhofer IGB
  • Fraunhofer IME
  • Fraunhofer IMM
  • Fraunhofer ISC
  • Fraunhofer ITWM
  • Fraunhofer UMSICHT