Chemie in der Krise: Wie Evonik sich dem Trend widersetzt

In dieser Pilotanlage in Marl stellt Evonik die anionenleitende Duraion-Membran her. Sie ist eine Schlüsselkomponente der AEM-Technologie (Anionenaustauschmembran), mit der sich grüner Wasserstoff kostengünstiger herstellen lässt.

Foto: Evonik

Keine Frage: Unternehmen der chemischen Industrie geht es zurzeit nicht sehr gut. Sie feilen daher an unterschiedlichen Strategien, ihre Lage zu verbessern. Ein Beispiel: Um sich wirtschaftlich abzusichern, setzt der Essener Chemiekonzern Evonik auf „Regionalisierung“, betonte Vorstandschef Christian Kullmann etwa Ende Mai auf einer Tagung in Berlin.

Der Konzern strebt dazu an, jeweils ein Drittel seines Umsatzes in Europa, Amerika und Asien zu erwirtschaften. Daher investiert das Unternehmen auch in Nordamerika und Asien, um jeweils vor Ort präsent zu sein und sich auf diese Weise etwa vor Strafzöllen zu schützen.

Chemieunternehmen setzten auch auf Fortschritt, also auf Innovationen. Aber auch hier gibt es Neues: Evonik beispielsweise will seine Forschungs- und Entwicklungsarbeiten stärker am Markt, also der Nachfrage, orientieren. Dazu hat das Unternehmen seine Forschungs- und Entwicklungsorganisation umgebaut.

Innovationen: marktreif in fünf Jahren

„Wir haben unsere Innovationsorganisation gezielt auf Geschwindigkeit und Wirkung ausgerichtet“, sagt Christian Eilbracht, Chief Innovation Officer von Evonik. „Mit einer klaren Aufgabenteilung beschleunigen wir Entscheidungsprozesse und erhöhen die Erfolgswahrscheinlichkeit von Innovationen.“ Die drei sogenannten „Innovationskeimkerne“ sind weiterhin die Themen biobasierte Lösungen, Energiewende und Kreislaufwirtschaft.

Eine zentrale Schaltstelle auf diesem Wege soll die Innovationsfabrik, die Innovation Factory, einnehmen. Sie soll strategisch wichtige Entwicklungsprojekte bündeln und wichtige Projekte fördern. Das Ziel: Projekte im Schnitt in fünf Jahren zur Marktreife zu bringen. Und Evoniks Anspruch ist hoch: Die Innovationsfabrik soll bis 2032 bis zu 300 Mio. € zum vorgesehenen Umsatzwachstum von 1,5 Mrd. € beitragen.

Um das zu erreichen, sollen zwei Drittel der Forschenden künftig direkt in Evoniks Geschäftsbereichen, den „Business Lines“, mitarbeiten. Sie sollen dort in engem Austausch mit Kunden Lösungen erarbeiten und dabei die Wirtschaftlichkeit im Blick haben. „Mit unserem Fokus auf Innovation stärken wir sowohl unsere Resilienz als auch unsere Kundennähe“, so Lauren Kjeldsen, im Vorstand von Evonik für Innovation zuständig.

Das Vorstandsmitglied Kjeldsen und der Innovationschef Eilbracht beleuchteten heute konkret drei Innovationen:

• Mit einer neuen Membran lässt sich Wasserstoff effizienter als bisher elektrolytisch herstellen.
• Chemische Zaubermittel reinigen Pyrolysesöl, sodass dieses Öl, hergestellt aus Kunststoffresten, als zirkulärer Rohstoff für die petrochemische Industrie dient.
• Dank eines optimierten Probiotikums braucht es weniger Antibiotika für die Aufzucht von Hühnern.

Wasserstoff innovativ und günstig herstellen

In einer Pilotanlage in Marl, Nordrhein-Westfalen, fertigt Evonik seit diesem Frühjahr eine neue Membran „Duraion“ für Elektrolyseure mit einer Anionen-Austausch-Membran, also für AEM-Elektrolyseure (AEM = „Anion Exchange Membrane“). „Die hochleistungsfähige Membran senkt Investitionskosten und kann der AEM-Technologie zum Durchbruch verhelfen“, meint Christian Däschlein. Der Chemiker leitet die „New Growth Area AEM“ in der Evonik Innovation Factory.

Der Punkt: Die AEM-Technologie hat gegenüber dem gängigen Elektrolyseverfahren, der PEM-Elektrolyse, Vorteile (PEM = Proton Exchange Membrane): Weil die Elektrolyse nicht in stark saurem Milieu stattfindet, sondern in basischer Umgebung bei pH-Werten von 13 bis 14, können edelmetallfreie und damit kostengünstigere Materialien und Elektrokatalysatoren verwendet werden. Fachstudien sehen ein Einsparpotenzial bei den Investitionskosten von mindestens 25 %. Da Wasserstoff auch direkt unter Druck hergestellt wird, entfallen weitere, nachgelagerte Kompressionsschritte. Die AEM-Technologie eignet sich wegen ihrer großen Flexibilität für den Betrieb mit schwankend verfügbarem Strom aus Wind und Sonne.

Innovative Membranchemie

Die Duraion-Membran ist als Polymer ein High-Tech-Produkt: Sie vereint drei Eigenschaften: hohe Ionenleitfähigkeit mit hoher chemischer Stabilität und mechanischer Festigkeit. Das erhöht die Lebensdauer der Elektrolyseure und hebt die Effizienz der Elektrolyse.

Sie trennt auch Wasserstoff und Sauerstoff zuverlässig und verhindert so, dass sich Knallgas, also ein explosives Gemisch aus diesen Gasen, bildet. Bei der Herstellung der Membran konnte Evonik auch darauf verzichten, per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (Pfas) zu verwenden. Sie ist auch für den Betrieb unter hohen Stromdichten und Drücken ausgelegt.

Hergestellt in Marl …

Die Membran wird nicht als fertige Folie hergestellt, sondern entsteht Schritt für Schritt in einer Pilotanlage. So wird eine flüssige Polymerlösung als sehr dünne Schicht auf eine Trägerfolie aufgetragen – ähnlich dem Lackieren oder beim Auftragen eines Films. Diese Schicht wird anschließend getrocknet und verfestigt sich zur eigentlichen Membran. Diese Beschichtungsanlage zählt mit rund 20 m Länge zu den weltweit größten ihrer Art. Sie stellt die Membran in einer Breite von bis zu 1 m her, die sich somit für großflächige Elektrolyseure eignen.

Bereits jetzt kann Evonik in dieser Pilotanlage jährlich Duraion-Membranen für eine Elektrolyseleistung von bis zu 2,5 GW herstellen. Dies entspricht einem Viertel der gesamten für 2030 von der Bundesregierung in der Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie geplanten Elektrolysekapazität in Deutschland. Bei Bedarf lässt sich die Membran mit einem Gewebe verstärken, sodass sie auch in großflächigen Systemen gut nutzbar ist. Und: Erste Hersteller von AEM-Elektrolyseuren verwenden Duraion-Membranen bereits in Pilot- und Demonstrationsanlagen.

… und China im Blick

Parallel zum Produktionsstart in Marl nimmt Evoniks „AEM Center Shanghai“ in China seine Arbeit auf. Es ist das erste technologieorientierte Anwendungstechnikzentrum des Konzerns in Asien. Sein Schwerpunkt ist die AEM-Elektrolyse und deren Integration in die Wasserstoffinfrastruktur. Evoniks Fachleute testen dort die in Marl hergestellten Membranen unter industriellen Bedingungen in Kooperation mit lokalen Partnern und Kunden.

Sauber chemisch recyclen

Mit kleinen Zaubermitteln bringt Evonik das chemische Recycling von Kunststoffen voran. Es sind Adsorptionsmittel und Katalysatoren, die das Unternehmen „Purocel“ nennt. Sie erhöhen die Qualität von Pyrolyseöl. Dieses Öl ist das Hauptprodukt, werden Kunststoffabfälle in einem Pyrolyseverfahren, einer Variante des chemischen Recyclings, unter Luftabschluss bei hohen Temperaturen in ihre chemischen Bausteine zerlegt. Die Verfahren eignen sich, um verschmutzte und nicht sortenreine Kunststoffe wiederzuverwerten.

Doch Pyrolyseöl muss sauber sein, soll es fossilen Rohstoffen wie Naphtha aus Erdöl beigemischt und in Steamcrackern weiterverarbeitet werden. In diesen Anlagen entstehen Grundbausteine neuer Kunststoffe wie Ethylen und Propylen. „Doch die Betreiber von Steamcrackern setzen auf strenge Qualitätsstandards für die eingesetzten Rohstoffe“, weiß Hendrik Rasch, der im Next Markets Program von Evonik den Bereich Circular Packaging and Plastics Recycling verantwortet.

Das Problem: Pyrolyseöl enthält oft Chlor-, Stickstoff- oder Siliziumverbindungen. Diese können die Effizienz und Prozesssicherheit der Steamcracker beeinträchtigen. Diese Verunreinigungen stammen zum Teil aus Kunststoffen – beispielsweise enthält Polyvinylchlorid (PVC) Chlor und Polyamide enthalten Stickstoff – und Beimengungen wie Sand.

Verunreinigungen entfernen

Mit Purocel-Produkten, von denen es zurzeit etwa zehn gibt, lassen sich gezielt bestimmte Verunreinigungen aus Pyrolyseöl entfernen. Zwei Beispiele:

• Purocel 505 besteht aus kleinen Kügelchen aus Mischmetalloxiden: Diese Oxide wandeln organische Chlorverbindungen katalytisch in anorganische Chloride um und binden diese dann. So lassen sich deutlich mehr Chloride aus Pyrolyseöl entfernen als mit herkömmlichen Chlorid-Adsorbentien.  
• Purocel H ist ebenfalls ein Katalysator. Es enthält Übergangsmetalle wie Kobalt, Molybdän und Nickel und ist ein sogenannter „Hydrotreating-Katalysator“. Er entfernt mit zugeführtem Wasserstoff unter anderem Metalle und organische Chloride. Auch hilft er, Olefine und Aromaten zu reduzieren und damit zu zerstören.

Recycelbar reinigen

Einige dieser Zaubermittel lassen sich regenerieren und wiederverwenden. Recyceltes Purocel H etwa weist eine vergleichbare Leistung wie frisches Purocel H auf. Diese Kreisführung senkt zudem Kosten. Das gilt auch für das Adsorptionsmittel Purocel 510. Dieses basiert auf dem Aluminiumerz Bauxit und entfernt unter anderem Schwefel- und Stickstoffverbindungen.

Neben chemischen Lösungen bietet Evonik auch modulare Systeme an, die sich in bestehende Anlagen integrieren lassen. Die Rocket-Technologie etwa liefert vorkonfigurierte Kolonnenmodule, diese Einheiten können flexibel sowohl an Pyrolyseanlagen als auch an Steamcracker angeschlossen werden und ermöglichen eine effiziente Reinigung ohne große Investitionen oder lange Stillstände.  

Weniger Antibiotika für Geflügel

Mit der dritten Innovation blickt Evonik auf antibiotikaresistente Bakterien. „73 % aller weltweit eingesetzten Antibiotika gehen in die Nutztierhaltung – sei es therapeutisch, prophylaktisch oder als Wachstumsförderer“, erläutert Stefan Pelzer, Leiter der Mikrobiomforschung von Evonik. „Dort lässt sich am besten ansetzen, um der weiteren Entstehung von Resistenzen entgegenzuwirken.“

Um den übermäßigen Einsatz von Antibiotika zu senken, setzt Evoniks Abteilung „Animal Nutrition“ neben speziellen Futtermittelzusätze auch auf Probiotika. Letztere sind lebende Mikroorganismen, die die Gesundheit, die Leistung und die Widerstandskraft der Tiere verbessern können. Dies wiederum kann indirekt dazu beitragen, die Entwicklung von Antibiotika-Resistenzen zu reduzieren.

Bei „Ecobiol“, einem Probiotikum vor allem für Geflügel, das Evonik seit zehn Jahren produziert, ist den Fachleuten eine Verbesserung gelungen. Dieses Probiotikum enthält Sporen eines speziellen Bacillus velezensis-Stamms. Werden diese im Dünndarm aktiv und wandeln sich in vermehrungsfähige Zellen, stärken sie die dortige Darmflora sowie das Immunsystem der Tiere. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich krankmachende Keime wie Escherichia coli, Salmonellen oder Clostridien ausbreiten.

Noch schneller auskeimen

Mit Hilfe eines einzigartigen Geflügeldarmmodells, dem „DAISy“ („Dynamic Avian Intestine in vitro System“), konnte Pelzers Team im Biotech Hub in Halle-Künsebeck aufklären, wo und wie schnell die Sporen keimen und die Bakterien wachsen. Sie fanden auch heraus, dass freie Aminosäuren wie Alanin sowie Zucker, die bei der Verdauung des Futters entstehen, den Sporen das Signal zur Auskeimung geben und ein besonderes Herstellverfahren des Probiotikums das Auskeimverhalten der Sporen beeinflusst.

Das Team hat daraufhin einen Weg gefunden, Bacillus velezensis-Sporen so herzustellen, dass sie schnell auskeimen. „Bildlich gesprochen, haben wir das Gedächtnis der Sporen so trainiert, dass sie im Darm besonders schnell aktiv werden“, so Pelzer. Dies gebe den Bakterien mehr Zeit, sich im Dünndarm zu vermehren und der Ausbreitung pathogener Keime entgegenzuwirken.