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Oct 16, 2023

Dekarbonisierung der deutschen Chemieindustrie

Die Chemieindustrie ist eine der größten Industrien weltweit mit einem Jahresumsatz von

Chemie ist einer der größtenBranchen weltweit mit einem Jahresumsatz von etwa 4,7 Billionen US-Dollar.1 „Chemische Industrie weltweit – Statistiken und Fakten“, Statista, 9. Februar 2023. Darüber hinaus sind die von ihr hergestellten Produkte tief in die größten Wertschöpfungsketten der Welt eingebettet, wie z Konstruktion.

Im Jahr 2021 beliefen sich die globalen Emissionen der chemischen Industrie auf insgesamt etwa 925 Millionen Tonnen (MT) CO2,2 „Chemicals“, Internationale Energieagentur, abgerufen am 15. März 2023, was etwa 2 Prozent der Gesamtemissionen ausmacht. Mittlerweile ist die Branche grundlegenden Veränderungen unterworfen, darunter einer gestiegenen Verbrauchernachfrage nach kohlenstoffärmeren Produkten und einem gestiegenen Verbraucherbewusstsein für Recycling und die Verwendung recycelter Materialien. größere Nachfrage nach ressourceneffizienter Produktion; und erhöhter regulatorischer Druck für strengere Materialanforderungen.

Als eine der energieintensivsten Industrien Europas kann die Chemie eine besondere Rolle beim Umbau des Energiesystems und der Reduzierung der CO2-Emissionen spielen. Vor diesem Hintergrund haben wir mehr als 20 Dekarbonisierungsprojekte in der Chemieindustrie in mehreren Ländern untersucht, darunter Belgien, Finnland, Frankreich, Deutschland, Italien, die Niederlande, Norwegen, Spanien und Schweden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Akteure Emissionen reduzieren können, indem sie die Dampferzeugung vorantreiben, Restwärme nutzen, die Strombeschaffung ändern und die Energieeffizienz verbessern.

Aufgrund des Umfangs und der Verfügbarkeit der Daten haben wir uns entschieden, unsere Analyse und anschaulichen Beispiele auf die chemische Industrie in Deutschland zu konzentrieren. Dies schließt jedoch nicht die generelle Anwendbarkeit der Dekarbonisierungshebel für andere Länder aus.

Im Jahr 2021 verursachte die Industrie in Deutschland 181 Tonnen CO2 von insgesamt 762 Tonnen; In der Industrie verursachten Chemikalien 40 Tonnen CO2 (Abbildung 1). Aktuelle Dekarbonisierungsziele zielen darauf ab, die gesamten CO2-Emissionen des Landes bis 2030 um etwa 45 Prozent zu reduzieren, wobei die Reduzierungsziele für die Industrie bei 35 Prozent oder 63 Tonnen CO2 liegen.3 „Treibhausgasemissionen in Deutschland“, Umweltbundesamt, 15. März , 2022.

Unter der Annahme, dass die Emissionen weiterhin auf dem heutigen Niveau bleiben, zeigen unsere Prognosen, dass die chemische Industrie im Jahr 2030 in Deutschland am meisten CO2 ausstoßen wird. Allerdings anders als in anderen emissionsintensiven Industrien wie der Energiewirtschaft oder dem Verkehr (wo fast alle Emissionen durch die Verbrennung verursacht werden). von fossilen Brennstoffen) gelten die Emissionen in der chemischen Industrie als schwieriger einzudämmen. Fossile Brennstoffe, die als Ausgangsmaterial und Prozessgas für chemische Prozesse verwendet werden, erfordern technologische Innovationen, wie die Verwendung von recycelten Materialien, abgeschiedenem Kohlenstoff und alternativen Reduktionsmitteln. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Dampf-, Strom- und Wärmeerzeugung kann elektrifiziert werden, einige Reaktionen erfordern jedoch Temperaturen, die mit elektrischen Geräten noch nicht effizient erreicht werden können. Daher muss sich die Dekarbonisierung von Chemikalien auf Lösungen stützen, die speziell auf diese Herausforderungen zugeschnitten sind.

Um den Weg der Dekarbonisierung für Chemieunternehmen besser zu verstehen, haben wir in mehreren Ländern die Pläne von Industrieclustern, auch „Chemieparks“ genannt, zur erheblichen Reduzierung der Emissionen analysiert. (Die Bandbreite der Emissionsreduktionsziele nach Hebel für verschiedene Chemieparks ist in Abbildung 2 dargestellt.) Ein Chemiepark ist ein Konglomerat von Chemieproduktionsanlagen – entweder im Besitz eines einzelnen Unternehmens oder mehrerer Unternehmen –, die sich die Infrastruktur, wie z. B. Versorgung und Versorgung, teilen Website-Dienste.

Basierend auf dieser Analyse haben typischerweise vier Hebel der Dekarbonisierung den größten Effekt: Dampferzeugung, Wärmeintegration, Strombeschaffung und Energieeffizienz.

Obwohl die Dampferzeugung der größte Hebel zur Dekarbonisierung ist, erfordert sie den Ausstieg aus der Kohle dort, wo sie noch genutzt wird, und den Ausbau der CO2-freien Dampferzeugungskapazitäten. In diesem Punkt gibt es sieben kohlenstofffreie Wärmequellentechnologien – Biomasse, Solarthermie, Wasserstoff, Biogas, Wärmespeicherung, Wärmepumpen und E-Boiler – mit jeweils unterschiedlichem Grad an kommerzieller Verfügbarkeit (Abbildung 3).

Jede Wärmequellentechnologie kann auf der Grundlage der Verfügbarkeit von Rohstoffen, der Anwendbarkeit von Vorschriften und der Anwendbarkeit des Lastprofils auf ihre Machbarkeit beurteilt werden (erneuerbare Energiequellen unterliegen Lastschwankungen und die chemische Produktion erfordert eine konstante Grundlast). Beispielsweise ist Solarthermie auf Klimazonen und Regionen mit einem hohen Anteil an Sonnenlicht angewiesen, während Biomasse auf speziellen Energiepflanzen wie Mais basiert. In einigen Fällen haben wir festgestellt, dass die beste Lösung für eine emissionsarme und kostengünstige Dampferzeugung bis 2030 darin besteht, die konventionelle Erzeugungskapazität durch eine flexible Kombination aus wasserstofffähigen gasbetriebenen Generatoren und elektrischen Dampferzeugern zu ersetzen.

Der Einsatz einer Kombination von Technologien – und damit die Ermöglichung einer flexiblen Brennstoffumstellung je nach relativer Preisgestaltung – erweist sich oft als vorteilhaft, obwohl dies wiederum die Installation und Wartung zusätzlicher Reservekapazitäten erfordert. In manchen Fällen übersteigt der Wert des Brennstoffwechsels auf die wirtschaftlichste Technologie die zusätzlichen Betriebs- und Kapitalaufwendungen für freie Kapazitäten. Dies ist jedoch eine Entscheidung, die im Einzelfall getroffen werden sollte.

Historisch gesehen hat die chemische Industrie große Mengen an Restenergie in Form von „Abwärme“ verschwendet – Wärme, die zur Entsorgung aktiv abgekühlt wird. Dies war vor allem auf die niedrigen Kosten der Dampferzeugung und den Mangel an Technologien wie Wärmepumpen zur Wiederverwertung energiearmer Restwärme zurückzuführen. Die von uns untersuchten Chemieparks kamen jedoch zu dem Schluss, dass sie Wärmesenken und -quellen verbinden und dabei digitale Zwillinge und Wärmepumpen nutzen könnten, um Restwärme effizient zu nutzen.

Verstärkt durch die Nachfrage nach Gasknappheit sind erst seit kurzem mehrere Wärmeintegrationslösungen verfügbar. Zu diesen technologischen Lösungen gehören Hochtemperatur-Wärmepumpen, dampfmechanische Brüdenverdichtung und Wärmetrennung (Abbildung 4).

Durch die direkte Verbindung von Wärmesenken und -quellen oder durch den Einsatz von Wärmepumpen zur Aufbereitung der Restenergie auf das erforderliche Temperaturniveau kann die Nutzung der primär erzeugten Wärme drastisch gesteigert werden. Die Abwärme kann wiederum recycelt und in Dampf- oder Heißwassernetze eingespeist oder direkt an die entsprechenden Entnahmestellen angeschlossen werden. Darüber hinaus legen unsere Untersuchungen nahe, dass die Minimierung des Energieverbrauchs vor Ort durch die Optimierung und Neugestaltung von Verbrauchern mit Nettobarwert-positiven Fällen es Unternehmen ermöglichen kann, den Energiebedarf um bis zu 20 bis 40 Prozent zu senken.

Schließlich ermöglichte die Wärmeintegration erhebliche Kühlwassereinsparungen (und damit eine Reduzierung des Strombedarfs für den Pumpenbetrieb). Und digitale Zwillinge von Wärmesenken und -quellen ermöglichten eine dynamische Optimierung der Wärmenutzung sowie die optimale Positionierung von Wärmepumpen. Um das Potenzial zu maximieren, ist eine Neugestaltung der Art und Weise erforderlich, wie Wärmequellen über Unternehmensgrenzen und Vermögenswerte hinweg verbunden werden. Durch die Nutzung digitaler Möglichkeiten werden Modelle erstellt, um verschiedene Optionen wirtschaftlich zu simulieren und die Machbarkeit zu bewerten.

Die Strombeschaffung kann für die Dekarbonisierung in Chemieparks genauso wichtig sein wie die Dampferzeugung, erfordert jedoch die Wahl der richtigen Strategie für die Beschaffung erneuerbarer Energiequellen. Beispielsweise können Stromabnahmeverträge (Power Purchase Agreements, PPAs) mit Erzeugern von erneuerbarem Strom dazu beitragen, den Standort virtuell oder physisch mit Strom zu versorgen. Und obwohl es ein schneller Erfolg sein kann, grauen Strom (der aus fossilen Brennstoffen erzeugt wird) durch Strom aus erneuerbaren Energien zu ersetzen, erfordert dies die Wahl der richtigen langfristigen Energiebeschaffungsstrategie.

Vor diesem Hintergrund kann erneuerbare Energie durch den Kauf von Zertifikaten beschafft werden, beispielsweise durch Herkunftsnachweise für erneuerbare Energien in Europa.4 Weitere Informationen finden Sie unter „Herkunftsnachweise für erneuerbare Energien (REGO)“, Office of Gas and Electricity Markets (Ofgem), abgerufen am 15. März , 2023.; PPAs; oder Investitionen in externe Vermögenswerte (Abbildung 5). Darüber hinaus kann die Kapazität des Stromnetzes erweitert werden, um eine Elektrifizierung zu ermöglichen und bei Bedarf zusätzlichen Ökostrom zu beziehen.

Eine Sonderstellung nehmen Chemieparks ein, da sie über das Potenzial verfügen, die Kapazitäten vieler unterschiedlicher Anlagen bzw. Verbraucher zu bündeln und zu bündeln. Auf diese Weise können sie aufgrund von Skaleneffekten immer wettbewerbsfähigere Preise erzielen. Außerdem können sie die Volatilität der Nachfrage verringern, indem sie verschiedene Spitzen der Verbrauchernachfrage ausgleichen. Wenn also ein GuD-Kraftwerk vom Chemiepark betrieben wird, kann eine grüne Grundlast selbst produziert werden und nur Bedarfsspitzen müssen über PPAs extern beschafft werden.

Ziel der Steigerung der Energieeffizienz ist die Minimierung der Energieverluste im Betrieb. Durch die Vielzahl kleinerer Energieeffizienzmaßnahmen lassen sich zusätzliche Einsparpotenziale leicht realisieren. Tatsächlich priorisierten die von uns untersuchten Chemieparks unterschiedliche Dekarbonisierungsideen, was zu einer erheblichen potenziellen Reduzierung der CO2-Emissionen pro Jahr führte. Aufgrund ihrer relativen Einfachheit wurden die Initiativen in erster Linie vom bestehenden Team vor Ort durchgeführt, ohne dass nennenswerte Kapitalaufwendungen oder externe Unterstützung erforderlich waren.

Neben den vier Dekarbonisierungshebeln gibt es drei entscheidende Erfolgsfaktoren für eine erfolgreiche Reise: das Verständnis der Marktanforderungen, die Anpassung des Geschäftsmodells und die Steuerung der Dekarbonisierung als Transformation.

Bevor ein Unternehmen den Weg zur Dekarbonisierung einschlägt, ist es wichtig, ein Verständnis der Markt- und Branchentrends sowie der Nachfrageverschiebungen zu erlangen. Es ist auch wichtig, sich über die Prioritäten der Produktion, potenzieller Dritter, Lieferanten, Regulierungsbehörden und anderer Interessengruppen auf dem Laufenden zu halten. Weltweit haben sich Chemieunternehmen ehrgeizige Ziele gesetzt, um ihre CO2-Emissionen bis 2030 um 25 bis 60 Prozent zu reduzieren. Um diese Ziele zu erreichen, können Unternehmen ihre Emissionen umfassend angehen und dabei die Bereitstellung von Versorgungsunternehmen und den Betrieb von Chemieparks berücksichtigen.

Um wiederum vollständige Transparenz über Marktentwicklungen zu erlangen, kann ein mehrdimensionales Marktmodell erforderlich sein, das darauf ausgelegt ist, Trends und Anforderungen nach Produktkategorie und Art der Dienstleistung aufzuzeigen. Die Gesamtnachfrage nach Versorgungsleistungen wie der Dampferzeugung in der Chemieindustrie sinkt aufgrund von Energieeffizienzmaßnahmen in Chemieanlagen (z. B. sauerstoffdepolarisierte Kathoden [ODCs] in der Soleelektrolyse) und der Verlagerung bestimmter Grundchemikalien (z. B. der Produktion von Toluoldiisocyanat). [TDI] verlagert sich nach China und Nordamerika).

Allerdings werden die Hersteller zunehmend umweltfreundliche, dekarbonisierte Produkte fordern, um die CO2-Reduktionsziele zu erreichen, was in der Folge Möglichkeiten für die Schaffung neuer Werte schaffen wird. Darüber hinaus bergen neue Geschäftsfelder wie die Bereitstellung von Abwärme für lokale Fernwärmesysteme oder das chemische Recycling und die Abfallvergasung Potenzial für Chemieparks.

Veränderte Marktumfelder, Produktionsanforderungen und Dekarbonisierungsinitiativen könnten erhebliche Auswirkungen auf das Leistungsportfolio von Chemieparks haben. Wenn kommerzielle Modelle sich nicht entsprechend anpassen, werden sie wahrscheinlich nicht in der Lage sein, eine gerechte Zuordnung der eingesparten CO2-Kosten zu den Abteilungen sicherzustellen, die die notwendigen Maßnahmen zur Dekarbonisierung übernommen haben. Dies gilt insbesondere für Chemieparks mit mehreren Unternehmen, die sich die Versorgungsdienstleistungen teilen und für die eine gerechte Aufteilung der Wertschöpfung zwischen dem Versorgungslieferanten und dem Chemiekunden erforderlich ist.

Gleichzeitig bietet die Dekarbonisierung erhebliches Wertschöpfungspotenzial. Um dieses Potenzial zu nutzen, können kommerzielle Modelle von Chemieparks Folgendes gewährleisten:

Sich verändernde Kundenanforderungen im Zusammenhang mit Umweltauswirkungen müssen sich im Produktportfolio, im Geschäftsmodell und in der Organisationsstruktur widerspiegeln. Daher erfordern die notwendigen Anpassungen einen klaren Umsetzungsplan, ähnlich wie bei Unternehmenstransformationen.5Weitere Informationen zu Transformationen finden Sie unter „Digitale Transformationen: Die fünf Talentfaktoren, die am meisten zählen“, McKinsey, 5. Januar 2023.

Um eine umfassende Dekarbonisierung voranzutreiben, kann eine vollständige Potenzialanalyse durchgeführt werden, um Reduktionsmöglichkeiten zu ermitteln. Sobald das volle Potenzial transparent ist, können Maßnahmen anhand der erreichbaren Wirkung und der einfachen Umsetzung identifiziert und priorisiert werden, wobei der Bedarf an Kapitalaufwendungen sowie die Leistungsfähigkeit der verfügbaren Ressourcen und die Zeit bis zur Umsetzung berücksichtigt werden (Abbildung 6).

Allerdings scheitern viele Transformationen. Um eine erfolgreiche Umsetzung sicherzustellen, ist es wichtig, ein Vollzeit-Transformationsteam mit einer klaren Besprechungsstruktur und transparenter Nachverfolgung aufzustellen.6 Weitere Informationen zu Dekarbonisierungsmöglichkeiten finden Sie unter „Decarbonization Transformation“, McKinsey, abgerufen am 15. März 2023.

Um die Dekarbonisierungsziele der chemischen Industrie zu erreichen und mit anderen Branchen Schritt zu halten, sind dringende Maßnahmen erforderlich. Führungskräfte können damit beginnen, intelligente, fundierte Entscheidungen zu treffen, die Chancen zu priorisieren, Ressourcen zu identifizieren und die richtigen Technologien einzuführen.

Tipps Bengtssonist Associate Partner im Hamburger McKinsey-Büro, woSimon Knappist Partner;Peter Crispeelsist Partner im Büro in Lyon;Ken Somersist Partner im Brüsseler Büro;Ulrich Weihe ist Senior Partner im Frankfurter Büro; UndThomas Weskampist Senior Partner im Kölner Büro.

Die Autoren danken Jonas Mühlbauer für seine Beiträge zu diesem Artikel.