Während der Bedarf an Energie und Rohstoffen weltweit zunimmt, verstärken sich die aus der Nutzung von Kohle, Erdöl und Erdgas resultierenden Umweltprobleme. Nachwachsende Rohstoffe werden deshalb vielfach als Alternative diskutiert. Sie würden auch Schwierigkeiten der europäischen Landwirtschaft mildern. Gemäß EU-Richtlinien werden 15 Prozent der Anbaufläche für die Nahrungsmittelerzeugung stillgelegt – eine Folge steigender Produktivität pro Fläche. Nachwachsende Rohstoffe sind von dieser Regelung nicht betroffen; damit kann die Agrarwirtschaft einen neuen Produktionszweig aufbauen und Arbeitsplätze erhalten (Bild 1).

Die weltweit pro Jahr gebildete Biomasse beträgt zwischen 170 und 200 Milliarden Tonnen; dem Menschen stehen davon durch Kultivierung, Ernte und Verarbeitung aber nur drei Prozent zur Verfügung. Diese Menge beinhaltet schätzungsweise zwei Milliarden Tonnen Holz, 1,8 Milliarden Tonnen Getreide und zwei Milliarden Tonnen andere Produkte, zum Beispiel Zuckerrohr, Rüben, Ölfrüchte, Obst und Gemüse; wiederum nur einen kleinen Teil davon – in Westdeutschland sind es drei Prozent – nutzt die chemische Industrie als Rohstoffe (Bild 2).

Andererseits verbraucht die Menschheit pro Jahr mehr als drei Milliarden Tonnen Erdöl und Kohle sowie knapp zwei Billionen Kubikmeter Erdgas (insgesamt mehr als 7,3 Milliarden Tonnen Öläquivalente). Auch davon verarbeitet die chemische Industrie nur einen kleinen Teil zu höherveredelten Produkten, nämlich sieben Prozent, der Rest dient zur Energieerzeugung. Je nach Trocknungsgrad entsprechen 2 bis 2,5 Tonnen Pflanzenmasse nur einer Tonne Öläquivalent. Somit können nachwachsende Rohstoffe die fossilen nur in geringem Maße ersetzen; Grundbedingung ist zudem, daß sie ökologische und ökonomische Vorteile bieten.

Eines der Hauptargumente für den vermehrten Einsatz nachwachsender Rohstoffe ist Schutz vor einem nachhaltigen Klimawandel. Durch Nutzung fossiler Rohstoffe und Raubbau an tropischen Wäldern entläßt der Mensch derzeit pro Jahr rund 25 Milliarden Tonnen des Treibhausgases Kohlendioxid in die Atmosphäre; das ist mehr als ein Viertel der 92 Milliarden Tonnen, die Landpflanzen in der gleichen Zeit durch Photosynthese binden und Tiere sowie Boden-Mikroorganismen durch ihren Stoffwechsel wieder freisetzen. Das zusätzliche Kohlendioxid könnte nach Computer-Simulationen eine allmähliche Erwärmung der Erde bewirken.

Dagegen wird bei der Nutzung nachwachsender Rohstoffe nur Kohlendioxid freigesetzt, das die Pflanzen der Atmosphäre zuvor entzogen haben. Deshalb hofft man, über einen geschlossenen Kreislauf eine ausgeglichene Kohlendioxid-Bilanz zu erreichen. Bisherige Untersuchungen deuten allerdings darauf hin, daß für Anbau, Ernte, Transport, Lagerung und Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe erhebliche Mengen an fossilen Brennstoffen verbraucht würden, die den positiven Effekt wieder teilweise oder völlig zunichte machten.


Energie aus Pflanzen

In den letzten zwanzig Jahren ist der Weltenergieverbrauch um 40 Prozent gestiegen. Immer noch wird er zum größten Teil aus fossilen Rohstoffen gedeckt, wobei der Anteil von Kohle und Erdgas zunimmt. Nachwachsende Rohstoffe leisten noch keinen wesentlichen Beitrag. Doch gibt es eine Reihe von Projekten und Programmen, sie für die Energiegewinnung zu erschließen. Die beiden wichtigsten Strategien sind die Verbrennung ganzer Pflanzen und der Einsatz von Pflanzenölen – zum Beispiel Rapsöl- oder Palmölmethylester – als Kraftstoff für Dieselmotoren.

Schnell wachsende Pflanzen mit hohem Heizwert sollen mit speziellen Maschinen geerntet und in lokalen Kraftwerken verbrannt werden. Beispielsweise würde Chinaschilf (siehe den Beitrag auf Seite 102) auf einer Anbaufläche von einer Million Hektar etwa 30 bis 40 Millionen Tonnen Biomasse produzieren – fünf- bis sechsmal soviel wie die herkömmlichen Kulturpflanzen, etwa Getreide oder Rüben. Das entspricht 15 Millionen Tonnen Öläquivalenten und würde ausreichen, rund fünf Prozent des deutschen Energiebedarfs zu decken. (Zum Vergleich: Der Anteil aller regenerativen Energien betrug 1992 etwa vier Prozent.) Obwohl nachwachsende Rohstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas als Energiequelle nicht verdrängen werden, können sie doch einen signifikanten Beitrag zur Energieversorgung leisten. Voraussetzung für diese intensive Nutzung von Biomasse sind allerdings neue Maschinen und Technologien für die ökologisch verträgliche und ökonomisch sinnvolle Kultivierung, Ernte, Lagerung und Verarbeitung, die erst noch entwickelt werden müssen.

Weil Raps außer der Sonnenblume die ertragreichste Ölfrucht in Europa ist, bietet sich das daraus gewonnene Öl als Ersatz für Dieseltreibstoff an (in Südostasien gälte dasselbe für Palmöl). Pro Hektar Anbaufläche lassen sich 1,1 Tonnen Rapsöl gewinnen, aus dem bei einem Weltmarktpreis von 700 bis 800 Mark pro Tonne durch Umesterung Rapsölmethylester zu Kosten von 1,20 bis 1,30 Mark pro Liter herstellbar ist. Über Steuervorteile könnte dieser Treibstoff insbesondere für Nischenanwendungen – etwa zum Betrieb von Land- und Wasserfahrzeugen in Wasserschutzzonen oder von Pistenraupen – konkurrenzfähig gemacht werden. Eine vollständige Substitution von Dieselkraftstoff wäre dagegen nicht möglich, weil die Anbauflächen in Deutschland nicht ausreichen, um den derzeitigen Dieselölbedarf von 23 Millionen Tonnen jährlich zu decken.


Rohstoffe für die Chemie

Ein wirtschaftlich attraktives Einsatzfeld nachwachsender Rohstoffe ist auch ihre Veredelung in der Chemie. Die Natur erbringt gleichsam vielfältige Synthesevorleistungen, die es geschickt zu nutzen gilt. Derzeit deckt die deutsche chemische Industrie 1,8 Millionen Tonnen beziehungsweise knapp zehn Prozent ihres Rohstoffbedarfs aus pflanzlichen und tierischen Quellen – fast doppelt soviel wie vor zwanzig Jahren. Eingesetzt werden Öle, Fette, Stärke, Cellulose und Zucker (Bild 3).

Öle und Fette sind Ausgangsmaterial für Tenside und Weichspüler, Lacke und Farben, Schmieröle, Weichmacher für Kunststoffe sowie Textil-, Papier- und Lederhilfsmittel. Der überwiegende Teil der jährlich 900000 Tonnen wird importiert; heimische Quellen sind vor allem Rapsöl und Talg.

Stärke wird als funktionelles Polymer zum Verdicken, Binden, Kleben oder zur Ausbildung von Filmen genutzt. Der Verbrauch liegt bei etwa 465 000 Tonnen pro Jahr. Viele stärkehaltige Produkte sind uns aus dem täglichen Leben vertraut, zu ihnen zählen Zahnpasten, Arzneimittel, Papier und Pappe, Textilien und auch Baustoffe.

Jährlich 250 000 Tonnen Cellulose werden zu Fasern, Folien und Filmen verarbeitet, aus denen wiederum Filtermaterialien, Thermoplaste, Lackrohstoffe und Hilfsstoffe für vielerlei Anwendungen entstehen. Dagegen nimmt sich der Verbrauch von 32000 Tonnen Zucker pro Jahr für biotechnologische Prozesse und zur Synthese von Vitaminen und Polyurethanen eher bescheiden aus. Rund 100000 Tonnen weiterer biologischer Substanzen wie Proteine, Steroide, Kolophonium und andere Pflanzeninhaltsstoffe werden zu Klebstoffen, Folien und anderen Spezialprodukten sowie zu Arzneimitteln verarbeitet.


Alte Produkte – neue Verfahren

Diese Einsatzgebiete nachwachsender Rohstoffe sind großenteils historisch gewachsen. Bei neuen Anwendungen, die mit einer Verschiebung der Rohstoffbasis einhergehen, ergibt sich das Problem, sie in die Produktstruktur der chemischen Industrie einpassen zu müssen, die für ihre Zwecke ein leistungsfähiges Baukasten- und Verbundsystem aufgebaut hat. Aus Rohstoffen werden Grund- und daraus Zwischenprodukte hergestellt. Diese dienen schließlich als funktionalisierte Bausteine zum Aufbau des eigentlichen Produkts.

Für fossile Rohstoffe ist diese Wertschöpfungskette erprobt und arbeitet sehr wirtschaftlich. Etablierte Grundprodukte sind beispielsweise Benzol, Toluol, Ethylen und Propylen. Während Erdöl durch ein günstiges Verhältnis von Kohlenstoff- zu Wasserstoff-Anteilen der Produktion dieser Substanzen entgegenkommt, sind sie aus nachwachsenden Rohstoffen – meist hochfunktionalisierten, sauerstoffhaltigen Substanzen – nicht wirtschaftlich zu gewinnen. Benzol aus fast doppelt so teurem und chemisch sehr viel komplizierter aufgebautem Rapsöl herzustellen wäre beinahe, als wollte man Ziegelsteine statt aus Sand und Ton aus Siliciumchips fertigen.

Wirtschaftlich kann es dagegen sein, aus nachwachsenden Rohstoffen direkt Zwischenprodukte zu erzeugen (Bild 4). Eine biologische Substanz bietet dafür um so bessere Chancen, je genauer die gewünschte molekulare Struktur schon in ihr vorgegeben ist.

Die hohe Sauerstoff-Funktionalität von Kohlenhydraten wie Stärke und Zucker erweist sich beispielsweise als vorteilhaft für die Synthese sauerstoffreicher Zwischenprodukte. Außer Butan- und Propandiol gehört dazu insbesondere die Acrylsäure. Sie ist unter anderem ein Baustein für Lacke, Farben und Klebstoffe; pro Jahr werden in westlichen Ländern etwa 2,8 Millionen Tonnen davon hergestellt. Der etablierte Syntheseweg basiert auf der Oxidation des petrochemischen Grundstoffes Propen. Als Alternative wurde dazu jetzt die Dehydratisierung von Milchsäure entwickelt, die sich durch Fermentation aus Zucker gewinnen läßt. Allerdings befindet sich diese Methode noch im Laborstadium und ist optimierungsbedürftig.

Aus Zucker läßt sich durch katalytische Spaltung bei hohen Temperaturen und Drücken auch das Frostschutzmittel Propandiol (besser bekannt unter dem Handelsnamen Glysantin) gewinnen. Dieses Verfahren muß gleichfalls noch verbessert werden, ehe es mit der herkömmlichen Synthese aus Propen konkurrieren kann. Seine Wirtschaftlichkeit hängt freilich auch von der Entwicklung der Rohstoffpreise ab.

Öle und Fette sind günstige Ausgangsstoffe für Tenside und Kunststoffe, die wie sie eine langkettige Struktur haben. Auf ihrer Basis werden außerdem bereits mehrfach ungesättigte Fettsäuren als Bindemittel für Farben und Lacke hergestellt (Bild 5). Bei Anstrichfarben für Gebäude und bei Autoreparaturlacken waren das in Deutschland 1990 immerhin rund 170000 Tonnen. Den Reaktionsgemischen aus aromatischen Dicarbonsäuren und mehrwertigen Alkoholen zugesetzt, verleihen sie den Lacken nach der Vernetzung mechanische Festigkeit und Glanz.

Ein weites Feld für nachwachsende Rohstoffe eröffnet naturgemäß die Biotechnologie: Man läßt Mikroorganismen, die sich von bestimmten pflanzlichen Stoffen ernähren, daraus gleichzeitig die gewünschte Substanz erzeugen. So produziert man auf der Basis von Kohlenhydraten vor allem pharmazeutisch und medizinisch wichtige Produktgruppen wie Alkohole, organische Säuren, Aminosäuren, Biopolymere, Antibiotika, Proteine und Lipide (Bild 6). Als wichtige Veredelungsprodukte werden bereits Citronensäure, Glutaminsäure, Lysin, Milchsäure und Vitamine biotechnologisch hergestellt. Ein erfolgreiches Beispiel ist die Produktion von Vitamin B2: Während die klassische Synthese eine fünfstufige Reaktionssequenz erfordert, wird der Wirkstoff schon heute biotechnologisch aus Pflanzenöl in einem Reaktionsschritt gewonnen.


Neue Materialien

Statt bekannte Produkte nach neuen Verfahren aus nachwachsenden Rohstoffen zu erzeugen, kann man auch völlig neue Produkte daraus entwickeln, die etablierten gleichwertig oder womöglich überlegen sind, vielleicht sogar keinerlei Vorbild haben. Ein Beispiel sind Poly-urethane wie Schaum- und Klebstoffe, deren Alkoholkomponente aus ungesättigten Fettsäuren hergestellt wird. Aufgrund der andersartigen Struktur, insbesondere ihrer langen Alkylreste, haben sie neue Eigenschaften. Die höhere Fettlöslichkeit zeigt sich beispielsweise in einem besseren Klebeverhalten in der Matrix von Verbundwerkstoffen.

Als wichtiges Argument für Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen wird oft auch die biologische Abbaubarkeit angeführt. Eine Studie des Bundesministeriums für Forschung und Technologie (BMFT) bezifferte 1990 den heimischen Bedarf an biologisch abbaubaren Produkten auf eine Million Tonnen pro Jahr, was etwa zehn Prozent der derzeit vermarkteten Kunststoffmenge entspricht. Nun wäre es freilich ein Trugschluß anzunehmen, Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen seien wegen ihres natürlichen Ursprungs allesamt biologisch abbaubar. Außerdem ist diese Eigenschaft unter Umständen gar nicht günstig – meist wird lange Haltbarkeit gewünscht.

Trotzdem wurden in den letzten Jahren mehrere solcher Biokunststoffe entwickelt, beispielsweise Kombinationen von Stärke mit anderen Polymeren wie Polyhydroxybutyrat und Polylaktid; einige stehen vor der Vermarktung. Interessant ist auch die Verwendung von Cellulose. Quervernetzt kann sie Superabsorber auf Polyacrylbasis ersetzen und somit einen Beitrag dazu leisten, das Müllproblem der Babywindeln und ähnlicher Hygieneartikel zu lösen. Auch in der Werkstoffentwicklung haben pflanzliche Produkte gute Aussichten, beispielsweise Glas- und Mineralfasern in Verbundmaterialien zu ersetzen. Ihr Markterfolg wird allerdings davon abhängen, ob die Verbraucher bereit sind, höhere Preise zu zahlen; nach heutiger Kenntnis liegen diese etwa drei- bis fünfmal so hoch wie bei den Standardkunststoffen Polyethylen und Polypropylen.

Nachwachsende Rohstoffe bilden alles in allem keine alternative, sondern eine zusätzliche Rohstoffbasis für die Energiewirtschaft und die chemische Industrie. Sie erhöhen die Flexibilität in der Stoffauswahl und erschließen ein Innovationspotential für neue Produkte und Prozesse. Voraussetzung für ihren Einsatz ist, um dies nochmals zu betonen, daß die Synthesevorleistungen der Natur in der angestrebten Substanz genutzt werden können. Höherveredelte Stoffe mit komplexer Struktur wie Zwischenprodukte, Fein- und Spezialchemikalien oder spezielle Kunststoffe stellen mithin das aussichtsreichste Einsatzgebiet dar. Oft ist es aber auch eine Frage politischer Rahmenbedingungen, ob sich pflanzliche (oder auch tierische) Rohstoffe gegenüber etablierten Materialien auf dem Markt durchsetzen können.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 1994, Seite 96
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