Rohstoffgewinnung und Weg eines Produkts

Vom Rohöl zu den Bausteinen

Rohöl ist ein Gemisch aus sehr vielen Kohlenwasserstoffen, vor allem Alkanen unterschiedlicher Kettenlänge. In einer Raffinerie (z. B. in Gelsenkirchen oder Schwedt) wird es zunächst durch fraktionierte Destillation aufgetrennt.

Das Trennprinzip: Das Rohöl wird auf etwa $350\,°\mathrm{C}$ erhitzt und teilweise verdampft. Es strömt in eine Kolonne, die oben kühl und unten heiß ist. Die Dämpfe steigen auf, kühlen ab und kondensieren auf Böden in der Höhe, in der die Temperatur ihrer Siedetemperatur entspricht. So erhält man Fraktionen, also Stoffgemische mit ähnlichem Siedebereich, keine Reinstoffe.

Je länger die Kohlenstoffkette, desto größer sind die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Molekülen, denn es gibt mehr Kontaktfläche. Dann ist mehr Energie nötig, um die Moleküle voneinander zu trennen, und die Siedetemperatur steigt. Kurze Ketten sieden also weit oben in der Kolonne, lange Ketten weit unten.

Cracken: aus langen Ketten werden Bausteine

Die Nachfrage nach Benzin und nach kurzkettigen Alkenen ist größer als das Angebot in der Rohöl-Destillation. Deshalb werden langkettige Alkane beim Cracken gespalten. Beim thermischen Cracken (im Steamcracker mit Wasserdampf bei etwa $850\,°\mathrm{C}$) wird dazu das Naphtha (Leichtbenzin) verwendet.

Beispiel: Decan wird zu einem kürzeren Alkan und einem Alken gespalten.

Die Atomanzahl bleibt erhalten: links $10$ C und $22$ H, rechts $8+2=10$ C und $18+4=22$ H. Es entsteht mindestens ein Alken (C=C-Doppelbindung); im Steamcracker bilden sich vor allem Ethen und Propen, daneben auch Wasserstoff. Bei der Spaltung einer C–C-Bindung entstehen zunächst Radikale; durch Verschiebung eines H-Atoms bilden sich ein Alkan und ein Alken.

Warum nur bei hoher Temperatur? C–C-Bindungen sind stabil (etwa $350\,\mathrm{kJ/mol}$). Es muss viel Energie zugeführt werden, um sie zu brechen. Die Reaktion ist stark endotherm. Zudem nimmt die Anzahl der Teilchen zu, was die Entropie erhöht, und das begünstigt die Spaltung bei hoher Temperatur.

Warum ist Ethen so wichtig? Ethen und Propen sind die wichtigsten Monomere der Kunststoffchemie. Aus Ethen entsteht durch Polymerisation Polyethen (PE), aus Propen Polypropen (PP). Aus Ethen wird außerdem Ethan-1,2-diol hergestellt, ein Monomer für PET.

Nachwachsende Rohstoffe und Bioethanol

Rohöl ist ein fossiler Rohstoff: Er hat sich über Millionen Jahre gebildet und wird auf menschlichen Zeitskalen nicht neu. Nachwachsende Rohstoffe stammen dagegen aus Pflanzen oder anderen Organismen und werden in überschaubarer Zeit (Jahre) neu gebildet, z. B. Mais, Zuckerrüben, Zuckerrohr oder Holz.

Daraus lassen sich Kunststoffe gewinnen. Beispiele:

• PLA (Polymilchsäure) aus Milchsäure, die aus Stärke oder Zucker fermentiert wird,

• Bio-Ethen aus Bioethanol durch Dehydratisierung: $\mathrm{C_2H_5OH \rightarrow C_2H_4 + H_2O}$ (Wasserabspaltung, Eliminierung),

• biobasiertes Ethan-1,2-diol als Monomer für teilweise biobasiertes PET.

Wichtig: biobasiert heißt nur, dass der Rohstoff nachwächst. Es sagt nichts darüber aus, ob der Kunststoff biologisch abbaubar ist. Bio-Polyethen aus Zuckerrohr ist chemisch identisch mit Polyethen aus Erdöl und genauso beständig. Umgekehrt gibt es abbaubare Kunststoffe aus Erdöl.

PET besteht aus Terephthalsäure (Benzol-1,4-dicarbonsäure) und Ethan-1,2-diol. Beide Monomere verbinden sich über die Esterbindung unter Abspaltung von Wasser (Kondensationsreaktion, wie bei der Estersynthese):

Die Reaktion setzt sich an beiden Enden fort und führt zum Polyester.

Auch für nachwachsende Rohstoffe gibt es einen Weg des Produkts: Mais oder Zuckerrübe, Zucker, Gärung zu Bioethanol, Dehydratisierung zu Ethen, Polymerisation zu Polyethen, Produkt, Verwertung. Ab dem Ethen verläuft die Kette wie beim erdölbasierten Weg.

Der Weg eines Produkts

Ein Kunststoffprodukt hat einen Lebensweg vom Rohstoff bis zur Verwertung. Für Polyethen-Folie sieht er so aus:

Zur Rohstoffgewinnung gehören die Förderung des Rohöls, der Transport zur Raffinerie und die Aufbereitung. Rohöl wird in der Raffinerie destilliert. Das Naphtha wird im Steamcracker bei etwa $850\,°\mathrm{C}$ zu Ethen und Propen gespalten. Ethen wird zu Polyethen polymerisiert und zu Granulat verarbeitet. Daraus formt man die Folie, die nach der Nutzung gesammelt und verwertet wird.

An fast jeder Stelle wird Energie benötigt, z. B. zum Erhitzen in der Destillation, im Steamcracker, beim Aufschmelzen des Granulats und beim Transport. Rückgewinnung ist über Recycling (Rohstoffe) oder energetische Verwertung (Wärme, Strom) möglich.

Verwertung: werkstofflich, rohstofflich, energetisch

Am Ende der Nutzung gibt es drei Wege.

Werkstoffliches Recycling ist nur für Thermoplaste möglich, denn nur sie lassen sich wieder aufschmelzen. Die Sortierung erfolgt z. B. durch Schwimm-Sink-Trennung nach Dichte (PE und PP schwimmen auf Wasser, PET und PS sinken). Das Recycling braucht Sortenreinheit, also möglichst sortenreine Abfälle: Mischungen und Verschmutzungen verschlechtern die Qualität. Rohstoffliches Recycling verträgt Mischungen besser, braucht aber viel Energie, da die Polymere bei hoher Temperatur gespalten werden. Die energetische Verwertung nutzt den Heizwert, der Kohlenstoff gelangt aber als CO₂ in die Atmosphäre und das Material geht verloren.

Bei der vollständigen Verbrennung von Polyethen $(\mathrm{CH_2})_n$ gilt je Wiederholeinheit:

Bewerten: Ökobilanz und Nachhaltigkeit

Welches Produkt oder welcher Verwertungsweg besser ist, entscheidet man mit Bewertungskriterien. Eine Ökobilanz erfasst über den gesamten Lebensweg Stoff- und Energieströme (z. B. in $\mathrm{CO_2}$-Äquivalenten). Man vergleicht Produkte am besten je Nutzung.

Nachhaltigkeit hat drei Dimensionen:

• ökologisch: Treibhausgase, Ressourcenverbrauch, Müll, Flächen,

• ökonomisch: Kosten, Preis, Verfügbarkeit,

• sozial: Arbeitsbedingungen, Gesundheit, Lebensmittelkonkurrenz.

Prüfen Sie auch die Quelle von Aussagen: Wer hat die Werbeaussage „umweltfreundlich“ gemacht, mit welchem Interesse und auf welcher Datengrundlage? Das hilft, Greenwashing zu erkennen.

Zurück zum Anfang: Die PET-Flasche aus dem Pfandautomaten stammt aus Rohöl oder teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen. Sie wird gesammelt, sortiert und werkstofflich recycelt. Ob dieser Weg „der beste“ ist, lässt sich nur mit mehreren Kriterien und den drei Dimensionen der Nachhaltigkeit beurteilen.

Auf einen Blick

• Rohöl wird durch fraktionierte Destillation nach Siedetemperatur getrennt. Je länger die Kette, desto höher die Siedetemperatur.

• Cracken spaltet langkettige Alkane in kurze Alkane und Alkene (z. B. Ethen, Propen) und braucht hohe Temperatur. Ethen ist wichtigstes Monomer.

• Nachwachsende Rohstoffe (Mais, Zuckerrübe) liefern z. B. Bioethanol (Dehydratisierung zu Ethen) oder PLA. Biobasiert bedeutet nicht automatisch biologisch abbaubar.

• Verwertung: werkstofflich (Regranulat), rohstofflich (Pyrolyse, Monomere) und energetisch (Heizwert, CO₂). Duroplaste und Elastomere lassen sich nicht einschmelzen.

• Bewertung mit Ökobilanz je Nutzung und mit ökologischen, ökonomischen und sozialen Kriterien. Quellen und Interessen kritisch prüfen.