Nachhaltiges Design chemischer Prozesse mittels Life Cycle Sustainability Assessment
Die UN setzen mit den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) ein starkes, globales Zeichen, wobei die chemische Industrie mit dem Ansatz einer nachhaltigen Chemie eine Schlüsselrolle einnimmt. Schon im Design neuer chemischer Prozesse ist es daher entscheidend, Nachhaltigkeitsaspekte zu berücksichtigen. Die Anwendung von Ökobilanzmethoden (LCA) in frühen Phasen der Prozessentwicklung erlaubt es, bemerkenswerte Reduktionen der Umweltbelastungen schon früh zu gewährleisten. Komplementär zur LCA dient eine techno-ökonomische Bewertung (TEA) und zunehmend auch die Lebenszykluskostenanalyse (LCC) dazu, ökologisch-ökonomische Zielkonflikte aufzudecken. Doch die dritte Dimension in Form der noch jungen und viel diskutierten Sozial-Bilanz (SLCA) wird in diesen Phasen nicht bewertet. Wie lassen sich alle drei Dimensionen zusammenführen, um im Sinne des Life Cycle Sustainability Assessments (LCSA) eine ganzheitliche Nachhaltigkeitsbewertung chemischer Prozesse zu ermöglichen?
Um dieser Frage nachzugehen, soll in diesem Promotionsvorhaben eine neue LCSA-Methodik erarbeitet werden, mit dem Anspruch, alle drei Dimensionen bereits in frühen Entwicklungsphasen, im Übergang vom Labor- zum technischen Maßstab, zu integrieren. Die Methodenentwicklung wird in zwei Schritten erfolgen, welche jeweils einen spezifischen Bereich potentiell umweltschonender Technologien adressieren: Schritt 1 befasst sich mit dem Feld von CO2-Nutzungstechnologien (Carbon Capture and Utilisation, CCU), Schritt 2 baut darauf auf und befasst sich mit konkreten Fallbeispielen alternativer Lösungsmittelsysteme, im Besonderen Wasser mit Tensiden als Hilfsstoff (mizellare Systeme).
Ziel des ersten Schrittes ist die Entwicklung eines Leitfadens für die Vereinbarkeit von LCA (ökologisch) und TEA (ökonomisch) bei der Bewertung nachhaltiger CCU Technologien. Dieser Schritt wird in Kooperation mit dem EIT Climate KIC geförderten Projekt "TEA Guide" durchgeführt . Im zweiten Schritt wird untersucht, wie methodische Erkenntnisse aus Schritt 1 auf die Technologieklasse der mizellaren Systeme übertragen werden können. Als Fallbeispiele für mizellare Systeme dienen Prozesse, welche im Rahmen des Sonderforschungsbereichs InPROMPT an der TU Berlin erforscht werden. Da diese wässrigen Systeme organische Lösungsmittel in einer Vielzahl chemischer Verfahren ersetzen können, haben sie immenses Nachhaltigkeitspotential und ebnen den Weg hin zu einer ressourceneffizienten Chemieindustrie. Bisher wurde der dreidimensionale Bewertungsansatz LCSA auf diese Systeme noch nicht angewendet. In dieser Arbeit soll dies begleitend zur Forschung und zu Scale-up Untersuchungen für den Miniplant-Maßstab nun erstmals durchgeführt werden. Ausgehend von bekannten Ansätzen liegt der Schwerpunkt dabei auf der methodischen Weiterentwicklung ausgewählter Herausforderungen von LCSA in Entwicklungsphasen. Vorgesehen ist die Erarbeitung einer geeigneten Methode zur Zusammenführung der drei Dimensionen, um eine übergreifende Bewertung und Interpretation zu ermöglichen. Grundlage ist die Ermittlung relevanter sozialer Aspekte, Indikatoren sowie geeigneter Gewichtungsfaktoren anhand aktueller Forschungsergebnisse sowie die Entwicklung gezielter Modelle zur transparenten, grafischen Darstellung gewonnener und gewichteter Bewertungsergebnisse. Der entwickelte Ansatz soll den Vergleich von Prozessalternativen zur Entscheidungsfindung vereinfachen und zudem eine einfache Handhabung, die schnelle Rückkopplung von steten Handlungsempfehlungen während der laufenden Prozessentwicklung und optimierte Wege zur Übertragung von Labordaten auf spätere Miniplant-Dimensionen ermöglichen, speziell um die Prozesse auf Eignung als Drop-in-Solution in der Industrie zu prüfen.