Die globale Erdölraffinerie steht an einem historischen Scheideweg. Seit über einem Jahrhundert ist Rohöl der dominierende Rohstoff für die Herstellung von Kraftstoffen, Schmierstoffen und petrochemischen Bausteinen. Heute, angetrieben von strengeren Umweltvorschriften, Unternehmensverpflichtungen und wachsendem gesellschaftlichen Druck zur Dekarbonisierung, erforschen und integrieren Raffinerien aktiv erneuerbare Rohstoffe in ihre Betriebe. Dieser Übergang ist nicht nur eine schrittweise Verbesserung, sondern ein grundlegendes Umdenken dessen, was eine Raffinerie sein kann: ein flexibler Verarbeitungsknotenpunkt, der in der Lage ist, sowohl fossile als auch erneuerbare Kohlenstoffquellen in sauberere Produkte umzuwandeln. Während die Herausforderungen nach wie vor erheblich sind, entwickelt sich die Dynamik hinter erneuerbaren Rohstoffen in der Erdölraffinerie und weist auf eine Zukunft hin, in der die Raffinerie eine zentrale Rolle in der Kreislaufwirtschaft spielt.

Der Wandel hin zu erneuerbaren Rohstoffen: Treiber und Motivationen

Der Vorstoß für erneuerbare Rohstoffe in der Raffination wird durch mehrere konvergierende Kräfte vorangetrieben. Politische Rahmenbedingungen sind ein Hauptantriebsfaktor: die EU-Richtlinie über erneuerbare Energien (RED II), der US-amerikanische Renewable Fuel Standard (RFS) und der kalifornische Low Carbon Fuel Standard (LCFS) schaffen wirtschaftliche Anreize für kohlenstoffärmere Kraftstoffe. Mechanismen für die CO2-Bepreisung und Emissionshandelssysteme kippen die Wirtschaft weiter zugunsten erneuerbarer Alternativen. Über die Regulierung hinaus verändern der Druck der Investoren und die Nachfrage der Verbraucher nach nachhaltigen Produkten die Unternehmensstrategien. Große Ölunternehmen wie BP, Shell und TotalEnergies haben ehrgeizige Ziele angekündigt, die Produktion erneuerbarer Kraftstoffe aus Altölen, tierischen Fetten und Biomasse auszubauen. Darüber hinaus bietet das Engagement des Luftfahrtsektors für nachhaltige Flugkraftstoffe eine starke Nachfrage nach hydroprozessierten Estern und Fettsäuren (HEFA) und anderen erneuerbaren Wegen. Die Konvergenz dieser Treiber beschleunigt die Forschung und den Einsatz von erneuerbaren Rohstoffen, was erneuerbare Rohstoffe nicht nur zu einer experimentellen Nische macht, sondern zu einer strategischen Priorität für die Raffinerieindustrie.

Schlüsseltypen erneuerbarer Rohstoffe

Nachwachsende Rohstoffe umfassen eine Vielzahl von organischen Materialien, die in Brennstoffe, Chemikalien und Bioprodukte umgewandelt werden können. Das Verständnis ihrer Eigenschaften ist für Raffinerien von entscheidender Bedeutung, wenn sie die tragfähigsten und skalierbarsten Optionen für die Mitverarbeitung oder spezielle Einheiten auswählen.

Altöle und Fette

Gebrauchtes Speiseöl (UCO), tierische Fette (Talg, Gelbfett) und ungenießbares Maisöl gehören zu den kommerziell fortschrittlichsten Rohstoffen. Sie sind reich an Triglyceriden und freien Fettsäuren, wodurch sie sich für die Hydroverarbeitung zur Herstellung von erneuerbarem Dieselkraftstoff und SAF eignen. Das Angebot ist jedoch durch die Sammlungsinfrastruktur und die Konkurrenz durch andere Verwendungen wie Oleochemikalien begrenzt. Die Preise sind volatil und empfindlich auf globale Biodiesel-Mandats.

Pflanzliche Öle

Palmöl, Sojaöl, Rapsöl und Rapsöl sind voll bewährte Rohstoffe, geben aber Anlass zu Bedenken hinsichtlich Landnutzungsänderungen, Entwaldung und Konkurrenz mit der Lebensmittelversorgung. Die Industrie bewegt sich weg von nativen Lebensmittelölen hin zu weniger wirksamen Quellen wie Abfällen und Rückständen. Dennoch sind einige Regionen weiterhin auf natives Öl angewiesen, in dem die Abfallversorgung unzureichend ist.

Lignozellulose-Biomasse

Holzrückstände, landwirtschaftliche Abfälle (Maisstover, Weizenstroh) und Energiepflanzen (Miscanthus, Switchgrass) stellen eine reichere und nicht zur Ernährung im Wettbewerb stehende Ressource dar. Sie müssen durch Vergasung oder Pyrolyse zu Bio-Zwischenprodukten wie Syngas oder Bioöl umgewandelt werden, die dann in einer Raffinerie nachgerüstet werden können. Die Technologiebereitschaft für cellulosehaltige Rohstoffe ist niedriger als für Fette und Öle, aber in kommerziellen Anlagen werden bedeutende Fortschritte erzielt.

Algen

Mikroalgen und Makroalgen bieten das Potenzial für hohe Ölerträge pro Hektar, ohne um landwirtschaftliche Flächen zu konkurrieren. Trotz jahrzehntelanger Forschung sind die Kosten für Anbau, Ernte und Ölförderung für die großtechnische Kraftstoffproduktion nach wie vor unerschwinglich. Algen werden eher in höherwertige Märkte (Nutrazeutika, Kosmetika) vor der Skalierung in Rohstoffkraftstoffe eintreten, aber Durchbrüche in der Gentechnik und im Photobioreaktordesign könnten die Kostenkurve schließlich verändern.

Kunststoffabfälle (Chemisches Recycling)

Während Altkunststoffe sich von Biomasse-basierten Rohstoffen unterscheiden, stellen sie eine wachsende Quelle für erneuerbare oder kreislaufbasierte Rohstoffe dar. Pyrolyse und Depolymerisation wandeln gemischte Kunststoffabfälle in flüssige Kohlenwasserstofffraktionen (Naphtha, Wachse, Öle) um, die in einen Steamcracker oder Hydrocracker zur Herstellung von Olefinen und neuen Kunststoffen eingespeist werden können. Dies entspricht dem Konzept einer Kreislaufwirtschaft und reduziert die Nachfrage nach fossilen Rohstoffen.

Technologien ermöglichen die Integration in Raffinerien

Raffinerien setzen eine Reihe von Technologien ein, um erneuerbare Rohstoffe zu handhaben, indem sie sie entweder zusammen mit Rohölfraktionen in bestehenden Einheiten mitverarbeiten oder indem sie spezielle Anlagen bauen.

Hydroprocessing (HEFA Route)

Die Hydroverarbeitung ist die kommerziell ausgereifteste und am weitesten verbreitete Technologie für erneuerbare Rohstoffe. Dabei werden Triglyceride und freie Fettsäuren aus Ölen und Fetten mit Wasserstoff bei hohen Temperaturen und Drücken über spezialisierte Katalysatoren umgesetzt. Die Reaktion entfernt Sauerstoff in Form von Wasser (Hydrodesoxygenierung) und Kohlendioxid (Decarboxylierung), wobei geradkettige Paraffine entstehen. Diese n-Paraffine werden dann isomerisiert und geknackt, um erneuerbaren Diesel, Flugkraftstoff und Naphtha zu produzieren. Neste, ein weltweit führendes Unternehmen, stellt seit über einem Jahrzehnt erneuerbaren Diesel aus Altölen her.

Pyrolyse und Upgrade

Schnelle Pyrolyse zersetzt lignozellulosehaltige Biomasse thermisch in Abwesenheit von Sauerstoff, um Bioöl, Pflanzenkohle und nicht kondensierbare Gase zu produzieren. Rohes Bioöl ist sauer, sauerstoffreich und instabil, so dass die Hydrodeoxygenierung mit Raffinerieanlagen kompatibel ist. Das daraus resultierende verbesserte Bioöl kann neben Rohöl in eine FCC-Anlage oder einen Hydrocracker eingespeist werden. Mehrere Demonstrations- und Handelsanlagen, darunter die von Ensyn und Honeywell UOP, produzieren auf diesem Weg zellulosehaltigen erneuerbaren Diesel. Die Herausforderung sind die hohen Kosten für die Aufrüstung aufgrund des Wasserstoffbedarfs und der Katalysatorverschmutzung durch Oxygenate und Mineralien.

Vergasung und Fischer-Tropsch-Synthese

Die Vergasung wandelt kohlenstoffhaltige Rohstoffe in Synthesegas (CO + H2) um, das gereinigt und katalytisch in Kohlenwasserstoffflüssigkeiten über Fischer-Tropsch (FT)-Synthese umgewandelt werden kann. Die Technologie ist für Kohle und Erdgas (GTL) gut etabliert und wird mit Biomasse und Abfall demonstriert. Die Produkte (Naphtha, Diesel, Wachse) sind praktisch identisch mit Erdöl-abgeleiteten Äquivalenten. Velocys ist ein bemerkenswerter Entwickler von kleinmaßstäblichen Vergasungs-zu-Flüssigkeiten-Anlagen. Kapitalintensität und Maßstab sind wichtige Barrieren, aber der Kraftstoff gilt als "Drop-in", der keine Änderungen am Brennstoffverteilungsnetz erfordert.

Biochemische Umwandlung (Fermentation und anaerobe Verdauung)

Mikroorganismen und Enzyme können Zucker und Stärke (erste Generation) oder lignozellulosehaltige Hydrolysate (zweite Generation) in Ethanol, Butanol oder andere Alkohole umwandeln. Diese Alkohole können zu Olefinen (Ethylen, Propylen) für die chemische Produktion dehydratisiert oder Benzin (Ethanol) beigemischt werden. Die Herstellung von cellulosehaltigem Ethanol im kommerziellen Maßstab ist langsamer als erwartet verlaufen, wobei Unternehmen wie POET-DSM und Abengoa vor technischen und finanziellen Hürden stehen. Die Fortschritte bei technischen Hefe- und Enzymcocktails verbessern jedoch die Erträge und senken die Kosten.

Katalytisches Upgrade von Biomasse-abgeleiteten Intermediaten

Neue katalytische Wege werden entwickelt, um Biomasse-Einsatzstoffe ohne separate Synthesegas- oder Pyrolyseschritte direkt in Drop-in-Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. Beispiele sind die katalytische schnelle Pyrolyse, die wässrige Phase und die Hydrodeoxygenierung von Bioöl an Edelmetallkatalysatoren. Diese Routen, die von Institutionen wie dem National Renewable Energy Laboratory (NREL) und Unternehmen wie Anellotech entwickelt wurden, versprechen eine geringere Kapitalintensität und höhere Kohlenstoffeffizienz, bleiben aber in der Pilot- oder Demonstrationsphase.

Herausforderungen in Skalierung und Wirtschaft

Trotz rascher Fortschritte steht die weit verbreitete Einführung erneuerbarer Rohstoffe in die Raffination vor erheblichen Hindernissen.

Rohstoffkosten und Verfügbarkeit

Altöle und Fette sind nur begrenzt verfügbar; die weltweite Sammlung von UCO wird auf etwa 10 bis 15 Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt, genug, um einen kleinen Teil der Erdöldieselnachfrage zu ersetzen. Pflanzliche Öle sind häufiger vorhanden, konkurrieren aber mit Lebensmitteln und haben einen höheren Boden- und Wasserfußabdruck. Lignozellulose-Einsatzmaterialien erfordern eine teure Logistik für Sammlung, Lagerung und Vorbehandlung, was 20 bis 40 % der Gesamtkosten ausmacht. Die Preisvolatilität der Rohstoffe ist eine anhaltende Herausforderung für die Projektfinanzierung.

Infrastruktur- und Kapitalanforderungen

Bestehende Raffinerieanlagen (Hydrotreater, FCCs, Reformer) sind für Erdölfraktionen ausgelegt. Umrüstungen für sauerstoffreiche, saure oder mineralische Rohstoffe erfordern Investitionen in korrosionsbeständige Materialien, neue Futtereinspritzsysteme, Abwasserbehandlung und Wasserstoffversorgung. Die Integration in spezielle Anlagen (z. B. eine Hydrodeoxygenierungsstufe vor der FCC) erhöht die Investitionsausgaben. Die Amortisationszeit für solche Investitionen ist ungewiss, insbesondere wenn die Einnahmen aus CO2-Krediten mit den Politikzyklen schwanken.

Wasserstoffverbrauch und Kohlenstoffintensität

Technologien für die Hydroverarbeitung von sauerstoffreichen Rohstoffen erfordern erheblichen Wasserstoff, der oft aus der Erdgasreformierung mit damit verbundenen CO2-Emissionen gewonnen wird. Sofern der Wasserstoff nicht aus der grünen Elektrolyse stammt oder die Reformer mit Kohlenstoffabscheidung ausgestattet sind, kann die Kohlenstoffintensität des Endbrennstoffs die erwarteten Reduktionen möglicherweise nicht erreichen. Der blaue Wasserstoffweg (Reformierung + CCS) oder die direkte Nutzung von erneuerbarem Wasserstoff ist entscheidend für die Maximierung des Umweltnutzens.

Katalysatorleistung und Deaktivierung

Nachwachsende Rohstoffe tragen Verunreinigungen (Chloride, Metalle, Phosphor, Alkali), die Katalysatoren für die Hydroprozessierung vergiften. Katalysatorzyklen sind kürzer und die Regeneration wird komplexer, was die Betriebskosten erhöht. Die Forschung an robusteren Katalysatoren, einschließlich solcher auf der Basis von NiMo- und CoMo-Trägern, die mit Promotoren modifiziert sind, um der Deaktivierung zu widerstehen, wird fortgesetzt.

Regulatorische Unsicherheit

Während die Politik das Wachstum angekurbelt hat, bleibt die Branche für erneuerbare Kraftstoffe anfällig für Mandatsänderungen, Handelsstreitigkeiten und Subventionsausfälle. Der Auslaufen der Steuergutschrift des US-Mixers, periodische Anpassungen der RFS-Volumenverpflichtungen und die unterschiedliche Behandlung indirekter Landnutzungsänderungen in EU-Richtlinien schaffen Marktunsicherheit. Investoren benötigen stabile, langfristige politische Signale, um Kapital für neue Kapazitäten für erneuerbare Kraftstoffe zu binden.

Chancen und Zukunftspotenziale

Trotz dieser Herausforderungen ist die Chance für erneuerbare Rohstoffe in der Raffination transformativ.

Reduktion des CO2-Fußabdrucks

Durch die Einführung erneuerbarer Kraftstoffe können die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu ihren fossilen Brennstoffen je nach Rohstoff und Prozess um 50 bis 90 % reduziert werden. Für schwer elektrifizierende Sektoren wie den Luft-, See- und Schwerlastverkehr sind diese Kraftstoffe die tragfähigste kurzfristige Dekarbonisierungsoption. Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert, dass sich die nachhaltige Biokraftstoffproduktion bis 2030 verdreifachen muss, um Netto-Null-Ziele zu erreichen.

Kohlenstoffzirkulation

Raffinerien, die nachwachsende Rohstoffe und chemisches Recycling von Kunststoffen integrieren, werden zu Knotenpunkten in einem zirkulären Kohlenstoffsystem. Abfallstoffe werden in die Wertschöpfungskette zurückgeführt, anstatt verbrannt oder deponiert zu werden. Das Konzept des "molekularen Recyclings" - das Rückführen von Polymeren in Monomere oder Kohlenwasserstoff-Zwischenprodukte - passt zu den Stärken einer Hydrocracker- oder FCC-Einheit. Unternehmen wie Eastman und Dow investieren in diesen Ansatz.

Co-processing als Brückenstrategie

Durch die gemeinsame Verarbeitung kleiner Anteile (in der Regel 5-20 %) erneuerbarer Rohstoffe in bestehenden Hydrotreatern, FCC-Einheiten und Kokereien können Raffinerien Erfahrungen sammeln, ohne eigene Anlagen zu bauen. Dieser Ansatz reduziert den anfänglichen Kapitalaufwand und bietet einen Weg für einen schrittweisen Übergang. Viele Raffinerien, darunter Marathon Petroleum und Phillips 66, haben Bioöle in FCC-Einheiten im Pilot- und Handelsmaßstab erfolgreich mitverarbeitet. Die Produkte sind vollständig mit herkömmlichen Brennstoffen fungibel.

Über Kraftstoffe hinaus expandieren: Biobasierte Chemikalien

In der Raffinerie geht es nicht nur um Energie, sondern um die Quelle der meisten petrochemischen Bausteine. Durch die Umstellung der Rohstoffe auf biobasierte Quellen können Raffinerien erneuerbares Naphtha für Ethylencracker, biobasierte BTX-Aromaten und erneuerbares Propan herstellen. Damit werden margenstärkere Märkte erschlossen. Der Massenbilanzansatz, bei dem zertifizierte nachwachsende Materialien bestimmten Produktströmen durch die Lieferkette zugeordnet werden, gewinnt in der chemischen Industrie an Zugkraft.

Industriebeispiele und realer Fortschritt

Mehrere Unternehmen demonstrieren bereits die Lebensfähigkeit von erneuerbaren Rohstoffen bei der Raffination im kommerziellen Maßstab.

  • Neste ist der weltweit größte Hersteller von erneuerbarem Diesel und SAF aus Altölen und -fetten mit einer Kapazität von mehr als 5 Millionen Tonnen pro Jahr. Die Raffinerien in Porvoo und Rotterdam sind eigene Hydroverarbeitungsanlagen (NEXBTL). Neste erforscht auch verflüssigte Kunststoffabfälle als Ausgangsmaterial.
  • Phillips 66 (USA) hat in seinen Raffinerien in San Francisco und Wood River Bioöle mitverarbeitet und erreicht täglich tausende Barrel erneuerbaren Benzins und Diesels. Das Unternehmen plant, die San Francisco Raffinerie (Rodeo-Anlage) bis 2024 zu einer 100% erneuerbaren Rohstoffanlage umzubauen.
  • TotalEnergies (Frankreich) hat Pflanzenöle in der Grandpuits-Raffinerie mitverarbeitet und baut eine eigene HEFA-Einheit in La Mède, neben einer Solarfarm und einer Bioraffinerie für medizinische Handgele.
  • Ensyn (USA/Kanada) betreibt mehrere kommerzielle Pyrolyseanlagen, die Holzrückstände in RTPTM-Bioöl umwandeln, das dann in seiner Raffinerie in Pennsylvania (Partnerschaft der Renewable Energy Group) auf erneuerbares Benzin und Diesel umgerüstet wird.
  • Velocys (Vereinigtes Königreich, USA) entwickelt kommerzielle Anlagen zur Vergasung von Siedlungsabfällen zur Herstellung von Flugkraftstoff über Fischer-Tropsch, wobei das Altalto-Projekt (UK) als Flaggschiff dient.

Diese Beispiele zeigen, dass die Technologie bewährt ist und wirtschaftlich lebensfähig sein kann, insbesondere in Regionen mit starker politischer Unterstützung und hohen CO2-Kreditpreisen.

Die Rolle von Politik und Investitionen

Das Tempo, mit dem erneuerbare Rohstoffe in das Raffineriesystem eindringen, ist eng mit der Regierungspolitik und privaten Investitionen verknüpft. CO2-Preisgestaltung, CO2-arme Kraftstoffstandards und Mischmandate schaffen Märkte für erneuerbare Kraftstoffe, während Zuschüsse und Darlehen die Absicherung von Erstprojekten garantieren. Der US-Inflationsreduktionsgesetz (IRA) beinhaltet erhebliche Steuergutschriften für nachhaltige Flugkraftstoffe, sauberen Wasserstoff und CO2-Abscheidung, die alle direkt von Projekten für erneuerbare Kraftstoffe profitieren. Ebenso unterstützen der Europäische Innovationsfonds und die Programme von Horizon Europe die groß angelegte Demonstration fortschrittlicher Biokraftstofftechnologien. Auch private Investitionen fließen: Risikokapital und Unternehmens-Venture-Arms investieren in neuartige Umwandlungstechnologien - von katalytischen Routen bis hin zu synthetischen Biologie-Ansätzen -, die höhere Erträge und geringere Kosten versprechen. Die Synergie zwischen öffentlicher Politik, Unternehmens-FuE und Risikoinvestitionen wird bestimmen, wie schnell diese Technologien skalieren.

Fazit: Ein strategischer Übergang, keine Revolution

Die Integration erneuerbarer Rohstoffe in die Erdölraffination ist keine Revolution über Nacht, sondern ein strategischer, jahrzehntelanger Übergang. Die grundlegenden Einheitenbetriebe – Destillation, Hydroverarbeitung, Cracking, Reformierung – bleiben relevant; was sich ändert, ist die Quelle der Kohlenstoffmoleküle, die in die Haustür gelangen. Durch die Einbeziehung eines vielfältigen Portfolios von Rohstoffen – Ölabfällen, Biomasse, Kunststoffen und schließlich abgeschiedenem CO2 – können Raffinerien ihre Kohlenstoffintensität reduzieren und gleichzeitig wichtige Produkte produzieren. Der Weg nach vorne erfordert nachhaltige Investitionen in neue Technologien, kooperative politische Rahmenbedingungen und die Bereitschaft, neben ehrgeizigen Pilotprojekten schrittweise Fortschritte zu akzeptieren. Für die Industrie wird die Zukunft der Raffination nicht durch das Ende des Öls bestimmt werden, sondern durch den Beginn einer wirklich kohlenstoffverwalteten Ära, in der erneuerbare Rohstoffe eine zentrale Rolle spielen. Die Raffinerien, die sich heute anpassen, werden die Führer des CO2-armen Energiesystems von morgen sein.