Über 99 Prozent der meistproduzierten Chemikalien sind nicht nachhaltig; ihre Herstellung basiert auf fossilen Rohstoffen und verbraucht mehr natürliche Ressourcen, als sie die Erde langfristig zur Verfügung stellen kann. So lautet das Fazit eines an der ETH Zürich entwickelten Nachhaltigkeitstests, der erstmals absolute Zahlen zur globalen Umweltbelastung durch die chemische Industrie liefert.
«Unsere Methode vergleicht den Ressourcenverbrauch von Chemikalien mit dem ökologischen Budget unseres Planeten – das ist ein neuer Ansatz», sagt Gonzalo Guillén Gosálbez, Professor für chemische Verfahrenstechnik an der ETH Zürich. Er leitete die kürzlich im Fachjournal Green Chemistrycall_made veröffentlichte Studie gemeinsam mit Javier Pérez-Ramírez, Professor für Katalyse-Engineering an der ETH.
Die heute in der Chemiebranche übliche Praxis zur Nachhaltigkeitsprüfung ist, den CO2-Fussabdruck eines bestimmten Produktes zu berechnen – vom Rohstoff über die Produktion, bis hin zur Entsorgung. Diese sogenannte Lebenszyklusanalyse erlaubt zwar einen Vergleich zwischen verschiedenen Produktionsarten. Sie eignet sich jedoch nur bedingt, um die Auswirkungen auf natürliche Ökosysteme abzuschätzen.
Dass solche Lebenszyklusanalysen und auch andere Ökobilanzen oft nur die CO2-Emissionen berücksichtigen, stört Pérez-Ramírez. «Der Klimawandel ist nicht das einzige Problem», sagt er. «Wenn wir uns nur auf Lösungen konzentrieren, die den CO2-Ausstoss senken, verlagern wir die Probleme womöglich in einen anderen Bereich und verschlimmbessern die Umweltsituation sogar.»
«Grüne» Treibstoffe sind nicht immer nachhaltig
Wie solche ökologische Kollateralschäden entstehen können, erklärt Pérez-Ramírez am Beispiel der Biotreibstoffe: Wenn fossile Energieträger durch pflanzliche Rohstoffe wie Mais oder Holz (sogenannte Biotreibstoffe der ersten Generation) ersetzt werden, gelangt deutlich weniger neues CO2 in die Atmosphäre. Um die dazu notwendige Biomasse zu produzieren, braucht man allerdings grosse Anbauflächen, viel Wasser und auch Dünger.
Das erklärte Ziel der beiden Forscher war es daher, eine umfassendere Ökobilanz für Chemikalien zu erstellen- und dabei einen direkten Bezug zum Ressourcenbudget der Erde herzustellen. Ihre Berechnungen stützen sie auf die sogenannten planetaren Belastungsgrenzen. Das wissenschaftliche Konzept beschreibt den Einfluss des Menschen auf die sieben wichtigsten Umweltphänomene wie den Biodiversitätsverlust und die veränderte Landnutzung.
Für jede dieser planetaren Belastungsgrenzen hat die Wissenschaftsgemeinde bereits Grenzwerte definiert, deren Überschreiten unumkehrbare und die Erde bedrohende Umweltveränderungen haben könnte. Die veränderte Landnutzung wird beispielsweise am globalen Verlust der Waldfläche gemessen.
In der aktuellen Studie haben die Wissenschaftler berechnet, ob und wie stark die weltweite Produktion von insgesamt 492 Chemikalien, die Grenzwerte von sieben planetaren Belastungsgrenzen überschreiten. Die ETH-Forschenden verknüpften dazu bestehende Daten und Bilanzierungsmodelle zu Rohstoffbeschaffung, Lieferkette und den verschiedenen Produktionsschritten auf globaler Ebene.
Das Resultat: Über 99 Prozent der untersuchten Chemikalien sprengen mindestens eine planetare Belastungsgrenze. Nur gerade drei der Chemikalien stuft die neue Methode als ökologisch nachhaltig ein.
Erdöl ist die Grundzutat vieler Chemikalien
«Dass fast alle untersuchten Chemikalien umweltschädlich sind, hat uns kaum überrascht», sagt Pérez-Ramírez. Denn: Heute wird das Kohlenstoff-Grundgerüst, aus dem die meisten Chemikalien bestehen, noch immer zu über 85 Prozent aus fossilen Rohstoffen gewonnen.
«Wenn schon die Basischemikalien aus Erdöl bestehen, sind auch alle daraus entstehenden Produkte nicht nachhaltig», sagt Pérez-Ramírez. Die auf den menschliche Treibhausgas-Ausstoss zurückführenden Belastungsgrenzen – Klimawandel, Ozeanversauerung und Unversehrtheit der Biosphäre – haben denn auch mit Abstand am meisten Chemikalien überschritten.
Die Forscher waren aber überrascht, dass einige Chemikalien die Belastungsgrenzen der Erde um mehr als das 100-fache überschreiten.
Hin zu nachhaltigeren Produktionsverfahren
Dass die Chemieindustrie vom Einsatz fossiler Rohstoffe wegkommen muss, ist längst bekannt. Nun hat die Studie das Problem jedoch erstmals auf globaler Ebene quantifiziert. «Die Botschaft ist klar: Wir können und müssen jetzt handeln», so Guillén Gosálbez.
In Beratungsgesprächen mit dem ETH-Professor zeigen sich praktisch alle Chemieunternehmen willens, ihre Produktion umweltfreundlicher gestalten – auch aus wirtschaftlichen Gründen: «Nachhaltigkeit hat sich zum globalen Trend entwickelt. Immer mehr Kundinnen und Kunden achten darauf», sagt Guillén Gosálbez.
Die grundlegende Umstellung von Produktionsverfahren ist letztlich vor allem eines: eine Kostenfrage. «Für Unternehmen ist es zentral, im Voraus zu wissen, wie stark die Änderung eines bestimmten Produktionsschrittes die Nachhaltigkeit ihres Produktes steigert», erklärt Guillén Gosálbez. Bis heute existieren in der Industrie kaum Anwendungen, die eine solche Nachhaltigkeitsbewertung ermöglichen.
Die Forschenden möchten ihre Methode deshalb dahingehend weiterentwickeln, dass sich damit nicht nur bestehende Produktionsverfahren überprüfen lassen, sondern auch das Potential neuer Lösungsansätze ermittelt werden kann. «Im Idealfall finden wir so den optimalen, sprich ressourcenschonendsten Mix der verschiedenen Produktionsarten für eine Chemikalie», so Pérez-Ramírez.
Originalveröffentlichung
Tulus V, Pérez-Ramírez J, Guillén Gosálbez G; "Planetary metrics for the absolute environmental sustainability assessment of chemicals"; Green Chemistry; 27. Oktober 2021, 23.
