Petrochemie

Grundlagen und Bedeutung

Petrochemie, auch Petrolchemie, bezeichnet die Herstellung chemischer Produkte aus Erdgas sowie geeigneten Fraktionen von Erdöl oder verarbeitetem Rohöl. Zunächst werden aus Erdöldestillationsschnitten reaktive, niedermolekulare Verbindungen gewonnen. Diese werden in gezielten Aufbauschritten zu Zwischenprodukten und Endprodukten weiterverarbeitet.

Petrochemie ist nicht dasselbe wie die Downstream- oder Raffinerieprozesse der Erdölindustrie: Raffinerien liefern meist die Ausgangsstoffe, während petrochemische Verfahren daraus neue Grundchemikalien erzeugen. Petrochemische Anlagen stehen deshalb häufig bei Raffinerien; sie können aber auch eigenständig sein und über Transfer- oder Produktenpipelines beziehungsweise Tanker versorgt werden. Ethan kann etwa über große Entfernungen transportiert werden.

Die erzeugten Grund- oder Basischemikalien sind Ausgangspunkt für zahlreiche Produkte. Abnehmer sind unter anderem Kunststoff-, Verpackungs-, Automobil-, Möbel-, Bau-, Pharma- und Textilindustrie sowie Fein- und Spezialchemie. Wichtige Fachgebiete sind Kohlenwasserstoffchemie, Anlagen- und Apparatebau, Verfahrenstechnik, technische Chemie sowie Instrumentierungs- und Automatisierungstechnik.

Rohstoffe und wichtige Ausgangsstoffe

Als Feedstock, also Einsatzstoff, nutzt die Petrochemie kohlenstoffhaltige organische Rohstoffe. Davon entfallen 77 % auf Erdöl, je 10 % auf Erdgas und nachwachsende Rohstoffe sowie 3 % auf Kohle. Verarbeitet werden unter anderem Methan aus Erdgas, Raffineriegase, Wasserstoff, leichtes und schweres Rohbenzin (Naphtha) sowie Schwefel aus der Hydrodesulfurierung. Für Steamcracker sind vor allem Naphtha und Ethan wichtig.

Typische Raffineriefraktionen sind C₂-Fraktionen mit Ethen und Ethan, C₃-Fraktionen mit Propan und Propen sowie C₄-Fraktionen mit Butanen, Butenen, Isobuten und 1,3-Butadien. Außerdem zählen Naphtha und Aromaten wie Benzol, Toluol, o-Xylol und p-Xylol (BTX) dazu. Leichte Olefine sind C₂- bis C₄-Gemische aus ungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen mit der Formel CₙH₂ₙ. Sie enthalten zusätzlich Paraffine beziehungsweise Alkane (CₙH₂ₙ₊₂) und Diolefine wie 1,3-Butadien.

2018 machten petrochemische Rohstoffe laut Internationaler Energieagentur etwa 12 % der weltweiten Ölnachfrage aus. In Deutschland verursacht die Petrochemie rund 20 % der Nachfrage nach Mineralölprodukten. Die OMV-Raffinerie Burghausen nutzt beispielsweise ihren gesamten Benzinschnitt zur Erzeugung von Ethen, Propen und 1,3-Butadien.

Verfahren zur Gewinnung und Umwandlung

Das wichtigste Verfahren ist Steamcracking, eine Form des thermischen Crackens oder der Mitteltemperaturpyrolyse. Ethan, LPG, Naphtha, Hydrowax, Gasöl oder ähnliche Kohlenwasserstoffe werden mit Wasserdampf bei 800 bis 850 °C und einer Verweilzeit von meist 200 bis 500 ms gespalten. Aus Ethan entsteht dabei beispielsweise Ethen. Der Dampf wird zugesetzt, aber nicht selbst gespalten.

Die Gasphase liefert vor allem Ethen, Propen, C₄-Produkte wie Buten, Isobuten und 1,3-Butadien sowie Isopren. In der Flüssigphase entstehen hauptsächlich die Aromaten Benzol, Toluol und Xylole; sie kann auch als Pyrolysebenzin verwendet werden. Die Produktanteile hängen stark vom Rohstoff ab: Beim Einsatz von Ethan entfallen 80 % auf Ethen, bei LPG 31 %, bei Naphtha 29 % und bei atmosphärischem Gasöl 25 %. Naphtha war 1990 der wichtigste Crackerrohstoff in Westeuropa (70 %), während in den USA Ethan überwog (46 %).

Beim Dampfreformieren von Raffineriegasen oder leichtem Naphtha entstehen hauptsächlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff, zusammen Synthesegas. Es dient etwa zur Herstellung von Methanol, Ammoniak und Essigsäure sowie für Hydrierprozesse. Weitere Verfahren sind Pyrolyse, Oxidation zu Aldehyden, Ketonen oder Carbonsäuren, Chlorierung, Methanolsynthese aus Synthesegas, Fischer-Tropsch-Synthese zu gesättigten Kohlenwasserstoffen und Hydroformylierung (Oxo-Verfahren) zu Aldehyden und Oxoalkoholen. Raffinerieprozesse wie katalytisches Reforming liefern besonders in den USA aromatenreiche Reformate (BTX) und Wasserstoff; katalytisches Cracken (FCC) liefert unter anderem LPG mit Propen und Butenen.

Produkte und typische Produktketten

Petrochemikalien sind Zwischen- und Folgeprodukte der Grundchemikalien. Sie umfassen unter anderem acyclische und cyclische Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Carbonsäuren, Ether, Amine, Phenole, Ketone, Nitrile, Epoxide und Halogenderivate. Polymere, Fein- und Spezialchemikalien, Wasch- und Körperpflegemittel sowie pharmazeutische Erzeugnisse werden gesondert erfasst.

Ethen wird vor allem zu Polyethylen verarbeitet: etwa 21 % der Gesamtethylenproduktion zu LDPE, 13 % zu LLDPE und 23 % zu HDPE. Weitere wichtige Wege führen zu Ethanol, Ethylenoxid (ca. 11 %), Ethylenglycol für Gefrierschutzmittel und Polyester, Vinylacetat (ca. 2 %), 1,2-Dichlorethan (ca. 14 %) und daraus Vinylchlorid sowie PVC. Ethen und Benzol bilden Ethylbenzol, aus dem Styrol und anschließend Polystyrol entstehen.

Aus Propen entstehen unter anderem Polypropylen (ca. 57 % der Gesamtpropylenproduktion), Propylenoxid (ca. 12 %), Acrylnitril (ca. 6 %), Acrylsäure und Isopropylalkohol. Butadien dient als Monomer oder Co-Monomer für Elastomere und Kautschuk. Benzol ist außerdem Ausgangsstoff für Cumol, aus dessen Oxidation Phenol und Aceton entstehen; über Bisphenol A können Epoxidharze und Polycarbonate hergestellt werden. Benzol kann zu Cyclohexan, Adipinsäure, Caprolactam und Nylon weiterverarbeitet werden. Aus Toluol entstehen unter anderem Benzoesäure, Toluoldiisocyanat und Polyurethan; Xylole liefern etwa Phthalsäureanhydrid, Dimethylterephthalat, Polyester und Polyethylenterephthalat.

Branche, Entwicklung und Umwelt

Die petrochemische Industrie ist eine Grundstoffindustrie und eng mit Erdöl- und chemischer Industrie verbunden. Der Wechsel von Kohle- zu Petrochemie begann mit dem Aufbau der Erdölindustrie zunächst in den USA. Im Zweiten Weltkrieg führte der Mangel an Naturprodukten, beispielsweise Kautschuk, zu künstlichen Ersatzstoffen wie Synthesekautschuk. Unternehmen der Branche sind internationale Chemie- und Mineralölkonzerne, teilweise auch staatlich verbundene Unternehmen.

Wichtige wirtschaftliche Kennzahlen sind neben dem Ölpreis die Preise oder Mengen von Ethen, Propen und Benzol, die Cracker-Kapazität in kt Ethylen pro Jahr, der Naphtha-Verbrauch und die Anlagenauslastung. 2006 wurden in Westeuropa, Asien sowie Nord- und Südamerika 55,3 Mio. Tonnen Ethen, 35,6 Mio. Tonnen Propen und 27,8 Mio. Tonnen Benzol produziert. Der Umsatz der Petrochemie in Deutschland betrug 2007 etwa 66 Mrd. Euro und 2022 75 Mrd. Euro. Für 2025 nennt der VCI für Chemie und Pharma insgesamt rund 222 Mrd. Euro Umsatz, 480.100 Beschäftigte und einen Petrochemikalienanteil von 15,1 % am Produktionswert von rund 157 Mrd. Euro.

Seit den 1980er Jahren investieren auch ölproduzierende Länder verstärkt in die Petrochemie. In den USA verschaffte Ethan aus dem Schiefer-Boom der 2010er Jahre Chemieunternehmen einen Kostenvorteil. Seit der Energiekrise 2022 verändern sich in Europa die Handelsbilanzen bei Ethen-, Propen- und Benzolderivaten. China baute seine Kapazitäten seit 2015 deutlich aus; der FREP-Komplex umfasst beispielsweise einen Steamcracker mit 1,1 Mio. Tonnen Ethen pro Jahr. Zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen untersuchte das Projekt „Green Feedstock for a Sustainable Chemistry“ von 2022 bis 2025 Defossilisierung oder Dekarbonisierung der Chemie.