MIT NACHWACHSENDEN ROHSTOFFEN DEM WANDEL BEGEGNEN VON DER ERDÖLRAFFINERIE ZUR BIORAFFINERIE

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1 MIT NACHWACHSENDEN ROHSTOFFEN DEM WANDEL BEGEGNEN VON DER ERDÖLRAFFINERIE ZUR BIORAFFINERIE 11th Leibniz Conference of Advanced Science Solarzeitalter 2011, Lichtenwalde, Mai 2011 Thomas Hirth, Universität Stuttgart und Fraunhofer IGB

2 GLIEDERUNG Herausforderungen des Rohstoffwandels Strategien zur Steigerung des Anteils nachwachsender Rohstoffe Rohstoffe, Prozesse und Produkte Zusammenfassung und Ausblick

3 Positionspapiere und weitere wichtige Dokumente zum Thema Rohstoffwandel Positionspapier Rohstoffbasis im Wandel (DECHEMA, GDCh, VCI, DGMK, Frankfurt, Januar 2010) Positionspapier Statusbericht zu möglichen Potenzialen von Bioraffinerien für die Forschung und für die Bereitstellung von Rohstoffen für die chemische Industrie (VCI und DIB, Frankfurt, November 2009) Positionspapier Einsatz nachwachsender Rohstoffe in der chemischen Industrie (DECHEMA, GDCh, VCI, DGMK, Frankfurt, Juli 2008) Nationale Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030 (Berlin, November 2010) Innovation Bioökonomie, Gutachten des BioÖkonomieRats (Berlin, September 2010) Europäische Leitmarktinitiative - Taking bio-based from promise to market - Measures to promote the market introduction of innovative bio-based products (Brüssel, November 2009) Aktionsplan der Bundesregierung zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe (BMELV, Berlin, August 2009) Nationaler Biomasseaktionsplan für Deutschland Beitrag der Biomasse für eine nachhaltige Energieversorgung (BMU, BMELV, Berlin, April 2009) Cologne paper En route to the knowledge-based bio-economy (Köln, Mai 2007)

4 Rohstoffverbrauch in der chemischen Industrie 2% 13% 11% Gesamt: 21 Mio. t 74% Erdgas Erdöl Kohle Biomasse Quelle: VCI, FNR

5 Wichtige Plattformchemikalien der chemischen Industrie

6 Produktlinien auf der Basis von Erdöl und Erdgas Quelle: VCI, BASF

7 Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit der Industrie - Abhängigkeit der Produktion von den Rohstoffkosten Quelle: McKinsey

8 Von petrochemischen Rohstoffen zu nachwachsenden Rohstoffen Kohle, Erdöl, Erdgas Nachwachsende Rohstoffe Bedeutung

9 Nachwachsende Rohstoffe in der chemischen Industrie 2% 13% 11% Gesamt: 21 Mio. t 74% Biomasse Menge [kt] Öle und Fette Chemiezucker und -stärke 408 Chemiezellstoff 300 Sonstige 549 Gesamt Importanteil bei Biomasse: ca. 60 % Erdgas Erdöl Kohle Biomasse Quelle: FNR, meó consult, VCI

10 Rohstoff-, Synthese- und Katalysatorwandel Mikroorgansimen Enzyme HC CH O CO NiBr 2, CuI 2 Molybdate, Tellur Verb. O 2 OH OH - H 2 O Zeolithe, Enzyme O OH Quelle: Sieber, TU München, Fraunhofer BioCat

11 Wettbewerbsfähigkeit - Kosten für Rohstoffe und Verarbeitung Erdöl Nachwachsende Rohstoffe Relative Kosten Rohstoff Rohstoff Rohstoff Verarbeitung Verarbeitung Verarbeitung Verarbeitung Rohstoff früher heute heute zukünftig

12 GLIEDERUNG Herausforderungen des Rohstoffwandels Strategien zur Steigerung des Anteils nachwachsender Rohstoffe Rohstoffe, Prozesse und Produkte Zusammenfassung und Ausblick

13 Nachwachsende Rohstoffe in der chemischen Industrie 2% 13% 11% Gesamt: 21 Mio. t 74% Biomasse Menge [kt] Öle und Fette Chemiezucker und -stärke 408 Chemiezellstoff 300 Sonstige 549 Gesamt Importanteil bei Biomasse: ca. 60 % Erdgas Erdöl Kohle Biomasse Anstieg von 8% in 1991 auf 13% in Anstieg auf 20% in ? Quelle: FNR, meó consult, VCI

14 Verbund mit der Nahrungs- und Futtermittelproduktion Korn, Ölsaat Ganzpflanze z.b. Getreide, Ölpflanze Nahrungs- und Futtermittel, Chemikalien und Energieträger Reststoffe

15 Integrierte Aufarbeitung von Non-food -Biomasse Cellulose Lignocellulose (LCF) Hemicellulosen Chemikalien, Biogas, Kraftstoffe und Energieträger Lignin

16 Entwicklung bio- und petrochemisch integrierter Standorte Rohöl Erdgas Ammoniak Ethylen Leime DMF Quelle: InfraLeuna Katalysatoren NaHS MMA Formaldehyd Amine Schmierstoffe Tenside Harze Kunststoffdispersione n H 2 S Methanol CO Bioöle - Tenside Bioöle Ethanol Butanol etc. Glycerin Epichlorhydrin Komplexe Chemikalien Raffinerie Methanol Methanol Feinchemikalien Bio- Raffinerie H 2 H 2 S 8 H 2 Propylen O 2 N 2 O 2 CO 2 H 2 Aromaten Enzyme Proteine etc. Luftzerleger Caprolactam, Polyamid 6, Spinnerei Bioethylen Neuansiedler PA- Compounds PA 6 / PA 6.6 CO 2 EBS LDPE Zucker, Stärke, Cellulose, Hemicellulose, Lignin, Algen, Öle PE-Wachse Steamreformer Wasserstoffperoxid EVA- Co-polymere, Additive Kraftwerke

17 Integration von biotechnologischen und chemischen Prozessen Rohstoff Aufbereitung Zerkleinerung Extraktion Aufschluss Biotechnologische Transformation Chemische Transformation Aufarbeitung Synthesebausteine

18 Kombination von biotechnologischen und chemischen Prozessen Kombination von chemischen und biotechnologischen Prozessen Fermentation von Kohlenhydraten zu Ethanol ω-oxidation von Fettsäuren zu α,ω-dicarbonsäuren Fermentation von Kohlenhydraten zu Aminosäuren Dehydratisierung von Ethanol zu Ethylen Polymerisation von α,ω-dicarbonsäuren Decarboxylierung von Aminosäuren zu Diaminen

19 GLIEDERUNG Herausforderungen des Rohstoffwandels Strategien zur Steigerung des Anteils nachwachsender Rohstoffe Rohstoffe, Prozesse und Produkte Zusammenfassung und Ausblick

20 Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe Prozess Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe Rohstoff Produkt

21 Hauptbestandteile der Biomasse > 90% sind Biopolymere und > 90% sind Kohlenhydrate und Lignin

22 Markt- und Anwendungspotentiale für biobasierte Produkte (EU) Chemische Zwischenprodukte und Polymere Spezialchemikalien (Lösungsmittel, Tenside, Klebstoffe, ) Fasern Schmierstoffe Marktsektor Verbrauch (in 1000 t) in 2002 Verbrauch biobasierter Produkte in 2002 (in 1000 t) Potential biobasierter Produkte in 2010 (in 1000 t) Stand 2002 Verbrauch biobasierter Produkte 2008 (in 1000 t) in Potential biobasierter Produkte in 2020 (in 1000 t) Stand 2010 Polymere Schmierstoffe Lösungsmittel n.b. n.b. Tenside n.b. n.b. Quelle: EU, FNR, BMELV, Nova-Institut

23 Wertschöpfungskette biobasierter Produkte Herstellung von biobasierten Produkten

24 Aufschluss und Verarbeitung von Lignocellulose Lignocellulose Extraktion /Aufschluss/ Fraktionierung Cellulose Hemicellulosen Lignin Glukose Xylose Phenol

25 Pilotprojekt Lignocellulose-Bioraffinerie Aufschluss lignocellulosehaltiger Rohstoffe und vollständige stoffliche Nutzung der Komponenten Cellulose, Hemicellulose und Lignin

26 Lignocellulose-Aufschluss Ökonomische Bewertung Quelle: KIT, vti

27 Konversionsprozesse für nachwachsende Rohstoffe Rohstoff biotechnologisch chemisch thermo-chemisch Temperatur Wassergehalt

28 Biobasierte Produkte auf Basis von Kohlenhydraten wie Zuckern, Stärke und Cellulose Glukose C 6 H 12 O 6 Ethanol C 2 H 6 O Milchsäure C 3 H 6 O 3 Bernsteinsäure C 4 H 6 O 4 5-HMF C 6 H 6 O 3 Sorbit C 6 H 14 O 6 Ethylen Milchsäure/ Acrylsäure Bernsteinsäure Butandiol Furandicarbonsäure Sorbit Polyethylen Polymilchsäure Polyacrylsäure Polyester Polyamide Polyurethane Polyhydroxyfuranoate

29 Ethanol, Ethylen und Polyethylen O 50 Mio. t Ethylen O O O O Fermentation Saccharomyces Cerevisiae H 3 C CH 2 OH Ethanol C/Katalysator - H 2 O H 2 C CH 2 Ethylen O Glucose Quelle: Encyclopedia of Industrial,Chemistry. B.C. Saha Commodity Chemicals Production by Fermentation, Nordzucker, F.O. Licht, Linde

30 Milchsäure und Polymilchsäure Quelle: Fraunhofer IGB, NatureWorks

31 Hydrothermolyse von Zuckern 5-HMF, DHD und Polyole Zucker Hydrothermolyse reduktive Hydrothermolyse OH HO HO-CH 2 O CHO 5-HMF 5-Hydroxymethylfurfural HO O O OH DHD 2,5-Dihydroxydioxan OH HO OH HO HO Mannit HO OH HO OH OH Sorbit Polyalkohole Quelle: Fraunhofer ICT, DOW

32 Lignin und Lignin-Folgeprodukte Lignocellulose Lignin Verarbeitung zu Thermoplasten Verarbeitung zu Duroplasten Chemische Spaltung Quelle: Tecnaro, Dynea, Fraunhofer ICT

33 Beim Übergang von fossilen zu nachwachsenden Rohstoffen gibt es Herausforderungen zu meistern Menge und Verfügbarkeit Rohstoff Komplexität Rohstoff Vorbehandlung Prozessentwicklung & Prozessskalierung Kaskaden & Mehrfachnutzung Integration der Stoffe in Wertschöpfungsketten Akzeptanz bei Kunden & Verbrauchern Kosten der Herstellung Herausforderungen

34 Bioraffinerien - Integration in Wertschöpfungsketten Eine Bioraffinerie ist ein Betrieb, der nachwachsende Rohstoffe fraktioniert, raffiniert und veredelt. Fraktion 1 Nachwachsender Rohstoff Nahrungs- und Futtermittel, Chemikalien und Energie Fraktion 2 Erweiterung vorhandener Anlagen zur Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe (Zucker-, Stärke-, und Zellstoffwerke, Ölmühlen) Neukonzeption von hoch integrierten Anlagen

35 Integration in Wertschöpfungsketten Neukonzeption von Anlagen für die Nutzung nachwachsender Rohstoffe Rohöl Erdgas Ammoniak Ethylen Leime DMF Katalysator NaHS MMA Formaldehyd Amine Schmierstoffe Tenside Harze Quelle: InfraLeuna GmbH H 2 S Methan ol Ethanol Butanol etc. CO Bioöle - Tenside Glycerin Epichlorhydrin Komplexe Chemikalien Bioöle Raffinerie Methanol Methanol Kunststoffdispersionen Feinchemikalien Bio- Raffinerie CO 2 S 8 H 2 Propylen O N 2 2 O 2 H2 Aromaten Enzyme Proteine etc. Luftzerleger Caprolactam, Polyamid 6, Spinnerei Bioethylen Neuansiedler PA- Compounds PA 6 / PA 6.6 CO 2 EBS LDPE Zucker, Stärke, Cellulose, Hemicellulose, Lignin, Algen, Öle PE-Wachse H 2 Steamreformer H 2 Wasserstoffperoxid EVA- Co-polymere, Additive Kraftwerke

36 Das neue Fraunhofer-Prozesszentrum CBP in Leuna Technischer Bereich mit 5 modularen Einheiten Utilities Medien Labore Fraunhofer CBP 36 Büros

37 GLIEDERUNG Herausforderungen des Rohstoffwandels Strategien zur Steigerung des Anteils nachwachsender Rohstoffe Rohstoffe, Prozesse und Produkte Zusammenfassung und Ausblick

38 Zusammenfassung Nachwachsende Rohstoffe haben in der chemischen Industrie eine lange Tradition und noch große Potenziale, die es zu nutzen gilt. Für die Herstellung biobasierter Produkte gibt es verschiedene chemische und biotechnologische Verfahren, die es optimal zu kombinieren gilt. Für die Konversion nachwachsender Rohstoffe werden neue Chemo- und Biokatalysatoren benötigt. Mittelfristig Nutzung von Abfallprodukten der Nahrungs-, Futtermittel- und Papierindustrie und Ausbau der Verbundproduktion. Langfristig - Integrierte Aufarbeitung von Non-food Biomasse in Bioraffinerien. Entwicklung von integrierten Prozessen und Demonstration im Pilotmaßstab (Bioraffinerien). Integration von petrochemischen und nachwachsenden Rohstoffen in die chemische Produktion an Verbundstandorten. Stärkere Integration von biotechnologischen Verfahren in die chemische Verbundproduktion.

39 Ausblick Bio-Ökonomie Die Bio-Ökonomie umfasst alle Industrien und alle wirtschaftlichen Sektoren, die biologische Ressourcen einschließlich Bioabfälle produzieren, bewirtschaften oder auf andere Weise nutzen. Sektor Jährlicher Umsatz (in Milliarden Euro) Beschäftigung (in Millionen) Quelle Lebensmittel 920 4,4 CIAA Landwirtschaft COPA-COGECA Papier/Papiermasse 400 0,3 direkt (4 ind.) CEPI Forstwirtschaft/Holzindustrie 150 2,7 CEI-BOIS Industrielle Biotechnologie 50 (gesch.) McKinsey Insgesamt ,4 Quelle: C. Patermann, Bioökonomierat

40 Herausforderung Rohstoffwandel Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit