Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen in der chemischen Industrie Fakten Daten - Herausforderungen

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1 Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen in der chemischen Industrie Fakten Daten - Herausforderungen Industrielle Nutzung Nachwachsender Rohstoffe Chemie, Biotechnologie, Verfahrenstechnik Februar 2008 Dr. Jörg Rothermel Fachvereinigung Energie, Klimaschutz und Rohstoffe im VCI

2 Inhalte Rohstoffe in der chemischen Industrie Ein Überblick Derzeitiger Stand der Nutzung von Nachwachsenden Rohstoffen in der chemischen Industrie Motivationen zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe Wirtschaftliche Gründe Versorgungssicherheit Klimaschutz Ergebnisse IFEU-Studie Technische Nutzungskonzepte in der Chemie 2

3 Rohstoffe in der chemischen Industrie Ein Überblick 3

4 Anforderungen an die Rohstoffe in der Chemie Stabile und gute Qualität Sichere, Saison-unabhängige Versorgung Versorgung zu wettbewerbsfähigen Weltmarktpreisen Erdölprodukte und Erdgas erfüllen diese Anforderungen bislang in hervorragender Weise 4

5 Rohstoffe in der Chemie im Überblick Nachwachsende Rohstoffe Syngas Kohle Gas Öl Olefine Value Chain Acetylen Aromaten 5

6 Rohstoffe in der chemischen Industrie Basis für die Produktion organischer Chemikalien sind Kohlenstoffhaltige Rohstoffe Erdölderivate Erdgas Kohle Nachwachsende Rohstoffe Biomasse ist die einzige im entsprechenden Zeitrahmen erneuerbare Kohlenstoffquelle für die Organische Chemie Die Chemische Industrie wird ihren Anteil an der Nutzung nachwachsender Rohstoffe weiter erhöhen, dort wo es technisch machbar und ökonomisch und ökologisch sinnvoll ist Die Chemie benötigt aber eine flexible Rohstoffbasis, um den Kundenanforderungen zu genügen und wettbewerbsfähig zu bleiben 6

7 Nachwachsende Rohstoffe in der deutschen und europäischen Chemieindustrie Daten 7

8 Rohstoffeinsatz in der deutschen Chemie (2003) 0,4 Mio. t Kohle: 2% 2,3 Mio. t Nachwachsende Rohstoffe: 11% 15 Mio. t Erdölprodukte: 77% 2 Mio. t Gas: 10% Fossile Rohstoffe, die in der Chemie als Brennstoffe zur Energieerzeugung eingesetzt werden sind hier nicht berücksichtigt Quelle: VCI, FNR 8

9 Nachwachsende Rohstoffe in der Chemie (Stand 2003) Gesamteinsatzmenge: rund 2,3 Mio. t Stärke 260 kt Fette/Öle 1150 kt Cellulose 320 kt Fasern 204 kt Sonstige 117 kt Zucker 240 kt Quelle: VCI, FNR, meo 9

10 Nutzung nachwachsender Rohstoffe in der EU (2003) Chemische industrie: ~6,4 Mio. t/a Andere Industrien*: ~2,6 Mio. t/a 74,1 Mio. t petrochemische and ca. 6,4 Mio. t bzw. ungefähr 8% nachwachsende Rohstoffe wurden in der EU- 25 in der Chemieindustrie in 2003 eingesetzt. * Papierindustrie, Naturfaserindustrie 10% 8% 6% 4% 2% 0% EU-25 EU-15 6% 8% Quelle: Abschätzungen FNR Slide 10 10

11 Technisch genutzte nachwachsende Rohstoffe EU-25 insgesamt: ~ 9 Mio. t/a Öle und Fette 31% Stärke 35% Andere 4% Cellulose & Fasern 16% Zucker 14% Schätzungen auf basis von Daten von: EU, IENICA, EHGA, CIRFS, EIHA, EuropaBio, AAF, Röper, Kaup, EurObserv ER, FAO Slide 11 11

12 Einsatz nachwachsender Rohstoffe in der chemischen Industrie Die chemische Industrie in Europa setzt eine Vielfalt von nachwachsenden Rohstoffen bereits ein Einsatz geschieht dort wo biobasierte Rohstoffe einen ökonomischen Vorteil gegenüber den fossilen Rohstoffen besitzen biobasierten Rohstoffe technische Vorteile bieten bzw. die technischen Vorteile gegebenenfalls auch höhere Rohstoffpreise ausgleichen 12

13 Motivationen für den verstärkten Einsatz nachwachsender Rohstoffe in der Zukunft 13

14 Ist ein Wechsel von fossilen Rohstoffen auf nachwachsende Rohstoffe für die chemische Industrie zwingend aus Gründen der Versorgungssicherheit? Nein! 14

15 Weltweite Ölvorräte V e rfü g b a rk e it v o n Ö l a ls F u n k tio n d e s M a rk tp re is e s e in s c h lie ß lic h C O 2 -V e rm e id u n g s k o s te n B io m a s s e Förderkosten 2004 (USD) b is h e u te g e fö rd e rt O P E C - R e s e rve n A rk tik T ie fe n w a s s e r s o n s t. K o n ve n t. Ö l Ö l- s a n d S u p e rtie fe s W a s s e r S c h w e rö l B itu m e n Ö l in T o n - s c h ie - fe r F lü s s ig g a s V e rflü s - s ig te K o h le V e rfü g b a rk e it in M rd. B a rre l Q u e lle : IE A , R e s o u rc e s to R e s e rve s - O il & G a s T e c h n o lo g ie s fo r th e E n e rg y M a rk e ts o f th e F u tu re 15

16 Motivationen zum Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen Wirtschaftliche Gründe: Wettbewerbsfähigere Preise Technische Gründe: bessere Prozesse, bessere Produkte Nachhaltigkeitskriterien Innovationsmöglichkeiten: neue Produktlinien Versorgungssicherheit: nachwachsende Rohstoffe vermeintlich unbegrenzt verfügbar Klimaschutzgründe: Biomasse als CO 2 -neutraler Rohstoff 16

17 Wirtschaftliche Gründe 17

18 Ökonomische Vorteile: Wettbewerbssituation Preisdifferenzen zwischen biobasierten Rohstoffen und fossilen Rohstoffen waren in der Vergangenheit größer 18

19 Preisentwicklung wichtiger pflanzlicher Rohstoffe Weizen Soja Palm Öl

20 Ökonomische Vorteile: Wettbewerbssituation Preisdifferenzen zwischen biobasierten Rohstoffen und fossilen Rohstoffen waren in der Vergangenheit größer Preise nähern sich auf Kohlenstoffbasis immer mehr an 20

21 Preisvergleiche Petrochemicals Production Price* C H O Preis für C Ethylene C 2 H mio t/a 890 /t 86 % 14 % 1035 /t C Propylene C 3 H 6 75 mio t/a 850 /t 86 % 14 % 988 /t C Benzene C 6 H 6 45 mio t/a 830 /t 92 % 8 % 902 /t C Nawaros Production Price* C H O Preis für C Glucose C 6 H 12 O mio t/a 300 /t 40 % 7 % 53 % 750 /t C Bio-Ethanol C 2 H 6 O 36 mio t/a 365 /t 52 % 13 % 35 % 700 /t C Quelle: Evonik 21

22 Ökonomische Vorteile: Wettbewerbssituation Preisdifferenzen zwischen biobasierten Rohstoffen und fossilen Rohstoffen waren in der Vergangenheit größer Preise nähern sich auf Kohlenstoffbasis immer mehr an Preise für Biomasse fluktuieren stark aufgrund vielfältiger Einflüsse: Wetter, Klimaänderungen, wechselnder Bedarf für Nahrungsmittel, Futtermittel, Landwirtschaftliche Produkte sind regional nicht immer zu Weltmarktpreisen verfügbar Ergebnis der VCI-IFEU Studie: Rohstoffkosten sind auch bei der Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen der dominierende Faktor 22

23 Versorgungssicherheit 23

24 Biomassepotenziale Die Ermittlung von künftigen Biomassepotenzialen ist schwierig, da von vielen Faktoren beeinflusst Bevölkerungsentwicklung Ehrnährungsgewohnheiten und Futtermittelbedarf Klimaänderung Entwicklung in der Effizienz landwirtschaftlicher Techniken Wasserverfügbarkeit. Unsicherheit bei der Potenzialbestimmung sehr hoch Politische Zielsetzungen müssen Verfügbarkeit berücksichtigen Effizientere Verarbeitungstechniken erforderlich (weiße Biotechnol.) Effizientere Produktionstechniken erforderlich (grüne Biotechnologie) 24

25 Biomassepoteziale: Abschätzung für 2050 (Ergebnisse IFEU) Öläquiv. (Mrd. t) Minimum * IEA 2006 Primärenergeibedarf in 2050* Maximum Biomasseverfügbarkeit für technische Zwecke in 2050 Biomasse ist nicht unbegrenzt verfügbar Weltweiter Primärenergiebedarf kann nicht alleine durch Biomasse gedeckt werden (best case nur 70%, worst case nur 30%) Entwicklung effizienterer Techniken zur Produktion und Verarbeitung notwendig! Andere erneuerbare Techniken zur Energiegewinnung müssen weiterentwickelt werden! 25

26 Biomasseherkunft 2050 nach Regionen Afrika südlich der Sahara Karibik u. Lateinamerika Naher Osten u. Nordafrika Ostasien Südasien Nordamerika GUS und Baltikum Osteuropa 3% Ozeanien Westeuropa 4% 55 % der Potenziale für Anbaubiomasse im Jahr 2050 liegen zu etwa gleichen Teilen in Afrika südlich der Sahara, der Karibik und Lateinamerika sowie in der GUS und im Baltikum. 26

27 Regional distribution of biomass Nur 10 bis 16% des Primärenergiebedarfs in der EU wird durch heimische Biomasse gedeckt werden können Biomasse wird die Importabhängigkeit Europas nicht (wesentlich) verringern Europa wird bedeutende mengen Biomasse importieren müssen um seine selbst gesteckten Ziele zu erreichen Es muss durch freie Importmöglichkeiten dafür gesorgt werden, dass die Chemie die Rohstoffe zu wettbewerbsfähigen Weltmarkt-Preisen erhält Die Importabhängigkeit bei (Energie)Rohstoffen muss dadurch verringert werden, dass auch andere alternative Technologien zur Energieerzeugung weiterentwickelt werden 27

28 Biomassepotenziale 2050 nach Kategorien Sonstige Flächen Überschussanbauflächen (63 %) Holzzuwachs Landwirtschaftliche Reststoffe Organische Siedlungsbfälle Tierische Exkremente Forstwirtschaftliche Reststoffe Weltweit gesehen verfügt die Anbaubiomasse über das größte Potenzial, in Deutschland und Europa dagegen wird das Potenzial durch die Reststoffe bestimmt. 28

29 Nutzungskonkurrenzen 29

30 Nutzungskonkurrenzen für Biomasse/Flächenkonkurrenzen Nutzungskonkurrenzen Nahrungsmittel Futtermittel Werkstoffe, Papierindustrie Stromerzeugung Wärmeerzeugung Kraftstoffe Nutzung in der chemischen Industrie Flächenkonkurrenzen Anbauflächen für Nahrungsmittel Anbauflächen für Futtermittel Erhalt bestehender Ökosysteme (z.b. Regenwälder) Naturschutzflächen (z.b. Biotopverbünde) Ökolandbau 30

31 Weltweite Materialströme Öl, Gas und Kohle ~ 10 Mrd. t Öl-Äquivalente pro Jahr 3% Chemie Landwirtschaftliche Produkte 6-7 Mrd. t Trockenmasse pro Jahr 97% energetische Nutzung 95% Ernährung Energie Kleidung 5% Chemie-nahe Verwendung 31

32 Nutzungskonkurrenzen Der Chemiesektor ist bereits bei fossilen Rohstoffen der mit Abstand kleinste Verwendungssektor Chemiesektor wird auch bei Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen im Vergleich zum Ernährungs-, Energie- und Transportsektor der kleinste Verwender sein Risiko, dass Chemie bei den Nutzungskonkurrenzen auf der Strecke bleibt Schon heute ist beobachtbar, dass klassische nachwachsende Chemierohstoffe (Fette, Öle) aufgrund der erhöhten Nachfrage teuer und damit unattraktiver werden 32

33 Klimaschutz und Einsparung fossiler Energien Ergebnisse IFEU-Studie 33

34 Klimaschutz und Ressourcenschonung Biomasse wird als CO 2 -neutral betrachtet, da die durch ihre Verwendung freigesetzte Menge an CO 2 zuvor beim Wachstum aus der Atmosphäre gebunden worden ist Ja! Aber Der Kohlenstoffgehalt ist nicht der einzige Parameter zur Beurteilung der Bedeutung von Biomasse für den Klimaschutz Betrachtung des gesamten Lebensweges ist erforderlich: Landnutzung und Anbau Nutzung von Düngemitteln Ernte Transport Verarbeitungstechniken 34

35 Klimaschutz mit Biokraftstoffen 35

36 Ergebnisse IFEU-Studie VCI hat in der IFEU-Studie auch zentrale Fragestellungen bzgl. der ökologischen Bedeutung der Nutzung nachwachsender Rohstoffe untersuchen lassen: I. Welche Potenziale zur Einsparung von fossilen Rohstoffen und Klimagasen ergeben sich aus der stofflichen Verwendung von Biomasse in der Chemie? II. Wie gestaltet sich eine optimierte Biomassenutzung aus Umweltsicht in den Bereichen Chemie, Verkehr und Energie? III. Welche Nutzungskonzepte von Biomassen empfeh-len sich in der chemischen Industrie unter den Aspekten Einsparung von fossilen Rohstoffen und Klimagasen, Biomasseverfügbarkeit und Kosten? 36

37 Vergleich der Konversionsverfahren GJ / (ha*a) Konventionelle Biokonversion Innovative Biokonversion (fermentativ) Innovative Biokonversion (thermisch) EtOH Mais, F EtOH Weizen, F EtOH Zuckerrübe, F PDO Mais, F (Acro) PDO Mais, F (EO) Ethen Mais, F EtOH Pappel, LCF PDO Pappel, LCF (Acro) PDO Pappel, LCF (EO) Ethen Pappel, LCF EtOH Pappel, LCF-BR EtOH/THF Pappel, LCF-BR Biogas Mais, G EtOH Pappel, V MeOH Pappel, V Biomethan Pappel, V Ethen Pappel, V Olefine Pappel, V Phenole Pappel, P t CO 2 -Äquiv. / (ha*a) Treibhauseffekt Primärenergie 37

38 Vergleich der Konversionsverfahren Alle betrachteten Konversionstechniken zeigen ein deutliches Einsparpotential aber hohe Bandbreiten Keine eindeutigen Vor-/ Nachteile für eine bestimmte Technologie Ethanol über LCF (Lignocellulose-Bioraffinerie): a) generelle Vorteile gegenüber Fermentation von Stärketrägern b) Vorteile gegenüber optimierter Fermentation von Zuckerrübe nur bei stofflicher Nutzung der Lignocellulose Ethanol über Vergasung tendenziell mit Vorteilen gegenüber Fermentation Größten spezifischen Einsparpotenziale: Biomassekonversion zu Phenole, Propandiol, stoffliche Ligninnutzung Fazit: Kein per se Vorteil einer bestimmten Technologie. Optimierte Kombination von Biomasse, Konversionsverfahren und Zielprodukt ausschlaggebend 38

39 Vergleich der Flächennutzung GJ / (ha*a) Zuckerträger EtOH Mais, F EtOH Weizen, F EtOH Zuckerrübe, F EtOH Kartoffel, F EtOH Zuckerrohr, F EtOH Pappel, LCF EtOH Triticale, LCF Ölpflanzen Tenside Raps, E Tenside Sonnenblume, E Tenside Ölpalme, E (NW-K) t CO 2 -Äquiv. / (ha*a) Treibhauseffekt Primärenergie 39

40 Vergleich der Flächennutzung Einsparpotenzial ist bei allen Anbauformen vorhanden Frage der regionalen Verfügbarkeit von Biomasse Beispiel: Rangfolge der Potenziale pro ha Fläche bei Zuckerplattform: 1. Zuckerrohr 2. Pappel, Triticale, Zuckerrüben 3. Mais, Weizen Kartoffeln Ölträger Raps u. Sonnenblume: Einsparpotenziale in ähnlicher Bandbreite wie Pappel o. Zuckerrübe Tenside aus Palmöl: Im Prinzip sehr große Einsparpotenziale vorhanden. Es kommt aber auf die alternative Flächennutzung an! Fazit: Höhere Ernteerträge der tropischen Anbaubiomassen bewirken höhere Einsparpotenziale. Zuckerträger und Ölträger bieten sich gleichermaßen an. 40

41 Biomasse für die Chemie - Ergebnisüberblick GJ / (ha*a) Ethanol EtOH Mais/Weiz/Rübe, F EtOH Zuckerrohr, F EtOH Pappel, LCF EtOH/MeOH Pappel, V Höher funktionalis. Verbindungen PDO Mais, F PDO Pappel, LCF Lignin Pappel, LCF-BR Phenole Pappel, P Nicht funktionalisierte Verbindungen Biomethan Pappel, V Ethen Pappel, V Olefine Pappel, V Biogas Mais, G Plattform: Ölpflanzen Tenside Raps/Soblu, E Tenside Ölpalme, E (NW-K) Treibhauseffekt Primärenergie t CO-Äquiv. 2 / (ha*a) 41

42 Biomasse für die Chemie - Ergebnisüberblick Beispiel Ethanolherstellung: a) innerhalb der fermentativen Verfahren sind klare Vorteile für Zuckerrohr als Biomasserohstoff ersichtlich b) bei thermischer Konversion von Pappelholz ist ein dem Zuckerrohr mindestens vergleichbarer Nutzen erreichbar Funktionalisierte Zielprodukte: Für höher funktionalisierte Zielprodukte lässt sich z. T. ein deutlich höheres Einsparpotenzial erkennen als bei nicht funktionalisierten Zielprodukten. Problem: letztere könnten schon heute in der Chemieindustrie verwertet werden. Für erstere sind konkrete Anwendungen z.t. erst noch zu erschließen Der Biomasseeinsatz ist auch in der Oleo-Chemie mit großen Einsparpotenzialen verknüpft 42

43 Biomasse für die Chemie - Ergebnisüberblick Biomasse: Biomasseeinsatz in der Chemie bietet erhebliche Potenziale zur Einsparung von Klimagasen und Energie Konversion: Keine eindeutigen Vorteile für eine bestimmte Konversionstechnologie. Teilweise große Bandbreiten innerhalb der einzelnen Nutzungspfade. Zielprodukte: Tendenziell können mit höher funktionalisierten Zielprodukten größere spezifische Einsparpotenziale als mit nicht funktionalisierten Zielprodukten erreicht werden. Die passende Kombination von Biomasserohstoff, Konversionstechnologie und Zielprodukt entscheidet über das erreichbare Einsparpotenzial an fossiler Energie und Klimagasen. 43

44 Vergleich der Konversionsverfahren energetischer Bereich Biokraftstoffe Biokraftstoffe Biobrennstoffe Biobrennstoffe GJ / (ha*a) EtOH Mais, F FAME Raps, E Pflanzenöl Raps, E Biogas Mais, G EtOH Pappel, LCF BTL Pappel, V HKW Rapsöl BHKW Mais-Biogas Ergebnisse: Deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Biokraftstoffen Große Bandbreiten bei der Strom und/oder Wärmeerzeugung durch unterschiedliche Technologien und fossile Brennstoffe t CO 2 -Äquiv. / (ha*a) Treibhauseffekt Primärenergie HKW Pappel Verg.-HKW Pappel SK-KW Pappel KW Pappel HW Pappel Fazit: Konversionsverfahren nur zusammen mit Biomasse und Zielprodukt zu sehen Tendenziell zeigen direkte Nutzungsverfahren durch Verbrennung die größten Potenziale 44

45 Vergleich: Chemie, Verkehr, Energie EtOH-Chemie Pappel EtOH fossil Saldo EtOH-Verkehr Pappel Ottokraftstoff Saldo BTL Pappel (FZK) Dieselkraftstoff Saldo HKW Pappel EG-GuD-HKW Saldo HKW Pappel Gutschriften / Saldo Aufwendungen Chemie Verkehr Verkehr Strom Strom SK-Strom + HEL-Wärme Saldo t CO 2 -Äquiv. / (ha*a) Pappel Anbau Pappel Lager/Anlieferung Dextrose Hilfsstoffe Dextrose Prozesswärme Dextrose Emissionen BM-Verb Gutschrift Wärme BM-Verb. Gutschrift Schwefelsäure Ethanol Hilfsstoffe Ethanol Prozesswärme Ethanol Prozessstrom Gutschrift Wärme BM-Verb. BTL Hilfsstoffe BTL Emissionen BTL Transport BTL Nutzung BTL Gutschriften HKW Emissionen foss. EtOH Bereitstellung foss. EtOH Nutzung Ottokraftstoff Bereitstellung Ottokraftstoff Nutzung Dieselkraftstoff Bereitstellung Dieselkraftstoff Nutzung Erdgas-GuD-HKW Steinkohle-KW Heizöl-HW Saldo 45

46 Vergleich: Chemie, Verkehr, Energie In jedem der 3 Sektoren gibt es Nutzungspfade mit erheblichen Einsparpotenzialen Besonders große Bandbreiten finden sich im Sektor Chemie vor allem aufgrund der Unsicherheiten bzgl. der Substitutionseffekte Zwischen den Sektoren überlappen sich die Ergebnisbandbreiten z.t. stark Wichtige Randbedingungen: Die hohen Einsparpotenziale des Energiesektors können heute schon realisiert werden In den Sektoren Chemie und Verkehr sind noch weitere Entwicklungen hinsichtlich Verfahrenstechnik, Produktlinien und Marktetablierung erforderlich 46

47 Fazit Vergleich Chemie - Verkehr - Energie Langfristig bietet die Biomasseanwendung für Chemieprodukte vergleichbar hohe oder sogar höhere spezifische Einsparpotenziale als bei der Anwendung im Energie- u. Verkehrssektor Massenanwendung im Verkehrs- und Energiebereich höher Es existiert kein Königsweg der optimalen Biomassenutzung!: Die Treibhausgasminderungs- und Energieeinsparpotenziale müssen im Einzelfall bestimmt und miteinander verglichen werden 47

48 Nutzungsstrategien für die Chemische Industrie 48

49 Nutzungsstrategien für die Chemie Konzepte zur zukünftigen Einbindung der Biomassekonversion: Synthesegasroute / C1-Chemie Verfahrenstechnische Lösung: Biomasseverflüssigung Niedrige spezifische Energie- und Klimagas-Einsparpotenziale Können in existierende Synthesewege eingespeist werden Mengenbezogen große Substitutionspotenziale Nutzung natürl. Synthesevorleistung Verfahrenstechnische Lösung: weiße Biotechnologie ggf. in Kombination mit chemischer Synthese Hohe spezifische Energie- und Klimagas-Einsparpotenziale Synthesebäume sind größtenteils noch zu entwickeln Mengenbezogen kleinere Substitutionspotenziale; neue Produktlinien erforderlich z. B. Ethen, Methanol oder Methan z. B. 1,3-Propandiol, Phenole, Milchsäure oder Ligninderivate 49

50 Herausforderungen: technische, ökonomische, ökologische Hindernissee Innovative Konversionsverfahren von Biomasse sind noch in der Entwicklung Verlässliche Prognosen von der Idee bis zur Marktreife der Anlagenkonzepte und Produkte sind derzeit nicht möglich Bzgl. der Wirtschaftlichkeit fünftiger Verfahren bestehen erhebliche Unsicherheiten: Entwicklung der Biomasse-Rohstoffpreise als größtem Kostenblock kaum abschätzbar Investitionskosten für innovative Verfahren (z.b. Bioraffinerien) derzeit nur mit hohen Bandbreiten abschätzbar Es besteht erheblicher Forschungsbedarf bzgl. Verfahrensoptimierungen, Effizienzsteigerungen, Entwicklung neuer Enzymsysteme, neuer nachhaltiger Synthesewege 50

51 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 51