Vortrag: Bioraffinerie - Forschungs- und Entwicklungsbedarf für die Praxis

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1 Vortrag: Bioraffinerie - Forschungs- und Entwicklungsbedarf für die Praxis Herbert G. Böchzelt Fachdialog: Zukunftsmodell Bioraffinerie - Die Optimale energetische Verwertung von Biomasse? Umwelt Management Austria St. Pölten, am

Böchzelt Fachdialog: Zukunftsmodell Bioraffinerie - Die Optimale

2 Fossile Ressourcen und Biomasse Weltweit Fossile Ressourcen Σ ~ 2100 Mrd. Tonnen Biomasse Ressourcen Biomasse Produktion pro Jahr weltweit durch Photosynthese: Σ ~ 170 Mrd. Tonnen Fossile R. Verbrauch / Jahr: > 10,5 Mrd. Tonnen (Jahr 2011: Erdöl, Kohle, Erdgas) Biomasse Nutzung / Jahr: ~ 13 Mrd. Tonnen (Jahr 2010) Etwa 10% des Erdöls gehen in die chemische Industrie. Etwa 90% davon werden zur Herstellung von Polymeren genutzt. (Quellen: NOVA 2011, Migrol 2014)

Verbrauch / Jahr: > 10,5 Mrd. Tonnen (Jahr 2011: Erdöl, Kohle, Erdgas) Biomasse Nutzung / Jahr: ~ 13 Mrd.

3 Biomasse Nutzung Weltweit (2008) Wie werden diese ~13 Mrd. Tonnen Biomasse genutzt? (Quellen: NOVA 2011, FAO 2011)

4 Biomasse Nutzung Weltweit (2008) Wie werden diese ~13 Mrd. Tonnen Biomasse genutzt? (Quellen: NOVA 2011, FAO 2011)

5 Quelle: Munir Cheryan

6 Integrierte stofflich-energetische Nutzung von Biomasse: Bioraffinerie Bioraffinerie : Multiproduktpalette auf Basis (eines) Rohstoffes (Reststoffnutzung)

7 7 Bioraffinerie Hintergrund und F&E Umfeld Status: Hinterfragen der Förderintensitäten zur energetischen Primär-Biomassenutzung im industriellen Produktionsmaßstab am Beispiel Deutschland Verstärkte Ausrichtung der F&E Förderprogramme hinsichtlich Biomasse auf deren integrierte bzw. kaskadischen (stofflich & energetisch) Nutzung (EU: Horizon 2020 (PPP); Deutschland, )

Deutschland Verstärkte Ausrichtung der F&E Förderprogramme hinsichtlich Biomasse auf deren

8 8 Bioraffinerie Hintergrund und F&E Umfeld Status: Hinterfragen der Förderintensitäten zur energetischen Primär-Biomassenutzung im industriellen Produktionsmaßstab am Beispiel Deutschland Verstärkte Ausrichtung der F&E Förderprogramme hinsichtlich Biomasse auf deren integrierte bzw. kaskadischen (stofflich & energetisch) Nutzung (EU: Horizon 2020 (PPP); Deutschland, )

9 9 Bioraffinerie Hintergrund und F&E Umfeld Status: Hinterfragen der Förderintensitäten zur UBA energetischen Deutschland: Primär-Biomassenutzung ist die Kaskadennutzung im des Rohstoffes, industriellen bei Produktionsmaßstab der sich die energetische am Beispiel Nutzung der Deutschland stofflichen anschließt weit überlegen. Sie schafft bezogen auf die gleiche Menge an Biomasse die fünf- bis zehnfache Bruttowertschöpfung. Verstärkte Ausrichtung der F&E Förderprogramme hinsichtlich Biomasse auf deren integrierte bzw. kaskadischen (stofflich & energetisch) Nutzung (EU: Horizon 2020 (PPP); Deutschland, )

anschließt weit überlegen. Sie schafft bezogen auf die gleiche Menge an Biomasse die fünf- bis zehnfache Bruttowertschöpfung.

10 10 Biomassenutzung Herausforderung an die F&E Chemische Produkte benötigen Ausgangsmaterialen Energie kann vielfältig bereitgestellt werden! Daher kaskadische Biomassenutzung (Nahrungs- und Futtermittel) Materialien und Chemikalien Energiegewinnung aus Biomassereststoffen Düngergewinnung (C, P, K) Reihung!? + Bewertung (LCA, Carbon Footprint, )

Daher kaskadische Biomassenutzung (Nahrungs- und Futtermittel) Materialien und

11 11 Biomassenutzung Hintergrund und Chancen So gesehen sind viele Industriebetriebe, welche biogene Rohstoffe verarbeiten schon heute Bioraffinerien bzw. auf dem Weg dazu z.b.: Zellstoffindustrie, Olechemische Industrie, Weinbau, Naturfarbstoffindustrie, uvam. Bsp. Oleochemie: Seit über einem Jahrhundert erfolgreiche Chemikalienproduktion auf Basis Fett-Öl & Zucker mit etwa 35% Marktanteil (Tenside, Emulgatoren, ) neben der Erdölsynthesechemie.

Bsp. Oleochemie: Seit über einem Jahrhundert erfolgreiche Chemikalienproduktion auf Basis Fett-Öl & Zucker mit

12 12 Biomassenutzung Hintergrund und Chancen So gesehen sind viele Industriebetriebe, welche biogene Rohstoffe verarbeiten schon heute Bioraffinerien bzw. auf dem Weg dazu z.b.: Zellstoffindustrie, Olechemische Industrie, Weinbau, Naturfarbstoffindustrie, uvam. Bsp. Oleochemie: Seit über einem Jahrhundert erfolgreiche Chemikalienproduktion auf Basis Fett-Öl & Zucker mit etwa 35% Marktanteil (Tenside, Emulgatoren, ) neben der Erdölsynthesechemie.

13 11% 10% Oleochemie Glycerol Neue Syntheseprodukte!? drugs/pharmaceuticals 18% pers. care 16% polyether/polyols 14% 11% 14% 8% 12% food 11% 6% others 11% triacetin 10% 2% alkyd resins 8% 2% 2% tobacco 6% 16% 18% detergents 2% cellophane 2% explosives 2%

14 Rohstoff Holz Pulp & Paper - Neue Technologien?! Zusätzliche Quellen für extraktive Holzbestandteile: Holztrocknung Pellets Rinden

15 15 Rohstoff Holz - Chemische Zusammensetzung (Bsp.) % Douglas Fir Redwood Yellow Pine Balsam Fir Cellulose* Hemicellulose * Lignin* Extractives % Red Maple English Oak Iroko Balsa Cellulose* Hemicellulo se* Lignin* Extractives Weichholz Hartholz *Data for Cellulose, Hemicellulose & Lignin on extractive free wood basis

Hemicellulose * Lignin* Extractives % 60 40 20 0 Red Maple English Oak Iroko Balsa

16 Rohstoff Holz - Synthese von Linalool und Menthol Linalool is an important fragrance and fragrance precursor (esters) with an annual production of over t. Only (-)-menthol (1R,2S,3Rconfiguration) possesses the characteristic peppermint odor. Quelle: Takasago

17 17 Biobased Industries - Die Vielfalt der Möglichkeiten als Chance

18 18 Biobased Industries Hintergrund und Chancen Rohstoffe werden von der chemischen Industrie, neben dem (untergeordneten) Aspekt der Erneuerbarkeit, vermehrt von Seiten ihrer Strukturvorteile auf molekularer Ebene betrachtet. Nutzung der Synthesevorleistung der Natur Biomasse-Moleküle zeigen hier, bei geeignet zu entwickelnder VT, großes Potential für eine chemische und biotechnische Nutzung Building-Block-Chemicals In den letzten fünf Jahren ist ein kontinuierlicher Anstieg der Investitionen der chemischen Industrie und die vermehrte Gründung von Start-up Unternehmen (Patente) zur Erzeugung von Chemikalien auf Basis Biomasse auffallend.

Nutzung der Synthesevorleistung der Natur Biomasse-Moleküle zeigen hier, bei geeignet zu entwickelnder VT, großes Potential für eine chemische und biotechnische

19 19 Biobased Industries Hintergrund und Chancen Rohstoffe werden von der chemischen Industrie, neben dem (untergeordneten) Aspekt der Erneuerbarkeit, vermehrt von Seiten ihrer Strukturvorteile auf molekularer Ebene betrachtet. Nutzung der Synthesevorleistung der Natur Biomasse-Moleküle zeigen hier, bei geeignet zu entwickelnder VT, großes Potential für eine chemische und biotechnische Nutzung Building-Block-Chemicals In den letzten fünf Jahren ist ein kontinuierlicher Anstieg der Investitionen der chemischen Industrie und die vermehrte Gründung von Start-up Unternehmen (Patente) zur Erzeugung von Chemikalien auf Basis Biomasse auffallend.

20 20 Demonstrations Anlage Utzenaich Rohstoff Gras - Die Grüne Bioraffinerie Produkte: Milchsäure (Ethyllactat), Aminosäuren, Presskuchen (Biogas oder Faserverbundstoffe),

21 21 Rohstoff Gras Die Grüne Bioraffinerie (II) Kernzone mit Saftverarbeitung Biogasanlage und Bioraffinerie Integration Umland Div. Biogasanlagen: Verpressung der sil. Grünlandbiomasse (Safteindickung) und Anlieferung an die Bioraffinerie

22 Die Grüne Bioraffinerie (III) Kapazität und Detailschema Rohstoff: Grassilage mit einem durchschnittlichen Trockensubstanzgehalt von 30 % [m/m] Pressung: bis zu 4 Tonnen Silage pro Stunde (~ 0,4 ha Grasfläche) Saftaufbereitung: Liter Gras-Saft pro Stunde Produktion: 6 12 kg Aminosäure pro Stunde, kg Milchsäure/h

23 23 Milchsäure Neue Verfahrensentwicklung (I) Ethyllactat aus Bio-Ethanol und Milchsäure * + + EDUKTE AUS RESTSTOFFBIOMASSE: Vermeidung von Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion. Biologisch abbaubares, ungiftiges Lösungsmittel! Keine fossilen Rohstoffe - senkt den Ausstoß an CO 2 Wertschöpfung mit großem Marktvolumen Hoch effiziente, einzigartige Prozessführung * Projekt Green Safer Solvent

24 24 Milchsäure Neue Verfahrensentwicklung (II) Pilotanlage zur reaktiven Destillation

25 25 Biobased Industries- Aktuelle Technologieentwicklungsfelder Themenfelder mit drängenden Forschungs und Entwicklungsfragen der Chemie & VT und außerordentlichem Entwicklungspotential Chemische Verfahren und Technologien Gewinnungs- und Trennverfahren für organische Moleküle (auch wässriger Systeme ). Die Entwicklung neuer Biokatalysatoren und konventioneller Katalysatoren (inkl. Mikroverfahrenstechnik) und neue verfahrenstechnische Einsatzmöglichkeiten für deren Einsatz. Erweiterung der Rohstoffpalette (Biomassereststoffe) Energetische Nutzung und Materialrückführung (Dünger) von Reststoffen aus der Produktion

26 26 Biobased Industries- Aktuelle Technologieentwicklungsfelder Themenfelder mit drängenden Forschungs und Entwicklungsfragen der Chemie & VT und außerordentlichem Entwicklungspotential Chemische Verfahren und Technologien Gewinnungs- und Trennverfahren für organische Moleküle (auch wässriger Systeme ). Die Entwicklung neuer Biokatalysatoren und konventioneller Katalysatoren (inkl. Mikroverfahrenstechnik) und neue verfahrenstechnische Einsatzmöglichkeiten für deren Einsatz. Erweiterung der Rohstoffpalette (Biomassereststoffe) Energetische Nutzung und Materialrückführung (Dünger) von Reststoffen aus der Produktion

27 27 Biobased Industries Neue Entwicklungen im F&E Umfeld (auszugsweise) National: NAWI GRAZ (TUG&KFUG): Gründung des Central Lab Biobased Products in Kooperation mit JR (Februar 2014) International: TNO : Fertigstellung eines Groß-Technikums Green Chemistry Campus bis Ende 2014 (Delft, NL) Laufende Erweiterung des Biobased Industries Consortium BIC (EU) Industrielle Biotechnologie Bayern Netzwerk GmbH IBB (D) Chemie The Cluster Green Bayern Chemistry CCB (D) Belt (Quelle: Dr. J. Klein, CCB, 2013)

28 28 Biobased Industries Neue Entwicklungen im F&E Umfeld The Green Chemistry Belt (Quelle: Dr. J. Klein, CCB, 2013)

29 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit RESOURCES Institut für Wasser, Energie und Nachhaltigkeit Elisabethstraße 18/II 8010 Graz, Austria Kontakt: Mag. Dr. Herbert G. Boechzelt

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