HERAUSFORDERUNG ROHSTOFFWANDEL ALTERNATIV MIT NACHWACHSENDEN ROHSTOFFEN DEM WANDEL BEGEGNEN

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1 HERAUSFORDERUNG ROHSTOFFWANDEL ALTERNATIV MIT NACHWACHSENDEN ROHSTOFFEN DEM WANDEL BEGEGNEN InnovationsForum Bioökonomie - Herausforderungen für Industrie, Landwirtschaft und Umwelt, Frankfurt, 8. Juni 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 Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit der Industrie - Abhängigkeit der Produktion von den Rohstoffkosten Quelle: McKinsey

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

8 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

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

10 Nachwachsende Rohstoffe in der chemischen Industrie 2% 13% 11% Gesamt: Biomasse Öle und Fette Chemiezucker und -stärke Menge [kt] Mio. t 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

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

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

13 Integration der Nutzung von fossilen und regenerativen Rohstoffen Von der Erdölraffinerie zur Bioraffinerie Quelle: VCI, BASF

14 Integration von biotechnologischen und chemischen Prozessen Rohstoff Aufbereitung Biotechnologische Transformation Chemische Transformation Aufarbeitung Synthesebausteine

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

16 Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe Prozess Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe Rohstoff Produkt

17 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 in 2008 (in 1000 t) 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

18 Potentielle Bausteine für eine biobasierte Chemie Stand 2004 Bernsteinsäure, Fumarsäure, Maleinsäure 2,5-Furandicarbonsäure 3-Hydroxypropionsäure Asparaginsäure Glucarsäure Glutaminsäure Itaconsäure Lävulinsäure 3-Hydroxybtyrolacton Glyzerin Sorbit Xylit/Arabinit Stand 2010 Bernsteinsäure Furanderivate 3-Hydroxypropionsäure Ethanol Lävulinsäure Glyzerinderivate Sorbit Xylit Milchsäure Kohlenwasserstoffe Quelle: DOE, 2004; J. Bozell, G. Peterson, Green Chemistry, 4, 2010

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

20 Wertschöpfungskette biobasierter Produkte Herstellung von biobasierten Produkten

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

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

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

24 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

25 Biotechnologische Herstellung von Ethanol > 50 Mio. t Ethylen Großvolumige Produktion (Commodity) Viele strategische Partnerschaften Verbesserte biochemische Herstellung Optimierung der Fermentationsorganismen Quelle: Encyclopedia of Industrial Chemistry, B.C. Saha Commodity Chemicals Production by Fermentation, Nordzucker, OECD, F. O. Licht

26 Ethanol und Ethanol-Folgeprodukte Ethanol Acetaldehyd Ethylen Butadien andere Ethyl Derivate Essigsäure Polyethylen Butadienkautschuke Ester Essigsäureanhydrid Vinylacetat Polyacrylnitril Duftstoffe Aromastoffe Alkoholate Vinylchlorid Polyvinylchlorid Ethylenoxid Ethylenglykol Katalysatoren Treibstoffzusätze Paraldehyd Polyethylenglykol Dehydriatisierung war zu Beginn des 20. Jhd. die Hauptquelle für Ethylen Dehydratisierung in der Wirbelschicht (400 C, 99.5% Umsatz, 99.9% Selektivität) Wasserabtrennung erforderlich Dehydratisierung in der Wasserphase (Katalysator, Reaktor, Prozess) Quelle: Encyclopedia of Industrial Chemistry, W. Reschetilowski, TU Dresden

27 Biotechnologische Herstellung von Milchsäure Industrielle Fermentationsprozesse: 90% Ausbeute an Ca-Lactat auf Basis von Glukose, bei der Neutralisation entsteht 1t CaSO 4 pro Tonne Milchsäure Fermentation von Xylose mit Pichia stipitis Steuerung des ph-werts bei der Fermentation durch Ammoniak führt zur Bildung von Ammoniumsulfat Quelle: Fraunhofer IGB, NatureWorks, Uhde

28 Milchsäure und Milchsäure-Folgeprodukte Hauptanwendung der Milchsäure ist die Herstellung von Polymilchsäure Veresterung zu Milchsäureestern (grüne Lösungsmittel) Katalytische Hydrierung zu 1,2-Propandiol und Dehydratisierung zu Propylenglykol Deydratisierung zu Acrylsäure und Acrylsäureestern Hydrierung und Dehydratisierung in wässriger Phase Quelle: NatureWorks

29 Hydrothermolyse von Zuckern C4- und C6-Bausteine 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

30 Lignocellulose-Aufschluss Ökonomische Bewertung Quelle: KIT, vti

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

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

33 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

34 Integration in Wertschöpfungsketten Erweiterung vorhandener Anlagen der Zellstoffproduktion Quelle: Lenzing AG

35 Kombination von biotechnologischen und thermochemischen Prozessen Biogas-Bioraffinerie Rohstoffe anaerober Abbau Wertschöpfung Produkte Nasse, organische Abfälle: Bioabfall Typ 1 Bioabfall Typ 2 Z e r k l e i n e r u n g Vorstufe Algenzucht Mikroalgenreste Abbauverhalten 1 Abbauverhalten 2 Abbauverhalten 3 zentrale Stufe Biogas Methan Nährstoffe Salze Wasser Wasser+N+P Verwendung zweistufiger, anaerober Abbau mit Mikrofiltration Biogasreinigung Gärrestvergasung Hygienisierung der Flüssigphase Fahrzeugantrieb, BHKW CO 2

36 Kombination von thermo-chemischen, chemischen und biotechnologischen Prozessen Syngas-Bioraffinerie Synthesegas-Fermentation Quelle: KIT

37 Algen-Bioraffinerie Integrierter Produktionsprozess Wertstoffe: Pigmente, PUFA, Vitamine Algenbiomasse Extraktion Restbiomasse Biogas Pro m³ Biogas: 8 MJ Strom 12 MJ Wärme Kraftwerk Verbrennung Luft/CO 2 Ammonium Phosphat Konzentrat Filtrat Strippung / Fällung MF Rückführung N,P Vergärung / Covergärung Pro Kilogramm erzeugter Algenbiomasse werden 1,85 kg CO 2 gebunden.

38 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

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

40 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.

41 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: Bioökonomierat

42 Herausforderung Rohstoffwandel Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit