HERAUSFORDERUNGEN DES ROHSTOFFWANDELS BIOÖKONOMIE UND DER BEITRAG VON BIORAFFINERIEN

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1 HERAUSFORDERUNGEN DES ROHSTOFFWANDELS BIOÖKONOMIE UND DER BEITRAG VON BIORAFFINERIEN 1. Hammer Bioenergietage, Hamm, 21. Juli 2017 Thomas Hirth, IGVP der Universität Stuttgart und Fraunhofer IGB

2 GLIEDERUNG Herausforderung Klima-, Rohstoff- und Energiewandel Rohstoffe und Wertschöpfungsketten Mit Bioökonomie dem Wandel begegnen Bioökonomie und Bioraffinerien Integrierte stoffliche und energetische Nutzung von biogenen Roh- und Reststoffen Zusammenfassung und Ausblick

3 GLIEDERUNG Herausforderung Klima-, Rohstoff- und Energiewandel Rohstoffe und Wertschöpfungsketten Mit Bioökonomie dem Wandel begegnen Bioökonomie und Bioraffinerien Integrierte stoffliche und energetische Nutzung von biogenen Roh- und Reststoffen Zusammenfassung und Ausblick

4 Herausforderungen im 21. Jahrhundert Bevölkerungswachstum, Klima-, Energie- und Rohstoffwandel Quelle: FAO, IEA, U.S. Geological Survey, Global Carbon Project Weltbevölkerung Mrd. Menschen 2030 > 8 Mrd. Menschen Nahrungsmittelbedarf > 40 % Energiebedarf > 50 % Rohstoffbedarf > 100 %

5 Ziele der deutschen Nachhaltigkeitsstrategie Energie und Rohstoffe Verringerung des Primärenergieverbrauchs um 20 % bis 2020 bzw. um 50% bis bzw. 60% Anteil der erneuerbaren Energien am Endenergieverbrauch bis 2020 bzw Verdopplung der Rohstoff- und Energieproduktivität bis zum Jahr 2020 gegenüber 1993 bzw Senkung der Treibhausgasemissionen in Deutschland um 40% bis 2020 bzw. 80 bis 95 % bis 2050 gegenüber 1990 Quelle: Bundesregierung, BMWi, GDCh, Fraunhofer

6 Beitrag biotechnologischer Verfahren zum Klimaschutz Heute werden durch biotechnologische Prozesse 33 Mio. t CO 2 eingespart. Bis 2030 können durch biotechnologische Prozesse 1-2 Mrd. t CO 2 eingespart werden. Quelle: OECD, WWF

7 Schlüsselinnovationen initiieren neue industrielle und gesellschaftliche Entwicklungsphasen

8 GLIEDERUNG Herausforderung Klima-, Rohstoff- und Energiewandel Rohstoffe und Wertschöpfungsketten Mit Bioökonomie dem Wandel begegnen Bioökonomie und Bioraffinerien Integrierte stoffliche und energetische Nutzung von biogenen Roh- und Reststoffen Zusammenfassung und Ausblick

9 Fossile Rohstoffe Stoffliche und energetische Nutzung Quelle: FNR, VCI (2014)

10 Mineralölraffinerie Oberrhein (14,9 Mio. t Rohöl, 458 ha) Quelle: Mineralölraffinerie Oberrhein

11 Anteil fossiler und biogener Rohstoffe an der Energiebereitstellung Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, FNR (2014)

12 Anteil fossiler und biogener Rohstoffe in der chemischen Industrie in Deutschland (2011) Quelle: FNR, VCI (2014)

13 Rohstoffe für die Chemie und ihre Prozessketten Quelle: J. Rothermel, VCI

14 Vergasung und chemische Produkte auf der Basis von Synthesegas Erdöl Erdgas Schiefergas Kohle Biomasse Vergasung Steam reforming Wasserstoff Ammoniak Methanol Kohlenwasserstoffe Phosgen Kohlenstoffmonoxid Quelle: Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, The Linde Group

15 Steam cracking und chemische Produkte auf der Basis von Kohlenwasserstoffen Ethylen PE, PVC, EO Naphtha Propylen PP, PAN, PO, AA Schiefergas Steam cracking C4-KW Benzol PB, MTBE, MAAH Phenol, PS, PA Bio-KW Toluol Benzol, Isocyanate Xylole PET, Phthalate Quelle: Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, BASF SE

16 GLIEDERUNG Herausforderung Klima-, Rohstoff- und Energiewandel Rohstoffe und Wertschöpfungsketten Mit Bioökonomie dem Wandel begegnen Bioökonomie und Bioraffinerien Integrierte stoffliche und energetische Nutzung von biogenen Roh- und Reststoffen Zusammenfassung und Ausblick

17 Entwicklung der Bioökonomie in Europa und Deutschland Die Bioökonomie umfasst alle Industrien und alle wirtschaftlichen Sektoren, die biologische Ressourcen (Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen) einschließlich Bioabfälle produzieren, bewirtschaften oder auf andere Weise nutzen.

18 Bioökonomie Das wissenschaftliche Fundament Nicholas Georgescu-Roegen ( ) Bildquelle: Wikipedia

19 Bioökonomie Das wirtschaftliche Fundament Quelle: Statistisches Bundesamt, BMEL, vti, Bioökonomierat

20 Bioökonomie und Wertschöpfungsketten Rohstoffversorgung Nahrungsmittelsicherheit Biodiversität Ernährungssicherung Marco Barnebeck / PIXELIO Jens Bredehorn / PIXELIO Rosel Eckstein / PIXELIO Eugen Lehle Antje Schröter / PIXELIO Rest-/Abfallstoffe Rest-/Abfallstoffe Energieversorgung Gesundheit Quelle: Europäische Kommission, Bioökonomierat

21 Bioökonomie und biobasierte Produkte Quelle: Bioökonomierat

22 Positions- und Strategiepapiere zur Bioökonomie

23 Weltweit wird an Bioökonomiestrategien gearbeitet Quelle: Ökosoziales Forum

24 Kritische Reflexion der Bioökonomie Zielkonflikte und Nutzungskonkurrenzen Quelle: Welthungerhilfe, NABU, Leopoldina, Leibniz, Deutscher Bundestag, VCI

25 GLIEDERUNG Herausforderung Klima-, Rohstoff- und Energiewandel Rohstoffe und Wertschöpfungsketten Mit Bioökonomie dem Wandel begegnen Bioökonomie und Bioraffinerien Integrierte stoffliche und energetische Nutzung von biogenen Roh- und Reststoffen Zusammenfassung und Ausblick

26 Rohstoffwandel Strategien zur Steigerung des Anteils biogener Rohstoffe Integrierte Aufarbeitung von»non-food«biomasse in Bioraffinerien, die im Verbund Chemikalien, Biogas, Kraftstoffe und Energieträger liefern. Stärkere Integration von biotechnologischen Verfahren in die chemische Verbundproduktion. Anknüpfung an die bestehenden, hocheffizienten Wertschöpfungsketten der chemischen Industrie Integration der Nutzung von fossilen und biogenen Rohstoffen. Nutzung der bestehenden Infrastruktur mit den Produkt- und Energieverbünden und des langjährig erarbeiteten chemischen Prozess-Knowhows. Quelle: Positionspapier»Rohstoffbasis im Wandel«von GDCh, DECHEMA, DGMK und VCI

27 Stoffliche Nutzung biogener Rohstoffe Rohstoffe, Prozesse und Produkte Prozess Bioökonomie Rohstoff Produkt

28 Stoffliche Nutzung biogener Rohstoffe Rohstoffe, Prozesse und Produkte Prozess Bioökonomie Rohstoff Produkt

29 Weltweiter Materialverbrauch Kunststoffe 280 Mio. t Stahl 1,6 Mrd. t Biogene Rohstoffe (incl. Holz) > 2 Mrd. t

30 Was ist beim Einsatz biogener Rohstoffe zu beachten? Ausreichende Verfügbarkeit Konstante Qualität Wettbewerbsfähige Preise Elementare Zusammensetzung Stoffliche Zusammensetzung Molekülstruktur

31 Hauptbestandteile von Biomasse > 90% sind Biopolymere und > 60% sind Cellulose und Lignin

32 Biogene Rohstoffe in der chemischen Industrie in Deutschland (2011) Quelle: FNR, VCI (2014)

33 Stoffliche Nutzung biogener Rohstoffe Rohstoffe, Prozesse und Produkte Prozess Bioökonomie Rohstoff Produkt

34 Industrielle Nutzung biogener Rohstoffe... wenn sie Vorteile gegenüber fossil basierten Rohstoffen bieten Cellulose Fasern, Celluloseether, Celluloseester Naturkautschuk Reifen Pflanzliche Öle Tenside

35 Markt- und Anwendungspotenziale für biobasierte Produkte (EU) Chemische Zwischenprodukte und Polymere Spezialchemikalien (Lösungsmittel, Tenside, Klebstoffe, ) Fasern Schmierstoffe Quelle: EU, FNR, BMEL, Nova-Institut

36 Biopolymere Weltweite Produktionskapazitäten nach Typen (2012) Quelle: European Bioplastics (2013)

37 Stoffliche Nutzung biogener Rohstoffe Rohstoffe, Prozesse und Produkte Prozess Bioökonomie Rohstoff Produkt

38 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 Quelle: Fraunhofer IGB OH

39 Bioraffinerien Integration in Wertschöpfungsketten Eine Bioraffinerie ist ein Betrieb, der biogene Rohstoffe fraktioniert, raffiniert und veredelt. Fraktion 1 Biogener Rohstoff Nahrungs- und Futtermittel, Chemikalien und Energie Fraktion 2 Erweiterung vorhandener Anlagen zur Verarbeitung biogener Rohstoffe (Zucker-, Stärke-, und Zellstoffwerke, Ölmühlen) Bottom-up-Ansatz (12) Neukonzeption von hoch integrierten Anlagen Top-down-Ansatz (4)

40 Bottom-up-Bioraffinerien in D aktueller Stand Quelle: FNR

41 Top-down-Bioraffinerien in D aktueller Stand Quelle: FNR

42 Bioraffinerie-Konzepte Gruppe 1 2 Bioraffinerie-Konzept Zucker-Bioraffinerie Stärke-Bioraffinerie Pflanzenöl-Bioraffinerie Algenlipid-Bioraffinerie 3 Synthesegas-Bioraffinerie 4 Biogas-Bioraffinerie 5 Lignocellulose-(Cellulose/Hemicellulose/Lignin) Bioraffinerie Grüne Bioraffinerie Quelle: Roadmap Bioraffinerien, BMEL

43 Struktur von Lignocellulose 40-55% 28-41% (Nadelholz) 18-25% (Laubholz) 15-35% Erdöl Kohlr Lignocellulose (Lignin) C 85-90% 68-95% 50% (63%) H 10-14% 2-7% 6% (6%) O 0-1,5% 2-26% 43% (31%) Quelle: O. Faix, Thünen Institute Hamburg

44 Biogene Roh- und Reststoffe Lignocellulose (D) Land- und forstwirtschaftlich erzeugte biogene Rohstoffe Laub- und Nadelholz (39 Mio. t/a) Land- und forstwirtschaftliche biogene Reststoffe Rinde (1,5 Mio. t/a), Stroh und andere Ernterückstände (60 Mio. t/a) Industrielle biogene Reststoffe Industrierestholz und Sägenebenprodukte (12 Mio. t/a) Biogene Abfallstoffe Gebrauchtholz (5 Mio. t/a), Lebensmittelabfälle (7 Mio. t/a) und Altpapier (15 Mio. t/a) Source: Mantau, FNR, DBFZ, VDP

45 Verfahrenskette einer Bioraffinerie Quelle: Roadmap Bioraffinerien, BMEL

46 Verfahren zur Primärraffination am Beispiel von Lignocellulose strukturerhaltend strukturabbauend Organosolv-Prozess (Fraunhofer CBP) Pyrolyse und Vergasung (KIT)

47 Verfahren zur Primärraffination am Beispiel von Lignocellulose strukturerhaltend strukturabbauend Organosolv-Prozess (Fraunhofer CBP) Pyrolyse und Vergasung (KIT)

48 Pyrolyse und Vergasung von biogenen Rohstoffen bioliq-verfahren am KIT Quelle: KIT

49 Biobasierte Produkte auf Basis von Synthesegas Synthesegas-Fermentation Quelle: KIT

50 Verfahren zur Primärraffination am Beispiel von Lignocellulose strukturerhaltend strukturabbauend Organosolv-Prozess (Fraunhofer CBP) Pyrolyse und Vergasung (KIT)

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

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

53 Von der Laboranlage zur Produktionsanlage Fraunhofer CBP Labor Labor II Technikum Scale-up und Prozessentwicklung Standort Leuna

54 Ein Stoffverbund wird um biogene Rohstoffe erweitert Schlüsselimpulse für den Chemiestandort Leuna

55 Ein Stoffverbund wird um biogene Rohstoffe erweitert Schlüsselimpulse für den Chemiestandort Leuna Herbst 2011 Produktionsstart für eine Pyroreforming-Pilotanlage der Linde Group zur Herstellung von Grünem Wasserstoff Oktober 2012 Eröffnung des Fraunhofer-Zentrums für ChemischBiotechnologische Prozesse CBP Juli 2013 Eröffnung der europaweit ersten Mehrzweckfermentationsanlage der ThyssenKrupp Industrial Solutions AG am Standort Leuna Oktober 2013 Startschuss für das Spitzenclusterprojekt zum Aufbau einer Isobuten-Pilotanlage für die Firma Global Bioenergies

56 Pilotanlage Organosolv-Verfahren am Standort Leuna Ethanol / Wasser Ethanol/ Wasser Kocher 400 L 200 C Aufschluss -lösung Holzchips tank farm Xylose Aufschluss Faserfraktion Faserwäsche & -zerkleinerung Ligninfällung/ Ethanolrückgewinnung Entwässerung Lignin Enzymatische Hydrolyse Ligninwäsche Hydrolyserückstand Glucoselösung Filtration Konzentration Trocknung Organosolv-Lignin Hydrolyselignin Konz. Glucoselösung

57 Biobasierte Produkte auf Basis von Kohlenhydraten Neue Produkte und etablierte Produkte 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 Polyhydroxyfuranoate Polyurethane

58 Ethanol und Ethanol-Folgeprodukte (C2-Bausteine) Strategische Partnerschaften und großvolumige Produktion 104 Mio. m³ (2013) Optimierte Organismen und verbesserte Produktionsverfahren Produkte: Ethylen, Ethylenoxid und -glykol Quelle: Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, B.C. Saha Commodity Chemicals Production by Fermentation, Nordzucker, OECD, F. O. Licht, European Bioplastics

59 Milchsäure und Milchsäure-Folgeprodukte (C3-Bausteine) Großvolumige Produktion > t (2013) Fermentationsprozesse mit mehr als 90% Ausbeute an Ca-Lactat und ph-wert-steuerung mit Ammoniak Fermentation von Xylose mit Pichia stipitis Produkte: PLA, Acrylsäure, Milch- und Acrylsäureester Quelle: B.C. Saha Commodity Chemicals Production by Fermentation, NatureWorks

60 Isobuten und Isobuten-Folgeprodukte (C4-Bausteine) Fermentation Aufreinigung Glucose Saccharose ISOBUTEN Direkte fermentative Herstellung über einen neuartigen Stoffwechselweg Optimierung des integrierten Gesamtprozesses und Skalierung Produkte: Butylkautschuk, Acrylate, Kraftstoffe Quelle: Global Bioenergies, Fraunhofer IGB

61 Hydrothermolyse von Zuckern C4- und C6-Bausteine Glukose Hydrothermolyse Reduktive Hydrothermolyse O H H O HO-CH 2 O CHO HO O H O H O O H O H H O H O O H O H 5-HMF 5-Hydroxymethylfurfural O OH DHD 2,5-Dihydroxydioxan H O Mannitol O H Sorbitol Polyhydroxyfuranoat Polyglykolid Polyurethan Quelle: Fraunhofer ICT, DOW

62 Verfahrensentwicklung zur Herstellung von 5-HMF Quelle: KIT, AVA-Biochem

63 Lignocellulose-Aufschluss Ökonomische Bewertung Quelle: KIT, vti

64 Biobasierte Produkte auf der Basis von Lignin Lignocellulose Lignin Verarbeitung zu Thermoplasten Verarbeitung zu Duroplasten Chemische und biochemische Spaltung Quelle: Tecnaro, Dynea, Fraunhofer ICT, Fraunhofer IGB

65 GLIEDERUNG Herausforderung Klima-, Rohstoff- und Energiewandel Rohstoffe und Wertschöpfungsketten Mit Bioökonomie dem Wandel begegnen Bioökonomie und Bioraffinerien Integrierte stoffliche und energetische Nutzung von biogenen Roh- und Reststoffen Zusammenfassung und Ausblick

66 Zusammenfassung Biogene Roh- und Reststoffe haben in der 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. Rohstoffe, Produkte und Prozesse müssen integriert betrachtet werden. Bioökonomie braucht die Entwicklung von integrierten Prozessen und die Demonstration im Pilotmaßstab (Bioraffinerien). Bioökonomie benötigt eine stärkere Kopplung von biotechnologischen Verfahren mit chemischen Verfahren. Bioökonomie benötigt die Integration von petrochemischen und biogenen Rohstoffen in die chemische Produktion an Verbundstandorten. Bioökonomie muss in Wertschöpfungsketten und als Gesamtsystem betrachtet werden.

67 Ausblick Bio- und petrochemisch integrierte Standorte Quelle: Cluster BioEconomy

68 Integrierte Nutzung von biogenen und fossilen Rohstoffen Quelle: The Linde Group

69 Modell einer integrierten Produktion am Standort Leuna Kohle Rohöl Erdgas Ethylen, Benzol, Ammoniak, H 2 Vergasung O 2 Luft- Zerleger N 2 H 2 CO Kerosin, Benzin, Diesel Pyro- Reformer Glyzerin Futtermittel CBP Leuna H 2 Ethanol Butanol Raffinerie»Bio- Raffinerie«H 2 CO 2 CO 2 Dampf- Reformer Schwefel H 2 S CO Propylen Ethylen Methanol CO 2 H 2 H 2 Aromaten Komplexe Chemikalien Enzyme Proteine Bio-Öle Tenside Chemische Produktion eprodukti on H 2 O 2 Caprolactam Polyamid 6 PA-Compounds LDPE PE-Wax EVA-Copolymere Katalysatoren NaHS MMA Formaldehyd Amine Schmierstoffe Tenside Harze Feinchemikalien Dispersionen Klebstoffe DMF Quelle: InfraLeuna, The Linde Group Zucker, Stärke, Cellulose, Hemicellulose, Lignin, Algen, etc.

70 Der Herausforderung Klima-, Rohstoff- und Energiewandel mit Innovationen der Bioökonomie begegnen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit