Prof. Dr. Kurt Wagemann. Optionen für die Chemie-Produktion in den Zeiten von Energiewende und Shalegas-Boom

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1 Prof. Dr. Kurt Wagemann Optionen für die Chemie-Produktion in den Zeiten von Energiewende und Shalegas-Boom Lunch & Learn, Industriepark Höchst, 21. November 2014

2 Verbindungen schaffen zwischen Disziplinen Gemeinnützige wissenschaftlich technische Gesellschaft Mehr als Mitglieder (incl. mehr als 600 Firmen: Chemie, Biotechnologie, i Apparate- und Anlagenbau) Ehrenamtliche Mitarbeit von mehr als angesehenen Experten aus Industrie, Universitäten und Forschungseinrichtungen Geschäftsstelle in Frankfurt / Main, Deutschland 2 Industriepark Höchst, 21. November 2014

3 Interdisziplinär und zukunftsorientiert Über 100 thematisch ausgerichtete Gremien Energiespeicherung als Element einer sicheren Energieversorgung Engineering Product design Protection of Resurces Biomasse Particle generation Hybrid separation techniques Matter flows Absorption Bulk- and nano-coating Chemical biology Process intensification Hydrogen technology Mikrotechnology Process control Biofuels Energy efficiency i Multiphase flows Fluiddynamics Formulation Catalysis Dynamic optimisation Process sensors Process development Reaction technology Particle techology Innovative materials Biotechnology Etwa 100 Konferenzen, Kolloquien und Weiterbildungskurse mit mehr als Teilnehmern jedes Jahr Studien, Positionspapiere und Informationsbroschüren zu aktuellen wissenschaftlichen Themen Gemeinsame Initiativen mit anderen Fachgesellschaften 3 Industriepark Höchst, 21. November 2014

4 Informationen für Experten, Politik und Öffentlichkeit Koordinierung von Europäischen Forschungsverbünden und Projekten gefördert durch Bundesministerien (BMBF, BMELV) Beratung und Unterstützung bei der Identifizierung von neuen Themen, Partnern und Fördermöglichkeiten Datenbanken Förderung von Projekten der Industriellen Gemeinschaftsforschung als Mitglied der 4 Industriepark Höchst, 21. November 2014

5 Agenda Einführung: Ein holistischer Blick auf den Rohstoffwandel Der Schiefergas-Boom Power2Chemicals Grund-Chemikalien aus Erdöl Schiefergas, Biomasse und Wasserstoff Beispiele: C2: Ethanol, Ethylen C3: Propylen, Acrylsäure C4: Butadien, Bernsteinsäure Adipinsäure Aromaten: Terephthalsäure Biobasierte Chemikalien als Teil einer zukünftigen Bioökonomie 5 Industriepark Höchst, 21. November 2014

6 Grand Challenges (nach EU-Kommission, Horizon 2020) Klima- und Umweltschutz, Ressourceneffizienz und Rohstoffversorgung Sichere, saubere und effiziente Energieversorgung i Der Rohstoffwandel ist untrennbar Gesundheit Demographischer verknüpft Wandel mit der Nutzung Smarte,, grüne von und integrierte Mobilität Wohlfahrt Schiefergas und erneuerbaren Energien Sicherheit Lebensmittelversorgung Nachhaltige Land- und Forstwirtschaft, u. a. 6 Industriepark Höchst, 21. November 2014

7 Der globale Rohstoffwandel führt zu einer regionalen Diversifizierung US: Ethylen- Produktionskapazität um 33 % gestiegen 2)??? Global: Ölpreise auf Zweijahrestief 4) China: bis 2018 werden 30 % der Ethylen/ Propylen- Produktion aus Kohle kommen 1) Brasilien: Anstieg der Zucker Produktion um 30 % in den letzten 6 Jahren 3) 1) Korea IT Times 27/10/14, 2) PWC, Shale gas Reshaping the US chemicals industry, Oct ) grosse produktion drueckt die preise, ) 7 Industriepark Höchst, 21. November 2014

8 Der Schiefergas-Boom: Zusammensetzung von Erdgasen Erdgas allg. * nasses Schiefergas (Marcellus Well) Methan 70-90% 79,4 % 95 % Ethan 0-20% 16,1 % 0,2 % Propan 0-20 % 4,0 % Butan 0-20 % Kohlendioxid 0-8 % 0,1 % 4,8 % Sauerstoff 0-0,2% Stickstoff 0-5 % 0,4 % 0,1 % H 2 S 0-5% trockenes Schiefergas (Haynesville Well) Edelgase Spuren * Naturalgas.org; Oil & Gas Journal March 9, Industriepark Höchst, 21. November 2014

9 Der Schiefergas-Boom: Steam-Cracker- Produkte Feedstock Ethylene Propylene Butadiene Aromatics Others Naphtha 34,4 14,4 4,9 14,0 32,3 Gas Oil 25,5 13,5 4,9 12,8 43,3 Ethane 84 1,4 1,4 0,4 12,8 Propane 45 14,0 2,0 3,5 35,5 Butane 44 17,3 30 3,0 34 3,4 32,33 Source: 9 Industriepark Höchst, 21. November 2014

10 Der Schiefergas-Boom: Einfluss auf die Verfügbarkeit von Kohlenwasserstoffen Ethylene Propylene Butadiene Aromatics Functionalised C3- and C4-CompoundsC Methane Verfügbarkeit aus fossilen Quellen Ist dies die Chance für die bio-basierte Produktion? 10 Industriepark Höchst, 21. November 2014

11 Agenda Einführung: Ein holistischer Blick auf den Rohstoffwandel Der Schiefergas-Boom Power2Chemicals Grund-Chemikalien aus Erdöl Schiefergas, Biomasse und Wasserstoff Beispiele: C2: Ethanol, Ethylen C3: Propylen, Acrylsäure C4: Butadien, Bernsteinsäure Adipinsäure Aromaten: Terephthalsäure Biobasierte Chemikalien als Teil einer zukünftigen Bioökonomie Industriepark Höchst, 21. November

12 Power2Chemicals: Wachsender Anteil erneuerbarer Energien bei der Elektrizitätserzeugung Überschussstrom Industriepark Höchst, 21. November

13 Power2Gas Power2Chemicals Quelle: Energy 2.0 / Ausgabe 6+7/2013 Alternative Produkte: Methanol, Ameisensäure, 13 Industriepark Höchst, 21. November 2014

14 Power2Chemicals: Das Evonik-Konzept 14 Industriepark Höchst, 21. November 2014

15 Power2Chemicals: Das Evonik-Konzept Strom-Überschuss Normallast-Fall Strom-Unterschuss Strom- Markt Strom- Markt Gas- Kraftwerk Gas- Kraftwerk Gas- Kraftwerk Rohprodukt- Speicher Rohprodukt- Speicher Rohprodukt- Speicher 15 Industriepark Höchst, 21. November 2014

16 Power2Chemicals: Synthesegas-Herstellung (Nicht-)katalytische Reformierung: CH 4 +HO 2 CO/H 2 (Nicht-)katalytische trockene Reformierung: CH 4 + CO 2 CO/H 2 16 Industriepark Höchst, 21. November 2014

17 Power2Chemicals: Synthesegas-Nutzung Klassische chemische Pfade: Biotechnologisch: Fischer-Tropsch- Kohlenwasserstoffe (Diesel) Methanol Alternative Produkte Ethylen/Propylen Ethanol Höhere Alkohole Aldehyde Dimethylether Oxymethylenether Produkte: Carbonsäuren Ester Alkohole Beispiel: Indirekter Bioethanol Prozess 6 CO + 3 H 2 O C 2 H 5 OH + 4 CO 2 6 H CO 2 C 2 H 5 OH + 3 H 2 O Bakterien: z.b. Clostridium ljungdahlii 17 Industriepark Höchst, 21. November 2014

18 Agenda Einführung: Ein holistischer Blick auf den Rohstoffwandel Grund-Chemikalien aus Erdöl Schiefergas, Biomasse und Wasserstoff Beispiele: C2: Ethanol, Ethylen C3: Propylen, Acrylsäure C4: Butadien, Bernsteinsäure Adipinsäure Aromaten: Terephthalsäure Biobasierte Chemikalien als Teil einer zukünftigen Bioökonomie 18 Industriepark Höchst, 21. November 2014

19 Prinzipschema Strom aus Wind und Photovoltaik H 2 O, CH 4, CO 2 CO/H 2, C 2 H 2 Erdöl Naphta Grund- Kohlenhydrate, chemikalie Fette und Öle NaWaRo Methan, Ethylen Shalegas 19 Industriepark Höchst, 21. November 2014

20 Bulk-Chemicals from Renewable Raw Materials Olefins Alcohols Acids Others C2 Ethylene Ethanol Acetic Acid Ethyleneoxide C3 Propylene n-propanol i-propanol 1,2-Propanediol 1,3-Propanediol C4 1-Butene 1-Butanol C5 2-Butene i-butene Butadiene Isoprene i-butanol 1,4-Butanediol 2,3-Butanediol Acrylic Acid Lactic Acid Succinic Acid Methacrylic Acid Epichlorohydrine Propyleneoxide C6 Adipic Acid Hexamethylenediamin Aromatics p-xylene Phenol Terephthalic Acid 20 Industriepark Höchst, 21. November 2014

21 Bio- versus Fossil-basierte Chemikalienproduktion Kriterien 1. Verfügbarkeit und Preis des Rohstoffs 2. Zahl der Reaktionsschritte 3. Atom-Ökonomie 4. Selektivitäten 5. Ausbeuten 6. Produktivitäten 7. Produkt-Konzentrationen 8. Aufarbeitungs-Aufwand 21 Industriepark Höchst, 21. November 2014

22 Agenda Einführung: Ein holistischer Blick auf den Rohstoffwandel Grund-Chemikalien aus Erdöl Schiefergas, Biomasse und Wasserstoff Beispiele: C2: Ethanol, Ethylen C3: Propylen, Acrylsäure C4: Butadien, Bernsteinsäure Adipinsäure Aromaten: Terephthalsäure Biobasierte Chemikalien als Teil einer zukünftigen Bioökonomie 22 Industriepark Höchst, 21. November 2014

23 Naphtha (Steam-Cracking) E T H Y L E N E Ethane Methane -H 2 -H 2 (Dehydrogenation) (Steam-Cracking) (Coupling) +O 2 / -H 2O (Oxidative Coupling) Ethylene (MtO) TOTAL / IFP / Axens Ethanol to Ethene R&D Braskem Ethanol to Ethene t/a since 2010 Ethanol Glucose (Fermentation) (Gasification) Synthesis Gas Methanol +CO 2, CH 4 Renewable Energy 23 Industriepark Höchst, 21. November 2014

24 Renewable Energy +CO 2, CH 4 Methane (Gasification) Synthesis Gas (Metathesis) Ethylene + P R O P E N E Gas Oil (Fluid Catalytic Cracking) (Oxidative Dehydrogenation) Methanol (MtP) Propene -H 2 O (Dimerisation) & 2-Buten Ethylen Ethanol (Isomerisation) -H 2 O Braskem Ethanol to Propene t/a announced for 2014 Propane on hold i-propanol (Dehydration) (Fermentation) (Fermentation) Ethane (Steam-Cracking) 24 Industriepark Höchst, 21. November 2014

25 Qualitative comparison: propylene on purpose vs. biobased propylene Number of reaction steps: (Metathesis) th Ethylene + 2-Buten P R O P E N E (Dimerisation) & (Isomerisation) Ethylene Propane (Oxidative Propene Dehydrogenation) -H 2 -H 2 O Ethanol Theoretical atom (Dehydration) economy for C: (Fermentation) 100 % 66 % i-propanol (Fermentation) Glucose 25 Industriepark Höchst, 21. November 2014

26 A C R Y L I C A C I D Propene +O 2 +CO / +H 2 O -H 2 O (Fermentation) Acrylic Acid Lactic Acid -H 2 O 3-Hydroxypropionic Acid or P3-HPA Arkema Glycerol to AA Pilot Myriant Lactic Acid to AA OPX Bio 3-HPA to AA Cargill / Novozymes / BASF Metabolix Acetylene 3-HPA toaa P3-HPA to AA +O 2 -H 2 O Acroleine R&D R&D 50 m³ Fermentation announced for 2014 R&D Glucose (Fermentation) Glycerin +CH 4 Renewable Energy 26 Industriepark Höchst, 21. November 2014

27 Ethylene A C I D C C I N I C +CO/H 2 N-Butane +O 2 +O 2 Ethyleneoxide +H 2 O 1,2- Ethylene- glycol Reverdia (DSM & Roquette) Succinic Acid t/a since 2012 Myriant Maleic Succinic Acid +H Succinic t/a since 2013 Bioamber Anhydride Succinic Acid Acidt/a since 2010 and +O (Raney-Ni) (Fermentation) t/a announced for 2014 Succinity (BASF & Purac) Succinic Acid t/a since Benzene +O 2 Glucose S U Acetylene + 2 CH 2 O 1,4-Butandiol 2-Butin- 1,4-diole +2 H 2 +CH 4 Renewables 27 Industriepark Höchst, 21. November 2014

28 +2CH 2 O 1,4-Butindiol +H 2 -H 2 O Tetrahydrofuran -H 2 O Ethanol B U T A D I E N E Acetylene (Plasma) +CH 4 Optinol Renewable Energy Cobalt Green Biologics Gran Bio/Rhodia Rhodia/Cobalt Butane Michelin / Axens / IFP Genomatica /ENI (Versalis) -H 2 +O 2 Butadiene n-butanol n-butanol n-butanol (Lebedev-Process) n-butanol n-butanol 2,3-Butanediol to Butadiene 1,4-Butanediol to Butadiene R&D Test Test (Fer- mentation) t/a announced for 2015 R&D Glucose 1-Butene (Oxidative 4,7 t Sugar / t Butadiene Dehydrogenation) -H 2 O n-butanol -2 HO 2 (Fermen- R&D 2,3- tation) R&D Butandiol (Dehydrogenation) (ABE- Fermentation) 28 Industriepark Höchst, 21. November 2014

29 Phenol (Fermentation) Triglycerides +2,5 H 2 A D I P I C A C I D +HNO 3 Cyclohexanol and/or Cyclohexanon Rennovia +H 2 O 2 Rennovia Adipic Acid Glucose to AA HMF to AA +4 H 2 Pilot R&D Gluconic Acid Verdezyne +O 2 FA to AA Pilot Cyclohexan +2 H cis-cis 2 Muconic Acid +3 H 2 3,1 t Sugar +H 2 / t Adipic Acid +O 2 Glucose (Fermentation) Benzene THFdicarboxylic Acid +2H Furan-di- 2 carboxylic Acid Carbohydrates 5-Hydroxymethylfurfural 29 Industriepark Höchst, 21. November 2014

30 Agenda Einführung: Ein holistischer Blick auf den Rohstoffwandel Der Schiefergas-Boom Power2Chemicals Grund-Chemikalien aus Erdöl Schiefergas, Biomasse und Wasserstoff Beispiele: C2: Ethanol, Ethylen C3: Propylen, Acrylsäure C4: Butadien, Bernsteinsäure Adipinsäure Aromaten: Terephthalsäure Biobasierte Chemikalien als Teil einer zukünftigen Bioökonomie 30 Industriepark Höchst, 21. November 2014

31 Glucose/ Glycerol Building Blocks A R O M A T I C S Naphtha Aromatics (BTX) (MtA) Methanol Syngas +O (Gasification) 2 +O 2 +CO 2 /CH 4 (Steam- Cracking) (Reforming) Renewable Energy Lignin (Pulping + Separation) Biomass Natural Gas 31 Industriepark Höchst, 21. November 2014

32 Toluene 5-HMF Biomass +H 2 (Steam- Cracking) +MeOH DMF Naphtha p-xylene -H 2 O XDA -H 2 O Diels- (+H 2 SO 4 ) Alder- Adduct -H 2-3H 2 (Dehydroxyaromatisation) Acroleine -H 2 O Glycerol p X Y L E N E ,4,4- -H 2 O Isobutanol Trimethylpent-1-ene Isobutene Glucose (Dimerisation) (Fermentation) 1,4- +C 2 H 4 Hex-2,4 Dimethyl diene cylohexene (Diels Alder-Addition) Industriepark Höchst, 21. November H 2 -H 2 O 1-Hexene Ethylene Ethanol (Trimerisation)

33 Aromatics: Three Routes to p-xylene Source: C.A. Bruijnincx, B.M. Weckhuysen (Angewandte Chemie 2013, 125, ) 33 Industriepark Höchst, 21. November 2014

34 Toluene 5-HMF Biomass +H 2 (Steam- Cracking) +MeOH DMF Naphtha p-xyene -H 2 O XDA -H 2 O Diels- (+H 2 SO 4 ) Alder- Adduct UOP HMF to p-xylene R&D Gevo Isobutanol to p-xylene R&D -H 2-3H 2 (Dehydroxyaromatisation) Acroleine -H 2 O Glycerol p X Y L E N E ,4,4- -H 2 O Isobutanol Trimethylpent-1-ene Isobutene Glucose (Dimerisation) (Fermentation) 1,4-3,6/6,8/6,5 +C 2 H 4 Hex-2,4 t Sugar -H 2 / t p-xylene -H 2 O Dimethyl 1-Hexene Ethylene Ethanol diene cylohexene (Diels Alder-Addition) (Trimerisation) Industriepark Höchst, 21. November 2014

35 C I D I C A Tetrahydro- terepthalic Acid -H 2 Renewables (Diels-Alder Addition) cis-cis (Fermentation) Muconic Glucose +C 2 H 4 Acid P H T H A L E R E p-xylol Petroleum +O 2 Terephtalic Acid Bicyclus -H 2 O +C 2 H 4 Furan-dicarboxylic +O 2 Acid Carbohydrates 5-Hydroxymethylfurfural T 3,6/2,6 t Sugar / t Terephthalic Acid 35 Industriepark Höchst, 21. November 2014

36 And What About the Ethylenglycol for PET-Production? Naphtha -H 2 0 +O 2 -CO 2 +H (Fermentation) 36 Industriepark Höchst, 21. November 2014

37 Biobased Polymers: Expectations 37 Industriepark Höchst, 21. November 2014

38 Biobased Polymers: Expectations 38 Industriepark Höchst, 21. November 2014

39 Agenda Einführung: Ein holistischer Blick auf den Rohstoffwandel Grund-Chemikalien aus Erdöl Schiefergas, Biomasse und Wasserstoff Beispiele: C2: Ethanol, Ethylen C3: Propylen, Acrylsäure C4: Butadien, Bernsteinsäure Adipinsäure Aromaten: Terephthalsäure Biobasierte Chemikalien als Teil einer zukünftigen Bioökonomie 39 Industriepark Höchst, 21. November 2014

40 Agenda Einführung: Ein holistischer Blick auf den Rohstoffwandel Grund-Chemikalien aus Erdöl Schiefergas, Biomasse und Wasserstoff Beispiele: C2: Ethanol, Ethylen C3: Propylen, Acrylsäure C4: Butadien, Bernsteinsäure Adipinsäure Aromaten: Terephthalsäure Biobasierte Chemikalien als Teil einer zukünftigen Bioökonomie BioÖKONOMIE 40 Industriepark Höchst, 21. November 2014

41 Rohstoffpreise: Fossile und nachwachsende Quellen Prices Sources as of Oct 1, 2011, 1 = US$ Raw Sugar NYBOT # 11 (ICE), PKO cif R dam (Handelsblatt) Propylene contract WEU (CMAI); Crude Glycerol 80%, veg. cif NWE (ICIS) 41 Industriepark Höchst, 21. November 2014

42 Rohstoffpreise: Erzeugerpreis-Index für Holz (Industriequalität) Erzeuge erpreisindice es inkl. Umsa atzsteuer ( = 100) Stroh Industrieholz Eiche Industrieholz Buche Industrieholz Fichte Industrieholz Kiefer Jahr Quelle: Statistisches Bundesamt, Fachserie 17, Reihe 1, Stand: Industriepark Höchst, 21. November 2014

43 Bio-Basierte Grundchemikalien Quo Vadis? Verfügbarkeit aus fossilen Quellen Wettbewerbsfähigkeit biobasiert Ethylen Propen -?? Butadien?? Aromaten?? Functionalisierte? C3-, C4- and C5- Verbindungen Polyethylen fossil vs. Polyethylen green Polyethylen fossil vs. (?) Polymilchsäure biobased Methane 43 Industriepark Höchst, 21. November 2014

44 Bio- versus Fossil-basierte Chemikalienproduktion Motivation - Warum wollen wir nachwachsende Rohstoffe 1. It s green! 2. Klimaschutz einsetzen? 3. Verknappung fossiler Rohstoffe 4. Autarkie 5. Vermeidung von Subventionen für die Landwirtschaft 6. Umweltschutz 7. Ökonomie 44 Industriepark Höchst, 21. November 2014

45 Bio- versus Fossil-basierte Chemikalienproduktion Motivation - Warum wollen wir nachwachsende Rohstoffe 1. It s green! 2. Klimaschutz einsetzen? 3. Verknappung fossiler Rohstoffe 4. Autarkie 5. Vermeidung von Subventionen für die Landwirtschaft 6. Umweltschutz 7. Ökonomie 8. Neue und bessere Produkte 45 Industriepark Höchst, 21. November 2014

46 Bioökonomie: Chancen durch neue Funktionalität & neue Produkte Eigenschaften Glasübergangstemperatur Schmelzpunkt Barriere-Eigenschaften zu O 2 g 2 Barriere-Eigenschaften zu H 2 O PEF im Vergleich zu PET geringfügig höher geringfügig niedriger besser besser Quelle: Avantium 46 Industriepark Höchst, 21. November 2014

47 Bioökonomie: Chancen durch neue Funktionalität & neue Produkte Bio-Schmierstoffe: e Geringe Toxizität Hervorragende Gebrauchseigenschaften REACH nicht anwendbar Bioabbaubar 47 Industriepark Höchst, 21. November 2014

48 Conclusions for the Effects on the Bioeconomy ort te erm Sh Bio-based drop-in solutions will not profit from the shale gas boom - exception: functionalised molecules Opportunities for processes that make use of nature s synthesis efforts (e.g. terpenes) Mediu um te erm Depending on price developments, specific bio-based chemicals will gradually become competitive (e.g. butadiene, isoprene, furan derivatives) Lo ong te erm Shale gas is a limited resource More bio-based building blocks and products are available Efficient processes should be further developed 48 Industriepark Höchst, 21. November 2014