Nachwachsende Rohstoffe in der Chemie der Zukunft

Transkript

1 Nachwachsende Rohstoffe in der Chemie der Zukunft Gerd Unkelbach FNR, Dr. D. Peters

2 Weltweite Ölreserven, Ölförderung und der Rohölpreis Energy Watch Group Gb = Giga barrel / 1 barrel 119 L Energy Watch Group WEO World Energy Outlook

3 Bevölkerungswachstum, Weltenergieverbrauch und CO 2 -Emisionen Quelle: United Nations Department of Economic and Social Affairs: World Population Prospects: The 2008 Revision (Stand: Mai 2010) volker-quaschning.de IEA International Energy Agency WEO World Energy Outlook

4 Entwicklung der chemischen Industrie Kohlechemie (Bsp. Leuna Werke)

5 Entwicklung der chemischen Industrie moderne Verbundstandorte (Bsp. BASF und Leuna Werke) sciencedirekt.com chemiereport.at Stoffverbund Haupterzeugungslinien der Leuna Werke InfraLeuna

6 Rohstoffe der chemischen Industrie in Deutschland Biomasse Menge [kt] Gesamt: 21 Mio. t Öle und Fette Chemiezucker und -stärke 408 Chemiezellstoff 300 Sonstige 549 Gesamt Anstieg von 8% in 1991 auf 13% in 2009 Anstieg auf 20% in ? Importanteil bei Biomasse: ca. 60 % Quelle: FNR, meó consult, VCI

7 Fossile Rohstoffe Stoffliche und energetische Nutzung in Deutschland Importanteil Rohöl: ca. 97 % Quelle: FNR, VCI (2014)

8 Positions- und Strategiepapiere zum Rohstoff-, Energieund Klimawandel

9 Rohstoffwandel Strategien zur Steigerung des Anteils biogener Rohstoffe und Beitrag von Bioraffinerien 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 Wertschöpfungs-ketten 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-Know-hows. Quelle: Positionspapier»Rohstoffbasis im Wandel«von GDCh, DECHEMA, DGMK und VCI

10 Definition - Bioraffinerie Eine Bioraffinerie zeichnet sich durch ein explizit integratives, multifunktionelles Gesamtkonzept aus, das Biomasse als vielfältige Rohstoffquelle für die nachhaltige Erzeugung eines Spektrums unterschiedlicher Zwischenprodukte und Produkte (Chemikalien, Werkstoffe, Bioenergie inkl. Biokraftstoffe) unter möglichst vollständiger Verwendung aller Rohstoffkomponenten nutzt; als Koppelprodukte können ggf. zusätzlich auch Nahrungs- und/oder Futtermittel anfallen. Hierfür erfolgt die Integration unterschiedlicher Verfahren und Technologien. Start: September 2010 / Fertigstellung: Mai 2012

11 Verfahrenskette einer Bioraffinerie Eine Bioraffinerie ist ein Betrieb, der biogene Rohstoffe fraktioniert, raffiniert und veredelt. Roadmap Bioraffinerien

12 Bioraffinerietypen Unterscheiden sich anhand der Plattform und der nachgeschalteten Raffination! Zucker-Bioraffinerie bzw. Stärke-Bioraffinerie Pflanzenöl-Bioraffinerie bzw. Algenlipid- Bioraffinerie Lignocellulose (Cellulose, Hemicellulose und Lignin)-Bioraffinerie bzw. Grüne Bioraffinerie Synthesegas-Bioraffinerie Biogas-Bioraffinerie Roadmap Bioraffinerien

13 Herausforderungen bei der Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen Menge und Verfügbarkeit Rohstoff-Komplexität Rohstoff-Vorbehandlung Prozessentwicklung und Prozessskalierung Herausforderungen Kaskaden- und Mehrfachnutzung Integration der Stoffe in Wertschöpfungsketten Akzeptanz bei Kunden und Verbrauchern Kosten der Herstellung

14 Aufbau und Struktur von Lignocellulose Cellulose 40-55% Hemicellulose 15-35% Lignin 28-41% (Nadelholz); 18-25% (Laubholz) Per Hoffmann, Oskar Faix and Ralph Lehnen

15 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 Sägeneben-produkte (12 Mio. t/a) Biogene Abfallstoffe Gebrauchtholz (5 Mio. t/a), Lebensmittelabfälle (7 Mio. t/a) und Altpapier (15 Mio. t/a) Quelle: Mantau, FNR, DBFZ, VDP

16 Lignocellulosehaltige Roh- und Reststoffe Nutzung von holzartiger Biomasse D 127 Mio. m³/a 72 Mio. m³/a für die stoffliche Nutzung (57%) 55 Mio. m³/a für die energetische Nutzung (43%) EU27+Russland 804 Mio. m³/a 458 Mio. m³/a für die stoffliche Nutzung (57%) 346 Mio. m³/a für die energetische Nutzung (43%) Weltweit 3,7 Mrd. m³/a 1,8 Mrd. m³/a für die stoffliche Nutzung (49%) 1,9 Mrd. m³/a für die energetische Nutzung (51%) Asikainen, Mantau, FNR

17 Zellstoffindustrie eine Lignocellulose Bioraffinerie 600 kt Kraft-Zellstoff ständig 135 MW elektrische Bioenergie Kraft-Wärme-Kopplung > 70% Gesamtnutzungsgrad > 60 % bzg. auf eingesetzte Biomasse Koppelproduktnutzung in Vorbereitung Quelle: Zellstoff Stendal GmbH

18 Lignocellulose Bioraffinerie Holz / Rinde / Reststoffe Ethanol-Wasser- Aufschluss Komponententrennung und Ethanol-Rückgewinnung Cellulose Hemicellulosen Lignin Enzymatische Hydrolyse Glukose Enzymatische Hydrolyse Xylose Fermentation Säuren/Alkohole Schlempe

19 Algen-Bioraffinerie und Schließung von Stoffkreisläufen Quelle: Fraunhofer IGB, Subitec

20 Algen-Bioraffinerie Beispiele für verschiedene Algenkultivierungstechnologien:

21 Algenlipid-Bioraffinerie Beispiele zur stofflichen Nutzung: Produkt Produktion [t TS/a] Preis [US$/kg] Aquakultur (Futter) Spirulina (Protein, Nutraceuticals) Chlorella (Protein, Nutraceutical) Dunaliella (β-carotin) Haematococcus (Astaxanthin ) DHA-Öl (Omega 3) 250?

22 Algenlipid-Bioraffinerie Beispiele zur stofflichen Nutzung: Produkt Produktion [t TS/a] Preis [US$/kg] Aquakultur (Futter) Spirulina (Protein, Nutraceuticals) Chlorella (Protein, Nutraceutical) Dunaliella (β-carotin) Haematococcus (Astaxanthin ) DHA-Öl (Omega 3) 250? Asthaxanthin Haematococcus pluvialis (5% TS) Futtermittelzusatz, Nahrungsergänzung & Kosmetika (antioxidativ) Lachsfleisch wird rot (Aquakultur)

23 Algenlipid-Bioraffinerie Beispiele zur stofflichen Nutzung: Produkt Produktion [t TS/a] Preis [US$/kg] Aquakultur (Futter) Spirulina (Protein, Nutraceuticals) Chlorella (Protein, Nutraceutical) Dunaliella (β-carotin) Haematococcus (Astaxanthin ) DHA-Öl (Omega 3) 250? Beta Carotin Dunaliella Salina Farbstoff & Vitamin A Bis zu 1500 mal mehr als in Gemüse! (12g BC /100g TS)

24 Algenlipid-Bioraffinerie Beispiele zur stofflichen Nutzung: Produkt Produktion [t TS/a] Preis [US$/kg] Aquakultur (Futter) Spirulina (Protein, Nutraceuticals) Chlorella (Protein, Nutraceutical) Dunaliella (β-carotin) Haematococcus (Astaxanthin ) DHA-Öl (Omega 3) 250? Phycocyanin: Arthrospira (Cyanobakterium) Biofarbstoff (Kosmetik, Lebensmittel) /Kg je nach Aufreinigungsgrad!

25 Viele neue Produkte auf Basis NaWaRo möglich Roadmap Bioraffinerien

26 Ausblick bio- und petrochemisch integrierte Standorte Ein stabiler Stoffverbund in Sachsen/Sachsen-Anhalt wird durch den Rohstoff non-food Biomasse erweitert und bildet branchen-übergreifend vernetzt einen innovativen Bioökonomie-Cluster

27 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 eproduktio Produktion n 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 Zucker, Stärke, Cellulose, Hemicellulose, Lignin, Algen, etc. Quelle: InfraLeuna, Linde

28 Zusammenfassung Rohstoffe, Produkte und Prozesse müssen integriert betrachtet werden. Anknüpfung an die bestehenden, hocheffizienten Wertschöpfungsketten der chemischen Industrie Integration der Nutzung von fossilen und regenerativen Rohstoffen an Verbundstandorten Nutzung der bestehenden Infrastruktur mit den Produkt- und Energieverbünden und des langjährig erarbeiteten chemischen Prozess- Know-hows. Stärkere Kopplung von biotechnologischen Verfahren mit chemischen Verfahren. Mittelfristig steht die Nutzung von Abfallprodukten der Nahrungs-, Futtermittel- und Papierindustrie und der Ausbau der Verbundproduktion im Vordergrund. Langfristig steht die integrierte Aufarbeitung von»non-food«-biomasse in Bioraffinerien im Vordergrund.

29 Kontakt Gerd Unkelbach Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP Am Haupttor (Bau 1251), Leuna Telefon