Lignocellulose-Bioraffinerie Von der Idee zur Realisierung

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1 Lignocellulose-Bioraffinerie Von der Idee zur Realisierung Jochen Michels, DECHEMA e.v. Berlin, 15. Dezember 2010 Projekttag "Stoffliche Biomassenutzung - Mit Innovationen den Wirtschaftsstandort Deutschland stärken"

2 Gliederung Was ist eine Bioraffinerie? Pilotprojekt Lignocellulose-Bioraffinerie Rohstoffe Aufschluss Fraktionierung Primärraffination Lignocellulose-Bioraffinerie - Phase II Pilotanlage Sekundärraffination 2

3 Was ist eine Bioraffinerie? Bioraffinerien sind Anlagen zur Fraktionierung, Raffination und Veredelung von Biomasse. (VCI, DIB, 2009) Bioraffinerien verarbeiten Biomasse und bereiten diese zu Grundstoffen auf Die (chemische) Industrie produziert daraus höherwertige Stoffe und Produkte Die verwendeten Prozesse in einer Bioraffinerie sind häufig Stand der Technik F&E-Bedarf besteht bei der Realisierung des hohen Integrationsgrades 3

4 Motivation zur Entwicklung von Bioraffinerien (Auswahl) Rohstoffwandel Rohstoffalternativen (Quantität und Preis) Klima- und Umweltschutz "Bio"-Marketing Stärkung ländlicher Räume und der Landwirtschaft Politische Rahmenbedingungen Emissionszertifikate-Handel EU-Leitmarktinitiative (lead market: bio-based products) Europa 2020 Strategie (inkl Policy) Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung Aktionsplan der Bundesregierung zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe Roadmap Bioraffinerien (in Vorbereitung) 4

5 Aussichtsreiche Bioraffinerie-Konzepte und deren Produkte (Auswahl) Zucker- bzw. Stärke-Bioraffinerie (mod. Stärke), Zucker, Feinchemikalien, Polymere, Tierfutter Pflanzenöl-Bioraffinerie Tenside, Schmierstoffe, Biodiesel, Glycerin, Tierfutter Lignocellulose-Bioraffinerie Zucker, Feinchemikalien, Aromaten Grüne Bioraffinerie Faserstoffe, Proteine, Tierfutter Synthesegas-Bioraffinerie FT-Diesel, Methanol, Methan (Biogas-Bioraffinerie) Methan, Dünger Entwurf der VDI-Richtlinie "Gütekriterien für Bioraffinierien", Stand Okt

6 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Festlegung auf Laubholz (Buche und Pappel) 30 % der Gesamtwaldfläche wird in Deutschland mit Buche bewirtschaftet Das jährliche Rohholzpotential für die in Frage kommenden Holzklassen (Rinde L2) beträgt bei Buche ca. 12 Mio t atro Keine Wettbewerbssituation mit der Zellstoffund Holzwerkstoffindustrie Buchen- und Pappelholz sind am Markt leicht mobilisierbar Laubholz hat geringeren Ligninanteil als Nadelholz und lässt sich leichter aufschließen. Eine ganzheitliche Verwertung von Holz als Cellulose, Hemicellulosen, Lignin und wertvollen Extrakten scheint bei Buche und Pappel möglich 6

7 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Projektdaten Verbundvorhaben mit 15 Partnern Industrie: 4 Partner KMU: 2 Partner Forschungseinricht. 4 Partner Hochschule: 5 Partner Laufzeit: 06/ /2009 Finanzierung: Gesamtvolumen 2,6 Mio. Fördervolumen 1,8 Mio. Förderung durch das BMELV Projektträgerschaft: Begleitung durch Projektträger FNR 7

8 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Ziele der ersten Projektphase Aufschluss von Laubhölzern zur vollständigen stofflichen Verwertung Auftrennung und Primärraffination der drei Hauptkomponenten Cellulose, Hemicellulosen und Lignin Modellhafte stoffliche Nutzung der Hauptkomponenten Hydrolysegrad 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

9 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Projektplan 1. Phase 9

10 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Aufschluss und Komponententrennung 10

11 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Aufschluss und Komponententrennung Optimierung der Aufschlussbedingungen: Lösungsmittel Ethanol:Wasser (50:50) Flottenverhältnis 1:4 (Hackschnitzel:Lösungsmittel) Temperatur und Verweilzeit ohne Katalysator*: 190 ºC und 4 h Verweilzeit mit Katalysator*: 170 ºC und 2 h Verweilzeit * 0,7 % H 2 SO 4 Optimierung der Komponententrennung Filtrieren der Faserfraktion Fällung der Ligninfraktion Mutterlauge: Hemicellulosenfraktion Übertragung in den 10-kg-Maßstab 11

12 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Weiterverarbeitung der erhaltenen Fraktionen Faserfraktion Optimierung der enzymatischen Verzuckerung zu Glucose Vergärung zu Ethanol (als Nachweis der Fermentierbarkeit) Fermentationen mit verschiedenen Stämmen Simultane Verzuckerung und Fermentation Hemicellulosenfraktion Optimierung der Hydrolyse (enzymatisch oder sauer) Co-Fermentation der C5-Zucker mit Glucose zu Ethanol Ligninfraktion Substitution von Phenol durch Lignin bei der Synthese von Bindemitteln für Holzwerkstoffe bis 30% 12

13 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Weiterverarbeitung der erhaltenen Fraktionen Lignin als Bindemittelkomponente für Holzwerkstoffe Phenol-Formaldehyd-Harz Buchenholz-Lignin Zeppenfeld; Grunewald: Klebstoffe in der Holzund Möbelindustrie Blazej, A. Chemie des Holzes. VEB Fachbuchverlag, Leipzig,

14 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Ökonomische und ökologische Bewertung Definition des "Basisfalls": Kapazität: Auslastung: Ausgangsmaterial: Organosolv-Verfahren: Hydrolyseausbeute: Endprodukte: t Holz atro/a h/a (50 t Holz atro/h) Waldholzhackschnitzel (P 100, 50% Wasser) Cellulose:Hemicellulosen:Lignin:Rest (42:29:24:5) EtOH/Wasser (50/50)-Gemisch T = 180 C, p = 18 bar, t = 4 h Verhältnis Holz : Lösemittel (Flotte) = 1 : 6 82 % Glucose aus der Faserfraktion Glucose: ~ 138 kt/a (16%ige Lösung) Xylose: ~ 96 kt/a (5%ige Lösung) Lignin: ~ 64 kt/a (trocken) 14

15 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Ökonomische und ökologische Bewertung Kosten und Gutschriften des Basisfalls: 15

16 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie Ökonomische und ökologische Bewertung Wirkungsabschätzung (LCIA) des Basisfalls Referenzen: Zucker-Rohsaft aus Zuckerrüben, Phenol aus Cumol 16

17 Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie (Phase 1) Ergebnisse der ersten Projektphase Schaffung der wissenschaftlich-technischen Grundlagen für die Entwicklung eines technischen Prozesses Erfolgreiche Durchführung erster anwendungstechnischer Untersuchungen an den erhaltenen Chemierohstoffen Durchführung der ökonomischen und ökologischen Bewertung einer Bioraffinerie auf Basis des OrganoSolv-Aufschlusses Detaillierte Ausarbeitung und Bewertung eines Konzepts für eine Pilotanlage Lignocellulose-Bioraffinerie Basis für die Antragstellung beim BMELV zur Errichtung der Pilotanlage im CBP, Leuna (Phase 2) 17

18 Lignocellulose Bioraffinerie (Phase II) Projektdaten Verbundvorhaben mit 15 Partnern Industrie: 4 Partner KMU: 2 Partner Forschungseinricht. 5 Partner Hochschule: 4 Partner Laufzeit: 05/ /2013 Finanzierung: Gesamtvolumen 9,5 Mio. Fördervolumen 8,5 Mio. Förderung durch das BMELV Projektträgerschaft: 18 Begleitung durch Projektträger FNR Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor benötigt.

19 Lignocellulose Bioraffinerie (Phase II) Gesamtziele des Vorhabens Weiterentwicklung des Prozesses zur vollständigen stofflichen Nutzung aller Komponenten der Lignocellulose (Koppelnutzung) Errichtung und Integration der Pilotanlage im CBP, Chemiepark Leuna Gewinnung von biobasierten Produkten auf Cellulose-, Hemicellulosen- und Ligninbasis durch Entwicklung von Wertschöpfungsketten innerhalb des Projektkonsortiums und Bereitstellung der Fraktionen an assozierte Partner Untersuchungen zur Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der Konversionsverfahren der Lignocellulose Bioraffinerie 19

20 Lignocellulose Bioraffinerie (Phase II) Entwicklung und Bau der Pilotanlage 315 kg Holz atro /Woche 81 kg Lignin, 122 kg C6-Zucker, 31 kg C5-Zucker 20

21 Lignocellulose Bioraffinerie (Phase II) Weiterverarbeitung der Zuckerfraktion Fermentationen ABE-Fermentation fermentative Herstellung von Mono- und Dicarbonsäuren: Bernsteinsäure, Itakonsäure, Milchsäure, Essigsäure Fermentation mit neuen Betriebsweisen Reaktorkaskade sequentielle Co-Fermentation SSF-Variationen (insbesondere für C5-Zucker) Chemische Verwertung Herstellung von Polyalkoholen durch reduktive Hydrothermolyse (Sorbit, Mannit) 21

22 Lignocellulose Bioraffinerie (Phase II) Weiterverarbeitung der Ligninfraktion Erhalt der Ligninstruktur für werkstoffliche Nutzung Lignin in Phenolharzen Lignin in Polyurethanen und PU-Schäumen Thermoplastische Verarbeitung von Lignin Abbau der Lignin-Struktur zur Aromatengewinnung Hydropyrolyse Hydrothermale Spaltung Enzymatischer Abbau Abbau der Lignin-Struktur zur Qualitätssteigerung Zellstoffbleiche durch Lignin-basierte Mediatoren Faserbleiche zur Erhöhung des Hydrolysegrades 22

23 Lignocellulose Bioraffinerie (Phase II) Ökonomische, ökologische und soziale Bewertung Abschätzung von Rohstoffalternativen Europa, Brasilien Modellierung der Stoff- und Energieströme entlang der gesamten Wertschöpfungskette Anpassung und Erweiterung der bestehenden Modelle Nachhaltigkeitsbewertung der Wertschöpfungsketten 23

24 Lignocellulose Bioraffinerie (Phase II) Projektstruktur Möglichkeit zur Mitwirkung 24

25 Danksagung Das Pilotprojekt Lignocellulose Bioraffinerie (FKZ: , , , , , ) wurde im Förderprogramm "Nachwachsende Rohstoffe" zum Förderschwerpunkt "Lignocellulose/ Holz" gefördert. Das Verbundprojekt Lignocellulose Bioraffinerie (Phase 2) (FKZ: , , , , , , , , , , , , , , ) wird im Schwerpunkt "Innovative Mehrfachnutzung von nachwachsenden Rohstoffen, Bioraffinerien zum Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe gefördert. Die Förderungen erfolgen jeweils mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR). Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. 25