Bioraffinage, wat is het en wat levert het op?

Transcriptie

1 Bioraffinage, wat is het en wat levert het op? Eindhoven, 7 maart 2008 Koen Meesters Projectleider/Onderzoeker Valorisatie van plantaardige productieketens Wageningen Universiteit en Researchcentrum

2 Alternatieve bronnen van energie kernenergie waterkracht wind biomassa zonnepanelen

3 Bioraffinage Bioraffinage is de duurzame verwerking van biomassa tot een spectrum van verkoopbare produkten (IEA, task 42) Biomassa: Aardappelen Koolzaad Tarwe (graan + stro) Hout Verkoopbare produkten: Levensmiddelen (meel, oliën, eiwit) Transportbrandstoffen (bioethanol, biodiesel) Veevoer Energie (WKK) Maar ook: Grondstoffen voor chemische industrie

4 2 klassieke voorbeelden Methanol Koolzaad Pers Olie Omesteren Perskoek Biodiesel Glycerol Veevoer Ethanol Graan Malen/geleren Fermentatie Drogen DDGS (veevoer)

5 Potentiële waarde van biomassa t.o.v. fossiele grondstoffen Integrale kostprijs ( /GJ eindproduct) Grondstofkosten ( /GJ) Energie in NL 3000 PJ totaal Warmte 4 3 (kolen) Elektriciteit 22 6 (kolen) Transport brandstoffen 10 8 (olie) Chemicaliën (olie) Overig +/ 20% +/ 20% +/ 20% +/ 20% +/ 20% Lysine Eiwit (suiker) 17 (plant)

6 Inkomsten uit biomassa ( /ha) Aanname: 10 ton drooggeweicht (160 GJ) per hectare per jaar /hectare Alle energie op niveau van kolen 640 Alle energie op niveau van transortbrandstof 1360 Alle energie op niveau van chemicaliën % chemicaliën, 80% kolen % chemicaliën, 20% brandstof, 60% kolen 1940 Bij benutting van de hele plant kan de opbrengst verdubbeld worden!

7 Gefunctionaliseerde chemicalien kunnen gemaakt worden uit biomassa zonder grote enthalpie sprongen C x H y nafta C x H z N C x H y C x H z N amine C x H z O y (OCH z ) v lignine C x H y O z oil / fat Oil / gas C x H z O C x H z O y N S v eiwit C x H z O y koolhydraat Biomassa Enthalpie Petrochemische route Bioraffinage Vele producten 1 grondstof Vele grondstoffen

8 Efficiëntere routes vanuit biomassa naar chemicaliën 1,2 Ethaandiamine : rubber, farma, smeermiddelen, detergentia Biomassa A Biomassa B Serine H 2 NCH 2 CH 2 OH COOH Ethanol CO 2 Nafta CH 2 CH 2 O 2 O NH 3 NH 3 H 2 NCH 2 CH 2 OH Cl ClCH 2 CH 2 Cl H 2 NH 2 NCH 2 CH 2 NH 2 3 H 2 NCH 2 CH 2 NH 2 Grote besparing door verminderd gebruik van anorganische chemie Per AA iets bedenken of:

9 Ethanol productie en ophoping van Cyanophycine (collab. Univ. Münster/Steinbuchel) Cyanophycine is een eiwit dat dient als energie en stikstofvoorraad in met name cyanobacteriën = Asp + Arg Korrel 35% (kg/kg)

10 Cyanophycine: structuur en winning onoplosbaar in water bij ph7 n = Mr = kda 1 ATP per peptide binding Poly Asp hoofdketen Arg zijgroepen

11 Cyanophycin als bulk precursor chemical

12 Als gevolg van biobrandstofproductie komen grote hoeveelheden restproducten vrij Als wereldwijd 10% van de transportbrandstoffen wordt gemaakt uit mais, tarwe, raapzaad, palmolie en suikerriet, dan komt er 100 millioen ton eiwitten vrij Verschillende bulkproducten kunnen gemaakt worden uit eiwitten (aminozuren): 1,4 butaandiol, 2,3 butaandiol, 1,2 propaandiol, barnsteenzuur, acrylonitril, acrylaat, metacrylaat, (hydroxy) styrene, (hydroxy) fenylethylamine, caprolactam, butaandiamine, ureum

13 Source: PERP Report Ethanol 04/05 8

14 De componenten van gras vertegenwoordigen een waarde van /ton (vergelijk met /ton) Vers gras water % Droge stof 10 20% Waarde in /ton Oligo sacchariden 3% 1500 Vetten 3 % 2000 Org. zuren 5% 2000 Mono/di sacchariden 9 % 150 Mineralen 10 % Vezels 30 % 100 Polysacchariden 15 % 1500 Eiwit / aminozuren 20 % 1000

15 Pilot bioraffinaderij in Foxhol (Groningen) (Prograss Consortium) Gras eiwitproducten Eiwit Groen gras eiwit Wit gras eiwit Sap Vezels Voederkorrels Gras sap concentraat Voederkorrels Ethanol +... HTU Bio olie Papier en materialen Polymeren

16 Kleine schaal gras proces (WUR, Courage) Gras Pers Sap 100 o C Pulp Warmte WKK Eiwit Elektriciteit Biogas Mest Anaerobe vergister Mineralen

17 NL gemengd bedrijf (kleine en grote schaal) Energie Import veevoer Import veevoer Straks Vezels Eiwit Bioraffinage Mais Nu Mest Gras Mest Veld z Veld

18 Quickscan mestverwerking: verdeling over dik/dun in % Massa N P2O5 K2O DS Centrifuge dik dun Mechanisch dik dun (Melse et al. Wageningen Animal Science Group)

19 Centrale mestscheiding in varkenshouderij? Case: verwerking van m 3 /jaar Boven m³ is mestscheiding kosteneffectief (3 / m³) Mogelijke voordelen: Grotere concentratie biomassa naar vergisting kleinere investering t.b.v. biogas Fosfaat in kleiner volume Scheiding N & P (N in dunne fractie, P in dikke fractie)

20 Mineralen balans m³ = ton ds = 100 ton N ton P 2 O 5 Doseren op fosfaat norm: Zonder mestscheiding: ca ha grasland nodig voor ton gras/jaar (N tekort!) Met mestscheiding: ca ha grasland nodig voor ton gras/jaar

21 Logistiek in land van Cuijk Legenda: boerenbedrijf Biogas/WKK grasverwerker grasveld

22 Uitgaven mestverwerking ( m 3 /jaar) Uitgaven Transport ( m 3 /ton) Mestscheiding ( m 3 /ton) Uitrijden dunne fractie ( m 3 /ton) Vergisting dikke fractie (65000 m 3 /ton) Uitrijden digestaat (65000 m 3 /ton) Totaal k

23 Uitgaven gras bij verwerking van ton/jaar Uitgaven Gras ( /ton) Variabele kosten ( /ton) Vaste kosten (3 M x 20%/jaar) Biogas + WKK (1.5 MW) (3 M x 20%/jaar) Totaal k

24 Inkomsten Inkomsten Elektriciteit ( kw /(kw. uur)) Eiwit ( /ton) Perskoek ( /ton) Mineralen p.m. Totaal k

25 Balans (k /jaar) Inkomsten 3900 Uitgaven Mestverwerking 2000 Grasverwerking Totaal 1400 Alternatief 25 /m 3 ) 5000 Dit is 7 /m 3 i.p.v. 25 /m 3!

26 Conclusies Grasprojecten Gras is een goedkope en waardevolle grondstof waaruit hoogwaardig eiwit voor varkens en pluimvee kan worden geproduceerd Reststromen kunnen voor rundvee, biogas en WKK worden ingezet Toepassing van N, P en K uit varkensmest Meer economische activiteit op platteland Minder transport van landbouwgrondstoffen

27 Grote en kleine schaal raffinage Olie (1 ton) 4500 km Raffinage Producten (0.9 ton) CO 2 (0.1 ton) 5 km 50 km Plant (1 (1 ton) ton) Voorbehandeling 50 km (0.5 ton) Water en mineralen (0.5 ton) Water en mineralen (0.5 ton) Raffinage Producten (0.4 ton)

28 Vele redenen voor economie op basis van biomassa Hoge olieprijzen Leveringszekerheid Geo politieke situatie Klimaatverandering Plattelandsontwikkeling Ontwikkelingslanden

29 Conclusies Bioraffinage vergroot de waarde van individuele biomassa componenten Meer inkomen voor de boer Kleine schaal voorbehandeling biedt praktische en economische voordelen Productie van (Platform) chemicaliën mogelijk Er liggen volop kansen (olieprijs > 100 US$/vat!)

30 Mobiele bioraffinage van Cassave in Africa Source: Duteso

31 Discussie en vragen Wageningen UR

32 Dutch Platform Renewable Resources 30% substitution of fossil by Biomass in % chemical resources (140 PJ) 60% transportation fuels (324 PJ) 17% heat (65 PJ) 20% electricity (203 PJ) Dutch Government % CO2 reduction (vs 1990) 10% biofuels 2% energy reduction per year (= 25% reduction until 2020)

33 Voordelen van voorbewerking op kleine schaal Voordelen Minder transport Korte recycle stromen Nieuwe integratie (energie, organisatie, arbeid, produktketens) Nadelen: Economy of scale? Niet altijd van toepassing! Voorbeelden: Cassave Grass

34 Ontwikkelingen die bijdragen aan succes van bioraffinage Lagere prijzen Betere raffinage Efficiëntere fermentaties Genetische aanpassinggen

35 Voorbehandeling van lignocellulose houdende biomassa Source: Michael R. Ladisch, Nathan Mosier, Gary Welch, Bruce Dien, Andy Aden, Phil Shane, Purdue University

36 Opschaling 30L ontsluiting van stro Reactor gedurende enzymatische hydrolyse op t = 0 en t=24 h na toevoeging van enzymen

37 Different Economies of Scale Ethanol Fischer Tropsch 20 /GJ $ / barrel 72 $ / barrel /ton 95% conversion 30 /ton 50 60% conversion PJ Nedalco 1000 MW 36 $ / barrel 0 Investments Other costs, including transportcosts Raw materials

38 Energieconsumptie in verleden en toekomst 1500 Scenario A1F1: Global economy, fossil fuel intensive A1F1 Jaarlijkse energieconsumptie, EJ Scenario A2: Regional economy A Jaartal