Biorefinery, the bridge between agriculture and industry

Transcriptie

1 Biorefinery, the bridge between agriculture and industry Eemsdeltavisie, 16 September 2016 Johan Sanders, Em professor Biobased Commodity Chemicals, Innovation Manager, Food and Biobased Research Wageningen UR

2 World wide biomass use today and in 2050 Mton Food incl. feed* Wood, paper, cotton 2000 Wood for cooking % of 1000EJ in 2050= Cf chemical industry 2015: 300 * Excluding grass and seafood

3 Design rules for a sustainable Bio-economy People, Planet, Profit Improve our overall energy efficiency Increase field yield but keep components on the field that are required for soil fertility Use all biomass components and choose the right raw material Use each component at its highest value: (molecular) structure is much better than caloric Reduce capital cost to speed up innovation and to benefit from small scale without the disadvantages

4 Production costs /GJ end product How biomass can best compete with fossil feedstocks Cost of fossil products Raw material costs Capital Oil/gas Coal Value of biomass is 10 times higher as chemical building block than to use it for biogas or bio-electricity

5 Integral cost price (900 /ton) Processes with lower need for heat exchange, have lower capital costs per ton of product and can be economical at smaller scale Capital Raw material Future potential today 50% substituted Energy loss (GJ/ton)

6 Chemical production in the Port of Rotterdam crude oil 8 /GJ (60$/bbl); LC= 9 /GJ; veg oil = 20 /GJ; Sugar= 20 /GJ High energy density Low energy density heat exchange means capital costs! mass loss and/or energy loss <--O energy loss and heat exchange methane ethene MEG sugar citric acid CO2 ethanol BDO succinate ethane butanol Terephthalic acid xylene

7 Epichlorohydrin from glycerol leads to little heat exchange and valuable product H 2 C CHCH 3 + Cl 2 C H 2 C CHCH 2 Cl O Ca(OH)2 H 2 H 2 C CHCH 2 Cl Cl OH CHCH 2 Cl HOCl + + HCl H 2 C CHCH 2 Cl OH Cl Price: per tonne Volume: 0.5 mln tonnes per annum Solvay Epicerol process: glycerol to epichlorohydrin At glycerol prices of 350 / ton the margins are 40-50%

8 Second generation ethanol costs a lot of capital and energy and will not give much value! False hope? Wheat straw pretreated and Enzymatic treatment

9 Biorefining of agricultural residues.. Protein content 0 5 % 15 % 35 % 50 % Examples Wheatsstra w cocoahulls Corncobs Sugarcane leaf Coffee pulp Rape straw Beet leaf Rape meal Soy meal Cost ( /ton)

10 /GJ /ton Biorefinery enables power generation at 45 /ton and high quality 2 nd generation fermentation raw materials for 200 / ton at reasonable small scale Wood chips Straw (field) Straw (collected) Straw (washed) Rape meal Multiproduct biorefinery Protein Animal feed Amino acids Ferment. substrates Lignocellulose Fibres Phosphorus Rest

11 Opportunities for the fermentation-based chemical industry Assessing the global market potential of Northwestern Europe Study by Deloitte: sugar for chemical industry produced in NW Europe can be available at prices not higher than in Brazil and Thailand.

12 Anaerobic fermentation of bulkchemicals Yield: 0.95 g/g or J/J Little heat produced Low capital required! Productivity: up to 5 times higher Low capital required 5 projects running

13 What type of fermentation? Ethanol: 0.95 J/J Anaerobic: Lactate: 0.95 g/g Aceton+ butanol+h2: 0.95J/J Aerobic: L-glutamic acid: 0.62 g/g Itaconic acid: 0.47 g/g 29

14 Bulk chemicals from Biomass: e.g. lysine fermentatio n State of the art ADM, Degussa, Ajinomoto Anaerobic fermentation direct plant products Plant GMO Biorefinery from Plant residues Fossil chemical reference GJ GJ/ton /ton GJ/ton /ton GJ/ton /ton GJ/ton /ton Fossil raw materials (fermentation) Fossil raw materials (recovery) Biomass raw materials Capital (fermentation) Capital (recovery)

15 Small scale biorefinery reduces transport cost and seasonality Fields Farm Processing Present 100% 100% Return flow 10% concentration fermentation Concept 100% Small scale processing 30% Return flow 70%

16 small scale beet sugar production(2-500ha) can beat large scale factories! Much lower energy inputs Lower transport Equal costs Less energy Less transport Minerals recycled to field Kolfschoten et al

17 3 generations Grassa!refining 1 st Generation (2011) (Friesland) 2 nd Generation (2015) (Uganda) 3 rd Generation (2016) (Netherlands) 17

18 NOORD4BIO Overzicht resultaten en aanbevelingen Concrete kansen voor de BioEconomy in Noord- Nederland Biobased Economy Symposium Energy Barn, 2 oktober 2015 Harriëtte Bos, Johan Sanders, Paulien Harmsen, Rolf Blaauw, Errit Bekkering (NOM/Greenlincs), Gert-Jan Euverink (RUG)

19 19 Negen clusters 1. Koolhydraten voor chemie 2. Cellulose, oude grondstof voor nieuwe chemie 3. Eiwitschuur voor Nederlandse en Duitse veevoeders 4. Aminozuren als grondstof voor de productie van commoditychemicaliën 5. Nieuwe chemie voor Delfzijl 6. Van koolhydraten naar polyesters en andere bioplastics 7. Biocomposieten, proeftuin voor nieuwe materialen 8. Waarde uit complementaire stromen, materiaaltoepassingen 9. Waarde uit complementaire stromen: calorische toepassingen en hoge-temperatuurprocessen

20 2 Cellulose 3 Eiwitschuur 4 Amino -zuren 5 Nieuwe chemie Grondstoffen Producten Omzettingen Markten Intermediairen Bioraffinage Biet Tarwe Maïs Gras Koolzaad Hennep Vlas Natuur Garens Bioplastics (verpakkingen) Energie Composieten (o.a. bouw, automotive) Papier karton Verven Coatings Veevoer Eiwit 6 Bouwstenen voor polyesters 7 Composieten 8 Materialen 9 Energie Aardappel glycol BDO LA eiwit glycerol lignine biogas Kleursterkte: relevantie Cirkelomtrek: volume 1 Koolhydraten voor chemie 20

21 Cluster 1: Koolhydraten voor chemie Veelbelovende chemische bouwstenen: Ethanol Grondstof voor vinylpolymeer PE (88 Mton/j) Melkzuur Monomeer voor polyester PLA (250 kton/j, sterke groei verwacht) Barnsteenzuur Zeer breed toepasbaar; o.a. monomeer voor polyester PBS 2,5-FDCA Etc. Monomeer voor polyester PEF, vervanger van PET (50 miljoen ton/j) Basisgrondstof is suiker 1 21

22 Van huidige toepassingen naar... Fermentatie...naar 2 e in Eemshaven op 1 -generatie grondstoffen ste -generatie suikers... en conversiepark 1 Chemie en materialen zijn de economische drager 22

23 Integratie in voedingsraffinage: bijvoorbeeld op Bedrijvenpark Zuid-Groningen vetproducten gelatine geur- en smaakstoffen eiwit Aardappelen stoom Ten Kate Vetten electriciteit Gelita AVEBE AFB afvalwater suiker, zetmeel glucose glucose, xylose Fermentatie fabriek 1 Chemische bouwsteen 1 Chemische bouwsteen 2 zetmeel eiwit vezels Fermentatie fabriek 2 maïsstro tarwestro Slachterijstromen Slachterijstromen Bioraffinaderij lignine cellulose 1 bietenpulp 23

24 Cluster 3: Eiwit voor veevoer NL en D: eiwit voor veevoer veel import! Kip, rund en varken: ieder eigen wensenlijstje. Mengvoederindustrie mengt groot aantal componenten: voldoende voerkwaliteit tegen laagste kostprijs Voer bevat componenten die niet nodig zijn of een negatieve werking hebben Bioraffinage splitst voedercomponenten betere voersamenstelling Er blijven componenten over voor biobased toepassingen, waar sinds kort ook een markt voor is NL (en D): zelf in bijna de gehele eiwitbehoefte van dieren voorzien. Import omlaag, minder mest! Extra omzet mogelijk van 1,5 miljard Eiwit is de economische drager 3 24

25 3 25

26 Efficiënter eiwitgebruik door bioraffinage met minder mest Sinds 1975: import soja Toekomst: (minder) import soja chemicaliën vezels voor materialen + energie Alleen wat het dier nodig heeft. eiwit voor diervoeder bioraffinage mest (minder) mest Hogere opbrengst per hectare. maïs gras bietenloof koolzaad eendenkroos etc. 3 26

27 Cluster 5: Opties voor vergroening Chemie Productie van epichloorhydrine (ECH) uit glycerol en zoutzuur Omzetting van C5- en C6-suikers naar 2,5-furaandicarbonzuur (2,5-FDCA) dimethylester, een mogelijk alternatief voor dimethylesters van tereftaalzuur en isoftaalzuur Productie van bio-azijnzuur door fermentatie van suikers Lopende initiatieven, bijv.: propyleenglycol uit glycerol en waterstofgas (ChemCom) bio-cokes i.p.v. petro-cokes (ESD-SiC) zuivering glycerol door extractie i.p.v. destillatie (Wendelin) syngas uit biomassa Chemie is de economische drager 5 27

28 Vergroend Chemiepark Delfzijl Glycerolzuivering (extractie) ruwe glycerol glycerol Epichloorhydrine 1. HCl 2. NaOH bio-ech NaCl (aq) AkzoNobel Zout ESD-SiC? BioMCN biomassa bio-methanol ChemCom H 2 formaldehyde ureum propyleenglycol melamine formaldehyde resins siliciumoxide bio-cokes kwartszand koolstof siliciumcarbide 70 kt koolmonoxide 90 kt zwavel 2 kt AkzoNobel Zout AkzoNobel MEB AkzoNobel bio-mca suikers 1. intermediair 2. HCl Biomassastromen (Cluster 8/9) pekel (26%) zout Delamine ethyleenglycol (Cluster 1) HCl 2-chloroethanol 1. ammoniak 2. natronloog chloor waterstof natronloog ethyleenamines (EDA, DETA, TETA, etc.) ammoniak ethanolamine + zout bio-azijnzuur suikers bio-chloorazijnzuur HCl (30%) Suiker (Cluster 1) Avantium 2,5-FDCA? BioBTX? suiker, glucose fructose dimethyl 2,5-FDCA 2,5-FDCA methanol BioMCN biomassa bio-btx?? Teijin Aramid bio-p-xyleen biotereftaalzuur HCl naar Akzo MEB? aniline NaOH H 2 Cl 2 hexachloorp-xyleen tereftaloyldichloride p-fenyleendiamine Twaron 35 kt? 5 natriumnitriet 28

29 Cluster 6: Markt voor bioplastics 80% van alle chemicaliën wordt omgezet in plastics wereldwijd ca. 300 Mton/jaar plastics Bioplastics: ,6 Mton ,7 Mton Enorm potentieel en aansprekende markt Palet aan bouwstenen leidt potentieel tot palet aan producten: 100% bioplastic Emmen Materialen is de economische drager 6 29

30 In Emmen materiaal- en marktontwikkeling bioplastics Textielgarens Tapijt Chemische bouwstenen uit Cluster 1 Verpakkingen Automotive Chemische bouwstenen uit Cluster 5 polymerisatiefabbriek Consumer goods Land-/Tuinbouw Bouw 6 30

31 Conclusions Biorefinery for feed, materials and chemicals will create good income for agriculture and enables even to compete with coal, natural gas and Brazilean biomass! Small scale processing reduces capital as well as costs for energy and transportation and will lead to higher employment Lots of opportunities for North of Netherlands Earthscan, ISBN