Bioraffinage, de brug tussen landbouw en de chemie

Transcriptie

1 Bioraffinage, de brug tussen landbouw en de chemie Zeewolde, 15 juni 2017, Veldleeuwerik Em Prof dr Johan Sanders Wageningen University and Research, Food & Biobased Research

2 Onze gezamenlijke uitdaging..

3 De nieuwe uitdaging voor biomassa grondstoffen: Voeding Gezond, veilig, voldoende, Biomassa productie biorefineries Omzettings processen Biobased Producten materialen chemische bouwstenen transportbrandstoffen Electriciteit warmte Bestaande Non-Food: Papier timmerhout katoen, wol hout om te koken.

4 Wie van U denkt dat: Over 20 jaar de chemische industrie nog grotendeels afhankelijk is van aardolie Kleine fabrieken voordeliger kunnen zijn dan grote fabrieken? Met een efficienter gebruik van grondstoffen in de voedselketen we voldoende energie vrijspelen voor al het wegverkeer? De grote vraag naar biomassa altijd leidt tot vergroting van de honger in de wereld? Werkgelegenheid in de landbouw alleen maar verder kan afnemen? De stoommachine als zo n alom geprezen uitvinding beschouwd moet worden? Kleinschaligheid in ontwikkelingslanden kan leiden tot voldoende bemesting Mest overschot kan worden opgelost met gelijkblijvende dierlijke productie

5 Gebruik van biomassa, huidig en in 2050 Mton/year Voedsel incl. diervoeding* hout, papier, katoen 2000 Hout om te koken % of 1000EJ in 2050= * excl. gras en visserij

6 Ontwerpregels om deze uitdaging te verwezenlijken Zuiniger met huidige grondstoffen en energie Vergroot de veldopbrengst maar houd de componenten die nodig zijn voor de bodemvruchtbaarheid op het veld Gebruik alle biomassa componenten en kies de juiste grondstof Gebruik elk component op zijn hoogste waarde: (moleculaire) structuur is beter dan calorische Verminder de kapitaalskosten om de innovatie te versnellen en om te profiteren van kleine schaal zonder de nadelen

7 In energie uitgedrukt heeft ons dagelijks voedsel een 20 maal hogere input per output nodig! Biomass 635PJ Net Import 160 Fossil 575PJ Food Industry 150 Household 165 Dutch Agriculture 475 Transportion Food kcal/day = 55 PJ Greenhouses/Food 100 Other Agriculture 60 Verteerbare energie in onze voeding

8 Dry matter (Mton/year) Actual and potential harvest in Europe If all European hectares in 2030 would have Dutch yields of 2012 Mega hectares 2007 Corn 13.5 Barley 14.5 Wheat 56 Beet 3.6 Rape 8.1 Grass 69.4 Miscanthus Additonal BBE yield Mton Food crops Mton Agricultural residues Mton= 17EJ= 20% Bos, Sanders BioFPR 2013;

9 Hoe de hoogste waarde te verkrijgen uit biomassa? Farma Fun F - ladder /ton High High Food ingredients Food nutritional Feed protein nutritional Feed pigs Feed cattle Functional chemical Fibre 500 Fermentation Fermentation bulk Fuel Fertilizer -/ Fire Flare 0 Fill -/- 300

10 Verticle integration, will it ever work?

11 Productiekosten / GJ eindproduct Waar kan biomassa economisch de strijd aan met fossiel? Kapitaal Olie/gas Kolen

12 Capital cost ( /ton) ( /ton) Capital costs per ton of bulkchemical product vs heat dissipation Capital Raw material Energy input product caloric value (GJ/ton) Energieverlies (GJ/ton)

13 Epichlorohydrin H 2 C CHCH 3 + Cl 2 C H 2 CHCH 2 Cl + HCl HOCl Price: per tonne H 2 C CHCH 2 Cl O Ca(OH)2 H 2 C CHCH 2 Cl Cl OH + H 2 C CHCH 2 Cl OH Cl Volume: 0.5 mln tonnes per annum Solvay Epicerol process: glycerol to epichlorohydrin

14 Benutten van de moleculaire structuur N-Vinylpyrrolidon Acrylonitril COOH Oplosmiddel N-Methylpyrrolidon H 2 N COOH Glutamine zuur Diaminobutaan Lammens en le Notre

15 Glutamaat NMP eenvoudiger dan uit Nieuwe route= 2 stappen Biomass hydrolysis, separation NH 2 COOH Glutamic acid COOH Conventionele route= 8 stappen fossiel stap 1 stap 2 - CO 2 enzyme, 30 o C NH 2 COOH + CH 3 OH cat, 250 o C CH 3 N NMP O Gas CH 3 OH O CH 2 + cat, o C HO OH + H 2 cat, 80 o C HO OH - H 2 cat, o C O O cat + CH 3 OH N H 2 NH o C bar cat 400 o C CH 3 NH o C 100 bar Aminozuren bevatten al N en O --- Veel minder stappen/ kapitaal en veel minder energie om tot hetzelfde product te komen CH 3 N O

16 Nuttig gebruik van bijproduct maakt alkohol fabriek winstgevend 500 miljoen liter bioethanol (~ 400 kton) =200M 360 kton DDGS (~130 / ton) =46M H 2 N COOH O OH 36 kton glutamic acid 23 kton NMP (~2500 / ton) =58 M /y

17 Kleine schaal bioraffinage verlaagt transport en energie traditio neel veld boerderij Verwerking 100% 100% Mineralen terug naar veld concentreren fermentatie decentraal 100% Kleine schaal bioraffinage 30% Retour stroom 70% Bruins et al

18 Bietsuiker kristallisatie op kleine schaal (2-500ha) Much lower energy inputs Lower transport Equal costs Minder energie Minder transport Mineralen retour veld Kolfschoten et al

19 Mobiele Cassave zetmeel bioraffinage in Afrika Source: Duteso Geen bederf cassave wortels Sterkere onderhandelings positie boer Behoud van mineralen op het veld

20 Eiwit/olie/ethanol/biogas van kleine schaal mais bioraffinage Stem Biogas fermentation Biogas biogas CHP Electricity minerals Maize heat Grain Pretreatment & Ethanol fermentation Filtration Distillation 60% ethanol Minder investeringskosten/liter ethanol dan de Amerikaaanse ethanol productie die op een 200 x grotere schaal opereert. Protein Feed/food Corn oil

21 Byosis/Zeafuels (Lelystad, Netherlands)

22 3 generations Grassa!refining 1 st Generation (2011) (Friesland) 2 nd Generation (2015) (Uganda) 3 rd Generation (2016) (Netherlands) 22

23 bioraffinage Alleen eiwit is niet voldoende om de kosten te dekken Drie producten Acht producten baten kosten baten kosten Gras kosten Proces kosten eiwit vezels sap 80 mineralen 75 Organ. zuren 60 aminozuren 75 suikers 12 suikerpolymeren 225 vetten 60 totaal 230 (3000/ha) (9000/ha) 500

24 Conclusie 2: bioraffinage van locale grondstoffen leidt tot hoogwaardig veevoeder eiwit een lagere footprint en is economisch nu restproducten afgezet kunnen worden in de Biobased Integratie gras & mais bioraffinage voor rund en varken Materialen/Energie Eiwit Import uit Brazilie Eiwit import 2.6M ton 0.3 Mton eiwit 2.2 Mton 4.3 Mton Eiwit Biorefinery vezels Mais Situatie sinds 1975 Mest mest mest Gras akker z akker Conclusie 1: fosfaat en stikstof overschot wordt aanzienlijk verlaagd

25 De NL landbouw heeft volop kansen, waarom vastlopen in verzuiling en schaalvergroting? Herwinnen van licence to produce door bijdragen in broeikasgas reductie, verlagen van energie gebruik in de landbouw (ketens), werkgelegenheid, vermindering onnodige transporten over de weg, reductie mineralen overschot, gezonde bodem, minder chemicalien gebruik, zorg voor natuur en landschappen Vergroten en robuust maken van inkomen door hogere veldopbrengsten, bijv middels rotatie gras/ aardappelen/ bieten, door verhoging van efficiency gebruik gemaaid gras, door opslitsing van tal van primaire grondstoffen en resstromen, door productie van grondstoffen voor chemie, materialen en veevoeder in NL, zorg voor natuur en landschappen Samenwerken!

26 conclusies Het gebruik van gescheiden biomassa componenten op hun hoogste waarde stelt ons in staat te concurreren met kolen en aardgas en met braziliaanse voeder grondstoffen en leidt tot fors meer werkgelegenheid Economy of scale verliest zijn concurrentiekracht. Er zijn veel nieuwe kansen voor onze landbouw! Earthscan, ISBN