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
Alternatieve bronnen van energie kernenergie waterkracht wind biomassa zonnepanelen
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
2 klassieke voorbeelden Methanol Koolzaad Pers Olie Omesteren Perskoek Biodiesel Glycerol Veevoer Ethanol Graan Malen/geleren Fermentatie Drogen DDGS (veevoer)
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 75 30 (olie) Overig +/ 20% +/ 20% +/ 20% +/ 20% +/ 20% Lysine Eiwit 75 75 20 (suiker) 17 (plant)
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 6400 20% chemicaliën, 80% kolen 1800 20% chemicaliën, 20% brandstof, 60% kolen 1940 Bij benutting van de hele plant kan de opbrengst verdubbeld worden!
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
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:
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)
Cyanophycine: structuur en winning onoplosbaar in water bij ph7 n = 90 400 Mr = 25 125 kda 1 ATP per peptide binding Poly Asp hoofdketen Arg zijgroepen
Cyanophycin als bulk precursor chemical
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
Source: PERP Report Ethanol 04/05 8
De componenten van gras vertegenwoordigen een waarde van 700 800 /ton (vergelijk met 50 70 /ton) Vers gras water 80 90 % 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 % 500 1000 Vezels 30 % 100 Polysacchariden 15 % 1500 Eiwit / aminozuren 20 % 1000
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
Kleine schaal gras proces (WUR, Courage) Gras Pers Sap 100 o C Pulp Warmte WKK Eiwit Elektriciteit Biogas Mest Anaerobe vergister Mineralen
NL gemengd bedrijf (kleine en grote schaal) Energie Import veevoer Import veevoer Straks Vezels Eiwit Bioraffinage Mais Nu Mest Gras Mest Veld z Veld
Quickscan mestverwerking: verdeling over dik/dun in % Massa N P2O5 K2O DS Centrifuge dik 15 20 70 15 45 dun 85 80 30 85 55 Mechanisch dik 20 25 25 20 40 dun 80 75 75 80 60 (Melse et al. Wageningen Animal Science Group)
Centrale mestscheiding in varkenshouderij? Case: verwerking van 200.000 m 3 /jaar Boven 50.000 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)
Mineralen balans 200.000 m³ = 13.000 ton ds = 100 ton N + 700 ton P 2 O 5 Doseren op fosfaat norm: Zonder mestscheiding: ca. 7000 ha grasland nodig voor 70.000 ton gras/jaar (N tekort!) Met mestscheiding: ca. 3000 ha grasland nodig voor 30.000 ton gras/jaar
Logistiek in land van Cuijk Legenda: boerenbedrijf Biogas/WKK grasverwerker grasveld
Uitgaven mestverwerking (200000 m 3 /jaar) Uitgaven Transport (200000 m 3 @ 3 /ton) Mestscheiding (200000 m 3 @ 3 /ton) Uitrijden dunne fractie (135000 m 3 @ 3 /ton) Vergisting dikke fractie (65000 m 3 @ 3 /ton) Uitrijden digestaat (65000 m 3 @ 3 /ton) Totaal k 600 600 400 200 200 2000
Uitgaven gras bij verwerking van 31000 ton/jaar Uitgaven Gras (30000 ton @ 50 /ton) Variabele kosten (30000 ton @ 20 /ton) Vaste kosten (3 M x 20%/jaar) Biogas + WKK (1.5 MW) (3 M x 20%/jaar) Totaal k 1500 600 600 600 3300
Inkomsten Inkomsten Elektriciteit (12. 10 6 kw. uur @ 0.75 /(kw. uur)) Eiwit (10000 ton @ 250 /ton) Perskoek (10000 ton @ 50 /ton) Mineralen p.m. Totaal k 900 2500 500 3900
Balans (k /jaar) Inkomsten 3900 Uitgaven Mestverwerking 2000 Grasverwerking 3300 5300 Totaal 1400 Alternatief (200000 @ 25 /m 3 ) 5000 Dit is 7 /m 3 i.p.v. 25 /m 3!
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
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)
Vele redenen voor economie op basis van biomassa Hoge olieprijzen Leveringszekerheid Geo politieke situatie Klimaatverandering Plattelandsontwikkeling Ontwikkelingslanden
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!)
Mobiele bioraffinage van Cassave in Africa Source: Duteso
Discussie en vragen Wageningen UR
Dutch Platform Renewable Resources 30% substitution of fossil by Biomass in 2030 25% chemical resources (140 PJ) 60% transportation fuels (324 PJ) 17% heat (65 PJ) 20% electricity (203 PJ) Dutch Government 2020 30% CO2 reduction (vs 1990) 10% biofuels 2% energy reduction per year (= 25% reduction until 2020)
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
Ontwikkelingen die bijdragen aan succes van bioraffinage Lagere prijzen Betere raffinage Efficiëntere fermentaties Genetische aanpassinggen
Voorbehandeling van lignocellulose houdende biomassa Source: Michael R. Ladisch, Nathan Mosier, Gary Welch, Bruce Dien, Andy Aden, Phil Shane, Purdue University
Opschaling 30L ontsluiting van stro Reactor gedurende enzymatische hydrolyse op t = 0 en t=24 h na toevoeging van enzymen
Different Economies of Scale 30 25 Ethanol Fischer Tropsch 20 /GJ 15 10 108 $ / barrel 72 $ / barrel 5 100 /ton 95% conversion 30 /ton 50 60% conversion 0 0.1 1 10 100 PJ Nedalco 1000 MW 36 $ / barrel 0 Investments Other costs, including transportcosts Raw materials
Energieconsumptie in verleden en toekomst 1500 Scenario A1F1: Global economy, fossil fuel intensive A1F1 Jaarlijkse energieconsumptie, EJ 1250 1000 750 500 250 Scenario A2: Regional economy A2 1900 1950 2000 2050 Jaartal