2014-09-24, Samenvatting bioraffinage gewasresten tuinbouw

Bioraffinage van plantenrestmaterialen:

Een businesscase?

September 2014

Foto: Royal HaskoningDHV

Kenniscentrum Plantenstoffen: Samenvatting van “Bioraffinage van plantenrestmaterialen” – Het volledige onderzoek van Royal HaskoningDHV is vanaf 1 juli 2014 terug te vinden op onze website: www.plantenstoffen.nl 2

Inleiding

De tuinbouwsector in Zuid-Holland behoort tot de meest intensieve ter wereld. Van de ruim 280.000 hectare die

de provincie meet, wordt 8% gebruikt voor de glastuinbouw, de bloembollenteelt en -broei en de open grond

tuinbouw. Deze sector produceert jaarlijks enkele honderdduizenden tonnen restmaterialen, in de vorm van

gewasresten bij het periodiek ruimen van kassen, afgekeurde producten, uitgebroeide bollen, afval van de

bollenverwerking, veilingafval, etc. Deze restmaterialen worden nu grotendeels gecomposteerd maar hebben ook

potentie als grondstoffen voor de chemische industrie. Nagegaan is of en hoe de restmaterialen van de

belangrijkste Zuid-Hollandse teelten verwerkt kunnen worden tot suikers. Speciale aandacht is gegeven aan de

businesscase en potentiële verwerkingslocaties vanuit logistiek oogpunt. De focus ligt op productie van C5- en

C6-suikers uit lignocellulose van gewasresten van:

a. Glasgroenten: tomaten, paprika’s en komkommers (samen circa 80% van het totaal glasgroenten).

b. Sierteelt: chrysanten, gerbera’s en rozen (samen circa 45% van het totaal sierteelt).

c. Broei: Tulp, Fresia, lelies en Narcis (samen circa 99% van het totaal broei).

d. Bollenteelt: Tulp, Narcis en Hyacint (samen circa 70% van het totaal bollen).

Suikers zijn een bouwsteen voor de productie van biobrandstoffen en biochemicaliën. Diverse chemische

industrieën, waaronder DSM, Corbion en DuPont, passen dergelijke processen toe. Om te concurreren met de

wereld suikermarktprijs, zal suiker voor biobased toepassingen uit secondaire materialen onder circa € 250, - per

ton geproduceerd moeten worden.

Eigenschappen van de restmaterialen Samen produceren de telers, tuinders, broeibedrijven en handelsbedrijven jaarlijks circa 235.000 ton gewasresten

in Zuid-Holland. De productie verschilt sterk per gemeente en per teelt (zie figuur 1). Rekening houdend met

volume én samenstelling, vertegenwoordigen de restmaterialen uit de glastuinbouw, en daarbinnen weer de

resten van de tomaten- en paprikateelt, de grootste hoeveelheid lignocellulose (zie figuur 1).

Figuur 1 – Productie gewasresten gemeenten

Figuur 2 - Wat is lignocellulose

Naast deze gewasresten wordt er

jaarlijks 50.000-100.000 ton gras langs

weg- en slootbermen gemaaid. Voor de

verdere analyse zijn daarom de

hoeveelheden en samenstellingen

beschouwd zoals samengevat in tabel

1.

De glastuinbouw produceert circa 200.000

ton, waarvan resten van de teelten van

tomaten en paprika’s samen circa 170.000

ton per jaar bedragen. De gemeenten in

het West- en Oostland, met veel teelt van

glasgroenten, vallen daardoor duidelijk op.

Lignocellulose is de structuur van de

plantencellen en is opgebouwd uit de

volgende hoofdcomponenten: cellulose,

hemicellulose en lignine. De cellulose is

de basis. De hemicellulose en lignine

zorgen er voor dat het bij elkaar blijft. De

cellulose en hemicellulose zijn

opgebouwd uit koolhydraten, de lignine

bestaat uit fenolische delen. (Beeldbron:

United States Department of Energy)


Tabel 1 Uitgangspunten voor de analyse

Materiaal %Cellulose (ds)1

%Hemicellulose (ds) %Lignine (ds) %Vocht % eiwit (ds) Ton (ns)

2

Glasgroenten 29,1% 10,0% 12,4% 87,8% 13,0% 185.200

Bollenbroei 25,0% 6,0% 10,0% 88,0% 0,0% 21.594

Bollenteelt 25,0% 6,0% 10,0% 88,0% 0,0% 12.481

Sierteelt 25,0% 6,0% 10,0% 89,0% 3,4% 15.625

Vaste planten

38,3% 16,0% 35,3% 27,3% 3,0% 742

Gras 38,8% 28,2% 10,7% 80,0% 16,1% 50.000

1 droge stof

2 natte stof

Al deze materialen komen in pieken vrij. Het zwaartepunt ligt in oktober-december (leeghalen kassen met

tomaten en paprika’s).

Technologie Een aaneenschakeling van 3 processtappen is nodig om de suikers te winnen uit de plantenresten.

1. Feedstock handling, waarin grote verontreinigingen worden verwijderd (wassen), de biomassa wordt

verkleind (hakselen) en wordt gesplitst in een vaste en vloeibare fractie (persen). De vaste fase bevat

voornamelijk lignocellulose, de vloeibare voornamelijk suikers, eiwitten en mineralen. De eiwitten kunnen via

verwarming of zuurstremming worden verwijderd en, indien daarvoor geschikt, worden gebruikt als veevoer.

Voor de business case analyse hebben we 3 methoden beschouwd: a. NREL (“washing, milling en homogenizing”)

b. NewFoss (wassen, zeven en enzymatische voorbehandeling)

c. Grassa (wassen, persen, eiwitverwijdering)

2. Pretreatment, waarin de lignocellulose wordt gesplitst in lignine, cellulose en hemicellulose. Het is een dure

processtap in de keten. Van de circa 10 thans bekende technologieën zijn er 3 het meest geschikt

(autohydrolyse, stoomexplosie en verdunde zuurhydrolyse). Autohydrolyse komt gezien de relatief lage

investeringskosten als beste naar voren, gevolgd door stoomexplosie. In de pretreatment wordt

hemicellulose al omgezet naar C5 suikers.

3. Hydrolyse, waarin de cellulose en hemicellulose enzymatisch worden omgezet naar C6 suikers.

Figuur 3 Blokschema verwerking Afbeelding 1 & 2 Wassen van Gras en Stoomexplosie (Bron: Grassa!, Metso)

Business cases Voor de analyse zijn deze processen, massastromen en eenheidsprijzen samengevat in figuur 4. De

vloeistoffractie met mineralen wordt daarin als kunstmest afgezet. De groen weergegeven cijfers dragen bij aan

de inkomsten, rood zijn kosten.


Figuur 6 Samenvatting gevoeligheidsanalyse

In de analyse hebben we 3 processen voor de feedstock handling, 3 pretreatment processen en 1 proces voor

enzymatische hydrolyse gecombineerd. Dit zijn 9 scenario’s, waarvan de investeringen uiteenlopen van € 33

miljoen ( scenario 7) tot € 44,5 miljoen (scenario 2). Zie figuur 6.

De jaarlijkse exploitatiekosten (10 jaar afschrijving, 5% rente) variëren van € 12 miljoen (scenario 7) tot € 16

miljoen (scenario 5). Daartegenover staan inkomsten uit de verkoop van producten en de gatefee voor levering

van de restmaterialen. De gatefee is op € 25/ton gesteld, vergelijkbaar met het huidige tarief voor compostering.

Scenario 7 leidt als enige tot een positieve businesscase, van € 1 miljoen per jaar en een IRR (internal rate of

return) van 3%.

In totaal zijn 108 combinaties bekeken. Uit de

analyse, samengevat in figuur 6, blijkt dat in het

meest ongunstige geval het resultaat € 28/ton

negatief is (5 jaar afschrijving, lage suikerprijs). In de

meest gunstige situatie is deze € 14/ton positief (20

jaar afschrijving, hoge suikerprijs).

De IRR’s van de verschillende scenario’s verschillen

hierdoor ook. De meest gunstige IIR is 11%, de

meest ongunstige -19%. In slechts 5 situaties wordt

een IIR van 10% of meer bereikt. Investeerders

houden doorgaans een IIR van minimaal 15% aan

om te investeren. Geen van de 108 geanalyseerde

scenario’s voldoet aan deze norm.

Figuur 4 Geschatte investeringskosten, miljoenen €

Figuur 5 Geschatte exploitatiekosten, miljoenen €


In deze analyse zijn alle hoeveelheden en

prijzen constant verondersteld. Nagegaan

is wat de gevolgen voor de business case

zijn als afschrijvingstermijnen, aanbod van

gewasresten en suiker- en eiwitprijzen

variëren (zie tabel 2).

No-regretmaatregel: Eerste stap Daar de enzymatische hydrolyse zowel qua investering als

qua exploitatie een grote kostenpost is, is nagegaan wat

het effect is van het achterwege laten daarvan. In dat

geval blijft de productie van C6-suikers achterwege en

vervallen de inkomsten daarvan. Voor de achtergebleven

(grotendeels gescheiden) lignocellulose zijn meerdere

afzetkanalen mogelijk:

Brandstof

Als basisscenario is lignocellulose goed af te zetten als

brandbaar product. Het heeft een redelijk hoge

energiewaarde die mede ontstaan is door het persen van het materiaal. Afhankelijk van de nabehandeling is

bijstook in kolencentrales of in houtketels een mogelijkheid. Voor bijstook in kolencentrales is het van belang dat

het minerale gehalte laag blijft zodat er geen grote hoeveelheden as gevorm worden. Deze stap is goed

beschikbaar en levert gemiddeld 70 euro per ton droge stof op.

Papier- en kartonindustrie

De overgebleven lignocellulose is door de voorbehandeling al vrij zuiver. Hierdoor is afzet in de papier- en

kartonindustrie mogelijk. Dit kan in eerste instantie vooral als vulmiddel gebeuren maar op termijn ook met directe

inzet van de cellulose vezels afhankelijke van de processen bij de papierproducent. De hoeveelheid die

toegevoegd kan worden, verschilt van proces tot proces en zal variëren van 0% tot 20%. Doordat de inzet van

restmaterialen als cellulose bron op dit moment nog in de testfase verkeerd, onder andere de tomatenvezel doos

in het Westland, is de waarde op de lange termijn nog moeilijk vast te stellen. De verwachting is dat deze in de

buurt van de oud papier prijs zal liggen welke de rond de 100 euro per ton schommelt.

Chemische industrie

Voor de chemische industrie is de lignocellulose een interessant grondstof voor de productie van suikers en

daaropvolgende chemische bouwblokken. Zoals voorgaande analyse heeft laten zien is dat op dit moment nog

nauwelijks rendabel en zal deze vorm van afzet pas op de lange termijn of bij enkele uitzonderingsgevallen

mogelijk zijn. Rondom lignine zijn de laatste tijd meer ontwikkelingen omdat het gebruikt kan worden voor de

productie van aromaten, scheepsbrandstof en natuurlijk bindmiddelen. Doordat deze processen geen last hebben

van concurrentie uit schaliegas vinden er hier veel activiteiten plaats. Desondanks blijft gezien het vroege

ontwikkelingsstadium de verwachting dat de afzet richting de chemische industrie pas op de lange termijn

mogelijk is. De waarde voor de chemische industrie kan variëren van 100 tot 1500 euro per ton.

Gezien deze mogelijkheden is gekeken naar een tweetraps proces, bestaande uit feedstock handling en

pretreatment. De businesscase verbetert hierdoor aanzienlijk (tabel 3).

Tabel 3 - Financieel resultaat van een 2-traps proces, 285.600 ton restmaterialen/jaar

De IRR bedraagt dan circa 50%. Halvering van de hoeveelheid ingaande biomassa leidt dan nog steeds tot een

positief rendement, met een IRR van circa 35%. Dit tweetraps proces zou op korte termijn gerealiseerd kunnen

worden. Afhankelijk van de ontwikkeling van prijzen kan al dan niet een uitbreiding gerealiseerd worden waarin de

Afschrijving Biomassa input Suiker prijs

(€/ton ds)

Eiwit prij

(€/ton ds)

5% 100% glasgroenten & gras 200 500

10% 100% glasgroenten 150 600

20% 50% glasgroenten & gras 350 700

CAPEX OPEX+10% afschrijving+5% rente Inkomsten winst/ton(ns)

€ 11.300.000 € 4.400.000 € 10.000.000 € 20

Figuur 7 Blokschema exclusief enzymatische hydrolyse Tabel 2 Parameters gevoeligheidsanalyse


daaropvolgende stappen gerealiseerd worden. Door de rentabiliteit van dit tweetraps proces en een gereduceerd

risico door de verlaging van investeringskosten en een minder complexe opzet kan inzetten op het tweetraps

proces als goede mogelijkheid worden gezien in de aanloop naar zowel huidige als toekomstige vraag.

Omdat een dergelijke installatie alleen rendabel is met een constante belading, is buffering van de restmaterialen

nodig. Uit logistiek oogpunt zouden bestaande afvalverwerkers/composteerbedrijven goede vestigingslocaties

zijn. Als uitgangspunt is de huidige waarde voor energetische inzet gebruikt.

Conclusies 1. De grootste teelten in de Zuid-Hollandse (glas)tuinbouw, aangevuld met bermmaaisels, produceren jaarlijkse

circa 285.000 ton gewasresten. Hieruit is het mogelijk circa 15.000 ton C5- en C6-suikers hieruit te bereiden.

Deze suikers zijn bruikbaar in de chemische industrie.

2. Voor de productie van C6-suikers is een drietrapsproces nodig. C5 suikers kunnen in een tweetraps proces

worden bereid.

3. De productie van C6-suikers is nog te riskant. De investerings- en exploitatiekosten van de daarvoor

benodigde enzymatische hydrolyse zijn relatief hoog. Bovendien is de kans dat marktprijzen dalen groot.

Alternatief is meer restmaterialen te vinden die geschikt zijn voor dit proces.

4. Als no-regretmaatregel zouden daarom enkele tweetraps installaties geplaatst kunnen worden. De

winstgevendheid hiervan is naar verwachting goed.

Het realiseren van een volledige bioraffinaderij, die op de restmaterialen uit Zuid-Holland draait, is met de huidige

stand van zaken een zeer moeilijk realiseerbare business case. Gezien de lage rendementen is het

onwaarschijnlijk dat er vanuit de huidige marktsituatie interesse is. Er bestaan echter diverse mogelijkheden voor

de inzet van de restmaterialen in een kleinschaligere realisatie van de eerste voorbewerkingsstappen. Een

kleinere installatie biedt wel perspectief op een goede business case. Door juist nu hierop in te zetten kan in de

toekomst worden aangesloten op de verdere ontwikkeling van bioraffinaderijen in de Rotterdamse haven. Afzet

als brandstof of in de papier- en kartonindustrie biedt nu al goede mogelijkheden. Door de hoge mate van

innovatie in het voorgestelde model en de verwerkingsmethodes draagt dit bij aan de Europese

innovatierichtlijnen. Hiervoor bestaan er diverse subsidies (voornamelijk binnen Horizon2020) die een eerste

realisatie op een aantrekkelijke wijze mogelijk kunnen maken.

Colofon Aldert van der Kooij, Lars van Doremalen en Sina Salim, Royal HaskoningDHV.

([email protected] , [email protected] , [email protected] )

Leon Mur, Kenniscentrum Plantenstoffen, ([email protected])

Jan Smits, BioBase Westland, ([email protected])

Afbeelding 3 Voorbeeld van gebruik van plantenrestmaterialen in de papier- en kartonindustrie (tomatenvezeldoos)

Bron: agrochemie magazine

2014-09-24, Samenvatting bioraffinage gewasresten tuinbouw

Documents

Transcript of 2014-09-24, Samenvatting bioraffinage gewasresten tuinbouw