Bioraffinage, de brug tussen landbouw en chemie

50e verjaardag alumnivereniging

Johan Sanders, Wageningen, 17 oktober 2014

Professor Biobased Commodity Chemicals

Wageningen University and Research center

De nieuwe uitdaging voor biomassa grondstoffen:

Biomassa productie

€

Voeding Gezond, veilig, voldoende,

€

Bestaande

Non-Food: •Papier

•timmerhout

• katoen, wol

• hout om te koken .

€

Biobased

Producten • materialen

• chemische

bouwstenen

•transportbrandstoffen

• Electriciteit

•warmte

biorefineries Omzettings

processen

Vele drijfveren voor de Biobased Economy

 Tekort aan goedkope olie

 Hoge en fluctuerende energieprijzen

 Zekerheid energievoorziening

 Klimaatverandering door broeikasgassen

 Plattelandsontwikkeling

 Ontwikkelingslanden

 Geo-politieke condities

Gebruik van biomassa, huidig en in 2050

Mton/jaar

 Voedsel incl. diervoeding* 4 – 5000

 Hout, papier, katoen 2000 NU

 Hout om te koken 4000

 30% of 1000 EJ = 20 000 2050

* excl. gras en visserij

Hoe kunnen we biomassa productie capaciteit

beter benutten zonder extra landgebruik?

● Vergroot de veldopbrengst maar houd de componenten die nodig zijn voor de bodemvruchtbaarheid op het veld

● Benut 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 door integratie van processen en/of om te profiteren van kleine schaal zonder de nadelen

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?

 Dat de omstandigheden buiten Nederland altijd gunstiger zijn voor

het opstarten van een BioEconomy?

In energie uitgedrukt heeft ons dagelijks voedsel

een 20 maal hogere input per output nodig! Biomass

635PJ

Dutch Agriculture 475

Net Import 160

Fossil 575PJ

Greenhouses/Food 100

Transportion Food 100

Other Agriculture 60

Household 165

Food Industry 150

2500 kcal/dag = 55 PJ

Halvering van grondstoffen gebruik leidt tot

• Halveren van footprint van 6 miljoen ha tot 3 miljoen hectare

• Vrijspelen van voldoende energie voor gehele wegtransport!

Jaarbehoefte van

gehele bevolking Biomassa input Fossiel input

From: PBL, the Protein Puzzle, 2011

F - ladder €/ton

Farma High

Fun High

Food ingredients 5 - 20000

Food nutritional 100-500

Feed young 100-500

Feed pigs 100-300

Feed cattle 50-250

Functional chemical 500-800

Fibre 500

Fermentation 150-400

Fermentation bulk 100-300

Fuel 100-300

Fertilizer -/- 200-100

Fire 50-150

Flare 0

Fill -/- 300

How to get the

best value from

biomass?

Waar kan biomassa economisch de strijd aan

met fossiel?

0 10 20 30 40 50 60 70 80

P r o

d u

c ti

e k o

s te

n

€ /

G J e

in d

p r o

d u

c t

Kapitaal

Olie/gas

Kolen

Kapitaalkosten per ton bulkproduct vs energie overschot

Kapitaal

Grondstof

-1200

-800

-400

0

400

800

1200

1600

0 20 40 60 80 100

K a p

it a a l

( €

/ to

n )

Energieverlies (GJ/ton)

Bij lagere warmte-overdracht behoefte kunnen

kapitaalkosten per ton bulkproduct omlaag!

Kapitaal

Grondstof

-1200

-800

-400

0

400

800

1200

1600

0 20 40 60 80 100

k o

s tp

r ij

s (

9 0

0 €

/ to

n )

Energieverlies (GJ/ton)

9 0 0

9 0 0

Werkgelegenheid groeit met 45 000 banen in Nederlandse chemie bij

50% vervanging fossiel door biomassa grondstoffen (nu ca 80 000 fte)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Chemicaliën (fossiel) Chemicaliën (biomassa)

P r o

d u

c ti

e k o

s te

n m

il ja

r d

€ /

j

Bouwen van fabriek

proces

grondstofproductie

27.000 FTE

2.000 FTE

45.000 FTE

31.000 FTE

6.000 FTE

4.000 FTE

15 15

6

9

Kapitaal, Grondstoffen, Stoommachine vs Arbeid

 Bij biomassa is schaalvergroting in chemie niet essentieel;

 Bij biomassa creeren we veel banen zonder kostenverhoging;

 Bij stoommachine is schaalvergroting wel essentieel

 Stoom machine heeft veel banen overbodig gemaakt

 Om banen te houden had Karl Marx er beter aan gedaan de stoommachine aan de kaak te stellen dan Het Kapitaal!

http://www.google.nl/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&docid=lTqudqtcMCChMM&tbnid=FVplHhCVJWdEtM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.etsy.com/listing/85357143/steam-engine-hero-of-alexandria-2000&ei=gyHFUu-ZMorB0QWbsYGYDw&bvm=bv.58187178,d.d2k&psig=AFQjCNESZ9jDhBuEQuiU4hOD8Wwuh9DFvw&ust=1388658448758668 http://www.google.nl/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&docid=p_dxeHaA43ZCeM&tbnid=hUA18UKbTLG_mM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.glogster.com/alexleeg/steam-engine/g-6kvm9q4tunioc9dopbj5ha0&ei=oiDFUpXoAamV0AXY34DQDg&bvm=bv.58187178,d.d2k&psig=AFQjCNESZ9jDhBuEQuiU4hOD8Wwuh9DFvw&ust=1388658448758668

Chemische productie Haven van Rotterdam

massaverlies en/of warmteoverdracht

Glutamaat  NMP eenvoudiger dan uit fossiel

Nieuwe route= 2 stappen

Conventionele route= 8 stappen

Glutamic acid NMP

N O

CH3

Biomass NH2 COOH

COOH

NH2 COOH + CH3OH- CO2

hydrolysis, separation

enzyme,

30 oC

cat,

250 oC

O O

CH3NH2

OH HO

- H2 OHHO

+ H2

CH2

O CH3OH

+

200-350 oC

100 bar

cat,

180-240 oC

Gas cat,

90-150 oC

N2 + 3 H2 NH3 + CH3OHcat

300-550 oC

150-250 bar

cat

400 oC

N O

CH3

cat,

80 oC

Aminozuren bevatten al N en O --- Veel minder stappen/

kapitaal en veel minder energie om tot hetzelfde product te komen

stap 1 stap 2

36 kton glutamic acid 

Nuttig gebruik van bijproduct maakt alkohol fabriek winstgevend

H2N OH

COOH

O 23 kton

NMP

(~2500 € / ton)

=58 M€/y

500 miljoen liter bioethanol

(~ 400 kton) =200M€

360 kton DDGS (~130 € / ton) =46M€

Aerobe fermentaties hebben lage opbrengst, veel

warmte productie en dus veel kapitaalskosten

Dit geldt voor bekende fermentatie producten zoals Lysine, Glutaminezuur, penicilline

Anaerobe fermentaties hebben hoge

opbrengst tenminste uitgedrukt in energie

Bijv ethanol, melkzuur, butanol

Voor bulkchemicalien levert dit de noodzakelijk lage grondstof en kapitaalskosten;

integrale kostprijs: 600- 1600€/ ton

Weusthuis et al

Aerobic Sugar processes  1250€/ tonne

LC processes 1350€/ton

Lower scale dependence

Anaerobic sugar processes 500€/ tonne

LC based processes  550€/ tonne

Lower scale dependence

Piepschuim uit polymelkzuur (Wageningen UR)

 Expandable bead technique

● Good cell structure

● Density

Tweede generatie grondstoffen vergen veel kosten in

voorbehandeling en leveren weinig op! Valse Hoop!

Tarwe stro Chemisch voorbehandeld Bovendien enzymbehandeling

http://www.google.nl/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&docid=xunOsig5V0l2KM&tbnid=YQyHnpfc7iueZM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.bergfourage.nl/producten/strooisels/tarwestro-gehakseld/&a