Bioraffinage, de brug tussen landbouw en chemie

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:
Voeding
Gezond, veilig,
voldoende,
€
biorefineries
Biobased
Producten
Omzettings
processen
• materialen
€
• chemische
bouwstenen
•transportbrandstoffen
• Electriciteit
•warmte
Biomassa
productie
€
Bestaande
Non-Food:
•Papier
•timmerhout
• katoen, wol
• hout om te koken
.
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*
 Hout, papier, katoen
 Hout om te koken
4 – 5000
 30% of 1000 EJ
20 000
=
* excl. gras en visserij
2000
NU
4000
2050
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
Fossil
575PJ
Net Import
160
Food Industry
150
Household
165
Dutch Agriculture
475
Transportion Food
100
Greenhouses/Food
100
2500 kcal/dag = 55 PJ
Biomassa input
Jaarbehoefte van
gehele bevolking
Other Agriculture
60
Fossiel input
Halvering van grondstoffen gebruik leidt tot
• Halveren van footprint van 6 miljoen ha tot 3 miljoen hectare
• Vrijspelen van voldoende energie voor gehele wegtransport!
From: PBL, the Protein Puzzle, 2011
F - ladder
How to get the
best value from
biomass?
€/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
Productiekosten
€/ GJ eindproduct
Waar kan biomassa economisch de strijd aan
met fossiel?
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Kapitaal
Olie/gas
Kolen
Kapitaalkosten per ton bulkproduct vs energie overschot
1600
1200
Kapitaal (€/ton)
Kapitaal
800
Grondstof
400
0
0
20
40
60
80
-400
-800
-1200
Energieverlies (GJ/ton)
100
Bij lagere warmte-overdracht behoefte kunnen
kapitaalkosten per ton bulkproduct omlaag!
1600
1200
Kapitaal
800
900
0
0
-400
20
40
60
80
900
kostprijs (900 €/ton)
400
-800
-1200
Energieverlies (GJ/ton)
100
Grondstof
Werkgelegenheid groeit met 45 000 banen in Nederlandse chemie bij
Productiekosten miljard € /j
50% vervanging fossiel door biomassa grondstoffen (nu ca 80 000 fte)
16
15
15
14
4.000 FTE
12
Bouwen van fabriek
proces
45.000 FTE
10
6.000 FTE
8
6
9
31.000 FTE
6
27.000 FTE
4
2
2.000 FTE
0
Chemicaliën (fossiel)
Chemicaliën (biomassa)
grondstofproductie
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!
Chemische productie Haven van Rotterdam
Lage energie dichtheid
Hoge energie dichtheid
Warmteoverdracht=
kapitaalkosten
massaverlies en/of warmteoverdracht <--O warmte overdracht
-4
-3
-2
-1
0
+1
+2 +3
+4
methaan
etheen
MEG
suiker
citroenzuur
CO2
ethanol BDO
succinaat
ethaan
butanol
Terephthaalzuur
xyleen
Glutamaat  NMP eenvoudiger dan uit fossiel
Nieuwe route= 2 stappen
stap 1
stap 2
COOH
- CO2
Biomass
hydrolysis,
separation
NH2
COOH
NH2
enzyme,
30 oC
COOH
+ CH3OH
CH3
N
O
cat,
250 oC
Glutamic acid
NMP
Conventionele route= 8 stappen
Gas
CH3OH
O
CH2
+
cat,
90-150 oC
OH
HO
+ H2
- H2
HO
OH
cat,
80 oC
cat
N2 + 3 H2
NH3
300-550 oC
150-250 bar
+ CH3OH
O
O
cat,
180-240 oC
200-350 oC
100 bar
CH3NH2
cat
400 oC
Aminozuren bevatten al N en O --- Veel minder stappen/
kapitaal en veel minder energie om tot hetzelfde product te komen
CH3
N
O
Nuttig gebruik van bijproduct maakt alkohol fabriek winstgevend
500 miljoen liter bioethanol
(~ 400 kton) =200M€
360 kton DDGS (~130 € / ton) =46M€
36 kton glutamic acid 
COOH
OH
H2N
O
23 kton
NMP
(~2500 € / ton)
=58
M€/y
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 <30 g/l
Sheet: Karin Molenveld
Tweede generatie grondstoffen vergen veel kosten in
voorbehandeling en leveren weinig op! Valse Hoop!
Tarwe stro
Chemisch voorbehandeld
Bovendien enzymbehandeling
Bioraffinage van landbouwreststromen ..
Eiwitgehalte
0
5%
Voorbeelden
Tarwe
stro
Cacaodoppen
suikerrietloof
marktprijs (€/ton)
50-80
50-110
15 %
35 %
50 %
Koffiepulp
Bietenloof
raapschroot
sojaschroot
100-140
150-180
300-350
Bioraffinage maakt electriciteitgrondstof
beschikbaar voor 45€/ton
800
50
700
Animal
feed
Amino
acids
600
500
30
400
20
300
200
10
100
3
0
0
Wood Straw Straw
Straw
chips (field) (collected) (washed)
Rape
meal
Multiproduct
biorefinery
€/ton
€/GJ
40
Protein
Ferment.
substrates
Lignocellulose
Fibres
Phosphorus
Rest
Kleine schaal bioraffinage verlaagt transport en energie
veld
boerderij
Verwerking
traditio
neel
100%
100%
decentraal
100%
Mineralen terug naar veld
concentreren
fermentatie
Kleine schaal
bioraffinage
30%
Retour stroom 70%
Bruins et al
Bietsuiker kristallisatie op kleine schaal (2-500ha)
Minder energie
Minder transport
Mineralen retour veld
•
•
•
Much lower energy inputs
Lower transport
Equal costs
Kolfschoten et al
Mobiele Cassave zetmeel bioraffinage in Afrika
Source: Duteso
Geen bederf cassave wortels
Sterkere onderhandelings positie boer
Behoud van mineralen op het veld
The separated components of grass value
700 – 800 €/ton as compared to 50 – 70 €/ton
raw materials
Fresh grass
Fibers 30 % 100
Oligo-saccharides 3% 1500
Lipids 3 % 2000
water
80-90 %
Organic acids 5% 2000
Mono/di- saccharides 150
Protein /
Amino acids
20 % 1000
Minerals 10 % 500-1000
dry
substance
10-20%
Polysaccharides 15 % 1500
Mobiele grasverwerking Grassa (Oenkerk)
Gras eiwit
Eiwit
mengvoeder
Wit product humane voeding
Groen product
diervoeding
vezels
Gras sap
Gras sap
concentraat
Diervoeder
+ .....
Ethanol
rundvee
Isolatie/ karton/
biogas
Extrusie
producten
Alleen eiwit is niet voldoende om de kosten te dekken
bioraffinage
Drie
producten
baten
Acht
producten
kosten
baten
kosten
Gras kosten
60
60
Proces kosten
120
440
eiwit
120
120
vezels
30
30
sap
55
mineralen
75
Organ. zuren
60
aminozuren
75
suikers
12
suikerpolymeren
225
vetten
60
totaal
205
180
657
500
Integratie gras & mais bioraffinage voor rund
en varken
Import uit
Brazilie
Materialen/Energie
import
vezels
Biorefinery
Eiwit
Mais
Gras
Mest
Situatie
sinds
1975
mest
mest
akker
zakker
Verhoging veld opbrengst grasland, Regionale
werkgelegenheid, drastische verlaging mest probleem
Combinatie van sterktes plaatst NL/
Vlaanderen in unieke positie
 Grote zeehavens Rotterdam, Antwerpen, Gent, Amsterdam,
Terneuzen, Delfzijl
 Sterke chemische industrie
 Sterke akkerbouw inclusief verwerking (bioraffinage)
 Mengvoeder industrie: in Nederland 40 M ton/ jaar (grootste
dichtheid biomassa per inwoner of per hectare!)
 Goede afzetkanalen voor droge en natte producten biobased
 Sterke kennis-basis
 Echter overheid die bestaande belangen beschermt met
beleid dat geen gelijke kansen voor ondernemers biedt
Conclusies:
•
De gecombineerde waarde van biomassa
componenten maakt concurrentie mogelijk
met fossiele grondstoffen en Braziliaanse
grondstoffen.
•
Biomassa als grondstof biedt forse
uitbreiding van werkgelegenheid.
•
Hoe benutten we de unieke combinatie
van sterktes ondanks de korte termijn
belangen van bedrijven en overheid?
•
Kleine schaal processen verlagen
vernieuwingsbarriere en bieden ook
kansen aan regionale ontwikkeling.
Earthscan, ISBN 978-1-84407-770-0
Schaliegas USA
Small scale beats
Large scale!
Integration in food refineries
Bedrijvenpark Zuid-Groningen
Fat products
Gelatine
Ontzuiling
flavourings
protein
Slaughter
house
Ten Kate
Fat melting
Stoess
Deutsche
Gelatine
steam
electricity
AFB
Waste water
AVEBE
potatoes
starch
protein
fibres
Slaughter
house
Innoveren in milieu: Pleisters plakken of
structureel
Kennis
Gras/mais
Nieuw
Beetje dom
10 jaar
suiker
6
cassava
Bekend
maar niet in
open domein
2
Bekend en
open domein
Fantasie
Verwijderen Verspreiden Verwerken
6*106 m3 mest
-900
-150
-60
Voorkomen
0
Verdienen
+450
0
M€/jaar
Jaarlijkse groei chemische industrie in verschillende regio’s
4.8% groei
wereldwijd
In China dus verdubbeling in 6 jaar!
Sense of Urgency?
Bioraffinage in de Achterhoek levert voldoende eiwit voor varken en rund/1
250000
hoog 15 ton gras/ha
Aanbod van hoog en
laagwaardig eiwit
200000
hoog 10.5 ton
gras/ha
Behoefte aan hoog en laagwaardig eiwit
hoog 6 ton gras/ha
laag 6 ton gras/ha

1H=2 L rund, 1H=1.33L varken
180000
160000
laag 10.5 ton
gras/ha
150000
140000
hoge kwaliteit
120000
lage kwaliteit
laag 15 ton gras/ha
Linear (hoog 15 ton
gras/ha)
100000
100000
50000
0
0%
20%
40%
60%
80%
Linear (hoog 10.5
ton gras/ha)
80000
Linear (hoog 6 ton
gras/ha)
60000
Linear (laag 6 ton
gras/ha)
40000
Linear (laag 10.5
ton gras/ha)
20000
Linear (laag 15 ton
100% gras/ha)
120%
totaal
Linear (hoge
kwaliteit)
Linear (lage
kwaliteit)
Linear (totaal)
0
0
50
100
150