Bio-energie ketens: ethanol Rob Bakker Business Unit Biobased Products Agrotechnology & Food Innovations Wageningen UR
[email protected]
Overzicht • Wat is ethanol? – Eigenschappen – Welke ketens?
• Huidige productie – Redenen voor gebruik
• Ontwikkelingen in de EU • Cellulose-ethanol • … vragen...
Wat is ethanol? • Ethanol uit Biomassa: “bio-ethanol” • Product van fermentatie van suikers (alcoholgisting) • Gebruik in de voedingsindustrie • Gebruik in de chemische industrie • Gebruik als brandstof – – – –
tot 10% inmenging in benzine (E10) tot 85% in aangepaste motoren (E85) ook inmenging in diesel mogelijk toekomst: mogelijke brandstof voor brandstofcel
Welke eigenschappen heeft ethanol? • • • • •
Formule: C2H5OH Dichtheid: 0.8 kg/L (800 kg/ton) Energieinhoud: 22 MJ/ L Vervluchtiging Lage toxiciteit
• ETBE = bevat ~50% ethanol
Welke bioenergieketens voor ethanol? • Suikerhoudende biomassa – gewassen: suikerriet, suikerbiet, sweet sorghum – residuen: bijv. molasse
• Zetmeelhoudende biomassa – gewassen: tarwe, gerst, korrelmais, aardappel – residuen: reststromen uit graan- en aardappelverwerking
• Cellulosehoudende biomassa – gewassen: grassen, hout – residuen: stro, bagasse, pulp, afvalhout
Processen water
suikers
gist fermentatie
Liquefactie & hydrolyse
chemic. cellulose
voorbehandeling
ethanol bijproducten
enzym zetmeel
water
gist suikers
fermentatie
enzym* hydrolyse
ethanol
gist* suikers
fermentatie
ethanol
Kenmerken ethanol fermentatie • Suikers – glucose, fructose, mannose (C6) – in de toekomst: xylose (C5)
• Temperatuur, Tijd, concentratie – 32-37 °C; 6 -10 h; 12% ethanol
• Bijproducten van ethanolfermentatie – CO2 – Distiller’s grain, Vinasse
Ethanol fermentor
Hoeveel ethanol uit een ton*… ?
Suikerbiet
Tarwe L/ton Mais
Lignocellulose 0
100
200
300
400
Gemiddelde ethanolopbrengst (L/ton) voor 4 gewassen
*op droge stof basis
Hoeveel ethanol uit een ton*… ?
L/ton (conventional technology) L/ton (future technology)
Soy processing residues Wheat milling residues
PotatoPeels
0
100
200
300
400
500
Gemiddelde ethanolopbrengst (L/ton) voor 3 reststromen
*op droge stof basis
Conversie factoren
• (vrije) Suikers – 0.47 g ethanol per g suiker
• Zetmeel – 0.52 g ethanol per g zetmeel
• Cellulose – 0.42 g ethanol per g cellulose
Ethanol opbrengst (L/ton d.s.)
Invloed samenstelling grondstof
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40
L/ton
16 17 18 19 20 21 22 zetmeel gehalte (% d.s.) Invloed van zetmeelgehalte op ethanolopbrengst (L/ton)
Hoeveel ethanol wordt er geproduceerd? Productie voor gebruik als biobrandstoffen: • Brazilie (10 Mt) en V.S. (6.0 Mt) aan kop • EU: Spanje, Frankrijk, Zweden (0.32 Mt totaal) • China, Thailand, Pakistan World Bioethanol production 2002
EU 2%
China 1%
Canada 1%
Australia 1%
USA 36%
1 Mt ethanol = 12.5 M hl
Brazil 59%
Ethanol in Brazilië (suikerriet) Lange ervaring (vanaf 1975) • Grondstof met hoge biomassa productie/ha – Niet-gesubsidieerde landbouw
• “Learning curve” leidt tot daling productiekosten – Geïntegreerde productie suiker en ethanol
• Flexible fuel auto’s – Consument kiest type brandstof – Hoge bijmenging: 85% ethanol in benzine Flexible fuel auto
“Learning curve” Brazilië
Bron: Goldemberg,J. et al Biomass and Bioenergy March 2004 vol26(3) pp.301-304
Ethanol in de V.S. (korrelmaïs) • Productie vanaf 1978 • Veel staten stellen inmenging verplicht • Productiekosten gedaald met 67% in 20 jaar – dankzij verbeteringen in o.a. -
rassen, bemesting fermentatie procestechnologie bijproduct afzet
Maïsoogst in de V.S.
Wat zijn redenen voor gebruik ethanol als brandstof? • Afhankelijkheid olie import – Brazilie, China
• Milieuvervuiling – V.S. (smog)
• Kyoto-CO2 uitstoot – Zweden
• Economische ontwikkeling landbouw, industrie – Frankrijk, V.S.
• Verwaarding bijproducten
China: snelle ontwikkeling
900,000 800,000 700,000 600,000
Anhui Henan Jilin 900,000
500,000 400,000 300,000
Guangzhou Henan
800,000
Jilin
700,000
Shandong
600,000
200,000
500,000
100,000 0
“Fueling the dragon”
Heilongjiang
400,000
Current ethanol production
300,000 200,000 100,000
Huidig: 0.92 Mt
0
Planned ethanol production
Gepland: 2.0 Mt Bron: F.O Licht, 2005
Ethanol in de EU • Spanje – Productie uit tarwe, gerst – 2003: 180 kton (2005: + 100 kton)
Poland 14%
• Frankrijk – Productie uit suikerbiet, tarwe – 2003: 77 kton
• Zweden
Spain 40% Germany 28%
– 2003: 52 kton
• Duitsland: – 2005: 200 kton
• Nederland:
Sweden 7%
France 11%
Anticipated production 2005 (kton)
– Geen huidige ethanol productie Bron: EUR’Observer, 2004
EU: Drivers voor groeiende vraag ethanol Europa: • EU renewable energy richtlijn – 12 % in 2020
• EU biobrandstoffen richtlijn – 5.75 % in 2010
• EU energie detaxatie richtlijn • Normering voor biobrandstoffen Nationaal: • Accijnsvrijstelling
Ethanol auto en -pomp in Zweden
EU biobrandstoffen besluit
Germany Netherlands Belgium
Gasoline 30080 4112 2514
Diesel 24834 5067 4852
Total 54914 9179 7366
Transportation fuel use in 1998 (*1000 ton oil equiv) Europa 5.75% (2010)= 19 Milioen ton olie equivalent -> Nederland: 360 kton ethanol, 300 kton biodiesel 1 t.o.e. = 1.5 ton ethanol
Status EU (maart ‘05) • Accijnsvrijstelling: – 6 landen met volledige accijnsvrijstelling – 2 landen met partïele vrijstelling – andere landen: discussie over invoering
• Carbon credit: 45 €/ha energiegewassen • Import uit Pakistan, Brazilie – onderhandelingen Mercosur over tariefstelling (Z-Amerika)
• Verwachting: 11 Mtoe in 2010
Mogelijkheden in Nederland • Suiker c.q. zetmeelrijke reststromen – Bijproducten uit aardappel- en graanverwerking – Omzetting meest kansrijke stromen: 200 kton ethanol*
• Cellulose-houdende stromen – Volledige omzetting 1.5 à 2 Mton**
• Veel technologische kennis aanwezig in NL – agrotechnologie, koolhydraatchemie, fermentatie, brandstofgebruik
• Veel relevante industrie aanwezig -> Goede ontwikkelingsmogelijkheden voor productie van ethanol, maar implementatie afhankelijk van “incentives” overheid!
*Bron: Rabobank, 2002 ** Bron: de Jong et al, 2003
Wat kost het produceren van ethanol? Brazil (sugar cane)
Thailand (tapioca)
Australia (molasse 29.4 Eur/t)
Total capital Labour
Australia (wheat)
Insurance,fees, repairs Raw material China (corn)
Other operating costs
USA (corn)*
Germany (wheat)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
Gross production costs (Eur/L) exclusive of sales byproducts
Bron: F.O. Licht, 2005 * exclusief - 0.08 Eur subsidie
Conventionele ethanol-cellulose ethanol Grondstof= zetmeel, suikers
Grondstof = cellulose:
• • • •
lage grondstofkosten hogere milieuwinst heterogene grondstoffen moeilijk ontsluitbare grondstoffen diverse bijproducten: electriciteit, warmte
hoge grondstofkosten beperkte milieuwinst homogene grondstoffen makkelijk ontsluitbare grondstoffen • veevoer als bijproduct
Wat is cellulose-ethanol? • Ethanol geproduceerd uit vezel-rijk plantenmateriaal – hout, gras, stro, reststromen
• “Lignocellulose” – bron van fermenteerbare suikers, en energie: -
cellulose: polymeer van glucose hemi-cellulose: polymeren van xylose en andere suikers lignine: warmte, electriciteit
– materiaal ondergaat chemische en/of enzymatische behandeling om suikers vrij te maken voor fermentatie
Ontwikkelingen cellulose-ethanol • • • • •
Brazilie: bagasse Verenigde Staten: maisloof Zweden: naaldhout Japan: hout Canada, Nederland, Spanje: tarwestro Pilot scale fermentatie bij A&F
Kostenprognose (€ /L) Ethanol uit zetmeel (mais; USA) Cellulose Ethanol (2003) Cellulose Ethanol (lange termijn) Benzine (2002)
0.34 0.80 0,18-0,26 0.24
Meer informatie: • Marktinformatie ethanol: – F.O. Licht World Ethanol Report
• Ontwikkelingen in de EU – http://europa.eu.int/comm/energy/res/whatsnew/index_en.htm
• Ontwikkelingen in Nederland – http://www.gave.novem.nl
• Wageningen UR – http://www.biomassandbioenergy.nl – http://www.bioethanol.nl
