F I S CH ROADMAP HERNIEUWBARE CHEMICALIËN. Chemistry for Sustainability. Flanders Innovation Hub for Sustainable Chemistry

FISCH

Jan Chemistry for SustainabilityMa Flanders Innovation Hub

for

Sustainable Chemistry

Chemistry for Sustainability

Dia Bou B-1

T + F + ROADMAPM +

HERNIEUWBARE CHEMICALIËNjvan

ww

FISCH Chemistryfor for Sustainability Chemistry Sustainability

Jan Van Havenbergh, dr. sc. Managing Director

INHOUDSTABEL

Diamant Building Boulevard Auguste Reyerslaan 80 B-1030 Brussels T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 M +32 496 529 526 [email protected] www.fi-sch.be

MANAGEMENT SUMMARY

5

MANAGEMENTSAMENVATTING

7

1. ACHTERGROND 9 1.1 1.2

Flanders Innovation Hub for Sustainable Chemistry 9 Over FISCH 9 Aanleiding voor het ontwikkelen van roadmaps 10 Hernieuwbare chemicaliën 11 Wat zijn hernieuwbare chemicaliën? 11 Belang van hernieuwbare chemicaliën voor een duurzame chemie 11 Strategische eigenschappen van hernieuwbare chemicaliën, SWOT-analyse 12

2. DE ROADMAP 13 2.1 Methodiek en structuur 13 2.2 Globale roadmap 14 3. MARKT – VISIE TOT 2030 18

ONTWIKKELD OP INITIATIEF VAN: FISCH Flanders Innovation Hub for Sustainable Chemistry

2

PROGRAMMAMANAGERS:

Luc Van Ginneken en Steven De Laet

BEGELEIDING EN REDACTIE:

Frederik Vandecasteele, PNO Consultants Dirk Carrez, Clever Consult Katrien Vanherck, PNO Consultants

MET DE MEDEWERKING VAN:

3M Belgium NV, Associatie Universiteit & Hogescholen Antwerpen, Bio Base Europe Pilot Plant,

Cargill NV, Derbigum NV, EcoSynth BVBA, Ecover NV, FlandersBio, Ghent Bio-Energy Valley, Hogeschool Gent, Indaver NV, INEOS Oxide NV, KULeuven, Lawter BVBA, Millibeter BVBA, Nitto Europe NV, Oleon NV, Taminco BVBA, Universiteit Gent, VITO

februari 2014

ROADMAP HERNIEUWBARE CHEMICALIËN

3.1 Relevante marktsegmenten voor hernieuwbare chemicaliën 18 3.2 Drivers en barrières 19 Consumentenbewustzijn 19 Moleculen met nieuwe functionaliteiten 19 Seed funding voor pilootonderzoek 19 Wetgeving voor nieuwe componenten 19 Beschikbaarheid biomassa 19 Milieu-impact van moleculen 19 Stijgende olieprijs en uitputting grondstoffen 20 Toenemende marktaanvaarding voor hernieuwbare chemicaliën 20 Food vs. Fuel vs. Materials 20 Innovatiepotentieel chemiesector 20 Kennisgebaseerde Vlaamse economie 20 Trend duurzaamheid 20 3.3 Marktstrategie 21 Prijs 21 Functionaliteit 21 Beschikbaarheid 21 Kwaliteit (en kwaliteitsperceptie) 21 3.4 Randvoorwaarden 22 3.5 Specifieke uitdagingen in Vlaanderen 23


3


Jan Van Havenbergh, dr. sc. Managing Director Diamant Building Boulevard Auguste Reyerslaan 80 B-1030 Brussels

MANAGEMENT SUMMARY

4. AMBITIES EN ONTWIKKELDOMEINEN 24

T +32 2 238 97 64

4.1 Overzicht 24 F +32 2 230 71 18

M +32 496 529 526 4.2 Specifieke uitdagingen 25 Multifunctionele componenten 25 [email protected] Probleemcomponenten substituerenwww.fi-sch.be 25 Duurzaamheid: lage afvalproductie 25 Duurzaamheid: laag energieverbruik 25 Kostprijs 25 4.2 Randvoorwaarden 26 5. TECHNOLOGIE EN R&D 26 5.1 Overzicht 27 5.2 Relevante technologiedomeinen 28 Marktopportuniteiten in Vlaanderen 28 Afvalinzameling 28 Nieuwe grondstoffen 29 Voorbehandelingstechnologie voor biomassa 30 Fractionatie van feedstock 30 Procestechnologie 31 Katalyse 32 Structuur-functie 32 Ecotoxiciteit 33 5.3 Randvoorwaarden 33 6. ONTWIKKELPADEN EN UITDAGINGEN 34 6.1 Roadmapscenario : Valorisatie van biogas 34 Overzicht 34 Evaluatie van de nieuwe grondstof 35 Katalysatorontwikkeling 35 Opzuivering van de feedstock 36 Procestechnologie 37 6.2 Roadmapscenario : Bio-aromaten 38 Inleiding 38 Probleemstelling 38 Marktopportuniteiten in Vlaanderen en globaal 38 Vetten en oliën als grondstof 39 Katalyse van lignine en lignocellulose 39 Suikers als grondstof 40

4


AIMS This document describes a roadmap for renewable chemicals in Flanders, developed on the initiative of FISCH, the Flanders Innovation Hub for Sustainable Chemistry. This roadmap is a tool to design technical development paths and strategies for the sector of renewable chemicals, with regard to research, development and demonstration. The roadmap has been developed both in a graphical and a textual form and describes the relationships between societal and market trends, crucial areas of development, and technical and R&D challenges. Finally, two relevant scenarios are used to illustrate the use and applicability of the roadmap. RENEWABLE CHEMICALS Renewable chemicals are chemical molecules based on renewable, bio-based feedstock, as opposed to the conventional petrochemicals which are based on finite fossil resources. Searching for alternatives to fossil feedstock is a central aspect of aiming for more sustainability in the chemical sector. With respect to renewable chemicals, two different categories of end products might be pursued: drop-in replacements (drop-ins) as well as novel chemicals (novels). While both are making inroads in offering viable solutions to the market, they challenge the chemical industry from different angles, with each solution having unique characteristics and offering different benefits. Drop-ins are biobased versions of existing petrochemicals with established markets and are chemically equivalent to the incumbent hydrocarbon-based product. By contrast − while also being bio-based − novel chemicals use chemical structures that are entirely new, or haven’t been applied in commercial markets in the past. Novels often have different properties, but the same − or enhanced − functionality compared

to the petrochemicals for which they are substitutes. MARKET This roadmap has been explicitly developed from a market-pull perspective. The starting point for its development was the consideration of relevant large societal and market challenges to which the sector of renewable chemicals can positively contribute: an increasing consumer awareness, a need for molecules with new functionalities, the increased importance of demonstrating technical possibilities on a pilot scale, increasingly strict legislation regarding new compounds, aiming for a low environmental impact of molecules, the rising price and exhaustibility of fossil resources, the importance of aiming for an increased market acceptance of renewable chemicals and the opportunities this brings, the food vs. fuels vs. materials debate, the need to support the innovation potential of the chemical industry, the importance of the knowledge-based economy in Flanders, and a general societal trend towards sustainability. The roadmap describes the importance of price, functionality, availability, and quality in developing a good market strategy for renewable chemicals. AMBITIONS AND AREAS OF DEVELOPMENT This roadmap outlines important conceptual product and process features to which developments in the sector of renewable chemicals need to contribute in order to be successful in the market and to make a positive contribution to the grand societal challenges outlined above. These features constitute important sectoral ambitions and areas of development, relating e.g. to the sustainability of feedstock, end product and process, and to specific process requirements, cost, and functionality.


5


TECHNOLOGY AND R&D

Jan Van Havenbergh, dr. sc. Managing Director Diamant Building Boulevard Auguste Reyerslaan 80 B-1030 Brussels T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 M +32 496 529 526

The roadmap describes important technological domains in which there is a [email protected] need for rewww.fi-sch.be search and demonstration activities regarding market opportunities, waste collection, the use of new feedstocks, pretreatment technology of biomass, fractionation of feedstock, process technologies, catalysis, structure-activity relationships, and ecotoxicity. DEVELOPMENT PATHS AND CHALLENGES This roadmap is meant to be a tool for supporting the development of a sectoral strategy for renewable chemicals. The way in which the roadmap can be used in practice is illustrated in this document with two complementary scenarios: the valorisation of biogas as a renewable feedstock (technology push) and the development of bio-aromatics (market pull).

MANAGEMENTSAMENVAT TING DOELSTELLING Dit document beschrijft een roadmap voor hernieuwbare chemicaliën in Vlaanderen, ontwikkeld onder impuls van FISCH, de Vlaamse Competentiepool voor Duurzame Chemie. Deze roadmap is een hulpmiddel om binnen het domein van hernieuwbare chemicaliën technische ontwikkelpaden en strategieën uit te werken op sectorieel niveau, op het gebied van onderzoek, ontwikkeling en demonstratie. De roadmap is zowel in grafische als in tekstuele vorm uitgewerkt en beschrijft verbanden tussen maatschappelijke en markttrends, cruciale ontwikkeldomeinen en technologische en R&D-uitdagingen. Het gebruik en de toepasbaarheid van de roadmap wordt tot slot geïllustreerd aan de hand van twee relevante scenario’s. HERNIEUWBARE CHEMICALIËN Hernieuwbare chemicaliën zijn chemische moleculen waarvan de grondstoffen hernieuwbaar en bio-gebaseerd zijn, en dit in tegenstelling tot de conventionele petrochemicaliën die uit uitputbare fossiele grondstoffen worden geproduceerd. Het zoeken naar alternatieven voor fossiele grondstoffen is een centraal element in het streven naar meer duurzaamheid in de chemiesector. Met betrekking tot hernieuwbare chemicaliën kunnen twee verschillende categorieën van eindproducten nagestreefd worden: enerzijds de zogeheten ‘drop-in replacements (drop-ins)’ en anderzijds de nieuwe chemicaliën (novels). Hoewel beiden een geschikte oplossing voor de markt kunnen bieden, hebben ze ieder hun eigen unieke karakteristieken en voordelen. Drop-ins zijn bio-gebaseerde versies van bestaande petrochemicaliën met gevestigde markten en zijn chemisch equivalent aan het overeenkomstige koolwaterstofgebaseerde product. In tegenstelling hiermee zijn nieuwe chemicaliën (no-

6


vels) – alhoewel ook bio-gebaseerd – chemische structuren die volledig nieuw zijn of in het verleden nog niet werden gebruikt in commerciële markten. Novels hebben dikwijls verschillende eigenschappen, maar dezelfde – of verbeterde – functionaliteit in vergelijking met de petrochemicaliën die ze vervangen. MARKT Deze roadmap is ontwikkeld vanuit een uitgesproken marktgedreven uitgangspunt (market pull). Er wordt vertrokken vanuit de relevante grote maatschappelijke en marktuitdagingen waaraan de sector van de hernieuwbare chemicaliën een positieve bijdrage kan leveren: een toenemend consumentenbewustzijn, een behoefte aan moleculen met nieuwe functionaliteiten, het toenemende belang van het demonstreren van technische mogelijkheden op pilootschaal, een vaak steeds strenger wordende wetgeving rond nieuwe componenten, een streven naar een lage milieu-impact van moleculen, de stijgende prijs en uitputtelijkheid van fossiele grondstoffen, het belang van het streven naar een toenemende marktaanvaarding voor hernieuwbare chemicaliën en de mogelijkheden die hierdoor ontstaan, het debat food vs. fuel vs. materials, de noodzaak om het innovatiepotentieel van de chemiesector te ondersteunen, het belang van de kennisgebaseerde Vlaamse economie en een algemene trend naar duurzaamheid in de maatschappij. De roadmap beschrijft het belang van de aspecten prijs, functionaliteit, beschikbaarheid en kwaliteit in het ontwikkelen van een goede marktstrategie voor hernieuwbare chemicaliën. AMBITIES EN ONTWIKKELDOMEINEN Deze roadmap schetst belangrijke conceptuele producten proceseigenschappen waartoe ontwikkelingen in de sector van de hernieuwbare chemicaliën


7



T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 moeten bijdragen om succes te kunnen hebben op M +32 496 529 526

de markt en om positief te kunnen bijdragen tot de eerder geschetste grote maatschappelijke [email protected] gen. Deze eigenschappen vormen voor de sector www.fi-sch.be belangrijke ambities en ontwikkeldomeinen, onder andere op het vlak van duurzaamheid van grondstof, eindproduct en proces, specifieke procesvereisten, kostprijs en functionaliteit. TECHNOLOGIE EN R&D De roadmap beschrijft belangrijke technologische domeinen waar een sectoriële behoefte is aan onderzoeks- of demonstratieactiviteiten, en dit op het vlak van marktopportuniteiten, afvalinzameling, het gebruik van nieuwe grondstoffen, voorbehandelingstechnologie voor biomassa, fractionatie van feedstock, procestechnologie, katalyse, structuurfunctierelaties en ecotoxiciteit.

1. ACHTERGROND 1.1 FLANDERS INNOVATION HUB FOR SUSTAINABLE CHEMISTRY OVER FISCH FISCH, de drijvende kracht achter deze roadmap, is een gezamenlijk initiatief van de Vlaamse chemische sector en de Vlaamse overheid, dat zich inzet om de transitie naar duurzaamheid te faciliteren en te versnellen. De missie van de vzw FISCH is concreet: het identificeren, stimuleren en katalyseren van innovaties voor duurzame chemie in Vlaanderen. Het is het eerste chemie-kenniscentrum in Europa dat duurzaamheid als belangrijkste criterium neemt voor het beoordelen en realiseren van pro-

Micro-Algen

Miniatuur chemie-fabriekjes van de toekomst

ONTWIKKELPADEN EN UITDAGINGEN Deze roadmap is bedoeld als een hulp- en werkmiddel om het bepalen van een sectoriële strategie rond hernieuwbare chemicaliën te ondersteunen. De manier waarop de roadmap in de praktijk gebruikt kan worden, wordt in dit document geïllustreerd aan de hand van twee complementaire scenario’s: het valoriseren van biogas als hernieuwbare feedstock (technology push) en het ontwikkelen van bio-aromaten (market pull).

Scheidingstechnologie

jecten. FISCH is het resultaat van een haalbaarheidsstudie van chemiebedrijven, chemieprofessoren en kenniscentra naar een innovatieplatform voor duurzame chemie in Vlaanderen, die werd uitgevoerd onder leiding van essenscia. FISCH structureert zijn activiteiten in zeven innovatieprogramma’s. Deze innovatieprogramma’s zijn zorgvuldig gedefinieerd en kaderen binnen een strategische innovatieagenda, die de belangrijkste doorbraakthema’s omvat voor een meer duurzame chemie in Vlaanderen.

Hernieuwbare Chemicaliën

De kracht van de natuur gebruiken

Microprocestechnologie

Hoe zuiverder, hoe beter

Hoe kleiner, hoe efficiënter

Polymeer Kinglopen

Valorizatie van nevenstromen

Kunststoffen oneindig hergebruiken

Afval wordt grondstof

Kennistools Kennis is macht

De FISCH-Programma’s

8



9



T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 FISCH creëert een forum waar kleine, middelgrote M +32 496 529 526

Deze roadmaps zijn een hulpmiddel voor FISCH en de Vlaamse chemiesector om in te schatten welke en grote bedrijven uit alle Vlaamse industriesectoren projecten en ontwikkelingstrajecten het meeste toedoor open samenwerking onderling [email protected] met de kengevoegde waarde kunnen genereren voor Vlaandewww.fi-sch.be nisinstellingen duurzame (bio)chemische oplossinren. Een roadmap identificeert korte- en langetergen realiseren die een positieve bijdrage leveren tot mijndoelstellingen, gebaseerd op marktnoden en het oplossen van de huidige en toekomstige maat-trends. De roadmap verbindt deze doelstellingen schappelijke uitdagingen. met specifieke technologische oplossingen en uitdaAANLEIDING VOOR HET ONTWIKKELEN VAN gingen. Een roadmap vormt op deze manier dus een ROADMAPS plan dat ontwikkelpaden naar nieuwe producten en processen of opkomende technologieën weergeeft. FISCH heeft de taak op zich genomen om op maat Roadmaps laten de chemiesector onder andere het van de Vlaamse chemie-gebruikende industrie duivolgende toe: delijke ontwikkelpaden bloot te leggen voor techno- Het bepalen van de sterktes en zwaktes van Vlaanlogische innovaties die zullen bijdragen tot een duurderen in elk van de innovatieprogramma’s; zame chemiesector. De wereld na 2030 zal in vele opzichten verschillen van de wereld zoals we die - Het maken van strategische, visionaire keuzes voor vandaag kennen, bijvoorbeeld door nieuwe klantenonderzoek, ontwikkeling en investering op middelverwachtingen, toenemende schaarste aan grondlange termijn; stoffen en veranderende procesomstandigheden. De - Het ondersteunen van consortia van bedrijven om Vlaamse chemische industrie wil zich volop richten te investeren in strategische R&D-, demonstraop de toekomst. De sector wil haar goede positie op tie- of infrastructuurprojecten die een belangrijke de wereldmarkt behouden en zelfs versterken. Daarmeerwaarde hebben voor de Vlaamse chemische om is het van essentieel belang om samen met de industrie. chemische bedrijven, hun klanten, hun leveranciers en kennispartners vast te stellen welke belangrijke De zes roadmaps werden in volle transparantie ontkansen en uitdagingen er bestaan voor de chemiewikkeld met actieve input en medewerking van besector in Vlaanderen. drijven en onderzoeksgroepen actief in de relevante domeinen. Het uitgangspunt voor deze roadmapoeRoadmaps met een concrete strategie werden ontfening was een desktopstudie uitgevoerd door de wikkeld voor de Vlaamse industrie voor de volgende Universiteit Antwerpen (Stefaan Depraetere). zes innovatieprogramma’s: 1. Micro-algen 2. Hernieuwbare chemicaliën 3. Polymeerkringlopen 4. Valorisatie van Nevenstromen 5. Microprocestechnologie 6. Scheidingstechnologie

10


1.2 HERNIEUWBARE CHEMICALIËN WAT ZIJN HERNIEUWBARE CHEMICALIËN? Chemicaliën en brandstoffen zijn alomtegenwoordig in onze moderne samenleving en men kan zich moeilijk een wereld zonder voorstellen. De meeste van deze chemicaliën en brandstoffen zijn derivaten van ruwe olie, steenkool of aardgas, maar de uitputting van de fossiele grondstoffen op langere termijn dwingt ons tot het aanspreken van alternatieve en hernieuwbare grondstoffen voor de productie van duurzame chemicaliën en brandstoffen. Hernieuwbare chemicaliën zijn gedefinieerd als chemicaliën waarvan de grondstoffen hernieuwbaar en bio-gebaseerd zijn. Hernieuwbare grondstoffen zijn alle vormen van biomassa (bv. gekweekte gewassen, resthout uit bossen of plantaardig afval). Hiermee kunnen niet alleen biobrandstoffen gemaakt worden, maar ook hoogwaardige materialen zoals medicijnen, chemicaliën of plastics. Hierbij moet de kanttekening worden gemaakt dat ‘hernieuwbaar’ niet noodzakelijk hetzelfde betekent als ‘recycleerbaar’. Recycleerbaarheid is gedefinieerd als ‘het opnieuw bruikbaar maken van’ of ‘het herwinnen van de grondstoffen uit’ de producten die op basis van hernieuwbare chemicaliën worden gemaakt. Dit is in dit verband een ‘performantie-dimensie’ die mee bepaalt of het product op de markt succesvol kan zijn. BELANG VAN HERNIEUWBARE CHEMICALIËN VOOR EEN DUURZAME CHEMIE De chemische industrie maakt momenteel voornamelijk gebruik van fossiele grondstoffen. Deze grondstoffen zijn eindig, maar hernieuwbare grondstoffen bieden hier uitkomst. Hoewel de chemische industrie zelf slechts 5% van de wereldvoorraad aan fossiele grondstoffen gebruikt voor de productie van chemicaliën, dient ze wel zelf het voortouw

te nemen in deze transformatie naar een duurzame, bio-gebaseerde economie. Bovendien is de huidige chemische nijverheid, met onder andere de sterke vertegenwoordiging van aardolieverwerkende bedrijven in de Vlaamse havens, sterk afhankelijk van fossiele grondstoffen. Een actieve benadering van onderzoek naar en creëren van meerwaarde met alternatieve grondstoffen is dan ook van strategisch belang voor Vlaanderen. In haar streven naar meer duurzaamheid is de Vlaamse chemische industrie op zoek naar alternatieven voor fossiele grondstoffen. De langetermijnbeperkingen en schadelijke milieu-effecten van fossiele grondstoffen zijn bekend en daarom worden de mogelijkheden van verschillende soorten biomassa als grondstof voor de chemie verkend. De enige grondstoffen die continu op aarde worden aangemaakt zijn die van natuurlijke oorsprong (biomassa of groene grondstoffen). Biomassa kan dienen als input voor het maken van veel chemicaliën, omdat biomassa in oorsprong reeds chemisch erg divers en gefunctionaliseerd van aard is. Verscheidene studies tonen aan dat er in principe drie grote routes zijn om biomassa om te zetten in chemicaliën: 1. Omzetting naar nieuwe (bulk)chemicaliën (novels) met unieke eigenschappen (bv. melkzuur of furaandicarbonzuur); 2. Omzetting naar bestaande (bulk)chemicaliën (drop-ins) (bv. ethyleen, tereftaalzuur of caprolactam); 3. Totale vergassing van biomassa naar syngas, gevolgd door Fischer-Tropschsynthese van basiskoolwaterstoffen.


11



T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 STRATEGISCHE EIGENSCHAPPEN VAN HERNIEUWBARE CHEMICALIËN, SWOT-ANALYSE M +32 496 529 526

Bij deze SWOT-analyse werd nagegaan hoe hernieuwbare chemicaliën staan ten opzichte van de [email protected] rende petrochemie. Dit overzicht is het resultaat van een brainstorming met de deelnemers aan de roadmapwww.fi-sch.be ping- workshops, aangevuld met gegevens uit recente studies.

Sterktes

ZWAKTES

- Vaak een lagere footprint

- Productiekosten (nieuwe installaties nodig)

- Biologische productie van hoogwaardige chemi caliën is eenvoudiger dan functionaliteiten toe voegen aan petrochemicaliën

- Mogelijke concurrentie met andere toepassingen waaronder voeding en energie “Food vs. Fuel vs. Material” (zie ook sectie 3.2)

- Nieuwe functionaliteiten, nieuwe eigenschappen

- Onzekerheid over gelijkwaardige functionaliteit (onverwachte resultaten op grotere schaal, bv. lijm die biodegradeerbaar blijkt te zijn)

- Hoge meerwaarde - Vaak veiligere processen dan bij petrochemie (ontvlambaarheid, MSDS) - Vaak lagere energiebehoefte en minder (scha delijk) afval Opportuniteiten

Bedreigingen

- Stimulerende wetgevingen

- Mogelijke interferentie met strikte GMO regelgeving

- Jobcreatie in chemiesector

- Trage respons van bestaande markten

- Verbeteren van imago van chemie als industri ële sector

- ‘Greenwashing’ *

- Nieuwe value streams, value chains - Effect van potentiële nieuwe ‘oil shock’ - ‘Waste as renewables’ - Innovatiesteun vanuit Europa (bv. via de bioba sed industries PPP)

- Sterk afhankelijk van evoluties in wetgeving (bv. impact van REACH) - Bedrijven hangen vast aan bestaande infrastruc tuur - Schaliegas - Hoge exporttaxen op intermediaire producten vs. afgewerkte producten *Het groener voordoen van een bedrijf dan dat deze daadwerkelijk is

SWOT-analyse voor hernieuwbare chemicaliën (algemeen)

12


2. DE ROADMAP 2.1 METHODIEK EN STRUCTUUR Deze roadmap werd ontwikkeld aan de hand van de T-Plan-roadmappingmethodiek, uitgewerkt door de University of Cambridge (Centre for Technology Management en Institute for Manufacturing). De Tplan-methodiek laat toe om uitgesproken marktgedreven te werken (market pull, in tegenstelling tot technology push). De methodiek steunt op het bekomen van inhoudelijke input van experts tijdens vier workshops, waarbij vertrokken wordt van maatschappelijke en marktbehoeftes en de focus geleidelijk vernauwd wordt naar technische ingrepen die op een positieve manier aan deze algemene behoeftes kunnen bijdragen: Workshop 1: Markt Het identificeren van belangrijke maatschappelijke trends, marktverwachtingen, drivers en barrières, sterktes en zwaktes, bedreigingen en opportuniteiten in relevante marktsegmenten. In dit document worden de resultaten van deze workshop (marktdrivers en –barrières) weergeven in hoofdstuk 3 (Markt – visie tot 2030).

selijke producten proceseigenschappen kunnen realiseren. De resultaten van deze workshop (technologiedomeinen) worden weergegeven in hoofdstuk 5 (Technologie en R&D). Workshop 4: Charting Het consolideren van alle inzichten bekomen in de vorige workshops. Het bepalen van de relaties tussen de verschillende deelaspecten. Het uittekenen van ontwikkelpaden, evoluties en mijlpalen in de tijd. De globale roadmap (dit hoofdstuk) en hoofdstuk 6 (Ontwikkelpaden en uitdagingen) geven de concrete verbanden weer tussen de geïdentificeerde markt-, product/proces- en technologie-aspecten in het domein van hernieuwbare chemicaliën. Het roadmappingproces werd steeds in de unieke context van het Vlaamse landschap geplaatst. De resulterende roadmap is dan ook een product op maat van de Vlaamse bedrijven uit de chemie-gebruikende industrie, waarbij innovatie niet aanzien wordt als een antwoord op bedreigingen maar als een reactie op opportuniteiten.

Workshop 2: Product en proces Het opstellen van conceptuele product- of proceseigenschappen. Deze eigenschappen zijn de fundamentele ontwerpparameters waaraan een product of proces in het domein van hernieuwbare chemicaliën moet voldoen om met succes te kunnen beantwoorden aan de maatschappelijke en marktbehoeftes die eerder werden geïdentificeerd. De resultaten van deze workshop (product/proceseigenschappen) worden in dit document weergegeven in hoofdstuk 4 (Ambities en ontwikkeldomeinen). Workshop 3: Technologie Het identificeren van technologische ingrepen en ontwikkelingen die de eerder geïdentificeerde wen-


13

14


Belangrijk

Technologiedomein Product/proceseigenschap

Heel belangrijk …

Markt-drivers en -barrières

Legende

Heel belangrijk verband Belangrijk verband

Minder belangrijk

Afvalinzameling Procestechnologie Fractionatie van feedstock

Structuur-functie Ecotoxiciteit

Marktopportuniteiten in Vlaanderen

Multifunctionele/ polyvalente componenten Extra functionaliteit

Katalyse

Functie analoog aan niethernieuwbaar

Voorbehandelingstechnologie voor biomassa

Nieuwe grondstoffen

Proces met laag energieverbruik Hoge atoomefficiëntie omzetting/proces Proces is opschaalbaar

Kost van proces, grondstof, eindproduct,...

Food vs. Fuel vs. Materials Beschikbaarheid van biomassa

Substitutie van probleemcomponenten Lage eco-/humane toxiciteit

Milieu-impact van moleculen

Innovatiepotentieel chemiesector

Kennisgebaseerde Vlaamse economie

Duurzaamheidstrend

een roadmap, waarop onderlinge afhankelijkheden, [email protected] relaties en ontwikkelpaden werden gedefinieerd. In hoofdstuk 6 (Ontwikkelpaden en uitdagingen) www.fi-sch.be In dit hoofdstuk (volgende pagina) wordt een wordt de bruikbaarheid van de roadmap geïllustreerd overzichtsbeeld van de roadmap weergegeven. door op basis van de globale roadmap scenario’s De grafische weergave volgt de hierboven beschretwee ontwikkelpaden te beschrijven, die elk kunnen ven workshop-structuur. In horizontale stroken worleiden tot belangrijke doorbraken voor de sector van den achtereenvolgens markt-drivers en -barrières de hernieuwbare chemicaliën: (paars), product/proceseigenschappen (groen) en 1. Het valoriseren van biogas als grondstof; technologiedomeinen (blauw) weergegeven. Met pijlen worden de belangrijkste verbanden tussen 2. Het ontwikkelen en produceren van bio-aromaten.

Wetgeving voor nieuwe componenten

deze elementen weergegeven, zoals geïdentificeerd tijdens de workshops.

Stijgende olieprijs en uitputting grondstoffen

GLOBALE ROADMAP VOOR HERNIEUWBARE CHEMICALIËN

Seed funding voor pilootonderzoek

T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 De resultaten van de workshops werden verwerkt in M +32 496 529 526

Moleculen met nieuwe functionaliteiten

2.2 GLOBALE ROADMAP

Diamant Building Boulevard Auguste Reyerslaan 80 B-1030 Brussels

Consumentenbewustzijn

Chemistryfor for Sustainability Chemistry Sustainability


Toenemende marktaanvaarding

FISCH


15



T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 Deze globale roadmap werd volledig opgesteld M +32 496 529 526

een markt-driver en -barrière werd een heel belangop basis van input die door de deelnemers aan de rijk verband tussen product/proceseigenschap en workshops werd geleverd. marktdriver/barrière vastgelegd. [email protected] www.fi-sch.be

Markt-drivers en -barrières: deelnemers aan de workshops kozen individueel voor elk van een aantal marktsegmenten de belangrijkste markt-drivers en -barrières. Op basis hiervan werd aan elke markt-driver en -barrière een gemiddelde score van belangrijkheid toegekend. De markt-drivers en -barrières werden gerangschikt volgens aflopende score van belangrijkheid. De markt-drivers en -barrières in het hoogste 1/3e van deze lijst werden in de categorie “heel belangrijk” geplaatst, in het middelste 1/3e in de categorie “belangrijk” en in het laagste 1/3e in de categorie “minder belangrijk”. Product- en proceseigenschappen: de producten proceseigenschappen die in de globale roadmap werden opgenomen, zijn diegene die door de deelnemers als meest belangrijk werden gekozen (zie ook figuur in sectie 4). Deelnemers aan de workshops kozen individueel voor elk van de marktdrivers en -barrières de producten proceseigenschappen die het meest positief konden bijdragen tot de betreffende markt-driver of -barrière. Door het gemiddelde van deze keuzes te nemen, werd een score-matrix opgesteld van het verband tussen producten proceseigenschappen en markt-drivers en -barrières. Voor elke producten proceseigenschap werden de markt-drivers en -barrières gerangschikt van lage naar hoge score. Voor producten proceseigenschappen die overeenkwamen met meer dan 50% en minder dan 75% van de cumulatieve score binnen een markt-driver en -barrière werd een belangrijk verband tussen product/proceseigenschap en marktdriver/barrière vastgelegd. Voor producten proceseigenschappen die overeenkwamen met meer dan 75% van de cumulatieve score binnen

16


Technologiedomeinen: voor het bepalen van de verbanden tussen technologiedomeinen en product/ proceseigenschappen werd dezelfde methodiek gebruikt als voor het bepalen van de verbanden tussen product/proceseigenschappen en marktdrivers/ barrières. Deelnemers aan de workshops kozen individueel voor elk van de technologiedomeinen de producten proceseigenschappen waartoe het technologiedomein het meest positief kon bijdragen. Door het gemiddelde van deze keuzes te nemen, werd een score-matrix opgesteld van het verband tussen technologiedomeinen en producten proceseigenschappen. Voor elk technologiedomein werden de producten proceseigenschap gerangschikt van lage naar hoge score. Voor technologiedomeinen die overeenkwamen met meer dan 50% en minder dan 75% van de cumulatieve score binnen een producten proceseigenschap werd een belangrijk verband tussen technologiedomein en product/proceseigenschap vastgelegd. Voor technologiedomeinen die overeenkwamen met meer dan 75% van de cumulatieve score binnen een producten proceseigenschap werd een heel belangrijk verband tussen technologiedomein en product/proceseigenschap vastgelegd.

eigenschappen en diverse toepassingen: van bulkproducten tot fijnchemicaliën, of nog van producten met specifieke toepassingen tot platformchemicaliën die kunnen worden omgezet tot een hele reeks andere producten met verschillende toepassingen, waarbij de afzonderlijke biogebaseerde producten in verschillende fases van ontwikkeling kunnen zitten. Hierdoor is het niet mogelijk een éénduidige tijdslijn in de globale roadmap te hanteren die geldig is voor alle hernieuwbare chemicaliën. Voor elk product of elke productgroep zal een specifieke roadmap moeten worden ontwikkeld, gebaseerd op de hier beschreven algemene roadmap. Deze aanpak wordt verder in dit document (sectie 6) geïllustreerd met een tweetal voorbeelden.

Grafische uitwerking en tijdslijn: de globale roadmap bevat geen expliciete tijdsdimensie, maar vanuit grafisch oogpunt werd getracht de elementen te ordenen zodat zo weinig mogelijk verbindingen van rechts naar links lopen. Het domein van de hernieuwbare chemicaliën bestaat niet uit een welomlijnde of specifieke toepassing, technologie of product. Het domein betreft integendeel een grote en heterogene groep van producten met verschillende


17



3. MARKT - VISIE TOT 2030

3.1 RELEVANTE MARKTSEGMENTEN VOOR hernieuwbare chemicaliën T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 Allerhande hernieuwbare grondstoffen kunnen via verscheidene conversietechnologieën worden omgezet in M +32 496 529 526

producten die toepassingen vinden in een verscheidenheid aan markten: Feedstock

[email protected] www.fi-sch.beOmzettingsVoorbehandeling & scheiding

Chemicaliën

technologieën

Producten

Fijnchemicaliën Solventen Smeermiddelen Surfactanten Chemische halffabrikaten Speciale chemicaliën (bv. bioaromaten, aminen) Andere

Voedings- & voederingrediënten, nutriënten & mineralen Enzymen Farmaceutische bouwstenen Antibiotica Vitaminen Aminozuren

Biopolymeren Materialen

Vezels Composieten Harsen Andere Biobrandstoffen Bioalcoholen Biodiesel Biogas

Markten

Energie & brandstof Bulkchemicaliën Speciale chemicaliën Bouwnijverheidschemicaliën Plastics Huishoud- en persoonlijke producten Voeding

3. Papier, verpakking en biopolymeren. Deze gegroepeerde en gerelateerde marktsegmenten werden geselecteerd omwille van hun belang voor de Vlaamse chemiesector op vlak van schaalvoordeel (hoge marktvolumes te bereiken), hun toegevoegde waarde en marktperceptie (een ‘ecologische’ invalshoek scoort goed op deze markten). Andere sectoren die belangrijk worden geacht zijn de farmasector, isolatie, industriële textielen, structurele onderdelen, en tweedegeneratiebiobrandstoffen.

Voeder Pulp & papier

3.2 DRIVERS EN BARRIÈRES

Textiel

CONSUMENTENBEWUSTZIJN

Automobielsector

De consumenten zijn meer en meer op de hoogte van duurzaamheidsaspecten. De vereisten van de consument in verschillende marktsegmenten zijn daardoor aan het evolueren. De bedrijven moeten hier op tijd op inspelen. De consument wil voldoende de perceptie hebben dat iets ‘groen’ geproduceerd is en geconsumeerd kan worden.

Verpakking Gezondheidszorg

Andere

De markt voor hernieuwbare chemicaliën kan op verschillende manieren ingedeeld worden, bijvoorbeeld volgens productgroepen, types hernieuwbare grondstof, soorten moleculen, enz. Bovendien kunnen dezelfde hernieuwbare producten vaak verschillende marktsegmenten bedienen. Daarom werd voor deze roadmap eerder gekeken naar ‘gebruikersgroepen’ en ‘marktsectoren


1 De groep van coatings, lijmen, verven en solventen; 2. De groep van consumer goods, wasmiddelen en zepen, en cosmetica;

Omdat hernieuwbare chemicaliën in principe relevant kunnen zijn in een zeer groot aantal marktdomeinen, is het nuttig om te proberen af te bakenen welke marktsegmenten specifiek interessant zijn voor de Vlaamse chemiesector en welke hiervan een groot marktpotentieel hebben en dus als prioritair gezien kunnen worden.

18

(marktsegmenten). Drie belangrijke marktsegmenten voor hernieuwbare chemicaliën komen naar voor:

MOLECULEN MET NIEUWE FUNCTIONALITEITEN Hernieuwbare grondstoffen bevatten meestal meer complexe moleculen, met meer functionele groepen, dan fossiele grondstoffen. Producten op basis van hernieuwbare grondstoffen kunnen daarom potentieel een grote meerwaarde hebben, in de vorm van belangrijke extra functionaliteiten, ten opzichte van bestaande producten op basis van fossiele grondstoffen.

SEED FUNDING VOOR PILOOTONDERZOEK Financiële ondersteuning voor zowel investeringen in grootschalige pilootinstallaties als voor onderzoek in dergelijke installaties is een heel concrete vraag vanuit de bedrijfswereld. Er bestaat een algemene, brede behoefte om op grote schaal testen te kunnen uitvoeren (proof of concept), maar het is voor de bedrijven een te hoge drempel om hier zelf aan te beginnen, zonder ondersteunende financiering. WETGEVING VOOR NIEUWE COMPONENTEN Bedrijven moeten voortdurend bijblijven met wetgevende aspecten. Een bedrijf dat een concreet hoogstaand, biogebaseerd product(idee) heeft, heeft ook een goed overzicht nodig van alle wetten, normen en regels die een invloed kunnen hebben op de beslissing om het product al dan niet naar de markt te brengen. Deze wetgeving kan zowel Europees, federaal als regionaal zijn. BESCHIKBAARHEID BIOMASSA Veel hernieuwbare bronnen (biomassa) zijn sterk onderhevig aan bijvoorbeeld klimaat en daardoor niet continu beschikbaar. Daarnaast is de geografische spreiding van biomassabronnen heel ongelijk, met bepaalde streken die veel meer biomassa kunnen produceren dan andere, waardoor in verhouding hun kost voor biomassa veel lager is. Het gevaar bestaat dat in deze landen veel meer en veel sneller geïnvesteerd wordt in omzetting van biomassa en ze daardoor sterke concurrentie gaan vormen. Ook de (politieke) ondersteuning voor andere toepassingen (bv. bioenergie) kan een impact hebben op de beschikbaarheid - en kostprijs - van biomassa voor de chemische industrie. MILIEU-IMPACT VAN MOLECULEN Het is nog niet voor alle producten op basis van


19



T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 hernieuwbare chemicaliën duidelijk wat hun effect M +32 496 529 526

biomassa nodig voor de productie van chemicaliën en plastics maar een fractie is van wat momenteel op het milieu zal zijn. Het is ook niet helemaal duiwordt gebruikt voor het opwekken van bio-energie. delijk wat het milieu-effect zal zijn [email protected] het op grote schaal verbruiken van hernieuwbare www.fi-sch.be grondstoffen. INNOVATIEPOTENTIEEL CHEMIESECTOR Dit is vooral bij consumenten (actiegroepen) een drempel die overwonnen moet worden om succes De bestaande chemiesector is niet alleen sterk afte kunnen hebben in de markt. Bovendien is ook de hankelijk van fossiele grondstoffen, ze heeft vaak regelgeving op dit vlak heel strikt en in volle evolutie. ook het imago een starre houding te hebben op het vlak van nieuwigheden (zij het nieuwe grondstofSTIJGENDE OLIEPRIJS EN UITPUTTING GRONDfen of nieuwe processen). Een goed werkend proSTOFFEN ces vervangen door een nieuw proces, met nieuwe grondstoffen, dat nog niet vaak gebruikt wordt of De stijgende olieprijs, gelinkt aan het opgeraken van niet goed gekend is, is vaak een te grote drempel de oliereserves, zet op langere termijn een druk op voor een chemisch bedrijf, ondanks de sterk verbebedrijven die gebruik maken van fossiele brandstofterde duurzaamheid. fen en grondstoffen. Deze bedrijven moeten voldoende vroeg alternatieven beginnen onderzoeken KENNISGEBASEERDE VLAAMSE ECONOMIE van waaruit even hoogwaardige producten kunnen gemaakt worden. De Vlaamse economie is sterk kennisgebaseerd. Het is dus belangrijk dat Vlaanderen kennis blijft opTOENEMENDE MARKTAANVAARDING VOOR bouwen (en deze valoriseert) en een leiderspositie HERNIEUWBARE CHEMICALIËN behoudt op vlak van opkomende kennisdomeinen. Chemie gebaseerd op hernieuwbare grondstoffen is Chemie op basis van hernieuwbare grondstoffen bezo een belangrijk kennisdomein. gint meer en meer een gekende technologie te worden en steeds meer bedrijven beginnen onderzoek TREND DUURZAAMHEID rond dit thema te organiseren. Hierdoor ontstaat ook een groeiende markt rond deze technologie. Tevens Er is een maatschappelijke trend richting ‘meer duurzien we talrijke partnerships ontstaan tussen meer zaamheid’, die meer en meer wordt vertaald in conconventionele chemiebedrijven met kleinere bedrijcrete beleidsmaatregelen. Bedrijven worden dus niet ven gespecialiseerd in innovatie op het domein van alleen vanuit economisch perspectief, maar ook vanhernieuwbaarheid. uit maatschappelijk perspectief aangezet tot innoveren op vlak van duurzaamheid. FOOD VS. FUEL VS. MATERIALS Net zoals het debat Food vs. Fuel (“mogen we eetbare grondstoffen ‘verspillen’ aan energie?”) zal hetzelfde debat ontstaan rond Food vs. Materials. Een voordeel is dat voor productie van chemicaliën ook vaak niet-eetbare hernieuwbare grondstoffen in aanmerking komen (bv. lignine), en dat de hoeveelheid

20


3.3 MARKTSTRATEGIE Een goede marktstrategie voor hernieuwbare chemicaliën kan ontwikkeld worden door zich te richten op vier belangrijke markteigenschappen van deze producten: PRIJS Omdat veel producten op dit moment al beschikbaar en ingeburgerd zijn op de markt, niet op basis van hernieuwbare grondstoffen maar bv. op basis van petrochemie, is het belangrijk dat de biogebaseerde equivalente producten (i) aan een goedkopere of gelijkaardige prijs geproduceerd kunnen worden en (ii) aan een verdedigbare prijs op de markt gebracht kunnen worden. Consumenten zijn in bepaalde marktsegmenten (bv. wasmiddelen en zepen, cosmetica,…) wel bereid om een beperkte meerprijs (premium) te betalen indien het product als ‘groen’, ‘ecologisch’, ‘milieuvriendelijk’ of ‘bio’ ervaren wordt. FUNCTIONALITEIT Dezelfde redenering kan doorgetrokken worden naar de functionaliteit van het product. Is de functionaliteit van het biogebaseerd product op zijn minst gelijkwaardig aan de bestaande, niet op hernieuwbare grondstoffen gebaseerde producten die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn? Met andere woorden: doet het product wat het moet doen (is de functionaliteit gewaarborgd) en voert het deze functie minstens even goed uit als de bestaande producten of zelfs beter? Tegelijkertijd bieden hernieuwbare chemicaliën op sommige vlakken de mogelijkheid om een product met een extra of nieuwe functionaliteit te verkrijgen, t.o.v. de producten gebaseerd op petrochemicaliën.

samengesteld chemisch product, gerelateerd aan de beschikbaarheid van de hernieuwbare chemicaliën als grondstof. Consumenten en bedrijven verwachten dat producten continu, het hele jaar door, op de markt verkrijgbaar zijn en dat er geen tijdelijke lacunes ontstaan. Om dit te waarborgen, moet ook de hernieuwbare grondstof voldoende continu beschikbaar zijn. Specifiek voor de Vlaamse actoren is het van belang dat, indien de grondstoffen en producten continu beschikbaar zijn, deze ook hun weg vinden naar de Vlaamse markt en continu in Vlaanderen beschikbaar zijn. KWALITEIT (EN KWALITEITSPERCEPTIE) Specifiek voor bedrijven die hernieuwbare chemicaliën of tussenproducten op basis daarvan gebruiken in productieprocessen, is het van belang dat de kwaliteit hoog en voldoende stabiel is. Elke batch moet op dezelfde manier reageren in het productieproces. Indien dit niet zo is, dan kan dit verstrekkende gevolgen hebben en kan de kwaliteit van het eindproduct niet gewaarborgd worden. De kwaliteitsperceptie bij de consument speelt ook een rol. Zijn hernieuwbare chemicaliën wel echt ‘groen’ en ‘clean’? Vervolgens zijn eco-toxiciteit, biodegradeerbaarheid en recycleerbaarheid extra aspecten die deze perceptie beïnvloeden.

BESCHIKBAARHEID Een belangrijk aspect is de beschikbaarheid van een


21

FISCH



3.4

Diamant Building Boulevard Auguste Reyerslaan 80 B-1030 Brussels RANDVOORWAARDEN

T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 Een aantal belangrijke randvoorwaarden voor markt M +32 496 529 526

- Bij de handel in chemische producten tussen been marktstrategie voor hernieuwbare chemicaliën drijven (business-to-business) blijven prijs- en moeten in overweging genomen worden: [email protected] kostenoptimalisatie de belangrijkste factoren, die www.fi-sch.be op hun beurt ook voor een groot stuk de innova- Wetgeving kan evengoed een driver als een bartierichtingen aandrijven. rière zijn. Wetgeving die strenge eisen oplegt aan nieuwe chemicaliën, voordat deze op de markt gebracht kunnen worden, is eerder een barrière. Wetgeving die klassieke, niet hernieuwbare componenten weert, kan voor de sector van de hernieuwbare chemicaliën een driver zijn. - De stabiele beschikbaarheid van hernieuwbare chemicaliën (en dus ook de beschikbaarheid van de hernieuwbare grondstof) is een erg belangrijke vereiste voor bulkchemicaliën. Voor fijnchemicaliën speelt dit aspect minder een rol, omdat van deze producten minder grote hoeveelheden nodig zijn. Ook het debat food vs. fuel zal vooral een rol spelen in situaties waar grote hoeveelheden grondstof verbruikt worden (bulkchemie). Voor fijnchemie is dit minder van belang. - Klassieke, niet-hernieuwbare chemie wordt geconfronteerd met fluctuerende aardolieprijzen. Het is echter belangrijk te overwegen dat ook de biomassaprijs (specifiek de graanprijs) fluctueert, want deze is voor een groot stuk afhankelijk van de aardolieprijs en eveneens onderhevig aan (markt)speculaties. - Drop-in: indien een hernieuwbare molecule in een bestaand proces kan ingebracht worden als vervanging van een klassieke, niet-hernieuwbare component, dan is de bestaande chemische industrie vaak gemakkelijker bereid om mee te evolueren. De markt en de toepassingen zijn immers reeds ontwikkeld. De eerste gevallen worden ook bekend van bedrijven die zelf investeren in een proces op basis van hernieuwbare chemicaliën.

3.5 SPECIFIEKE UITDAGINGEN IN VLAANDEREN De volgende SWOT-analyse geeft de specifieke sterktes, zwaktes, opportuniteiten en bedreigingen voor hernieuwbare chemicaliën in Vlaanderen, ten opzicht van de ons omringende landen en de rest van de wereld. Sterktes - Eenvoudige toegang tot kennisinstellingen

ZWAKTES - Weinig kennis over biomassavoorbehandeling

- Aanwezigheid van volledige waardeketens

- Weinig seed funding voor pilootinstallaties, wei nig publieke funding voor onderzoek in piloot installaties

- Intelligente, bewuste consumenten

- Delen van productieketen niet aanwezig

- Sterke biotechsector, grote chemiesector

- Fileprobleem

- Sterke logistiek (havens), belangrijk voor invoer

- Ingewikkelde ruimtelijke ordening

- Geografische locatie (centraal in EU), belangrijk voor uitvoer

- Grote bedrijven hebben beslissingscentrum buiten de regio

- Aanwezigheid van clusterorganisaties

- Ingewikkelde verdeling van bevoegdheden in België - Inconsistente EU-wetgeving (bv. voornamelijk steun voor bioenergie) ook in Vlaanderen van toepassing - Beperkte beschikbaarheid van biomassa (we gens beperkte landbouw- en bosbouwop pervlakte), leidt tot hogere kost ervan - Hoge loonkosten Opportuniteiten

Bedreigingen

- De Vlaamse regering heeft een strategie voor de Vlaamse biogebaseerde economie ontwikkeld

- ‘Not in my backyard’-syndroom

- Vlaanderen als testlabo - Pilootinstallaties als uitmonding van funda menteel onderzoek - Vlaamse kennis op vlak van afvalverzameling en -verwerking - Groeiende samenwerking met de ons omrin gende regio’s (bv. de Vlaams-Nederlandse Del taregio voor de biogebaseerde economie)

- Know-how in België wordt verplaatst naar andere regio’s waar meer steun voor investeringen be staat - Antwerpse chemie is net sterk afhankelijk van fos siele grondstoffen - Lage economische groei - Landen met veel biomassa investeren veel meer in onderzoek en ontwikkeling (bv. BRIC) - EU-reguleringen en -subsidiesysteem (vs. Azië, Amerika)

SWOT-analyse voor hernieuwbare chemicaliën (regionaal) 22



23

FISCH




4. AMBITIES EN ONTWIKKELDOMEINEN 4.1 OVERZICHT

T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 In dit hoofdstuk worden de conceptuele producten proceseigenschappen besproken waaraan technologie op M +32 496 529 526

het vlak van hernieuwbare chemicaliën moet tegemoet komen om te kunnen beantwoorden aan de uitdagingen gesteld door de markt en door de maatschappij, zoals besproken in hoofdstuk 3. Deze wenselijke producten [email protected] proceseigenschappen vormen een reeks ambities en ontwikkeldomeinen en zijn op deze manier een leidraad www.fi-sch.be voor de sector. De onderstaande figuur geeft een overzicht:

Extra functionaliteit

Mengbaarheid, formuleerbaarheid

Teelt/kweek/oogst heeft lage impact op broeikaseffect

Functie analoog aan alternatief

Functionaliteit Van product

Kost van grondstof

Kostprijs Kost van proces

Duurzaamheid grondstof

PRODUCT PRODUCT PROCES PRODUCT PROCES ONTWIKKEL PROCES -PUNTEN

Biodegradeerbaarheid (goed afbreekbaar of net niet) Substitutie van probleemcomponenten

Duurzaamheid eindproduct

Recycleerbaarheid Lage toxiciteit (eco & humaan)

Kost van eindproduct

Andere procesvereisten

Duurzaamheid proces

Laag VOC-gehalte Afval laag Energieverbruik laag

Proces levert zuiver product Opschaalbaarheid van het proces

Hoge atoomefficiëntie Lage impact op broeikaseffect Geurhinder beperkt Water-footprint laag

Ontwikkeldomeinen in producten proceseigenschappen De producten proceseigenschappen die door de deelnemers aan de workshops als het belangrijkst werden gekozen, worden in deze figuur in het vet weergegeven. Dit zijn ook de eigenschappen die in de globale roadmap (sectie 2.2) als aparte aspecten in het groen worden weergegeven.

24


Hernieuwbare grondstoffen laten bij uitstek toe om er functionele moleculen mee te maken, omdat biomassa in oorsprong reeds chemisch erg divers en gefunctionaliseerd van aard is.

Functionaliteit kan ook een duurzaamheidsinvulling krijgen. Zo kunnen moleculen ontwikkeld worden die als functionele eigenschap een vlotte recycleerbaarheid hebben.

Waaier aan polariteit Bewaarbaarheid

MULTIFUNCTIONELE COMPONENTEN

Een ideale hernieuwbare molecule is een veelzijdig inzetbare building block, die met weinig moeite tot vele andere stoffen kan omgezet worden.

Multifunctioneel, polyvalent Afbreekbaar, chemisch bewerkbaar)

4.2 SPECIFIEKE UITDAGINGEN

Via onderzoek zouden multifunctionele hernieuwbare moleculen ontwikkeld kunnen worden die in een toepassing of formulering tegelijk de functie overnemen van meerdere klassieke, niet hernieuwbare componenten. Dit zou toelaten het grondstofverbruik in de maatschappij te verlagen. PROBLEEMCOMPONENTEN SUBSTITUEREN Hernieuwbare moleculen kunnen gezocht worden die dezelfde fysische of chemische functie kunnen vervullen als klassieke, niet-hernieuwbare moleculen, zonder de negatieve eigenschappen ervan (bv. toxiciteit of broeikaseffecten). Een specifiek aandachtspunt is dat de klassieke, niethernieuwbare chemie intrinsiek gebaseerd is op hydrofobe chemicaliën. De meeste huidige biogebaseerde chemicaliën zijn echter hydrofiel. Dit doet vermoeden dat het zoeken naar hydrofobe hernieuwbare chemicaliën een interessant domein kan zijn. DUURZAAMHEID: LAGE AFVALPRODUCTIE Afvalproductie bij het maken van hernieuwbare chemicaliën kan laag gehouden worden door voor een gege-

ven hernieuwbare grondstof (biomassa) een combinatie van produceerbare hernieuwbare componenten te bepalen die uit de grondstof zoveel mogelijk bruikbaar product oplevert en zo weinig mogelijk niet-bruikbare reststromen (het bio-raffinageconcept). Er is nood aan processen waarbij de nevenstromen onmiddellijk hergebruikt kunnen worden in het proces of waarbij de nevenstromen rechtstreeks gevaloriseerd kunnen worden in een ander proces. DUURZAAMHEID: LAAG ENERGIEVERBRUIK Specifieke biokatalysatoren kunnen ontwikkeld worden die omzettingen kunnen uitvoeren op lage temperatuur. Dit kan direct bijdragen tot een lager energieverbruik bij het maken van chemicaliën. Het is eveneens belangrijk hernieuwbare chemicaliën te identificeren die met weinig conversiestappen uit biomassa gemaakt kunnen worden. Stoffen die erg veel omzettingsstappen vereisen (bv. biopolyethyleen met de huidige stand van de techniek) zijn doorgaans energetisch niet efficiënt. KOSTPRIJS Een hernieuwbare molecule kan bij voorkeur geproduceerd worden zonder andere dure reagentia, met een lage investeringskost en eventueel omgezet worden in een eindmateriaal met hoge toegevoegde waarde. Dit kan toelaten om het product aan een voldoende hoge, maar voor de consument aanvaardbare prijs op de markt te brengen. Er kan naar gestreefd worden om bepaalde processtappen in de bestaande waardeketens van de petrochemische industrie te vervangen door processtappen op basis van hernieuwbare chemicaliën. Niet enkel chemische producten kunnen dus ‘drop-in’-eigenschappen hebben, maar ook processtappen op zich.


25


4.3 RANDVOORWAARDEN


T +32 2 238 97 64 +32 2 230 71 18 De hierboven geschetste uitdagingenF kunnen vaak M +32 496 529 526

cleerd kunnen worden. Efficiënte recyclage (hergeefficiënt opgelost worden door het toepassen van bruik) van hernieuwbare, biogebaseerde moleculen sectorale strategieën, die een brede waaier aan bestelt bijkomende uitdagingen, omdat deze [email protected] drijven en toepassingsdomeinen ten goede komen. nenten extra chemische complexiteit vertonen. www.fi-sch.be De mogelijkheid bestaat ook dat de sector van de Op een sectorniveau kunnen concepten uitgewerkt hernieuwbare chemicaliën voordeel doet bij samenworden om grondstofstromen te coördineren en verwerking en kennisuitwisseling met andere sectoren handelen op industriemarkten, waarbij bemiddeling of kennisdomeinen. (brokerage) tussen potentiële aanbieders en potentiële gebruikers van grondstof-, rest- of afvalstromen Het concept ‘chemical leasing’, waarbij een bedrijf een grote rol speelt (cfr. het reeds bestaande ‘SYMmaterialen (bv. katalysatoren) ter beschikking stelt BIOSE’-platform, www.smartsymbiose.be). van een ander bedrijf, maar er zelf wel eigenaar van blijft, vindt reeds toepassing in de klassieke, niethernieuwbare chemiesector. Chemical leasing zou in principe ook toegepast kunnen worden in het domein van de hernieuwbare chemicaliën, maar dan moeten de betrokken materialen wel voldoende stabiel zijn. Petrochemie is voor een groot stuk gebaseerd op katalyse met hydrofobe componenten. Hernieuwbare grondstoffen zijn vooral hydrofiel. Dit betekent dat voor de sector van de hernieuwbare chemicaliën nieuwe klassen van katalysatoren ontwikkeld moeten worden. Dit opent mogelijkheden, omdat het ontwikkelen van katalysatoren een specifiek expertisedomein is binnen Vlaanderen. In een concept van ‘urban refineries’ kunnen recyclageprincipes gecombineerd worden met chemietoepassingen. Goed georganiseerde stedelijke afvalstromen (voedsel, materiaal, water) zouden ingezet kunnen worden als grondstoffen voor de productie van hernieuwbare chemicaliën. Dit vereist dat de afvalstromen voldoende gescheiden verzameld en verwerkt worden, zodat de chemische omzetting ervan op een eenvoudige manier kan verlopen. Hernieuwbare chemicaliën moeten zelf op een duurzame manier geproduceerd, verwerkt en gerecy-

26


5. TECHNOLOGIE EN R&D 5.1 OVERZICHT In dit hoofdstuk worden de concrete technische ingrepen en onderzoeksactiviteiten beschreven om doorbraken te realiseren rond de wenselijke conceptuele producten proceseigenschappen beschreven in hoofdstuk 4. De onderstaande figuur geeft een overzicht:

Pyrolyse Electrochemie

Flowtechnologie Bestaande technieken optimaliseren

Afvalinzameling

Microreactortechnologie Proteïnehydrolysatie Nieuwe deeltechnologieën ontwikkelen

Procestechnologie

Eerst bioproduct, dan bioenergie Volledige benutting, Fractionatie van ook anorganische feedstock fractie Van biomassa naar deelcomponenten

Detectiemethodes

Uitstekende processen voor bestaand afval

in Vlaanderen

PRODUCT TECHNOLOGIEASPECTEN PROCES

Nieuwe grondstoffen

bv. uit afvalwaterzuivering

Wetgeving Inventarisatie Functionaliteit gewenst bij lokale industrie Ecotoxiciteit Lokale probleemcomponenten Beschikbare biomassa Optimale valorisatie Marktbiomassa opportuniteiten Grote afzetmarkten/ omzettingen Beter inzicht in relatie structuur-activiteit

Structuurfunctie

Relatie moleculaire structuur - materiaaleigenschappen Link naar type biomassa

Katalyse

Robuust


Proteïnehydrolysatie Watergebaseerde katalyse

Stabiliteit katalysatoren Nieuwe biokatalysatoren

Logistiek Biomassacondensatie (lokaal)

Valorisatie rest-CO2 Lichtkatalyse

Technologie-aspecten Elk van de negen grote categorieën van technologie-aspecten in deze figuur vormt een apart (blauw) element in de globale roadmap (sectie 2.2).


27



5.2 RELEVANTE TECHNOLOGIEDOMEINEN T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 MARKTOPPORTUNITEITEN IN VLAANDEREN M +32 496 529 526

door hernieuwbare chemicaliën zal een directe positieve bijdrage hebben op milieu-impact.

Er is in de sector van de hernieuwbare chemicaliën behoefte aan een beter inzicht in [email protected] commercieel In eerste instantie kunnen hernieuwbare chemicaliën www.fi-sch.be leefbare opportuniteiten voor hernieuwbare chemiveelgebruikte klassieke chemische producten vercaliën: vangen. Hiernaast kunnen hernieuwbare chemicaliën - Wat is de graad van beschikbaarheid van verschilpotentieel nieuwe of verbeterde functionaliteiten heblende biomassastromen en hoe kunnen die best inben. Het identificeren en inventariseren van de meest gezet worden in de productiechemie? Wat zouden gewenste functionaliteiten van chemische producten potentiële andere bronnen kunnen zijn? Wat zijn de bij de Vlaamse (maak)industrie zal een marktdooroptimale valorisatiepatronen voor neven- en restbraak en toenemende marktaanvaarding van herstromen? nieuwbare chemicaliën bevorderen. - Wat zijn voor de lokale Vlaamse industrie de meest AFVALINZAMELING zorgwekkende probleemcomponenten waarvoor dringend een hernieuwbaar, milieuvriendelijk alterVlaanderen heeft een regionale troef op het vlak van natief gezocht dient te worden? afvalinzameling die een rol kan spelen bij het ontwikkelen van de sector van de hernieuwbare che- Wat zijn de meest gewenste functionaliteiten waarmicaliën. Gescheiden afvalinzameling in Vlaanderen voor in de Vlaamse (maak)industrie chemische is goed georganiseerd. Burgers zijn zich bewust moleculen en producten gebruikt worden? Chemische moleculen worden immers gebruikt omdat van dit concept en passen het goed toe en onze ze bepaalde chemische of fysische eigenschappen regio heeft ook een waaier aan bedrijven die zich hebben of een specifieke functie kunnen uitoefeop gescheiden afvalverwerking toeleggen. Deze benen (bv. polymeriseerbaarheid, vervezelbaarheid, staande gescheiden afvalstromen kunnen in de naontsmettingseigenschappen, oplossend vermogen, bije toekomst een grondstofbron vormen voor het smeermiddeleigenschap, enz.). vervaardigen van hernieuwbare chemicaliën. - Wat zijn de potentieel grote afzetmarkten (zowel Een afvalstroom gebruiken als grondstof kan helin Vlaanderen als globaal)? Wat zijn de grootste, pen om de totale kostprijs van de productie van meest beloftevolle chemische omzettingen? hernieuwbare chemicaliën te doen dalen. Het kan - Zijn er bepaalde opportuniteiten die bestaan of ook zorgen voor een stabiele aanvoer van grondstof binnenkort zullen bestaan door veranderende en dus toelaten om bepaalde omzettingsconcepten wetgeving of door nieuwe ontwikkelingen (bv. op te schalen. Aangezien voor afvalstromen geen schaliegas)? Moeten bijvoorbeeld bepaalde nietenergie meer moet besteed worden aan teelt of prihernieuwbare moleculen vervangen worden door maire extractie kan het gebruik van afvalstromen als alternatieven? grondstof ook een positief effect hebben op het totale energieverbruik van een productieproces voor Het identificeren van de meest prangende probleemcomponenten in Vlaanderen en het vervangen ervan hernieuwbare chemicaliën.

28


Feedstock

Voorbehandeling & scheiding

Omzettingstechnologieën

Producten

Markten

Gewasverbetering (algemeen) Gewassen Suikerbiet Tarwe Koolzaad Andere Lignocellulose- en ligninefeedstock

Natte biomassa (bv. gras, luzerne) Suikers Organisch afval Reststromen Vetten & oliën Proteïnen Afvalwater en afvalwaterslib Algen CO2 als feedstock Logistiek Oogsten en bewaren

NIEUWE GRONDSTOFFEN Hoewel reeds verschillende types biomassa in principe bruikbaar zijn voor het vervaardigen van hernieuwbare chemicaliën, is het toch nuttig onderzoeks- en demonstratiewerk te verrichten naar nieuwe types van grondstoffen. Specifiek in Vlaanderen, waar het niet mogelijk is om grote monoculturen van landbouwgewassen te telen, is dit zoeken naar alternatieve hernieuwbare grondstoffen relevant. Zo zou het bijvoorbeeld mogelijk kunnen zijn om biomassa uit waterzuiveringsinstallaties of GFT-

afval te gebruiken als grondstof voor het maken van specifieke hernieuwbare chemicaliën. Het ontwikkelen van valorisatieconcepten voor nieuwe grondstoffen kan een grote positieve bijdrage leveren tot het drukken van de totale kostprijs van het produceren van hernieuwbare chemicaliën. Steeds moet echter bewaakt worden dat een voldoende grote en stabiele aanvoer van grondstoffen verzekerd kan worden, zodat het productieconcept voldoende opschaalbaar is.


29



T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 VOORBEHANDELINGSTECHNOLOGIE VOOR M +32 496 529 526

BIOMASSA

FRACTIONATIE VAN FEEDSTOCK Ruwe biomassa is een grondstof die bijna steeds uit

[email protected] verschillende deelcomponenten (types moleculen) Voorbehandelingstechnologie voor biomassa is een www.fi-sch.be

belangrijk aspect van procestechnologie. Ruwe biomassa neemt vaak een weinig dense structuur aan en brengt specifieke noden met zich mee rond logistiek. Het lokaal voorbehandelen of condenseren (verhogen van de densiteit) van biomassa dicht bij de plaats van teelt en oogst is een nog te ontwikkelen of demonstreren technisch domein.

Voorbehandeling en logistiek van biomassa zijn een erg belangrijke factor in de totale kostprijs van het produceren van hernieuwbare chemicaliën. Het correct toepassen van de juiste technieken kan het totale energieverbruik van een productieproces aanzienlijk verlagen. Goede voorbehandelingstechnieken zijn ook noodzakelijk voor een goede en stabiele toelevering van grondstoffen en liggen dus aan de basis van een opschaalbaar en haalbaar productieconcept voor hernieuwbare chemicaliën.

Feedstock


bestaat, die vaak nog in een biologische matrix met elkaar verbonden zijn. Het fractioneren of uit elkaar halen van deze grondstof (feedstock) en het opsplitsen ervan in de verschillende meer gezuiverde deelcomponenten is een cruciale techniek voor het vervaardigen van hernieuwbare chemicaliën. Fractionering speelt een belangrijke rol bij het duurzaam gebruik van biomassa, waarbij het belangrijk is te plannen en overwegen in welke volgorde deelcomponenten uit de biomassa gehaald worden voor verdere verwerking. In het algemeen wordt er bijvoorbeeld naar gestreefd om eerst de meest waardevolle transformaties uit te voeren op (fracties van) biomassa en daarna de minder waardevolle, wat bij goede toepassing leidt tot een geïntegreerd bioraffinageconcept. Zo is het bijvoorbeeld vaak aangewezen om de verschillende deelcomponenten (koolhydraten, vetten en oliën, eiwitten) afzonderlijk te


Voorbehandeling Verkleinen Thermische voorbehandeling Thermochemische voorbehandeling Chemische voorbehandeling Fractionatie & extractie

Scheiding & opzuivering

Producten

Markten

valoriseren, of om vanuit biomassa eerst bioproducten te maken, daarna pas bioenergie. Een volledige benutting van biomassa houdt in principe ook in om de anorganische fractie ervan te valoriseren. Een doordacht fractioneringsproces kan de totale kosten van een productieconcept voor hernieuwbare chemicaliën helpen beheersen. Daarnaast kan een betrouwbare aanvoer van grondstoffen ervoor zorgen dat een productieconcept opschaalbaar wordt. Fractioneren moet ook steeds rekening houden met het betrokken energieverbruik, wat op zich zijn weerslag heeft op kostprijs en duurzaamheid. PROCESTECHNOLOGIE Een waaier aan te ontwikkelen of te demonstreren procestechnologieën kunnen een positieve bijdrage leveren tot de sector van de hernieuwbare chemicaliën, bijvoorbeeld: pyrolyse, elektrochemie, flowtechnologie, microreactortechnologie of proteïnehydrolysering. Vaak zijn bepaalde procestechnieken

Feedstock


reeds ontwikkeld in aanverwante technische en industriële domeinen en moeten ze aangepast worden aan de specifieke behoeften voor het vervaardigen van hernieuwbare chemicaliën. In bepaalde gevallen kan het echter ook nodig zijn om specifieke nieuwe deeltechnologieën te ontwikkelen. Ook scheidingstechnologie (als onderdeel van procestechnologie) is van cruciaal belang voor de productie van hernieuwbare chemicaliën. Industriële productieprocessen bestaan namelijk voor een groot deel (50-90%) uit scheidingen ten behoeve van terugwinning, zuivering en recycling van processtromen. De beschikbaarheid van adequate scheidingstechnieken (bv. in situ product recovery) is daarom van essentieel belang voor het succesvol toepassen van de nieuw ontwikkelde (bio-)chemie voor de aanmaak van hernieuwbare chemicaliën. De bestaande scheidingstechnieken zijn hiervoor doorgaans onvoldoende geschikt, omdat deze (1) niet de hier vereiste hoge selectiviteit halen, (2) alleen economisch


Producten

Markten

Thermochemisch Torrefactie Pyrolyse Vergassing Hydrothermale liquefactie Thermokatalytisch kraken Chemische omzetting Biochemische omzetting Biokatalyse Fermentatie Fermentor- en reactortechnologie Bioelectrochemische omzetting Andere

30



31



T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 rendabel zijn bij hoge concentraties van het product M +32 496 529 526

andere: katalysatorenrobuustheid, proteïne-hydrolysering, watergebaseerde katalyse, katalysatorstabiliteit, en (3) veelal heel moeilijk te integreren zijn in het reontwikkeling van nieuwe biokatalysatoren, katalysatoactieproces. In de nabije toekomst kan [email protected] het ontbreken www.fi-sch.be ren voor het valoriseren van rest-CO2 en lichtkatalyse. van passende scheidingsmethoden een belangrijk obstakel zijn voor de introductie van nieuw ontwikGoede katalyseprocessen zorgen voor een hoge kelde syntheses in het industriële productieproces. Bij atoomefficiëntie bij chemische omzettingen en prohet onderzoek naar nieuwe scheidingsprincipes moet cessen. Dit principe speelt een belangrijk rol bij duureen grote flexibiliteit in te scheiden verbindingen en zaamheid, omdat het toelaat de vaak schaarse bioin condities en schaal van het proces voorop staan. massa, fossiele en andere grondstoffen om te zetten in een zo hoog mogelijke hoeveelheid bruikbaar proProcestechnologie heeft een grote invloed op opduct. Specifiek voor biomassa laat een goede en effischaalbaarheid, kostprijs en energieverbruik van een ciënte katalyse toe om potentieel minder grondstoffen proces. Goede procestechnieken laten toe om de vaak te gebruiken en zo de problematiek ‘food vs. fuel vs. schaarse grondstoffen op een efficiënte manier om te feed’ deels op te lossen. zetten in bruikbare producten. Het is voor de sector belangrijk dat bepaalde procestechnologie op een inSTRUCTUUR-FUNCTIE dustrieel relevante pilootschaal gedemonstreerd kan worden. Praktische verbeteringen in procestechnoChemische moleculen hebben zowel een structuur logie zullen op termijn een betere marktaanvaarding (aard en aantal van de atomen in de molecule, aard van hernieuwbare chemicaliën bevorderen en kunnen van de verbindingen tussen de atomen, functionele bijdragen tot een verbeterde duurzaamheid van de groepen, enz.) als een functie (polariteit, polymerichemische industrie. seerbaarheid, oplossend vermogen, enz.). Het fundamenteel begrijpen van de relatie tussen structuur KATALYSE en functie (of activiteit) laat toe om op een rationele manier de structuur van moleculen voor een bepaalde Katalysatoren zijn de herbruikbare componenten functionele toepassing te ontwerpen. Deze techniewaarmee een chemische molecule in een ander type ken zijn goed ingeburgerd in bijvoorbeeld de (bio) molecule kan worden omgezet. Het zijn dus de werkfarmaceutische wereld, maar ook de sector van de middelen waarmee chemische productie kan worden hernieuwbare chemicaliën zou voordeel hebben bij uitgevoerd. Katalysatoren kunnen zowel organisch het gerichter toepassen ervan. (biologisch) als anorganisch van aard zijn en spelen een belangrijke rol in het maken van moleculen met Inzichten in structuur-functie zouden toelaten om een gewenste functionaliteit. De sector van de herhernieuwbare chemicaliën te ontwikkelen met een nieuwbare chemicaliën heeft nood aan het ontwikkefunctie die minstens analoog is aan de klassieke, nietlen en demonstreren van efficiënte katalyse-processen hernieuwbare alternatieven. Het zou ook toelaten om waarmee een biogebaseerde grondstof (biomassa) moleculen te ontwikkelen met nieuwe functionaliteiomgezet kan worden in bruikbare chemicaliën. ten en om extra functionaliteiten toe te voegen aan bestaande klassen van moleculen. Deze ontwikkelinRelevante onderzoeksdomeinen op het vlak van katagen rond functionaliteit van moleculen zou leiden tot lysatoren voor hernieuwbare chemicaliën zijn onder

32


een toenemende marktaanvaarding van hernieuwbare chemicaliën en kan helpen om de milieu-impact van chemische producten te verlagen. ECOTOXICITEIT Nieuw ontwikkelde hernieuwbare chemicaliën mogen bij voorkeur geen toxiciteit vertonen voor mens en milieu. Er is nog een specifieke behoefte aan het ontwikkelen van snelle en betrouwbare meet- en detectiemethoden om ecotoxiciteit van nieuwe hernieuwbare chemicaliën in te schatten. Dit technologiedomein zal rechtstreeks bijdragen tot het ontwikkelen van producten en processen met een lage ecotoxiciteit en tot het correct vervangen van probleemcomponenten (toxische klassieke moleculen vervangen door hernieuwbare met geen of lage toxiciteit). Deze activiteiten hebben een positieve impact op het milieu. Een lage milieu-impact wordt vereist door steeds strenger wordende wetgeving, maar sluit ook aan bij het stijgende consumentenbewustzijn rond de milieu-impact van producten en moleculen.

5.3 RANDVOORWAARDEN Wat afval betreft is men in Vlaanderen vooral sterk in het ophalen van huishoudelijk afval. Landbouwafval zou echter ook te benutten kunnen zijn als een nieuwe grondstoffenstroom. De logistiek en processen voor het ophalen van landbouwafval zijn voor een groot stuk nog te ontwikkelen. Bij het fractioneren van grondstoffen is het belangrijk goed te overwegen waar dit fractioneren gebeurt: in de regio waar de biomassa wordt geproduceerd (vaak niet Vlaanderen) of in de regio waar de biomassafracties worden omgezet tot hernieuwbare chemicaliën (kan in Vlaanderen zijn). Los van deze overweging blijft fractionering een competentie die ook nodig is voor het efficiënt lokaal verwerken van inge-

zameld afval. Niet enkel de chemiesector, maar ook bijvoorbeeld de sector van de machinebouw heeft in Vlaanderen expertise in het fractioneren van grondstoffen. Voorbehandeling van biomassa blijft voor een stuk een te ontwikkelen domein in Vlaanderen. De relatief kleine schaal waarop in de regio aan landbouw gedaan wordt, kan dit aspect mogelijk bemoeilijken. Er zijn echter aanwijzingen dat er in de regio reeds belangrijke en performante lokale hubs bestaan voor het voorbehandelen van biomassa. De basistechnieken voor het uitvoeren van structuurfunctieanalyses zijn bekend en worden onder andere courant toegepast in de (bio)farmaceutische wereld. Deze technieken bestaan echter uit modellen die gekalibreerd moeten worden met sector-specifieke moleculaire meetgegevens. Deze meetgegevens zijn momenteel niet voldoende beschikbaar voor de sector van de hernieuwbare chemicaliën. Wat betreft marktopportuniteiten in Vlaanderen en het valoriseren van afvalstromen is het belangrijk te overwegen dat voor bepaalde neven- of afvalstromen al een goed ontwikkeld marktmechanisme bestaat (bv. varkensmest) en voor andere nevenstromen niet (bv. bermmaaisel). Belangrijk is dus om te overwegen of de sector van de hernieuwbare chemicaliën gebruikt wenst te maken van bestaande markten, of nieuwe markten in afvalstromen wenst te ontwikkelen. Vlaanderen kan economische toegevoegde waarde creëren door technologie te exporteren, die eerst lokaal gedemonstreerd kan worden.


33



Evaluatie van de nieuwe grondstof


6. ONTWIKKELPADEN EN UITDAGINGEN T +32 2 238 97 64 +32 2 230 71 18 Om het gebruik en de toepasbaarheid Fvan de globaM +32 496 529 526

EVALUATIE VAN DE NIEUWE GRONDSTOF

le roadmap (hoofdstuk 2) te illustreren, worden hier de ontwikkelpaden voor twee [email protected] voorbeelden www.fi-sch.be van uitdagingen in de sector van hernieuwbare chemicaliën uitgewerkt:

Proces is opschaalbaar


Proces met laag energieverbruik

- Scenario 1: het valoriseren van biogas (technology push); - Scenario 2: het ontwikkelen van bio-aromaten (market pull). Deze scenario’s zijn illustratief en complementair. Ze vertegenwoordigen een voorbeeld van een technology push (valoriseren van biogas) en een voorbeeld van een market pull (ontwikkelen van bio-aromaten).

6.1 ROADMAPSCENARIO : VALORISATIE VAN BIOGAS Vlaanderen heeft een gevestigde biogassector, die met bewezen technologie organische afvalstromen kan omzetten in methaangas (belangrijkste component in biogas). Dit methaangas zou in principe een grondstof kunnen vormen voor het vervaardigen van hernieuwbare chemicaliën. Aan de hand van de globale roadmap kan een sectoraal scenario uitgewerkt worden voor het ontwikkelen van een ontwikkelpad/ valorisatiepad voor biogas. OVERZICHT Hieronder wordt het deel van de globale roadmap weergegeven dat de sectorale strategie rond het valoriseren van biogas zou kunnen helpen bepalen (de volledige globale roadmap is te vinden in hoofdstuk 2).

34


Nieuwe grondstoffen

Een regionaal productieconcept voor hernieuwbare chemicaliën op basis van biomethaan moet opschaalbaar, betaalbaar, efficiënt en energiezuinig zijn en dit moet bij voorkeur aangetoond worden op pilootschaal. De kostprijs van de geproduceerde hernieuwbare chemicaliën moet in een gunstige economische verhouding staan tot de kosten van de oorspronkelijke biomassa die via vergisting werd omgezet tot biogas. De kostprijs van de op basis van biomethaan geproduceerde hernieuwbare chemicaliën zal de belangrijkste bepalende factor zijn in de uiteindelijke marktaanvaarding van deze moleculen. Als de chemische opwaardering (omzetting tot andere moleculen) kan verlopen met een goede atoomefficiëntie, dan kan duurzaam omgegaan worden met de schaarse beschikbare biomassa en kan conversie van biomethaan naar nuttige moleculen mogelijk een alternatief bieden voor de klassieke productiemethoden voor die moleculen gebaseerd op uitputbare, niet hernieuwbare grondstoffen. Indien tot slot het productieconcept uitgevoerd kan worden met een laag totaal energieverbruik, dan wordt bijkomend duurzaam omgegaan met de uitputbare grondstoffen.

Katalysatorontwikkeling

Afvalinzameling

In een eerste stap moet de capaciteit van biogasplatformen en van de achterliggende afvalinzameling om biomethaan als nieuwe grondstof te leveren voor hernieuwbare chemicaliën onderzocht en gedemonstreerd worden. De volgende sectorale onderzoeksvragen werpen zich op: - Is er vanuit economisch oogpunt voldoende biomethaan beschikbaar om op een zinvolle en schaalbare manier als grondstof gebruikt te kunnen worden voor hernieuwbare chemicaliën? Wat zijn de eventuele seizoensvariaties in toevoer van biomethaan? Laten de blootgelegde parameters voldoende toe om een potentieel productieproces op basis van biomethaan op te schalen? - Kan via de bestaande processen van afvalinzameling voldoende biomassa aangeleverd worden aan vergisters, zodat deze voldoende biomethaan kunnen produceren om een betekenisvol en schaalbaar regionaal productieconcept voor hernieuwbare chemicaliën toe te laten? - Hoe verhoudt de kost van biomethaan zich tot fossiel methaan (inclusief schaliegas)? Kan afval voldoende goedkoop ingezameld worden om via vergisting omgezet te worden tot voldoende goed-

koop biomethaan? Hoe verhoudt biomethaan als grondstof zich ten opzichte van eventuele andere grondstof die gebruikt kan worden om de beoogde moleculen te produceren? - Wat is de energiebehoefte van de afvalinzamelingsprocessen die nodig zijn om vergisters van voldoende biomassa te voorzien zodat deze voldoende biomethaan als grondstof voor hernieuwbare chemicaliën kunnen leveren? Laat deze energiebehoefte nog steeds toe om een duurzaam regionaal chemisch productieconcept te ontwikkelen? KATALYSATORONTWIKKELING



Hoge atoomefficiëntie omzetting/proces

Katalyse

Verschillende katalysatoren omzettingsconcepten voor het opwaarderen van biomethaan kunnen overwogen worden, bijvoorbeeld: - Microbiologische of biokatalytische omzetting naar methanol of formaldehyde, via methaanmonooxygenaseënzymen van methanotrofe organismen. - Chemische omzetting naar methanol of formaldehyde via anorganische katalysatoren die de werking van methaanmonooxygenasen nabootsen (bv. FePO4) of via een MoO3/SiO2-katalysator. - Omzetting naar methanol via bipyrimidyl-platinum-


35


complexen.


Zuivering van de feedstock

Diamant Building Boulevard Auguste Reyerslaan 80 B-1030 Brussels T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 M +32 496 529 526

dig voldoende koeling voorzien worden? Zijn de katalysatoren voldoende robuust om biogas (een - Omzetting naar formaldehyde met SiO2 en V2O5/ grondstof die naast biomethaan ook andere [email protected] SiO5. ponenten bevat in variabele hoeveelheden) als www.fi-sch.be - Omzetting naar ethaan of etheen via oxidatieve grondstof te gebruiken? koppelingsreacties (met SrO/La2O3, Mn/Na2WO4/ - Kostprijs: kan het katalyseconcept uitgevoerd worSiO2 of NaMnO4/MgO). Etheen kan via zeolieten den binnen een aanvaardbare totale kostprijs? Wat verder omgezet worden naar benzeen of tolueen. is de prijs van de katalysatoren? Hoe kan de totale - Omzetting naar benzeen, tolueen of naftaleen kostprijs verlaagd worden door de transformatie (Mo-zeoliet of W/Zn-zeoliet) vollediger en sneller te laten doorgaan? Kan het concept goedkoper gemaakt worden door bij- Indirecte omzetting, waarbij biomethaan eerst voorbeeld katalyses te ontwikkelen die bij lagere omgezet wordt naar methanol (koper/zinkoxide/ temperaturen en druk uitgevoerd kunnen worden aluminium- of palladium-katalysator). Dit methanol en die bijvoorbeeld niet gekoeld moeten worden? kan dan verder omgezet worden naar bijvoorbeeld Kunnen katalysatoren ontwikkeld worden die minmethyl-tert-butylether (MTBE), dimethylether der snel deactiveren en die niet of nauwelijks gere(DME), methylesters (biodiesel), dimethylcarbogenereerd moeten worden? Kunnen omzettingen naat, methylamines, formaldehyde (ijzer/molybontwikkeld worden die geen oxidans nodig hebdaat-katalysator), benzine (met zeoliet-katalyse), ben of gebruik kunnen maken van een goedkoop azijnzuur (carbonylatie met ijzer- of rhodiumkataoxidans? lysatoren), etheen (zeoliet), propyleen (zeoliet) of andere alkenen. - Atoomefficiëntie: kan de katalyse vanuit duurzaamheidsoogpunt de grondstof biomethaan voldoen- Indirecte omzetting, waarbij biomethaan omgezet de goed omzetten in opgewaardeerde chemische wordt naar syngas (CO en H2) (kobalt/rutheniumProcestechnologie producten? Kan de katalyse uitgevoerd worden op of ijzer/ruthenium-katalysator) en dit syngas vereen manier waarbij zo weinig mogelijk chemische der omgezet wordt naar bijvoorbeeld alkanen, honevenstromen gegenereerd worden? gere alcoholen, wassen of solventen. Voor elk van deze en eventuele andere katalyseopties moeten dezelfde drie criteria geëvalueerd worden: - Opschaalbaarheid: laat het katalyseconcept toe om het ontwikkelpad/valorisatiepad voor biogas op voldoende grote schaal toe te passen? Gebeuren de transformaties voldoende snel? Wat zijn de randvoorwaarden voor het bouwen van de nodige reactoren? Kan voldoende katalysator gemaakt en geleverd worden? Zijn de betrokken chemische reacties endotherm of exotherm en kan indien no-

36


OPZUIVERING VAN DE FEEDSTOCK Biogas bestaat typisch uit een mengsel van biomethaan, CO2, water, stikstofgas, ammoniak, waterstofsulfide en zuurstof, in variabele verhoudingen afhankelijk van het procesverloop van de vergisting en van de biogrondstof die ervoor gebruikt werd. De samenstelling van het biogas kan een invloed hebben om de omzetting van biogas naar hoogwaardi-




Fractionatie van feedstock

ger moleculen. Het is bijvoorbeeld bekend dat H2S een negatieve invloed heeft op de levensduur van bepaalde katalysatoren. Bij bepaalde valorisatieconcepten zal het dus nodig zijn om de grondstof aan biogas te fractioneren en er het biomethaan uit op te zuiveren. Aan de andere kant is het misschien mogelijk om katalyseconcepten uit te werken die robuust zijn en rechtstreeks op een variabel mengsel van biogas kunnen werken, wat de noodzaak van een fractioneringsstap zou uitschakelen. Dit al of niet moeten fractioneren en de manier waarop dit eventueel kan gebeuren heeft een grote invloed op de opschaalbaarheid van het valorisatieconcept, de kostprijs en het globale energieverbruik ervan.

vering van de grondstof? Zijn er specifieke koel- of verwarmingsvereisten voor het katalysatorconcept en hoe kunnen die best gerealiseerd worden? Wat zijn de meest geschikte dimensies van de reactoren om de omzettingen uit te voeren? Wat zijn de vereisten rond drukvervallen, aanvoerleidingen en compressoren? Kan het proces continu of in batch uitgevoerd worden? Onder welke vorm kan het eindproduct opgeslagen en verhandeld worden? Is het mogelijk om lokale productie uit te voeren bij een individuele kleine vergistingsinstallatie, of is het nodig om het biogas op centrale plaatsen te verzamelen en daar om te zetten? Hoe kan het eindproduct opgezuiverd worden uit het reactiemengsel? Al deze aspecten hebben een grote invloed op opschaalbaarheid, kostprijs en energieverbruik van een mogelijk valorisatieconcept.

PROCESTECHNOLOGIE Elk valorisatieconcept moet ook vanuit procestechnisch oogpunt goed uitgewerkt worden. Wat zijn de technische vereisten van een eventuele opzuiProces is opschaalbaar



Procestechnologie


37



6.2 ROADMAPSCENARIO : BIO-AROMATEN INLEIDING

T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 M +32 496 529 526

conversietechnologieën worden toegepast. Belangrijk hierbij is dat bio-aromaten qua prijs moeten kunSamen met lichte olefinen zoals etheen zijn de aronen concurreren met fossiele aromaten, waarvoor maten de basischemicaliën voor de [email protected] productie van www.fi-sch.be het industrieel productieproces in de laatste decenheel veel chemische producten (40%), die belangnia geoptimaliseerd is. rijke toepassingen vinden als brandstoftoevoeging, basischemicaliën, polymeren en polymeeradditieven, geur- en smaakstoffen, agrochemicaliën en als bouwstenen voor farmaceutische producten. VETTEN EN OLIËN ALS GRONDSTOF PROBLEEMSTELLING De mondiale markt voor aromaten (zoals benzeen en de derivaten tolueen, ethylbenzeen en xyleen, gekend onder de globale noemer ‘BTEX’), die momenteel voornamelijk uit aardolie worden gewonnen, kent een gemiddelde jaarlijkse groei van 5 tot 10 procent. Daarnaast neemt het belang van aarden schaliegas toe als grondstof in de chemie, maar met deze grondstoffen is het moeilijker om aromaten te maken. Op basis van aarden schaliegas kan alleen C1- en C2-chemie plaatsvinden, waardoor de C6-C8 verbindingen die aromaten kenmerken, moeilijker kunnen worden geproduceerd. Dit is dus een kans voor de sector van de bio-aromaten. De VS leggen zich toe op gas cracking, terwijl Europa nafta-crackers heeft. De oude nafta-crackers in Europa zullen misschien langer economisch inzetbaar kunnen zijn dankzij een groter productieaandeel aan aromaten. Maar dat is niet voldoende en een meer gerichte aromatenproductie zal nodig zijn. Bio-aromaten als basischemicaliën zijn ‘drop-in’chemicaliën, want ze kunnen direct worden toegepast in bestaande installaties. Er hoeven dus geen nieuwe fabrieken of speciale installaties te worden gebouwd. Bio-aromaten kunnen uit diverse biomassabronnen worden verkregen en hierbij kunnen verschillende

38


MARKTOPPORTUNITEITEN IN VLAANDEREN EN GLOBAAL Substitutie van probleemcomponenten

Extra functionaliteit


kunnen concurreren met de fossiele analogen.

men in Vlaanderen, wat zijn de afvalstromen en de beschikbare hoeveelheden, etc.?

- Extra functionaliteit: ook moet onderzocht worden of eventueel nieuwe componenten met nieuwe - Eén van de voordelen van deze grondstoffen is dat ze vrij weinig zuurstof bevatten, waardoor deze functionaliteiten kunnen worden gemaakt uit bioM ARKTOPPORTUNITEITEN IN V LAANDEREN EN GLOBAAL normaal gezien in conventionele naftakrakers kunmassa die niet of moeilijk te maken zijn uit fosnen worden verwerkt. Onderzoek moet uitwijzen siele grondstoffen. Dit vraagt veel onderzoek, maar hoe efficiënt dit proces zou zijn. levert producten op met een hoge toegevoegde waarde. - Ten slotte, hoe verhoudt zich de kost van de op deze manier geproduceerde bio-aromaten (rekeVETTEN EN OLIËN ALS GRONDSTOF ning houdend met grondstof, inzameling, transport en productieproces) ten opzichte van de fossiele aromaten? Food vs. Fuel vs. Materials

Hoge atoomKATALYSEomzetting/proces VAN LIGNINE EN LIGNOCELLULOSE efficiëntie


KATALYSE VAN LIGNINE EN LIGNOCELLULOSE

Marktopportuniteiten in Vlaanderen

In een eerste fase is het heel belangrijk de marktopportuniteiten die wereldwijd ontstaan, en de mogelijke rol die Vlaanderen hierin kan spelen, nauwkeurig te onderzoeken en in kaart te brengen:

Beschikbaarheid van biomassa

Multifunctionele/ polyvalente componenten

Nieuwe grondstoffen

Procestechnologie




Afvalinzameling

- Substitutie van probleemcomponenten: zoals reeds gemeld kent de markt van de (bio)aromaten een sterke groei. Daarnaast zal door het toenemend gebruik van schaliegas de beschikbaarheid van fossiele aromaten waarschijnlijk afnemen in de toekomst, waarbij als dusdanig de prijs zal stijgen (schaliegas vervangt deels aardolie en uit aardolie worden fossiele aromaten bekomen). Het is dus heel belangrijk de marktopportuniteiten die globaal ontstaan, en de rol die Vlaanderen hierin kan spelen, te onderzoeken.

Vetafval of bijproducten van oliën, zoals palmolie, zouden eventueel als grondstof kunnen dienen voor de productie van bio-aromaten. Nochtans werpen zich een aantal onderzoeksvragen op:

- Functie analoog aan niet hernieuwbare componenten: aangezien bio-aromaten ‘drop-in’-chemicaliën zijn, moet hun functie analoog zijn aan de niethernieuwbare moleculen en moeten ze qua prijs

- Vetafval of bijproducten van oliën moeten worden ingezameld. Glycerol, als afvalproduct, kan omgezet worden tot basisproduct voor verdere conversie tot aromaten. Belangrijke vragen: waar staat

- Bovengenoemde grondstoffen zijn afkomstig uit de voedselvoorzieningsketen, waardoor mogelijk discussies over food vs. fuel of food vs. materials een rol kunnen spelen. Deze moeten uiteraard worden onderzocht om als dusdanig duurzaamheid en marktaanvaarding niet in de weg te staan.

Katalyse

Nieuwe grondstoffen

Afvalinzameling

Er zijn ook andere (nieuwe) grondstoffen mogelijk, zoals afvalhout, bermgras of stro, waarbij lignocellulose of lignine uiteindelijk via een (bio)katalytische route wordt omgezet in bio-aromaten. Hierbij moet ook onderzocht worden hoe deze grondstoffen op een kost-efficiënte manier kunnen worden ingezameld en gefractioneerd. Ook lignine als bijproduct van de papierindustrie kan een interessante grondstof zijn, omdat gedroogd hout voor circa 25 tot 33 procent bestaat uit lignine, wat dus een enorme grondstof vertegenwoordigt. Ook hier moet geweten zijn wat de beschikbaarheid van deze grondstof is in Vlaanderen.


39



T +32 2 238 97 64 F +32 2 230 71 18 Proteïneproductie via grassen (i.p.v. soja) biedt mogeM +32 496 529 526

- Bij substitutie, maar vooral bij moleculen met nieuwe lijkheden om op een duurzame wijze eiwitten te verfunctionaliteiten, liggen sterke opportuniteiten voor S UIKERS ALS GRONDSTOF werken als voeding en voeder met [email protected] lagere impact innovatieve KMO’s. www.fi-sch.be op de stikstofbalans in de bodem en het grondwater. SUIKERS ALS GRONDSTOF Het resterende lignine uit de grassen kan aangewend worden voor bio-aromatenproductie. Lignine en koolhydraten kunnen biochemisch (biotechnologisch), chemo-katalytisch en/of thermisch (via pyrolyse of hydrocracking) worden omgezet tot bioaromaten. Uiteraard moet worden onderzocht wat de meest efficiënte katalysemethode is per type grondstof. Daarbij moeten de volgende elementen in het oog worden gehouden: - Het energiegebruik bij de productie van bio-aromaten moet kritisch bekeken worden aangezien dit een grote invloed zal hebben op de kostprijs van het eindproduct. Ook is een combinatie van energieproductie met aromatenwinning mogelijk in specifieke concepten. - Als de bio-aromaten als drop-ins zullen worden gebruikt, moet de functie analoog zijn aan het niet-hernieuwbare alternatief. - Via pilot en demonstratie moet onderzocht worden of het proces voldoende opschaalbaar is om aan de stijgende vraag te kunnen voldoen. - De kost van de volledige value chain (kost van de grondstof en -inzameling, productieproces, etc.) is een belangrijke te onderzoeken factor om een succesvol en duurzaam alternatief te kunnen ontwikkelen op basis van hernieuwbare grondstoffen. Hierbij zal de combinatie van verschillende componenten uit de lignine-pool kunnen leiden tot bulk (lage prijs) en fijnchemicaliën (hoge prijs) en zal de combinatie de economische haalbaarheid bepalen.

40



Katalyse



Hoge atoomefficiëntie omzetting/proces

Fractionatie van feedstock

Ook C6- en C5-suikers (zoals glucose en xylose) kunnen worden omgezet tot bio-aromaten. Dit kan enerzijds via een biochemische route, bijvoorbeeld met behulp van microorganismen, waarbij een belangrijke rol is weggelegd voor metabolic engineering en/of synthetic biology. Ook enzymatische en chemische conversies zijn aan de orde, bijvoorbeeld furfural naar furaan en dan naar bio-aromaten. Belangrijk hierbij is duurzame processen te ontwikkelen waarmee biomassa op een efficiënte manier kan worden voorbehandeld om C6- en C5-suikers vrij te maken, waarna de behandelde grondstof moet worden gefractioneerd. Vervolgens moeten gepaste katalytische (chemische en biochemische) methodes worden ontwikkeld, waarbij aandacht zal gaan naar nieuwe technologieën zoals metabolic engineering en synthetic biology, en naar groene chemie. De efficiëntie van het proces en het eindproduct, en de kostprijs van het productieproces zullen hierbij kritische factoren zijn.

F I S CH ROADMAP HERNIEUWBARE CHEMICALIËN. Chemistry for Sustainability. Flanders Innovation Hub for Sustainable Chemistry

Recommend Documents