billiges schiefergas totengräber einer jungen bio-Ökonomie?
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Prof. Dr. Kurt Wagemann, Dr. Kathrin Rübberdt
Billiges Schiefergas – Totengräber
einer jungen Bio-Ökonomie?
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DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und
Biotechnologie e.V. - Auf einen Blick
fördert den themenbezogenen Austausch in einem großen
interdisziplinären Netzwerk
identifiziert Trends in Forschung und Technologie
gestaltet den Fortschritt in Chemischer Technik, Biotechnologie und
verwandten Forschungsgebieten
2
Über 5.700 Mitglieder (davon mehr als 650
Unternehmen und Institutionen)
Thematische Arbeit in ca. 100 Gremien
Tagungen, Kolloquien und Weiterbildung
Studien, Positionspapiere und Broschüren
Nachwuchsförderung
ACHEMA: Weltweite Leitveranstaltung für
Prozessindustrie und Biotechnologie
3.800 Aussteller
175.000 Besucher
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Warum befasst sich die DECHEMA mit Shale Gas?
3
KlimaschutzProcessNet-FG SuPER
Boden- und
GrundwasserschutzProcessNet-FG SuPER
Rohstoffbasisdiverse DECHEMA- und
ProcessNet -Gremien
Verfahrenstechnikdiverse DECHEMA- und
ProcessNet -Gremien
Mikrobielles Geschehen in
TiefenbohrungenTAK Geobiotechnologie
Bild: Ruhrfisch, GFDL. CC-BY-SA via Wikicommons
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Übersicht
Bioökonomie: Grundidee und Status quo
Plattformchemikalien
• aus dem Steam-Cracker
• aus Naphtha
• aus Shale Gas
• aus Biomasse
Fallbeispiele
• Propylen
• Acrylsäure
• Epichlorhydrin
• Butadien
• Aromaten
Zusammenfassung:
• Billiges Schiefergas – Totengräber einer jungen Bio-Ökonomie?
• Empfehlungen für die Bioökonomie
4
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Bioökonomie – Grundidee und Status Quo
5
Quelle: Dillmann
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Bioökonomie nach der Definition des BMBF
„ Unter Bioökonomie wird eine Wirtschaftsform verstanden, welche auf der
nachhaltigen Nutzung von biologischen Ressourcen wie Pflanzen, Tieren
und Mikroorganismen basiert.“
Handlungsfelder
• weltweite Ernährungssicherheit
• nachhaltige Agrarproduktion
• gesunde und sichere Lebensmittel
• industrielle Nutzung nachwachsender Rohstoffe
• Energieträger auf Basis von Biomasse.
6
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Status Quo der Bioökonomie
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Verwendung biogener Rohstoffe
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Plattformchemikalien
• aus dem Steam-Cracker
• aus Naphtha
• aus Shale Gas
• aus Biomasse
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Quelle: BDXX, LHcheM alle via Wikicommons, GFDL
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Überblick: Heutige Quellen für Olefine und Aromaten
10
Erdgas
Steam
Cracker
Methan
Ethylen
Propylen
Butadien
Aromaten /
BTX
Andere
Erdöl
Naphtha
Ethan und
höhere
KW
Katalytisches Reformieren
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Steam Cracker: Produktspektrum
11
Rohstoff Ethylen Propylen Butadien Aromaten Andere
Ethan 84 1,4 1,4 0,4 12,8
Propan 45 14,0 2,0 3,5 35,5
Butan 44 17,3 3,0 3,4 32,3
Naphtha 34,4 14,4 4,9 14,0 32,3
Gas-Öl 25,5 13,5 4,9 12,8 43,3
Quelle: http://chemengineering.wikispaces.com/Petrochemicals
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Composition of Natural Gases
12
Natural gas
gen. *
„wet“ Shale Gas
(Marcellus Well)
„dry“ Shale Gas
(Haynesville Well)
Methane 70-90% 79,4 % 95 %
Ethane 0-20% 16,1 % 0,2 %
Propane 0-20 % 4,0 %
Butane 0-20 %
Carbon
Dioxide
0-8 % 0,1 % 4,8 %
Oxygen 0-0,2 %
Nitrogen 0-5 % 0,4 % 0,1 %
H2S 0-5 %
Noble gas traces
* Naturalgas.org; Oil & Gas Journal March 9, 2009
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Vergleich: Darstellung von Milchsäure und Bernsteinsäure
13
Milchsäure
EthyleneAcet-
aldehydeLactonitrile
Lactic
AcidGlucose
+O2 +HCN +H2O (Fermentation)
n-Butane
Maleic
Anhydride
Benzene
+H2
+O2
+O2 V2O5/MoO3
Raney-Ni
VPO
Glucose+CO2
Mannheimia
SucciniproducensSuccinic
Acid
Bernsteinsäure
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Naphtha
Methane
Ethane
Methanol
Ethylene
Glucose
Ethanol
Syngas
(Cracking)
(Cracking)
(MtO)
(Fermentation)
(Dehydrogenation)
+O2
-H2
+O2 (Oxydative Coupling)
-H2O
-H2O
(Dehydration)
Wege zum Ethen
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Grundsätzlich unterschiedliche Herangehensweisen
15
Biomasse: komplexe Moleküle
Erdöl / Erdgas: Gemisch kleiner Moleküle
Gezielte Defunktionalisierung / Abbau
Gezielte Funktionalisierung / Aufbau
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Verfügbarkeit von Grundchemikalien:
Effekte des Shale Gas Booms
16
Verfügbarkeit (aus fossilen
Rohstoffen)
Ethylen
Propylen
Butadien
Aromaten
Funktionalisierte C3-Verbindungen
Methan
Chancen für eine bio-basierte Herstellung?
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17
DoE Screening Strategy: Potential Candidates as Platform
Chemicals (2004)
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18
DoE 2004: 12 potenzielle Kandidaten für Plattformchemikalien
Source: DoE, 2004
1,4-Dicarbonsäuren
(z.B. Bernsteinsäure)
Itakonsäure
2,5-Furandicarbon-
säuren
Lävulinsäure
3-Hydroxypropion-
säure (Milchsäure)
3-
Hydroxybutyrolacton
Asparaginsäure Glycerin
Glucarsäure Sorbit
Glutaminsäure Xylit
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19
DoE 2004: 12 potenzielle Kandidaten für Plattformchemikalien
1,4-Dicarbonsäuren
(z.B.
Bernsteinsäure)
Itakonsäure
2,5-Furandicarbon-
säuren
Lävulinsäure
3-Hydroxypropion-
säure
3-
Hydroxybutyrolacton
Asparaginsäure Glycerin
Glucarsäure Sorbit
Glutaminsäure Xylit
Legend: DoE 2004 revisited (Jim Lane, BiofuelsDigest, 01/2013) „hot“ / „warm“ / „cold“
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Fallbeispiele
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Biobasierte Wege zum Propylen
21
Propylen
Ethylen
Ethylen
Ethanol
Fermentation
Glucose
2-Buten
+
Metathese
Dehydration
Pictures: Plastic lid: public domain; Kochbeutel: Echtner;chair: Alex Rio Brazil – all via Wikicommons
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„Andere“ Zugänge für Propylen
22
Propylen
2-Buten
Ethylen
Ethanol
(Fermentation)
Glucose
Ethylen
+
(Metathese)
(Dimerisierung)
(Dehydration)
Gas-Öl
Propan
(Fluid Catalytic
Cracking)
(De-Hydrogenierung)
Methan Syngas(Vergasung)
(MtP)
Methanol
Ethan(Steam-Cracking)
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Propandiole
23
1,3 Propanediol
Glucose
Glycerol
1,2 Propanediol
3-hydroxy
propanalAcrolein
Propene
+H2O
+H2O
CO/H2
(Fermentation I)
(Fermentation II)
(Fermentation)
+H2
Glycerol
+H2
Propylene
Oxide
+O2
EthyleneEthylene-
oxide
CO/H2
+H2O2
+O2
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Herstellung von Acrylsäure
AcrylsäurePropen
+O2
Acetylen
Propan
+CO / +H2O
+O2
- H2(Plasma)
Methan
Milchsäure Glucose
Glycerin+O2 - H2O
-H2O(Fermentation)
Acrolein
-H2O 3-Hydroxypropion-
Säure oder P3HP
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Herstellung von Epichlorhydrin
25
(1,3)- and (2,3)-
Dichlorpropanol
+ NaOH - NaCl
Epichlorhydrin
Glycerin+ 2HCl
+ NaOH - NaCl
(1,3)- and (2,3)-
Dichlorpropanol
Allylchlorid
+ HOCl- HCl Cl2 + H2O
+ Cl2
- HClPropen
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Biobasierte Wege zu Butadien
26
Butadien
Ethanol
Glucose
n-Butanol1-Buten
Lebedev-Process (single step)
or Ostromilensky-Process
(two steps)
Fermentation
ABE-
Fermentation
Dehydration
Oxidative
Dehydrogenation
Fer-
mentation
2,3-Butandiol
Dehydration
(Fermentation)Pictures: Mattes via Wikicommons
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Butadien
Ethanol
Glucose
n-ButanolButen
Lebedev-Process
(Fermentation)
(ABE-
Fermentation)(Oxidative
Dehydrogenation)
Butan
(De-Hydrogenation)
Methan Acetylen(Plasma)
2,3-Butandiol
(Fer-
mentation)
(Dehydration)
„Andere“ Wege zu Butadien
-H2
(Dimerisation)
-H2O
+O2
-H2
-H2O (Dehydration)
(Fermentation)
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Wege zum 1,4-Budandiol (BDO)
28
1,4 Butanediol GlucoseEscherichia coli
Butadiene1,4-diacetoxy-
2-butene
+H2O
+H2
-2CH3COOH
CH3COOH
O2
Acetylene Butynediol
+H2
80-160°C
300 bar
Ni
2CH2O
Cu
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Herstellung von Aromaten
29
BTX
Lignin
Biomasse
Glucose
CO + H2
(Vergasung)
(Fermentation + Chemische
Synthese - Labormaßstab)
?
Methanol(MtA)
Naphtha(via Cracking)
Pictures: Sandwichplatte: elya; Ibuprofen: Mk2010; radio antenna: Inkwina – all via Wikicommons
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„Other“ Pathways to Aromatics
30
BTX
Lignin
Biomass
Glucose
CO + H2
Gasification
Fermentation + Synthesis
(lab stage)
?
Methanol
MtA
MethaneCatalysis
Gasification
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Herstellung von Terephthalsäure
Tereph-
thalsäurep-Xylol
+O2
-H2
-H2+C2H4
(+H2SO4)
1,4-
Dimethyl
cylohexen
Hex-2,4
dien1-Hexen Ethylen Ethanol
XDA Diels Alder
Adukt
Acrolein Glycerin
DMF
HMF Biomasse
-CO2-H2O
(Diels
Alder-Addition)
-H2O
(Trimerisierung)
-H2O
+H2
(Cracking)Naphtha Toluol
+MeOH
(Dimerisierung)
2,4,4‘-
Dimethyl-
pent-1-en
Iso-
butylen
Iso-
butanolGlucose
-3H2
(Dehydroaromatisierung)
(Fermentation)
-H2O
31
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32
Source: B. Kim, H. Park, D. Na, S.Y. Lee, Biotechnology Journal 2014, 9
Biobased Pathways to Aromatics
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Zusammenfassung
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The Effects on Bio-Based Platform Chemicals
34
Availability fossil Competitiveness
biobased
Ethylene
Propylene ?
Butadiene ?
Aromatics ?
Functionalised
C3-, C4- and C5-
Compounds
(?)
Polyethylenefossil vs.
Polyethylenegreen
Polyethylenefossil vs.
Polylactic acidbiobased
(?)
Methane
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35
Methane as Feedstock for Industrial Biotechnology
Realized on large scale: Norferm (50/50 Joint Venture DuPont / Statoil): 1998 – 2006
Product:
single cell protein
Fermenter:
continuous loop reactor,
300 m3
Organism:
Methylococcus capsulatus
Source: Presentation Gunnar Kleppe, Norferm
Nyskaping i norsk bioteknologi, Trondheim, 2005
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Methane as Feedstock for Industrial Biotechnology
Methylobacterium extorquens as „microbial cell factory“
Methane
Fermentation of
M. extorquenson
Methanol
or
Methane
Biopolymers
Aminoacids
Carotinoids
Single cell protein
Further products:
Organic Acids,
Polysaccharides, Enzymes, Corrinoids,
Phytohormones
CH4
CH4
CH3OH
Methanol
CH3OH
CH4
via Syngas
Biogas Plant
Natural gas
C1-
Substrates Products
36
Source:
J. Schrader
DECHEMA-
Forschungsinstitut
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Production Organisms: Bacteria, i.e. Clostridium ljungdahlii
Products:
• Alcohols: i. e. Indirect bioethanol process
6 CO + 3 H2O C2H5OH + 4 CO2
6 H2 + 2 CO2 C2H5OH + 3 H2O
• Diols: i.e. 2,3 Butanediol
• Carboxylic acids: i.e. Succinic acid
• Esters
37
Syngas as Feedstock for Industrial Biotechnology
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Was macht die Industrie? Beides – Beispiel BASF
38
• Propylen-Produktion auf Erdgas-Basis in USA wird geprüft (Investition
> 1 Mrd US$)
• 3-Hydroxypropionsäure (Vorstufe für Acrylsäure) im Pilotmaßstab
• Bernsteinsäure im kommerziellen Maßstab
• Butandiol im kommerziellen Maßstab
• Finanzierung einer Juniorprofessur (Verfahrensentwicklung für den
Rohstoffwandel) an der TU Kaiserslautern
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Conclusions for the Effects on the Bioeconomy
39
Short
term
• Bio-based drop-in
solutions will not
profit from the
shale gas boom
(exception:
functionalised
molecules)
• Opportunities for
processes that
make use of
nature‘s synthesis
efforts
Me
diu
m t
erm
• Depending on
price
developments,
bio-based
chemicals will
gradually become
competitive (e.g.
butadiene)
Long t
erm
• Shale gas is a
limited resource
• Bio-based options
are available –
they should be
further developed