Bio-Ökonomie: Chancen, Risiken und Perspektiven des gesamten Systems

1

Bio-Ökonomie: Chancen, Risiken und

Perspektiven des gesamten Systems

Andreas Pfennig

Products, Environment, and Processes (PEPs) Department of Chemical Engineering

Université de Liège

www.chemeng.uliege.be/pfennig andreas.pfennig@uliege.be

gehalten beim dem VT Kolloquium der Technischen Universität Hamburg, TUHH 17.01.2019

Quadratur des Kreises

kurzes CV

4

1979 bis 1984 Studium Verfahrenstechnik an der RWTH Aachen 1984 bis 1985 Forschungsaufenthalt bei J.M. Prausnitz, Berkeley, USA 1985 bis 1987 Promotion RWTH Aachen

1988 bis 1995 Habilitation, TU Darmstadt 1995 bis 2011 Professor, RWTH Aachen 2011 bis 2014 Professor, TU Graz, Österreich

seit 2014 Professor am Department of Chemical Engineering, University of Liège, Belgien

Datenbanken und Copyright

• IPCC illustrative model pathways:

Daniel Huppmann, Elmar Kriegler, Volker Krey, Keywan Riahi, Joeri Rogelj, Steven K. Rose, John Weyant, et al.,

IAMC 1.5°C Scenario Explorer and Data hosted by IIASA.

Integrated Assessment Modeling Consortium & International Institute for Applied Systems Analysis, 2018.

doi: https://doi.org/10.22022/SR15/08-2018.15429

url: https://data.ene.iiasa.ac.at/iamc-1.5c-explorer, release 1.0

• UN WPP population prospects:

United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division (2017). World Population Prospects: The 2017 Revision, DVD Edition.

https://population.un.org/wpp/

• BP Statistical Review of World Energy 2018:

https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/ statistical-review-of-world-energy/downloads.html

• UN FAOSTAT zu Landnutzung und Ernährung:

http://www.fao.org/faostat/en

• CDIAC: CO2historical data:

1960 1980 2000 2020 2040 2060 330 380 430 480 530 580 Quelle: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ +1.0°C C O2 i n p p m Jahr +1.5°C +2.0°C +2.5°C

COP 21 Paris agreement UN, Kyoto protocol

G. H. Brundtland, Our Common Future G. O. Barney, The Global 2000 Report

D. L. Meadows, Club of Rome, The Limits to Growth

CO

₂

-Gehalt der Atmosphäre

7

UN Climate Conference 21, 2015, Paris

Article 2.1:

This Agreement ... aims to strengthen the global

response to the threat of climate change ... by:

Holding the increase in the global average

temperature to well below 2 °C above

pre-industrial levels and to pursue efforts to limit

the temperature increase to 1.5 °C above

pre-industrial levels, recognizing that this would

significantly reduce the risks and impacts of

climate change...

einige Haupt-Triebkräfte

Weltbevölkerung

7.600.000.000

Nahrungsmittel

2.8 kg/(cap d)

Energie

21.000 kWh/(cap a)

Materialien

ca. 0.9 kg/(cap d)

fossile Ressourcen

5.6 kg/(cap d)

Landfläche

Agrarfläche: 7.000 m

2

_/cap

10

DIE Haupttriebkraft

Weltbevölkerung

7.600.000.000

Nahrungsmittel

2.8 kg/(cap d)

Energie

21.000 kWh/(cap a)

Materialien

ca. 0.9 kg/(cap d)

fossile Ressourcen

5.6 kg/(cap d)

Landfläche

Agrarfläche: 7.000 m

2

_/cap

13

Blick in die Zukunft

Ansatz zur Modellierung



kein

IAM (integrated assessment model)



stattdessen aufbauend auf

wesentlichen Bilanzen

:



Einfluss individueller Parameter direkt erkennbar



Haupteinflüsse deutlich

negativer Einfluss von zu detaillierten Modellen:

H. Hasse, Thermodynamics of Reactive Separation.

In: K. Sundmacher, A. Kienle (Eds.): Reactive Distillation

Status and Future Directions. Wiley-VCH, Weinheim, 2003

1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 0 2 4 6 8 10 12 14 W e lt b e v ö lk e ru n g i n M ill ia rd e n Jahr niedrige Variante mittlere Variante hohe Variante h e u te Quelle: United Nations

World Population Prospect 2017 Revision

UN-Szenarien zur Weltbevölkerung

16 2000 2010 2020 2030 2040 2050 7 8 9 10 11 W e lt b e v ö lk e ru n g 2 0 5 0 in M illia rd e n Publikations-Jahr hohe Variante mittlere Varian te niedri ge V arian te

2000 2010 2020 2030 2040 2050 7 8 9 10 11 W e lt b e v ö lk e ru n g 2 0 5 0 in M illia rd e n Publikations-Jahr hohe Variante mittlere Varian te niedri ge V arian te 11,03 Milliarden in 2050

Entwicklung der UN-Vorhersage für 2050

18 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 0 2 4 6 8 10 12 14 W e lt b e v ö lk e ru n g i n M ill ia rd e n Jahr niedrige Variante mittlere Variante hohe Variante h e u te 11,03 Milliarden in 2050 Quelle: United Nations

World Population Prospect 2017 Revision

UN-Szenarien zur Weltbevölkerung

vom IPCC AR5 verwendete Projektionen

22

Figure 6.1, p. 425 aus: IPCC, AR5, 2014: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change

UN WPP 2012



basierend auf UN WPP 2004 bis 2010 mittlere Variante 1000 10000 100000 1 2 3 4 5 6 7 Irak D.R. Congo Pakistan China Indien USA Saudi Arabien Israel Angola Nigeria F e rt ili tä t in K in d e r p ro F ra u

BIP pro Kopf in US-$/(cap a)

Niger

Fazit Weltbevölkerung

26

hohe Bevölkerungs-Variante der UN

gleich realistisch wie mittlere Variante

in 2100 zwischen 11,2 und 16,5 Mrd. Menschen

 starker Einfluss auf Ressourcen-Verbrauch und

Abfall-Produktion

 starker Einfluss auf Welt-Hunger

1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 globaler Mittelwert P ri m ä re n e rg ie v e rb ra u ch i n k W h / ( ca p a ) Jahr OECD-Länder Bevölkerung: 1,3 Mrd. Nicht-OECD-Länder Bevölkerung: 6,1 Mrd. Projektion

Entwicklung des Pro-Kopf-Verbrauchs

1995 2000 2005 2010 2015 2020 0 10 20 30 40

Wachstumsrate = Zunahme pro Jahr

W a ch s tu m sr a te i n % /a ( 3 -J a h re s-M itt e l) Jahr solar + Wind Wasserkraft

jährliche globale Wachstumsraten

29 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 0.01 0.1 1 10 % jährliche Zunahme: 30 25 20 S u b s tit u ti o n s ra te in % /a Jahr Wind + solar

Zukünftiges Wachstum Wind & solar

Substitutionsrate: wie viel Primärenergie

in einem Jahr zusätzlich durch Wind- und Solar-Energie ersetzt wird. im globalen Mittel!

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 0.01

0.1 1 10

Mittel letzte 20 Jahre Primärenergie W a c h s tu m s - / S u b s ti tu tio n sr a te i n % /a Jahr Wind + solar ökonomische Lebenserwartung Kraftwerk

maximale Substitutionsrate

32

max. Substitutionsrate: 3.0%/a

max. Substitutionsrate: 2.0%/a

1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 0.01 0.1 1 10 S u b s tit u ti o n s ra te in % /a Jahr hohe Bevölkerungs-Variante Wind + solar

Wachstumsrate: 30%/a 20%/a

drei betrachtete Szenarien

33

Substitutionsrate: wie viel Primärenergie

in einem Jahr zusätzlich durch Wind- und Solar-Energie ersetzt wird. im globalen Mittel!

copyrights data see:

IMP P1 to P4: https://data.ene.iiasa.ac.at/iamc-1.5c-explorer WPP: https://population.un.org/wpp/

Biogas Biokraftstoff

Strom Wasserstoff

Endenergie effektive Energie Endenergie effektive Energie Strom Fernwärme Erdgas Kohle Erdöl Erneuerbare _Transport Beleuchtung, EDV Dampferzeugung Industrieöfen stationäre Motoren Raumheizung Klimatisierung

heute in 2050

Transport Beleuchtung, EDV Dampferzeugung Industrieöfen stationäre Motoren Raumheizung Klimatisierung

Konsequenzen der Energiewende

34 1980 2000 2020 2040 2060 2080 0 10 20 30 40 50 60 hohe Bevölkerungs-Variante

Energie-Szenarien (in %/a):

20 - 2,0: am einfachsten 25 - 2,5: mittleres 30 - 3,0: herausfordernd +1,93 °C +1,66 °C +1,51 °C CO 2 -E rz e u g u n g i n G t/ a Jahr hist oris ch, k eine Sub stitu tion

2020 2030 2040 2050 2060 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 mittlere Bevölkerungs-Variante +2,0°C m in im a l n ö ti g e S u b s ti tu tio n sr a te i n % /a

Start-Jahr der erhöhten Anstrengungen +1,5°C

hohe

Bevölkerungs-Variante

Konsequenzen verzögerter Anstrengungen

40 1970 1980 1990 2000 2010 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Bio-Energie Bio-Kraftstoff Wind Geothermie & Wasserkraft P ri m ä re n e rg ie -V e rb ra u c h in G to e Jahr fossil & nuklear Solarenergie

EU Primärenergie-Verbrauch

41

Fazit Energiewende



vollständiger Umbau wesentlicher Industrie-Sektoren



Vulnerabilität der Volkswirtschaften steigt



wir haben das 1.5°C-Klimaziel verschlafen!



nicht nur mehr Solar- und Windenergie,

auch neue Endnutzer-Technologien



für 2.0°C: 20%/a - 2%/a bis 2075

für 1.5°C: 30%/a - 3%/a bis 2050

44 19900 2000 2010 2020 2030 200 400 600 800 1000 u n te re rn ä h rt e M e n sc h e n i n M ill io n e n Jahr historische Daten jüngstes Ziel UN Millenium

Development Goals _{UN Sustainable} Development Goals

2000 2020 2040 2060 2080 2100 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Biomaterialien Brennstoffe Weiden pflanzenbasierte Nahrungsmittel Wälder Wiesen und Weiden L a n d fl ä c h e m 2 /c a p Jahr Ackerland Futtermittel verbleibender Wald

Landfläche: ≈ 1.5°C, hohe Pop.-Variante

50 in 2100: CO2 465 ppm T 1.51 °C 2000 2020 2040 2060 2080 2100 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Biomaterialien Brennstoffe Weiden pflanzenbasierte Nahrungsmittel Wälder Wiesen und Weiden L a n d fl ä c h e m 2 /c a p Jahr Ackerland Futtermittel Wälder +

ab 2060: Aufforstung, Bio-Energie , etc.

Landfläche: ≈ 1.5°C, mittlere Pop.-Variante

51

in 2100: CO2 460 ppm T 1.47 °C

2000 2020 2040 2060 2080 2100 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Biomaterialien Brennstoffe Weiden pflanzenbasierte Nahrungsmittel Wälder Wiesen und Weiden L a n d fl ä c h e m 2 /c a p year Ackerland Futtermittel Wälder +

Aufforstung, Bio-Energie, etc.

Landfläche: ≈ 1.5°C, mittlere Pop., vegan

52

in 2100: CO2 460 ppm T 1.47 °C

Fazit Teller vs. Tank, Bio-Ökonomie

mit Verhaltensänderung

(maximal 2 Kinder, pflanzenbasierte Ernährung):

vorhandene Technologie erlaubt nachhaltiges Wohlergehen

ohne Verhaltensänderung:

•

Technologien zu maximalem Fortschritt gezwungen

•

mehr Menschen unterernährt

•

mehr Wald wird abgeholzt



Verhaltensänderung zwingend



Unterstützung weniger entwickelter Länder auf Augenhöhe

chemical exergy of various materials

75 0 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140 PA 6 .6 poly styr ene PET PVC poly prop ylen e poly carb onat e H₂O, CO₂ methanol glucose amylose ethanol glycerol lactic acid CO poly lact ic a cid poly ethy lene ethene plant oil coal crude oil

methane, natural gas

  c h e m ic a l e xe rg y i n M J /k g hydrogen

fossil biomass intermediates products feedstock glucose fermentation net reaction

fossil

after: Philipp Frenzel, Rafaela Hillerbrand, Andreas Pfennig: Increase in energy and land use by a bio-based chemical industry. Chemical Engineering Research and Design 92 (2014 ) 2006-2015

bio-based?

elements in chemical industry by weight

76

PE

PLA

H O fossil raw materials

bio-based feedstock conventional polymers bio-based polymers

lignin

starch, cellulosehemicellulose glucose oleic acid natural gas crude oil coal C PET PHB water CO₂ +H₂-H₂O -CO₂ -H₂O

source: Philipp Frenzel, Rafaela Hillerbrand, Andreas Pfennig: Increase in energy and land use by a bio-based chemical industry. Chemical Engineering Research and Design 92 (2014 ) 2006-2015

questions to be answered



What are the boundary conditions for a

bio-based or a CO

₂

-based economy?



Which options are possible?

77

feasible reactions

0 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140 H₂O CO 2 methanol glucose ethanol ethene   c h e m ic a l e xe rg y i n M J/ k g hydrogen net reaction

demand

fossil feedstock today used for:



4% to petrochemicals



2.5% to jet fuel



x% in total as combustible or materially in chemical and

steel industry

in scenarios for 2050:



440 m

2

/cap for bio-materials

plastics ≈ 80 kg/(cap a)

i.e. intensified recycling

feedstock all chemicals ≈ 125 kg/(cap a)



680 m

2

/cap for 10% bio-combustibles

79

options for bio-based chemicals 2050

80

gen feedstock products radius

km fi rs t g e n e ra ti o n sugar beet sugar or ethanol + CO2 10.4 ethanol 14.6 ethylene 18.7 sugar cane sugar or ethanol + CO2 7.5

ethanol 10.5 corn sugar or ethanol + CO2 13.4

ethanol 18.7 wheat sugar or ethanol + CO2 17.5

ethanol 24.5 oil palm plant oil 11.4 rape seed plant oil 30.1

s

e

c

o

n

d miscanthus/reeds sugar or ethanol + CO2 5.7

ethanol 7.9 wood sugar or ethanol + CO2 14.8

ethanol 20.7 th ir d corn straw sugar or ethanol + CO2 20.1 ethanol 28.2 wheat straw sugar or ethanol + CO2 23.2

ethanol 32.5 arable land 2050 0 500 1000 1500 area in m2_/cap goal ranges:

maximum national and world average productivity projected for 2050 color:

■technically realized

■partly pilot-plant radius for capacity of 250 000 t/a

bio- vs. CO

₂

-economy



bio-economy:



existing technology, comparable to food processes



requires agricultural land area



energy requirements comparably small



drop-in possible



protein to food



large side and recycle streams



CO

2

-economy:



no agricultural land area required



requires a lot of energy



not yet installed on large scale (economically feasible?)



drop-in possible



after net-decarbonization mostly from air

81

typical area/equipment demand

land area required feedstock & technology

m

2

_{/ (t/a)}

1 to 3

bio-technological processes

(alcohol from sugar)

0.2 to 0.5

direct biomass conversion

(sugar from starch)

0.03 to 0.1

chemical process

(e.g. steam cracker)

chances, challenges



bio-based and CO

₂

-based chemistry:

various options



bio-economy

≠

only bio-technology



bio-economy

≠

automatically sustainability



economics, ecologics,

ethics



big chance

: real circular economy



all happens in ±30 years (or it is too late)

87

individuelle Akteure

93

stable

sustainable

development

individuelle Bürger

Firmen-Manager

Politiker

kontrollieren

verhandeln

 Systemsicht



entscheidend

Medien, NGOs,

Religionen, ...

- Legitimation?

- vertreten wen?

- legitime Ziele?

- wie kontrolliert?

- Transparenz!

Bénard convection setup

94

Fazit

• Klimaziele mit vorhandener Technologie erreichbar,

aber muss systematisch in größerem Maßstab umgesetzt werden • deutlich erhöhte globale Anstrengungen, Wachstum 20 - 30%/a

• Nahrungsversorgungkritisch,

aber die Änderung der individuellen Entscheidungen ist unerlässlich: - Anzahl der Kinder

- pflanzliche vs. tierische Nahrung

• sowohl Bio- als auch CO₂-Ökonomie können funktionieren • Bio-Masse der dritten Generation reicht nicht aus

• Minimierung der Bioenergie: Teller vs. Tank

• CO₂-Ökonomie: keine Konkurrenz um Landfläche, aber Ökonomie?

• Entwicklungs-Kipppunktist möglich

• Systemsichtstatt Fokussierung auf eigene Interessen

• Ethik: individuell verantwortlich, nicht nur Frage von Politik & Technik

• es muss jetzt passieren, sonst dramatische Situation zu unseren Lebzeiten und denen unserer Kinder

96

relevante Publikationen

98

Pfennig, A. (2007). Supporting debottlenecking of global human processes by applying appropriate balances. Biotechnology Journal, 2(12), 1485-1496. Pfennig, A. (2007). Globale Bilanzen als Wegweiser für nachhaltiges

Wirtschaften. Chemie Ingenieur Technik, 79(12), 2009-2018.

Frenzel, P., Fayyaz, S., Hillerbrand, R., Pfennig, A. (2013). Biomass as Feedstock in the Chemical Industry - An examination from an Exergetic Point of View. Chemical Engineering and Technology, 36(2), 233-240. Frenzel, P., Hillerbrand, R., Pfennig, A. (2014). Exergetical Evaluation of

Biobased Synthesis Pathways. Polymers, 6(2), 327-345.

Frenzel, P., Hillerbrand, R., Pfennig, A. (2014). Increase in energy and land use by a bio-based chemical industry. Chemical Engineering Research and Design, 92, 2006-2015.

Frenzel, P., Pfennig, A. (2014). Bewertung der steigenden Nachfrage nach Diesel-Kraftstoffen hinsichtlich ihrer CO2-Emissionen.

In U., Bachhiesl (Ed.), Innehalten und Ausblick: Effektivität und Effizienz für die Energiewende (pp. 1-9).

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99

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Perspektiven des gesamten Systems

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