PET fles vs. PEF fles
Studie naar de ecologische en economische impact van de productie van twee verschillende soorten wegwerpflessen
Bèta Gamma Thema III - deel 2
Lieke Mulder & Moniek Tromp Woorden: 5792
Abstract
Er is een steeds grotere focus op duurzaamheid, zowel economisch als ecologisch. Er is een grote groei in de vraag naar plastic verpakkingen. Het bedrijf Avantium is bezig met de ontwikkeling van het nieuwe materiaal PEF plastic, wat uiteindelijk zal moeten concurreren met PET plastic. Avantium beloofd een grote afname in NREU en GHG emissie. Maar dit proces kost veel geld, daarom zal dit onderzoek de vraag beantwoorden: ‘’Weegt de verandering in economische impact op tegen de verandering in ecologische impact bij de vervanging van de PET fles door de biobased PEF fles in Nederland?’’. Met het vooruitzicht op de enorme groei van vraag naar plastic verpakkingen in combinatie met het feit dat, doordat PEF plastic qua eigenschappen vergelijkbaar is met glas, de schaalvergroting van productie van PEF plastic zal gaan plaatsvinden weegt de verandering in
economische impact wel op tegen de verandering in ecologische impact bij de vervanging van de PET fles door de ‘biobased’ PEF fles in Nederland.
Ignis Trollmann, Life Science &Technology, 10011501 Lily Waller, Economie, 10329765
Inhoudsopgaven 1. Inleiding 3 2. Theoretisch kader 4 3. Methode 7 a. LCA methode 8 4. Resultaten 11 a. Reactieschema’s PEF 11 b. Berekeningen PEF 14 c. Consumentenvraag 15
d. Marktwaarden PET en PEF 16
e. Eigenschappen 17 f. Hoeveelheden Nederland 17 5. Conclusie 18 6. Discussie 19 7. Glossary 21 8. Literatuur 22
3 Inleiding
Figuur 1: Amerikaanse klimaatinstituut NOAA. ©KNMI
Zoals te zien in figuur 1 is de jaarlijkse uitstoot CO2 de afgelopen 55 jaar ongeveer verdrievoudigd. Om deze groei te remmen is er is een groeiende vraag naar ‘biobased’ productie in plaats van een chemische omzetting vanuit fossiele grondstoffen (Werpy & Petersen, 2004). Bij ‘biobased’ productie wordt het gewenste product omgezet vanuit biomassa, zonder de vervuilende effecten van een
petrochemische omzetting.
De komende tien jaar wordt er een groei van vijf procent per jaar verwacht van plastic (packaging: market and challenges in 2016, 2016). Hierdoor is het van groot belang dat de CO2-uitstoot in het productieproces van plastic gereduceerd wordt (Sheldon, 2014). De groei van plastic is onder andere te danken aan de consumptiegroei van plastic wegwerpflessen, voornamelijk in Europa en de US (Gleick & Cooley, 2009). Volgens dit onderzoek is Polyethyleentereftalaat (PET) het meest gangbare materiaal voor plastic flessen.
Avantium voor het ontwikkelen van Polyethyleenfuranoaat (PEF plastic) (Stahl & Alsters, 2016). Avantium is bezig met de vervanging van het fossiele brandstof gebaseerde PET voor het op biomassa gebaseerde PEF. Voor de productie van PEF wordt nul procent fossiele grondstoffen gebruikt
(Avantium, 2016). Volgens Eerhart, Faaij & Patel (2012) zou, met een wereldwijde markt van 15 miljoen Mt (metric tonnes) PET flessen, de complete vervanging van PET voor PEF zorgen voor een afname tussen 43 procent en 51 procent van non-renewable energy use (NREU) en een afname tussen 46 procent en 54 procent van broeikasgassen. Volgens dit onderzoek zijn deze procentuele
veranderingen groter dan bij vervanging van PET voor andere ‘biobased’ plastic, wat PEF relevant maakt om te onderzoeken. Avantium maakt tot op heden gebruik van zetmeel uit eerste generatie biobrandstoffen. Het nadeel van eerste generatie biobrandstoffen is dat het in competitie is met de voedselmarkt. Daarom is het gebruiken van tweede generatie biobrandstoffen zoals bio-afval de grootste uitdaging voor duurzame bioplastics (Sheldon, 2014). Door tweede generatie PEF te gebruiken zal deze productie niet in competitie zijn met de voedselproductie.
Daarom zal dit onderzoek zich gaan richten op de onderzoeksvraag:
‘’Weegt het economische nadeel op tegen het ecologische voordeel, bij de vervanging van de PET fles door de tweede generatie ‘biobased’ PEF fles in Nederland?’’
Dit soort vragen staan in groot daglicht en behoeven een interdisciplinaire kijk (Khan, 2014). In dit onderzoek zullen aardwetenschappen, life science & technology en economie een poging doen tot het beantwoorden van de onderzoeksvraag. Hierbij zal er vanuit aardwetenschappen en life science & technology gekeken worden naar het fabrieksproductieproces, alsmede de uitstoot over de gehele route van grondstof tot afbraak van het eindproduct. De economie zal zich bezighouden met de consumentenvraag naar plastic en de trends rondom het gebruik van materialen.
De analyse die een Life Cycle Analysis maakt is puur gefocust op de milieuaspecten van het productieproces, maar laat economische parameters en mechanismen buiten beschouwing (RIVM, 2017). Daarom geeft dit onderzoek een bredere en realistischere analyse omtrent de kansen van de tweede generatie PEF voor het gebruik van plastic flessen.
De economie zal kijken naar wat het marktaandeel van plastic op dit moment is en wat de verwachtingen zijn omtrent de groei. Vervolgens zal er gekeken worden welke productie schaal van PEF nodig is om het marktwaardig te maken ten opzichte van PET. Ten slotte zullen de
karaktereigenschappen van PEF vergeleken worden met die van PET. De aardwetenschappen en Life, Science &Technology zullen zich bezighouden met het productieproces van PET, eerste generatie PEF en tweede generatie PEF. Daarna zal er gekeken worden naar wat de NREU is van deze drie
productieprocessen volgens de Life Cycle Analysis.
5 In dit onderzoek heeft de term ‘biobased’ betrekking op de stof PEF die gebruikt kan worden om een plastic fles mee te produceren. Bij vervuiling wordt er gekeken naar de hoeveelheid CO2 emissie. De route van biomassa tot functionele stof is weergeven in figuur 1.
Figuur 1. De route van het omzetten van biomassa tot functioneel product; in ons onderzoek van biomassa uit houtsnippers tot het functionele product de PEF fles (Gallezot, 2012).
De algemene opvatting is dat ‘biobased’ processen minder CO2-emissie hebben dan industriële processen die veelal gebaseerd zijn op fossiele brandstoffen (Anastas & Warner, 1998). Echter zijn ‘biobased’ processen vaak lastiger op te schalen dan puur petrochemische processen, vanwege de kwetsbaarheid van de benodigde micro-organismen of enzymen (Werpy & Petersen, 2004). Zo zijn ‘biobased’ producten in de praktijk vaak duurder dan zijn goedkopere petrochemische variant (de Jong et. al., 2012).
Deze algemene opvatting blijkt niet altijd op te gaan. Een ‘biobased’ proces kan wel degelijk vervuilender zijn dan zijn petrochemische tegenhanger (Lammes et. al., 2011). Dit komt doordat petrochemisch processen efficiënter zijn vanwege hun grootschaligheid en er al veel optimalisatie studies voor zijn gedaan (Alvarez et al, 2012). Aan de andere kant, als je naar andere schadelijke chemische emissies kijkt, kunnen petrochemische processen op hun beurt juist weer schadelijker zijn voor het milieu (Chen, Pelton & Smith, 2016). Als laatste is het ook van belang om te kijken naar de verschillende afvalproducten van de processen; verschillende grondstoffen en manieren van productie geven verschillende waste streams (Sheldon, 2014). Het is daarom van belang dat in dit onderzoek de ecologische en vervuilende impact voor beide processen wordt gedefinieerd (Chen et al., 2016).
Vanuit ecologisch oogpunt kan zo gekeken worden naar de verschillende invloeden van de uitstoot, grondstoffen en afvalstromen van beide processen op de duurzaamheid van het milieu. De ecologische duurzaamheid wordt in dit onderzoek als volgt gedefinieerd: ‘Environmental
sustainability is reached by meeting the resource and services needs of current and future generations without compromising the health of the ecosystems that provide them’ (Morelli, 2013).
Tevens is de economische waarde van beide processen van belang of een ‘biobased’ proces überhaupt een reëel alternatief kan bieden voor het huidige petrochemische product. Naast de economische marktwaarden te vergelijken van de twee processen, zal de economie zich ook toespitsen op de economische voordelen van het PEF materiaal. Stel een ‘biobased’ proces is duurzamer maar duurder, dan kan bepaald worden of die extra kosten voor de ‘biobased’ plastic fles het economisch waard is gezien de minder uitstoot die het heeft.
In dit onderzoek is gekozen om economische duurzaamheid te definiëren als ‘ontwikkelingen die, op lange termijn, een bedreiging vormen voor de inkomensvorming en daarmee de consumptie’
(Veeneklaas, Eck & Harms, 1994). Dit wilt zeggen dat consumptie het einddoel is van alle economische bedrijvigheid. Er gaat gekeken worden of de kosten opwegen tegen de baten. In dit onderzoek is gekozen voor een nationaal-economische invalshoek. Deze invalshoek wordt gebruikt bij projecten waar een afweging bestaat tussen het ene project (PEF) en het andere project (PET)
(Veeneklaas, Eck & Harms, 1994).
Het specifieke biobased productieproces van planten biomassa naar PEF zal in kaart gebracht worden tijdens dit onderzoek. hoewel de E factor een veelgebruikt begrip is voor productieprocessen, waarbij alle producten behalve het eindproduct als niet-efficiënt en uitstoot wordt gezien, beschouwt dit onderzoek voornamelijk de uitstoot van schadelijke broeikasgassen en in hoeverre de processen gebruiken maken van niet-hernieuwbare energie (Sheldon, 2014).
Dit onderzoek zal gebruik maken van een life cycle analysis. Dit betekent een kwantitatieve compilatie en evaluatie van de inputs, outputs en de mogelijke milieu impact van een product system gedurende de hele levenscyclus van een product. LCA is een methode om de milieuschade van producten in alle fasen van hun levenscyclus te analyseren. Van de extractie van grondstoffen tot aan de productie van materialen en de recycling (RIVM, 2017).
In dit onderzoek zal er gekeken worden naar het verschil in vervuiling tussen PEF en PET. De term vervuiling kan vele variabelen omvatten; van emissiegassen als CO2, schadelijke bijproducten, uitputting van grondstoffen en bijvoorbeeld welke type en hoeveel grond er gebruikt wordt voor het proces (RIVM, 2017).
7 Methode
Dit onderzoek wordt gedaan op basis van literatuuronderzoek en een interview met een expert. Betreffende de inbreng van het biotechnologische kader zal het reactieproces van PEF en PET tot productieschaal worden doorberekend. In overleg met het economische kader omtrent PEF en PET producten en productie zal een realistische grootte van het productieproces worden besproken. Voor het opzetten van een Life Cycle Analysis voor de producties van PEF en PET zullen de afvalstromen van de reactie kwantitatief bepaald worden. Voor het productieproces zijn stappen gevolgd zoals de gangbare industrie deze hanteert voor PET en hoe het bedrijf Avantium deze hanteert voor PEF (Eerhart et al., 2012). Huidige lopende onderzoeken of hypotheses naar verbeteringen in processen zijn niet geïmplementeerd in dit onderzoek. Bij het opstellen van het productieproces wordt uitgegaan van een ideale situatie waarbij geen rekening is gehouden met praktische problemen zoals de moeite bij het overstappen naar een nieuw proces of de huidige tekortkoming van machines of voorraden. De vergelijking van de Life Cycle analysis betreft tussen geoptimaliseerde processen van de PEF, PET en eventueel het glas productieproces, wanneer glas een nauwe duurzame concurrent van de plastics blijkt te zijn.
Echter zijn assumpties van de vervuiling voor het schematische fabriek productieproces begint ook nodig, zoals het gegeven dat pre-processing van bioafval meer emissie geeft dan bij de
voorbewerking van fossiele brandstoffen (Chen et al., 2016). Alleen door de vervuiling voor het vervaardigen van de grondstoffen ook mee te nemen kan een valide uitspraak worden gedaan over de twee processen. Als alle onderdelen schematisch zijn weergegeven van de levenscyclus van PEF, dan kan van elk onderdeel de vervuiling bepaald worden om uiteindelijk tot een totale vervuiling van het gehele proces te komen.
De petrochemische reactie van bouwsteen naar PET en de reactie van biomassa naar PEF zijn bekend (Sheldon,2014). Nu is het de taak om de routes van ruwe fossiele brandstof en ruwe planten biomassa naar deze bouwsteen voor respectievelijk PET en PEF in kaart te brengen. Na het in kaart brengen van deze gehele routes zal het ecologische aspect bepaald worden aan de hand van afvalstromen en bijproducten van de processen volgens een Life Cycle Analysis. Voor het economische aspect zullen de kosten van de grondstoffen, reactanten en machines geïndexeerd worden om de een vergelijking tussen beide producties mogelijk te maken (Chen et al, 2016). Eventuele recycling streams in de verschillende productieprocessen of van het eindproduct zullen ook meewegen in de ecologische impact (RIVM, 2017).
Door de punten in de methoden uit te werken, wordt er via deze punten in de methoden toegewerkt naar het beantwoorden van de hoofdvraag; de methode punten fungeren als deelvragen. Om deze punten te kunnen uitwerken zal allereerst contact gezocht worden met het bedrijf Avantium en met
expert op het gebied van green chemistry en biobased chemicals Dr. Frank Hollmann. Het is van belang eerst de twee productieprocessen als geheel volgens een correct analyse methode uit te werken om vervolgens de ecologische en economische impact van beide processen te bepalen. Nadat de ecologische en economische impact in samenwerking met de biotechnologie zijn vastgesteld is het tijd voor de ecologie en economie om zich over de trade-off te buigen tussen economische en ecologische impact. Tot slot kan de hoofdvraag beantwoord worden: ‘Weegt bij vervanging van de PET fles door de biobased PEF fles de verandering in economische impact van de productie op tegen de verandering in ecologische impact?’
De Life Cycle analysis zal toegepast worden voor de ‘cradle-to-grave’’ cyclus van PEF en PET plastic, en en eventueel voor glas. In eerste instantie is gezocht naar de beschikbare literatuur omtrent reeds opgezette LCA’s van deze stoffen. Waar nodig zullen stappen in de LCA zelf berekend moeten worden of zullen stappen in de gevonden literatuur aangepast moeten worden naar onze assumpties in het model. Een nauwe samenwerking tussen de biotechnologie en de aardwetenschappen zal
plaatsvinden om een LCA over het technologische proces op te zetten en om kwantitatief vervuiling te bepalen. De biotechnologie zal de reactie tot PEF met alle operationele onderdelen in het
fabrieksproces in kaart brengen, zodat samen met de aardwetenschappen de milieu impact van alle operationele onderdelen in de Life Cycle Analysis bepaald kunnen worden.
LCA Methode
Een Life Cycle Analysis weergeeft de milieu impact van alle inputs en outputs van de beschreven cyclus van een product of stof. Een standaard LCA bestaat uit vier fasen: ‘goal and scope’ definieren, ‘Life Cycle inventory analysis’, ‘Life Cycle impacts assessment’ en het interpreteren van de resultaten (Garfi et al., 2016).
De methode zal toegepast worden om een zogeheten cradle-to-grave life cycle te bepalen, dus een analyse van grondstoffen tot aan het PEF, PET of Glas als materiaal zelf. De verdere stappen zijn nog het gebruik van de consument en het recyclen van de producten. Echter is in dit onderzoek
aangenomen dat het gebruik van een plastic of glazen fles niet zal verschillen en dat ook de recycle procedures dezelfde vervuiling winst zullen opleveren (De jong et al, 2012). Hierdoor is verwacht dat het doorrekenen van deze laatste twee fasen geen significante verschillen in de Life Cycle Analysis tussen de producten teweeg brengen, tevens is weinig data bekend over het gebruik en recycling voor PEF aangezien dit een nieuw materiaal is (Shen et al, 2012).
Life Cycle Assessment is sinds 1990 ontwikkeld als methode om een beoordeling te geven van de milieu effecten van diensten en producten (Blok & Nieuwlaar, 2016). Hierbij komen 4 fases van pas:
9 (1) Definitie van doelen en bereik
(2) Inventaris Analyse (3) Impact beoordeling (4) Interpretatie
In deze LCA zal op maïs gebaseerd PEF worden vergeleken met op houtsnippers gebaseerd PEF. Deze zullen daarna vergeleken worden met in de literatuur gevonden PET.
De functionele eenheid zal voor beide 1 ton zijn. Hierbij wordt een cradle-to-grave weg van de twee soorten plastics aangehouden. Hierdoor zal er gekeken worden naar het productieproces zelf in plaats van het gebruik en het recyclen van beide producten. Vanuit deze gedachten zal er dus eerst naar verwerken van onbewerkte grondstoffen en dan naar het produceren van het product worden gekeken. De distributie en het gebruik van het product als waterfles is ongeveer hetzelfde en zal dus niet meegenomen worden in deze LCA.
Vanuit milieu en ecologisch opzicht is hierbij van belang om te kijken naar de eventuele schade die deze stappen van beide flessen teweegbrengen. Dit zal in kaart worden gebracht bij de impact
beoordeling. Omdat er hierbinnen verschillende categorieën bestaan zal er gekeken worden naar de green house gas – emmissions (GHG emmissie) van de productie.
De volgende methode en uitgangspunten worden toegepast:
Er wordt gekeken naar de totale Nederlandse consumptie van plastic wegwerpflesjes. Hierbij wordt gekeken naar de consumptie voor binnenlands gebruik, omdat dit een beter beeld geeft over de situatie binnen Nederland. Bos, van den Oever & Meesters (2014) schrijven namelijk dat er in de
productiecijfers en consumptiecijfers binnen Nederland grote verschillen kunnen zitten.
Na contact met het bedrijf Avantium zal duidelijkheid verschaft zijn over de soort PEF fles die zij produceren en met welke soort PET fles het zijn directe concurrent is. Het is belangrijk om variabelen als de grootte van de fles gelijk te houden in beide productieprocessen, zodat de vergelijking puur tussen de ecologische en economische aspecten kan gaan (Chen et al., 2016). Hierbij nemen we bij de vergelijking twee flessen met dezelfde inhoud.
Voor de economische analyse zal een vergelijking worden gemaakt hoeveel extra kosten er verbonden zijn bij de productie van een PEF fles ten opzichte van de PET fles, per productie route zal hiernaar gekeken worden. Ook zal er gekeken worden naar wat voor macro-economische gevolgen heeft voor Nederland en of dit opweegt ten opzichte van de ecologische voordelen. Deze gegevens zullen behaald worden door te praten met experts van Avantium en/of door bedrijven te benaderen die samenwerken met Avantium.
Om een valide waardeoordeel over de duurzaamheid van een PET en PEF fles te geven is het van belang het gehele proces van ruwe grondstof tot aan eindproduct voor beide soorten wegwerpfles te weergeven (Alvarez et al., 2012). Wanneer alleen een gedeelte van de gehele productieketen wordt vergeleken dan is de vergelijking niet valide. Overigens zijn de fysieke eigenschappen van beide soorten plastic ook verschillend waardoor de levensduur kan verschillen op basis van de kwaliteit van het plastic, wat meegenomen zou moeten worden in de duurzaamheid berekeningen tussen PEF en PET. Echter is de assumptie in dit onderzoek dat de gebruiksduur van een plastic wegwerpfles gelijk is door de consument en de kwaliteit van het plastic geen invloed zal hebben op de kwantiteit van consumptie en dus de productiehoeveelheden.
Daarbij zal door middel van een eco-efficiency analysis een analytisch framework worden gebruikt om tot een juiste vergelijking van beide processen te komen en een scenario voor de toekomst te kunnen schetsen (Huppes & Ishikawa, 2012).
Hierbij wordt gekeken naar emissie, grondstoffen, waste stream ten opzichte van de economische waarde.
Economisch gezien wordt er onderzocht of PEF een marktwaardig product is. Dit wordt gedaan door eerst te kijken naar de groei van de wereldwijde verpakkingen van het PET materiaal. Vervolgens wordt er gekeken wat het verschil is tussen de marktwaarde van PET en van PEF op dit moment en vanaf welke productie schaalgrootte de prijs van PEF competitief zal zijn met PET. Uiteraard zijn de productiekosten van PEF op dit moment nog hoger dan die van PET. Hierdoor zal er ook gekeken moeten worden naar de verbeterde eigenschappen van PEF ten opzichte van PET en wat voor invloed dit heeft op het marktaandeel. Ten slotte zal er gekeken worden naar de totale productie van PET flessen in Nederland, zodat er een schatting gemaakt kan worden wat het prijsverschil per fles is.
De tekortkomingen van een LCA zijn dat het zich puur focust op de ecologische en milieu aspecten. De economische aspecten en realiteit van een proces staan hier los van, daarom is de interdisciplinaire samenwerking tussen de biotechnologie en economie van belang om een prognose te maken over de toekomst van een vernieuwend duurzaam product als PEF in de markt.
Resultaten
Reactieschema’s PEF 1e Generatie PEF
11 Hydrolytische omzetting van lignocellulose wordt gekatalyseerd door zuren bij verhoogde
temperaturen, waarbij chlorides of sulfaten worden gevormd bij het neutraliseren van de zuren. Ook kan een enzymatische reactie de lignocellulose afbreken tot een mix van lignine, hemicellulose en cellulose (Sheldon, 2014).
De gevormde hemicellulose en cellulose kunnen hydrolytisch omgezet worden tot C5 en C6 monosaccharides, welke als bouwstenen dienen voor het proces dat het bedrijf Avantium uitvoert voor het produceren van PEF (Sheldon, 2014). De hexose C6 suiker(fructose) kan door een zuur
gekatalyseerde reactie met alcohol worden omgezet tot een Alkoxymethyl-fyrfural (RMF), zoals methoxymethyl furfural (MMF). Vervolgens zet een gekatalyseerde oxidatie van RMF om in furan-2,5-dicarboxylic acid (FDCA). Een laatste katalytische stap FDCA met ethylene glycol(EG) samen tot de biobased polymeer PEF (Sheldon, 2014)(Avantium).
Dimethyl-FDCA wordt getransesterificeerd met ethylene glycol(EG) door een tin(IV) bevattende katalysator. Vervolgens kan de getransesterificeerde dmFDCA polymeriseren tot PEF en hierbij komt een methanol molecuul vrij dat verdampt. ‘Solid-State-Polymerization’ wordt gebruikt als laatste stap om het polymeer het gewenste molecuulgewicht te geven, deze methode wordt ook gebruikt bij PET (De jong et al., 2012). Zie figuur 2 voor de transesterificatie en polymerisatie stap.
Figuur 2. reactieproces van FCDA tot PEF polymeer.
De gehele reactie route van biomassa tot PEF is weergeven in figuur 2. Hoewel Avantium haar C5 en C6 suikers direct verkrijgt vanuit gewassen en zo de afbraak van lignocellulose niet nodig is tijdens berekeningen in de Life Cycle Analysis. Tevens is de biobased route tot EG die Avantium hanteert weergeven in figuur 3.
Figure 3. Het proces van biomassa tot aan PEF. Waar Avantium geen C5 en C6 suikers verkrijgt vanuit cellulose maar vanuit zetmeel.
Uit het artikel van Sheldon (2014) blijkt dat er meerdere methoden bestaan of ontwikkeld worden om biomassa om te zetten naar de gewenste precursors C5 en C6 suikers voor PEF. Tevens zijn veel bijproducten die bij de afbraak van dit bioafval worden gevormd nuttig te gebruiken voor andere processen, waardoor voor deze bijproducten geen vervuilings-of verwerkingskosten berekend zijn en deze biobased bijproducten indirect de vervuiling van andere processen terugdringen.
Avantium gebruikt nu suiker en zetmeel als begin producten rechtstreeks afkomstig van maïs-of graangewassen, maar het bedrijf wil in de toekomst ook bio-afval gebruiken. Echter, volgens Gert-Jan Gruter, bevat bio-afval zoals plantenstengels of houtsnippers vaak lignocellulose wat energie-intensiever en lastigere processtap is (interview, 6 december 2016). Dit kan de LCA beïnvloeden ten opzichte van eerste generatie ‘biobased’ grondstoffen die Avantium nu gebruikt, waar deze
13 lignocellulose afbraak stap niet nodig is.
De LCA die uitgevoerd zal worden, zal zich richten op het gebruik van maïs zetmeel om PEF te maken, maar daarnaast zal het ook kijken naar het gebruik van de niet eetbare biomassa houtsnippers.
Hierbij wordt het proces wat Eerhart et al. (2012) hebben gebruikt aangehouden.
De focus zal liggen op process 1 & process 2. Er zal geen verandering plaatsvinden in en na het ASPEN plus Simulation model. Gekozen is hiervoor, omdat zowel houtsnippers als maïs eerst tot dextrose en daarna tot fructose verwerkt worden, hierna bewandelen beide vormen van biomassa dezelfde route in het model.
De polycondensatie reacties voor PEF zijn op kleine schaal getest door 184 mg( 1mmol) dimethyl-FDCA met 186 mg (3.0 mmol) ethylene glycol tot PEF te condenseren. Bij de reactie is 1, 6 μmol titanium(IV) isopropoxide toegevoegd en in 20 μL 0.08 M tolueen oplossing gebracht. Onder invloed van stikstof vindt transesterificatie plaats en meer dan 99% van de dimethyl-FDCA is weg gereageerd. (De jong et al., 2012). PET gebruikt catalysten als manganese, cobalt en germanium. FDCA als monomeer leidt tot kleuring, waarom dimethyl-FDCA gewenst is als monomeer voor PEF. (De jong et al, 2012)
PEF wordt op een soortgelijke methode gesynthetiseerd als PET, het verschil zit hem op
fabrieksschaal in het gebruik van FDCA in plaats van TPA (Triebl et al., 2012). Dus in de vergelijking tussen de Life Cycle Analysis van beide zullen de energiekosten in het fabriekproces tegen elkaar in het niet vallen. De opname van CO2 door planten, grondstoffen van PEF, is beschouwd als negatieve
emissie van broeikasgassen (RIVM, 2017).
Het uitvoeren van een Life Cycle Analysis voor de stoffen PET en 1e generatie PEF is weergeven in tabel 1. Hierbij is PEF 100% bio-based zoals geproduceerd door Avantium. De waarde van ‘Non-renewable energy use (NREU)’ bestaat uit het gebruik van fossiele en nucleaire energie. De uitstoot van ‘Green house gases (GHG)’ bestaat uit de uitstoot van CO2 per geproduceerd PEF of PET.
Stof NREU (GJ per ton
geproduceerd)
GHG emissie (ton CO2 per ton geproduceerd)
PEF 26 1,4
PET 69,4 4,44
Table 1. CO2 uitstoot van de PEF en PET productie, alsmede het niet-hernieuwbare energiegebruik (Eerhart et al., 2012) Aangezien PET een standaard is op de markt zijn gegevens omtrent de LCA hiervan ruimschoots aanwezig en gestandaardiseerd (Shen et al., 2012). Daarom is de LCA van het PET productieproces aangenomen onder dezelfde assumpties zoals weergeven in Eerhart et al. (2012).
2e Generatie PEF
Naast dat het geen concurrentie met schaarse hulpbronnen oplevert, kent de houtige biomassa grote fysische en chemische verschillen met biomassa uit de eerste generatie.
Biomassa uit hout is fysisch groter. Bovendien is het structureel sterker en heeft het een grotere dichtheid dan biomassa van landbouw gewassen. Chemisch gezien heeft het een hogere lignine gehalte, waardoor het moeilijker af te breken is door microbiotische en enzymatische reacties (Zhu & Pan, 2010).
Hieronder zal een schematische weergave van het proces van houtsnippers tot glucose gegeven worden. Omdat er verschillende manier bestaan voor de voorbehandeling van de houtsnippers en het verwerken hiervan, is gekozen voor de methode volgens het zogenaamde Sugar Platform (Taylor et al., 2015). Het Sugar Platform is een biochemische productieroute middels fermentatie naar bioethanol en andere chemicaliën. In dit onderzoek zal louter gekeken worden naar het begin gedeelte tot C5 en C6 productie.
15
Figuur 1: Sugar Platform, rood omlijnde weergeeft het gebruikte deel van het proces (Taylor et al., 2015)
De gekozen voorbehandeling gaat volgens de ORGANOSOLV manier, uit onderzoek is gebleken dat dit een aantal voordelen heeft ten opzichte van andere voorbehandelingsmethodes. Het kan toegepast worden op verschillende houtsoorten en werkt dus niet specifiek maar op één soort. Het heeft een hoge lignine kwaliteit als uitkomst. Bovendien kunnen de houtsnippers, hoewel relatief groot, direct het proces van de voorbehandeling in. Door de ORGANOSOLV manier van voorbehandeling is een aparte behandeling van groottereductie van de houtsnippers niet nodig. De voorbehandeling zorgt met een oplossingsmiddel met onder andere ethanol ervoor dat de cellulose, hemicellulose en lignine gescheiden worden. De vrijgekomen cellulose en hemicellulose kunnen daarna door een enzymatisch proces om er eenvoudige suikers van te maken (Vohra et al., 2014).
Figuur .. Eenvoudige weergave van het voorbehandelingsproces
Na deze voorbehandeling van het hout vindt er een enzymatische hydrolyse plaats, van
glucose/dextrose naar fructose. Dit is een proces wat het maïs zetmeel eveneens ondergaat (Eerhart et al., 2012), waardoor hiervoor dezelfde rekenkundige waardes voor genomen kunnen worden.
Berekeningen 1e Generatie PEF
Uit 56 pond corn kan 32 pond starch worden gehaald via Corn Wet milling.
(https://www.e-education.psu.edu/egee439/node/672). Uit 1 gram starch kan je vervolgens 1.1 gram glucose, oftewel dextrose, halen.
(https://web.anl.gov/PCS/acsfuel/preprint%20archive/Files/25_4_SAN%20FRANCISCO_08-80_0264.pdf).
Proces NREU kosten Hoeveelheid
per jaar
NREU per jaar
Corn wet milling + fructose productie 10,48 GJ/ ton fructose * 51100 ton fructose/ jaar 535.528 GJ / jaar
EG productie uit Corn 27,2 GJ / ton 7954 ton EG / jaar
216.349 GJ / jaar
HMF oxidatie 11,8 GJ / ton 20000 ton FCDA / jaar
236.000 GJ / jaar
PEF polymerisatie 10,2 GJ / ton 23340 ton PEF / jaar 238.068 GJ / jaar Energiekosten fabrieksproces -20 MW (MJ/ sec) 31.536.000 sec / jaar ** -630.720GJ / jaar Totaal energiegebruik per jaar 595.225 GJ / jaar Totaal energiegebruik per ton PEF
595.225 GJ / jaar/ 23.340 ton PEF / jaar= 25.5 GJ / ton PEF
* CWM = 6,2 GJ / ton dextrose * 1,06 ton dextrose/ton fructose = 6,57 GJ / ton fructose Fructose productie = 3,9 GJ / ton fructose
** 365 dagen x 24 uur x 60 minuten x 60 seconden = 31.536.000 sec / jaar
51100 ton fructose is nodig voor 23340 ton PEF dus een verhouding van: 2,19 ton fructose : 1 ton PEF.
In deze berekening zijn LCA inputs voor het oogsten van de Corn en afvalverwerking van de PEF niet meegenomen, maar aangezien de uiteindelijke LCA uitkomst van Eerhart et al. op ongeveer dezelfde waarde van 26 GJ / ton PEF ligt, kan opgemaakt worden dat deze inputs een minime bijdrage leveren aan de NREU en CO2 uitstoot.
1e Generatie PEF
De onderstaande berekeningen zijn gebaseerd op het onderzoek uitgevoerd door Pan et al. (2008) en (Zhu & Pan, 2010).
De basis conditie die in het onderzoek van Pan et al. (2008) wordt genomen is: 170 °C; 60 min; 1.1% H2SO4; 65% ethanol.[1]
17 voorbehandelingsproces met bovengenoemde basis conditie zijn dit de yields:
Figuur 2: Uitkomst yield voor de basis conditie (B) van healthy lodgepole pine (HLP). Hele tabel in Pan et al. 2008
Omdat de yields in procenten zijn, kunnen ze makkelijk gebruikt worden berekeningen met absolute waardes. Er zal worden uitgegaan van 1 ton hout als input.
Voor glucose wordt de output dan: 1 ton = 1000 kg, 3,53 % (zie tabel) hiervan is 35,3 kg/ton hout. De bruikbare C5 en C6 zijn alleen Xylose, Mannose en Glucose.[2] De totale sugar yield is voor 1 ton hout hierdoor 134 kg/ton (som van 35,3; 36,7; 6,16).
Echter door enzymatische hydrolyse wordt nog extra bruikbare glucose verkregen. Wat volgens het artikel van Zhu & Pan (2010) om 347 kg glucose/ton hout gaat.
Dit maakt de totale monomerische suiker opbrengst voor deze pretreatment methode: 481 kg/ton.
De totale energie consumptie is gebaseerd op tabel 3 van Zhu & Pan (2010). Hierin is de total energy consumption voor organosolv met een L/W-ratio van 3,0 = 1254 MJ/ton
Echter zit hier ook de vermaling van het hout tot houtsnippers in. Er zijn genoeg houtsnippers als productieverwerkingsafval, dus zal dit proces niet worden meegerekend in de totale energie consumptie. De energie voor het versnipperen van het hout is 180 MJ/ton.
Dus de nieuwe energie consumptie = 1254 – 180 = 1074 MJ/ton hout.
Deze waarde is helaas zonder de energie die nodig is voor de retractie van het oplosmiddel (figuur ..: solvent recovery) met ethanol. Deze waarde is nog niet berekent voor Organosolv met houtmassa specifiek en is daarom genomen uit Van Beijeren Bergen en Henegouwen et al. (2003) en is 522 MJ/ton hout (145,08 kWh/t pulp).
De totale energie is daarom 1596 MJ/ton hout.
De totale energie per kg geproduceerde suikers = 1596 MJ/ton * 1,18 MJ/MJfuel = 1883,28 NREU / 481 kg/ton = 3,92 MJ/kg
= 3,92 GJ/ton dextrose
Bovendien zitten er nog stoffen in (e.g. lignine en HMF (zie tabel 2.)) die ook verwijdert moeten worden. Dit heeft ongeveer een energie van 5,4 MJ/kg dextrose (Viel et al., 2013).
Dit geeft een totaal van 3,92 + 5,4 = 9,32 GJ/ton dextrose Hydrolische omzetten = 1,06 * 9,32 = 9,87 GJ/ton fructose Hierbij komt 3,9 GJ/ ton fructose voor het gebruik ervan. Dit geeft een totaal van 13,8 GJ/ton fructose.
Hieronder de tabel met een nieuwe beginwaarde van 13,8 GJ/ton fructose
Proces NREU kosten Hoeveelheid
per jaar
NREU per jaar
Corn wet milling + fructose productie 13,8 GJ/ ton fructose * 51100 ton fructose/ jaar 705.180 GJ / jaar
EG productie uit Corn 27,2 GJ / ton 7954 ton EG / jaar
216.349 GJ / jaar
HMF oxidatie 11,8 GJ / ton 20000 ton FCDA / jaar
236.000 GJ / jaar
PEF polymerisatie 10,2 GJ / ton 23340 ton PEF / jaar 238.068 GJ / jaar Energiekosten fabrieksproces -20 MW (MJ/ sec) 31.536.000 sec / jaar ** -630.720GJ / jaar Totaal energiegebruik per jaar 764.877 GJ / jaar Totaal energiegebruik per ton PEF
764.877 GJ /jaar / 23.340 ton PEF / jaar= 32,8 GJ / ton PEF
Dus het totale energieverbruik voor houtsnippers per ton PEF is 32,8 GJ ten opzichte van 26,6 GJ/ ton PEF gemaakt uit maïs zetmeel. Vergeleken met PET is de NREU dus ongeveer de helft.
19 Uit de berekeningen blijkt dat 1e generatie PEF dan wel 2e generatie PEF goede vervangers lijken te zijn voor PET. Beide vormen van PEF hebben een NREU van minder dan de helft van het totaal van PET, wat dus betekent dat zij een stuk minder vervuilend zijn.
Niet meegenomen in de berekeningen is het transport en de verrichte arbeid voor het aanleveren van het maïszetmeel in de fabriek. Het blijkt echter dat dit 0,5 GJ/ton PEF bedraagt. Aangenomen kan worden dat ook voor de productie van 2e generatie PEF dit ongeveer hetzelfde zal bedragen.
Vanuit het LCA perspectief is PEF ecologisch beter dan PET. Echter 2e generatie PEF heeft door het lignine gehalte en de retractie van het oplosmiddel wel een hogere energie consumptie en is daardoor wel vervuilender dan 1e generatie PEF.
Consumentenvraag
Er zijn een aantal trends van consumentengedrag met betrekking op verpakkingen (Lange & Wyser, 2003). Er is een stijgende vraag naar transparante verpakkingen met verbeterde barrière
eigenschappen. Aluminium wordt zoveel mogelijk ontweken omdat metalen milieuonvriendelijk zijn en er veel energie nodig is bij de productie. Ook is er een steeds grotere consumentenvraag naar verse producten. Steeds meer mensen willen verse producten in plaats van diepvriesproducten.
Een andere trend is dat er steeds meer glas wordt vervangen plastic. Het grootste voordeel hiervan is de reductie in het gewicht van de verpakkingen, wat veel geld bespaart bij de
transportkosten. Door deze veranderingen zijn er ook veranderingen aan de eisen van het materiaal. Een hogere zuurstof barrière, chemische resistentie, hittebestendigheid en recyclebaarheid zijn de voornaamste eisen die bij deze trend komen kijken. Het onderzoek van Lange & Wyser, (2003) zegt dat er naar de totale kosten gekeken moet worden in combinatie met de efficiëntie, investering, arbeid
en kwaliteit. Dit betekend dat er ruimte is voor duurdere materialen mits het ergens kosten bespaard door bijvoorbeeld verbeterde efficiëntie en kwaliteit.
Naast het feit dat er een verandering is in de vraag naar soorten materialen is er ook een enorme stijging van vraag naar verpakkingen over het geheel (packaging: market and challenges in 2016, 2016). De wereldwijde verpakkingsmarkt is verdeeld in vijf verschillende materialen.
Tabel 2 (packaging: market and challenges in 2016, 2016)
In tabel 2 is de wereldwijde verdeling van de verpakkingsmaterialen te zien. Volgens dit onderzoek is de grootste groei in het gebruik van ‘rigid plastic’, waarin PET het meest gebruikte materiaal is (ook gebruikt in inleiding). Er wordt tussen 2015 en 2018 een wereldwijde groei van verpakkingen van 12% verwacht. In grafiek 1 is te zien dat de groei van verpakkingen voor drank tussen 2015 en 2019 ligt op ongeveer 3,1 % CAGR. Zie voor verdere uitleg van CAGR en AAGR de glossary. Deze groei wordt ook op langere termijn verwacht. De AAGR voor 2020 wordt geschat op 5%.
21 Grafiek 1
Marktwaarden PET en PEF
Gert-Jan Gruter vertelde in zijn interview dat op dit moment PEF op veel kleinschaliger niveau wordt geproduceerd van PET. Volgens Clark (1988) betekent economies of scale dat de gemiddelde productiekosten per eenheid daalt als de output stijgt.
In tabel 3 is de zien wat de verschillende productiekosten zijn van PEF, bij verschillende economies of scale. Hier is te zien dat de productiekosten bij 625 en 1000 kton per jaar een stuk lager ligt dan bij 100 kton per jaar. De marktprijs voor PET is op dit moment 1800 $/ton PET (Eerhart et al., 2015). Volgens dit onderzoek zal het prijslevel van de productiekosten van PEF gereduceerd moeten worden naar 1500$/ton om het competitief te laten zijn met zijn petrochemische tegenhanger PET. Deze prijs is rendabel onder de voorwaarde dat het tarwestro tussen de prijs van 50$/ton en 150$/ton blijft. In tabel … is te zien dat, vanaf een schaal van 625 kton per jaar, de productiekosten van PEF vergelijkbaar of minder is dan die van PET. Bij deze vergelijking is de marktprijs van PET vergeleken met de productiekosten van PEF, waarbij bij PEF geen winst ingecalculeerd is. De winstmarge in deze industrie is 1% tot 5% (Eerhart et al., 2015). Doordat dit geen significant groot verschil is kan deze vergelijking worden gemaakt.
Volgens het artikel van Ladrak (2012) heeft PEF betere eigenschappen ten opzichte van PET, zoals een betere zuurstof en koolzuur afscheiding. Doordat het zuurstof minder snel de fles in gaat en het koolzuur minder snel de fles uit, blijft de inhoud van de fles langer houdbaar. Uit onderzoek is gebleken dat de prijs en kwaliteit van een product meer invloed heeft op het koopgedrag van
tabel 3 (Eerhart et al., 2015)
Eigenschappen PET plastic en PEF plastic
Volgens het onderzoek van Molenveld & van den Oever (2014) zijn er drie die een vernieuwde verpakking kan geven:
● verlengde houdbaarheid van het product
● minimalisatie van verlies tijdens transport en distributie ● aantrekkelijk om te kopen voor de consument
Willige et al. (2002) zegt dat de houdbaarheid van voedsel en drank sterk afhangt van materiaal doorlaatbaarheid en absorptie. Met de huidige eigenschappen van PET plastic is het niet mogelijk om bijvoorbeeld bier te bewaren in plastic flessen. Volgens Krawielitzki, & Kläusli (2015) heeft PEF een 10 keer betere zuurstof barrière dat PET en een 5 keer betere carbon dioxide barrière. Hierdoor is het mogelijk om thee en bier te bewaren in PEF flessen. Lange & Wyser (2003) schrijven dat er een trend is om metalen en glazen verpakkingen te vervangen voor plastic verpakkingen omdat dit de
vervoerkosten heel erg reduceert. Hierdoor is er steeds meer aandacht gekomen voor het verbeteren van barrière eigenschappen van verpakkingen.
Totale hoeveelheid PET in Nederland
In Nederland worden er ongeveer 650 miljoen PET-flessen per jaar geproduceerd (van Velzen & Bos-Brouwers, 2012). Dit is gebaseerd op een rapport over statiegeld, dus PET flessen met een inhoud van
23 een halve liter zijn hierin niet meegenomen. Volgens dit rapport hebben de statiegeldflessen een gemiddeld gewicht van 44,6 gram. Naar schatting wordt er in Nederland ongeveer 600 miljoen halve liter flesjes per jaar geproduceerd met een gemiddeld gewicht van 22 gram (verpakkingsmanagement Nederland, 2012). Dit betekent dat er een totale productie is van 42190 ton per jaar. Met het huidige prijsverschil zal dat betekenen dat er een prijsstijging van ongeveer 1,9 cent per fles is. Dit bevestigd wat Gert-Jan Gruter vertelde in zijn interview. Door de grote hoeveelheden plastic die producenten per jaar produceren, zal dit een enorm groot prijsverschil zijn. Daarom is het noodzakelijk dat PEF ook zal concurreren met glas.
Als je de waarden uit tabel … gebruikt dan heeft PEF een NREU van 1.096.940 GJ per ton geproduceerd en een GHG emissie van 59.066 ton CO2 per ton geproduceerd in Nederland per jaar. Hierbij is de groei naar vraag nog niet meegenomen. PET heeft een NREU van 2.927.986 GJ per ton geproduceerd en een GHG emissie van 187.323,6 ton CO2 per ton geproduceerd in Nederland per jaar. Dit betekend dat er voor Nederland een afname van GHG emissie zou zijn van 128.257,6 ton CO2 per ton geproduceerd in Nederland per jaar en een NREU afname van 1.831.046 GJ per ton geproduceerd.
Om een schatting te doen over de groei van plastic in Nederland wordt de AAGR van 5% genomen tot 2020. De hoeveelheid geproduceerde flessen is genomen van 2012. Dit betekent dat er in totaal tussen 2012 en 2020 een groei schatting van in totaal 47,75% wordt verwacht.
Conclusie
Op dit moment is de marktprijs van PEF nog een stuk hoger dan die van PET. Om PET flessen volledig te vervangen voor PEF flessen is het nodig om PEF op een 10 keer zo grote schaal te produceren ten opzichte van nu. Gezien de grote hoeveelheden die er in Nederland geproduceerd wordt zal deze omzetting niet zo maar kunnen plaatsvinden. Uitgaande van de definitie voor economische duurzaamheid, is deze omzetting niet economisch duurzaam, omdat het wel een bedreiging vormt voor de consumptie.
Om over te gaan op PEF plastic is het daarom noodzakelijk dat PEF zal concurreren met glas. Door de verhoogde zuurstof barrière zal het mogelijk zijn om bier te bewaren in plastic. Hierdoor zal de overgang van glas naar PEF plastic mogelijk zijn. Doordat het gewicht van plastic een stuk lager is dan dat van glas zullen de transportkosten van plastic zijn een stuk lager dan die van glas. Dit maakt het rendabel voor bedrijven om te investeren in PEF.
Aangezien de productie voor PET de norm is voor het produceren van plastic flessen zijn hier verscheidene LCA’s naar verricht en zijn de LCA tot op grote nauwkeurigheid bepaald met veel parameters. De productie van PEF staat nog in de kinderschoenen en daarom zal toekomstig
onderzoek meer parameters van de PEF productiecyclus moeten bepalen om een nauwkeurigere PEF Life Cycle Analysis op te stellen.
De gegevens over de hoeveelheid flessen in Nederland en de uitkomst van NREU en GHG emissie laten zien dat een overgang van PET naar PEF zal zorgen voor een enorme reductie in zowel NREU als GHG emissie. Met het vooruitzicht op de enorme groei van vraag naar plastic verpakkingen in combinatie met het feit dat doordat PEF plastic qua eigenschappen vergelijkbaar is met glas de schaalvergroting van productie van PEF plastic zal gaan plaats vinden weegt de verandering in economische impact wel op tegen de verandering in ecologische impact bij de vervanging van de PET fles door de ‘biobased’ PEF fles in Nederland.
Discussie
Hoewel de gevonden resultaten de duurzaamheid van de twee verschillende productieprocessen laten zien, is dit puur theoretische berekening binnen het biotechnologische kader. In werkelijkheid zal het omschakelen van het gangbare PET productieproces naar het PEF productieproces veel kosten en wellicht ook extra vervuiling met zich meebrengen. Aangezien het nieuwe PEF proces nog niet geoptimaliseerd is zoals het PET proces, kunnen deze hindernissen in werkelijkheid voor meer vervuiling zorgen, ten opzichte van de berekende productieprocessen.
De uitstoot en efficiëntie van de productie van PEF of andere bioplastics zal naar alle waarschijnlijkheid verbeteren in de toekomst, aangezien huidig onderzoek naar betere technieken voortduurt. Zo is bijvoorbeeld onlangs in een onderzoek gebleken dat het voorbewerken van ruwe biomassa via pyrolysis een veelbelovende kandidaat is voor een efficiëntere en grootschalige omzetting van biomassa(Zhang et al., 2013) (Sathanaraj et al., 2014). Vervolgonderzoek tussen PEF en PET zou gedaan kunnen worden door deze hypothetische nieuwe methoden en productie
technieken te implementeren in de Life Cycle Analysis. Zo weergeeft de route weergeven in de onderstaand figuur een omzetting van bio-afval tot furfural, welke vervolgens geoxideerd wordt tot FC en in aanwezigheid van CO2 en Cs2CO3 reageerd tot FCDA, de bouwsteen van PEF (Beckman, 2016). Want de tekortkomingen van het huidige PEF proces door Avantium is dat het gebruikt maakt van eerste generatie biobrandstoffen, daarom is een LCA van PEF uit bio-afval des te belangrijker om te kijken of de overstap naar bio-afval als grondstof toekomst heeft.
25
In de Life Cycle analysis van de twee processen zijn veel aannames gemaakt over insignificante energieverbruiken of afvalstromen, waardoor er in zekere mate sprake is van een heuristiek onderzoek waar de belangrijkste impactfactoren op vervuiling zijn beschouwd. Tevens is veel beschikbare data in de ISO database voor het maken van LCA’s gebaseerd op schattingen en aannames, waarvan het onbekend is in hoeverre deze data kan variëren of significant is (RIVM, 2017). Daarom valt de significantie van de waarden die een Life Cycle Analysis genereert te betwisten.
Glas
Het opzetten van een Life Cycle Analysis voor glas kan ook voor de NREU en GHG emissies. Echter gaat de vergelijking tussen 1 kg glas en 1kg PEF of PET niet op, aangezien andere gewichten gebruikt worden voor het fabriceren van dezelfde grootte consumptie fles. Hiervoor zullen de NREU en GHG emissies gecorrigeerd worden voor de daadwerkelijke hoeveelheid die voor één fles worden gebruikt.
Het glas kan geschaald worden naar PEF door beiden met PET te vergelijken. Een studie van Garfi et al. (2016) toont aan dat het gebruik van glazen flessen in de meeste opzichten slechter is dan
petrochemische PET flessen, ook op het gebied van CO2 uitstoot bij de productie fase van de LCA. Indien assumpties worden meegenomen over de verschillende recycling fasen van glas en PET, dan kan een glazen fles op het gebied van CO2 beter scoren. Tevens laat een onder van Arcorsi et al.(2016) zien dat het gebruik van gerecyclede PET olijfolie flessen minder impact op het milieu heeft dan glazen flessen.
Aangezien PET in zijn Life Cycle Analysis veelal goed scoort tegenover glas, lijkt
aannemelijk dat PEF nog beter scoort tegenover glas. Daarom is dit niet verder onderzocht. Wel kan de aanname dat PEF beter scoort dan glas interessant in het geval PEF glas kan vervangen in bijvoorbeeld bierflessen.
Glossary
AAGR Average annual Growth rate CAGR Compound annual Growth rate
C6 Hexose suiker (fructose)
CO2 Koolstofdioxide
EG ethylene glycol
FCDA (C6) 2,5-Furandicarboxylic acid
IV tin
MMF methoxymethyl furfural NREU Non-renewable energy use
O2 Zuurstof
PEF Polyethyleenfuranoaat PET Polyethyleentereftalaat PTA terephthalic acid RMF Alkoxymethyl-fyrfural
27 Literatuurlijst
Accorsi, R., Versari, L., & Manzini, R. (2015). Glass vs. Plastic: Life Cycle Assessment of Extra-Virgin Olive Oil Bottles across Global Supply Chains. Sustainability,7(3), 2818-2840.
Álvarez-Chávez, C. R., Edwards, S., Moure-Eraso, R., & Geiser, K. (2012). Sustainability of bio-based plastics: General comparative analysis and recommendations for improvement. Journal of leaner Production, 23(1), 47-56.
Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Principles of green chemistry. Green chemistry: Theory and practice, 29-56.
Beckman, E. J. (2016). Sustainable chemistry: Putting carbon dioxide to work. Nature,531(7593), 180-181.
Bos, H. L., van den Oever, M. J. A., & Meesters, K. P. H. (2014). Kwantificering van volumes en prijzen van
biobased en fossiele producten in Nederland: de waardepiramide en cascadering in de biobased economy (No.
1493). Wageningen UR Food & Biobased Research.
Chen, L., Pelton, R. E., & Smith, T. M. (2016). Comparative life cycle assessment of fossil and bio-based polyethylene terephthalate (PET) bottles. Journal of Cleaner Production, 137, 667-676.
Clark, J. A. (1988). Economies of scale and scope at depository financial institutions: A review of the literature.
Economic Review, 73(8), 17-33.
Eerhart, A.J.J.E., Faaij, A.P.C., Patel, M.K., Grisel, R.J.H., Huijgen, W.J.J., Van der Linden, R., Iqbal, S., De Jong, E., De Sousa Dias, A. & Van der Waal, J.C.. (2016) Pilot: CATFUR: CATalytic conversion of
lignocelluloses by an Organosolv process into FURan derivatives, Utrecht University
Eerhart, A. J. J. E., Huijgen, W. J. J., Grisel, R. J. H., Van Der Waal, J. C., De Jong, E., de Sousa Dias, A., ... & Patel, M. K. (2014). Fuels and plastics from lignocellulosic biomass via the furan pathway; a technical analysis.
Rsc Advances, 4(7), 3536-3549.
Eerhart, A. J. J. E., Faaij, A. P. C., & Patel, M. K. (2012). Replacing fossil based PET with biobased PEF; process analysis, energy and GHG balance. Energy & Environmental Science, 5(4), 6407-6422.
Garfí, M., Cadena, E., Sanchez-Ramos, D., & Ferrer, I. (2016). Life cycle assessment of drinking water:
Comparing conventional water treatment, reverse osmosis and mineral water in glass and plastic bottles. Journal
of Cleaner Production,137, 997-1003.
Gallezot, P. (2012). ChemInform Abstract: Conversion of Biomass to Selected Chemical Products. ChemInform,
Gleick, P. H., & Cooley, H. S. (2009). Energy implications of bottled water. Environmental Research Letters,
4(1), 014009.
Glenz, W. (2004) Polyethylenterephthalat (PET) Kunststoffe 10/2004, p 76-78
Huppes, G., & Ishikawa, M. (2005). A framework for quantified eco‐efficiency analysis. Journal of Industrial
Ecology, 9(4), 25-41.
Hoe werkt LCA?. RIVM. 13 januari 2017. Op:
http://www.rivm.nl/Onderwerpen/L/Life_Cycle_Assessment_LCA/LCA/Hoe_werkt_LCA
de Jong, E., Higson, A., Walsh, P., & Wellisch, M. (2012). Bio-based chemicals value added products from biorefineries. IEA Bioenergy, Task42 Biorefinery.
Jong, E. D., Dam, M. A., Sipos, L., & Gruter, G. M. (2012). Furandicarboxylic Acid (FDCA), A Versatile Building Block for a Very Interesting Class of Polyesters. ACS Symposium Series Biobased Monomers,
Polymers, and Materials, 1-13. doi:10.1021/bk-2012-1105.ch001
Khan, S., (2016). Stanford MBA Admission Blog. van: http://web.stanford.edu/group/mba/blog/2014/01/e-iper.html
Klooster, R. (2007). Verpakking buitenstebinnen.
Krawielitzki, S., & Kläusli, T. M. (2015). Modified Hydrothermal Carbonization Process for Producing Biobased 5-HMF Platform Chemical. Industrial Biotechnology, 11(1), 6-8.
Ladrak, T. (2012). Biobased Future, Right here. npt procestechnologie.
Lammens, T. M., Potting, J., Sanders, J. P., & De Boer, I. J. (2011). Environmental comparison of biobased chemicals from glutamic acid with their petrochemical equivalents. Environmental science & technology,
45(19), 8521-8528.
Lange, J., & Wyser, Y. (2003). Recent innovations in barrier technologies for plastic packaging—a review.
Packaging Technology and Science, 16(4), 149-158.
Langeveld, J. W. A., Dixon, J., & Jaworski, J. F. (2010). Development perspectives of the biobased economy: a review. Crop Science,50(Supplement_1), S-142.
29 Biobased Research.
Morelli, J. (2013). Environmental sustainability: A definition for environmental professionals. Journal of
Environmental Sustainability, 1(1), 2.
Packaging: market and challenges in 2016 (2016). All4Pack: the global marketplace for packaging.
Pan, X., Xie, D., Yu, R. W., & Saddler, J. N. (2008). The bioconversion of mountain pine beetle‐killed lodgepole pine to fuel ethanol using the organosolv process. Biotechnology and Bioengineering, 101(1), 39-48.
Reith et al. (2011) A step towards the development of a Biorefinery, NPT procestechnologie, 18(1), 26-28
Rosenboom, J. G. (2015). 474244 Ring-Opening Polymerization for 100% Renewables-Based Polyethylene Furanoate (PEF) for the" Green Bottle.
Santhanaraj, D., Rover, M. R., Resasco, D. E., Brown, R. C., & Crossley, S. (2014). Gluconic Acid from Biomass Fast Pyrolysis Oils: Specialty Chemicals from the Thermochemical Conversion of Biomass.
ChemSusChem,7(11), 3132-3137. doi:10.1002/cssc.201402431
Sheldon, R. A. (2014). Green and sustainable manufacture of chemicals from biomass: State of the art. Green
Chem., 16(3), 950-963.
Shen, L., Worrell, E., & Patel, M. K. (2012). Comparing life cycle energy and GHG emissions of bio-based PET, recycled PET, PLA, and man-made cellulosics. Biofuels, Bioproducts and Biorefining,6(6), 625-639.
Stahl, S. S., & Alsters, P. L. (Eds.). (2016). Liquid Phase Aerobic Oxidation Catalysis: Industrial Applications
and Academic Perspectives. John Wiley & Sons.
Taylor, R., Nattrass, L., Alberts, G., Robson, P., Chudziak, C., Bauen, A., ... & Chiaramonti, D. (2015). From
the Sugar Platform to biofuels and biochemicals: Final report for the European Commission Directorate-General Energy. E4tech/Re-CORD/Wageningen UR.
The 12 Principles of Green Chemistry. 14 oktober 2016. Op: http://www.sigmaaldrich.com/chemistry/greener-alternatives/green-chemistry.html
TNS Political & Social network (2013) Attitudes of Europeans towards building the single market for green products : report [online]
Triebl, C., Nikolakis, V., & Ierapetritou, M. (2013). Simulation and economic analysis of
van Velzen, E. T., & Bos-Brouwers, H. E. J. (2012). Analyse Nederlands statiegeldsysteem voor PET flessen:
studie naar kosten, materiaalgebruik en energiegebruik van het Nederlandse statiegeldsysteem voor frisdrank-en waterflessen (No. 1316B). Wageningen UR Food & Biobased Research.
Veeneklaas, F. R., van Eck, W., & Harms, W. B. (1994). De twee kanten van de snip: over economische en
ecologische duurzaamheid van natuur (No. 351). DLO-Staring Centrum.
Viell, J., Harwardt, A., Seiler, J., & Marquardt, W. (2013). Is biomass fractionation by Organosolv-like processes economically viable? A conceptual design study. Bioresource technology, 150, 89-97.
Vohra, M., Manwar, J., Manmode, R., Padgilwar, S., & Patil, S. (2014). Bioethanol production: Feedstock and current technologies. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2(1), 573-584.
Werpy, T., & Petersen, G. (2004). Top Value Added Chemicals from Biomass: Volume I -- Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthesis Gas. U.S. Department of Energy, 3-20.
Willige, R. V., Linssen, J. P. H., Meinders, M. B. J., Stege, H. V. D., & Voragen, A. G. J. (2002). Influence of flavour absorption on oxygen permeation through LDPE, PP, PC and PET plastics food packaging. Food
Additives & Contaminants, 19(3), 303-313.
Zhang, X., Yang, G., Jiang, H., Liu, W., & Ding, H. (2013). Mass production of chemicals from biomass-derived oil by directly atmospheric distillation coupled with co-pyrolysis. Scientific Reports,3.
Zhang, K., Pei, Z., & Wang, D. (2016). Organic solvent pretreatment of lignocellulosic biomass for biofuels and biochemicals: a review. Bioresource technology, 199, 21-33.
Zhu, J. Y., & Pan, X. J. (2010). Woody biomass pretreatment for cellulosic ethanol production: technology and energy consumption evaluation. Bioresource technology, 101(13), 4992-5002.
Appendix I: Interview
31 Interview met Gert-Jan Gruter
bijzonder hoogleraar Industrial Sustainable Chemistry aan de Universiteit van Amsterdam en CTO Avantium
Kunt u ons wat vertellen over wat Avantium doet?
Avantium is in 2000 opgericht. Het is een bedrijf in Amsterdam wat continu bezig is met het testen van katalysatoren testen. Avantium is uniek in de wereld en het is sinds 2006 eigen processen gaan ontwikkeling.
Avantium is bezig met het toepassen van katalyse op koolhydraten door middel van dehydrateren. We zijn bezig met zure katalyse, wat betekent dat het katalyse zonder enzymen is, confessioneel.
door het intermediair oxideren krijg je FCDA (C6) (2,5-Furandicarboxylic acid) in de plaats van TA (terephthalic acid) wat wordt gebruikt bij PET (C8).
De maximale opbrengst die je kan halen is 90%. Je hebt een aantal verliezen en bijproducten. Een optimalisatie naar 100% is niet mogelijk. Dit gebruiken we in bijvoorbeeld asfalt of als binder.
Je kan suikers gebruiken als grondstof voor PEF. Er zijn verschillende generaties voor biobased plastic:
1. Zetmeel – Glucose (mais, graan, aardappel) ---- ZAMBEZIE uit bv houtsnippers. 2. Suiker – Sucrose (lastiger, doordat je eerst moet scheiden)
3. Cellulose – (te moeilijk door lignine en te kostbaar, wordt dus niet gebruikt)
Kunt u wat vertellen over de competitie tussen biobased plastic en voedsel?
Er is inderdaad een ethische kwestie of het goed is om voedsel te gebruiken voor het maken van plastic. Bioplastics nu nog niet met de voedselvoorziening. Maar als je de groei van de
wereldbevolking meerekent dan kan dit in de toekomst wel een groot probleem worden. Daarom richt Avantium zich op de tweede generatie biomassa: de non-food biomassa. Hierbij wordt geen extra land gebruikt, want hiervoor wordt er bioafval gebruikt. Er hoeven dus geen extra bomen te worden gekapt. Hier worden eerst de koolhydraten uitgehaald, en dan pas de lignine als energie.
Zimfina, joint venture. Fabriek in Antwerpen opzetten.
Copernicus instituut: LCA -- PEF vs PET. (Waste & CO2) --- Aardwetenschappen.
Hoe is biobasedplastic (PEF) nu op de markt?
economisch mee achteruit gaan. Om een voorbeeld te geven, Coca Cola moest meer betalen voor de groenere versie van de plantbottles, dit moet dan terug worden verdient met de marketing. Bedrijven hebben er op dit moment veel aan op zich ‘groen’ te promoten, de consumenten reageren hier op. Dit moet tegen elkaar opwegen.
Wat is het verschil in productiekosten tussen PEF en PET?
Wat betreft kosten kan ik alleen in algemene termen praten. Het verschil in productiekosten voor een enkele fles is heel erg klein. We hebben het hier over enkele centen, of misschien niet eens een cent. Maar de markt voor PET is op dit moment 50 miljoen ton per jaar. Je kunt je dan wel voorstellen dat als een bedrijf wil overstappen naar PEF, dit een bedrijf heel erg veel zal kosten. Zolang deze kosten niet door te voeren zijn naar consumenten zal een bedrijf hier niet in willen investeren.
Op dit moment is de productie van PEF veel kleinschaliger dan de productie van PET. Door een investering van 2 miljoen is het mogelijk om 50.000 ton PEF te maken. De reactoren die PET produceren zijn tien keer zo groot. Hoe groter je fabriek, hoe minder logistiek en dus hoe lager de kosten zijn voor de productie. Dit heet economies of scale.
Niemand gaat een miljard investeren, als het nog niet bewezen is dat het werkt. De kilo’s die hier uitkomen zijn altijd duurder omdat het nieuw en kleinschaliger is.
Als het niet mogelijk is om naar exacte prijzen te kijken van de flessen, wat is dan een relevante manier om dit onderzoek te bekijken vanuit economisch perspectief?
Er zijn meerdere manieren om het economisch te benaderen. Voordat wij zelf altijd beginnen met een bepaald project laten wij altijd eerst een econoom kijken naar het project, om te kijken of het relevant is voor de markt. Hier wordt een techno-economische analyse gedaan. Hier zal ik je artikelen over toesturen. Avantium is een heel interdisciplinair bedrijf waar de verschillende disciplines nauw met elkaar samenwerken.
Wat ook interessant is om naar te kijken is, is drop-in (bv suiker gebaseerd etheenglycol). Als je een nieuw product op de markt brengt dan moet er worden gekeken met wat het concurreerd. Als PEF vergelijkbaar is met de eigenschappen van plastic (dus een drop-in), dan is de concurrentie heel lastig. Want PEF is nu nog een stuk duurder dan PET. Het is ook erg belangrijk wat de voorspellingen zijn voor het product. Blijft het product even duur? Of zal het product goedkoper worden als het op grotere schaal gemaakt zal worden? Als het vooruitzicht is dat het goedkoper wordt dan zijn bedrijven eerder geneigd erin te investeren.
33 competitie met PET. Maar eerder met glas of dubbellaags plastic (nylon laagje, om koolstof in de fles te houden). Als dit zo is dan maakt het een stuk interessanter voor bedrijven om te investeren hierin.
Techno-economische evaluatie: analyse van de fabriek, massabalans, hoeveel kost het dan straks per ton. Let dus op het verschil tussen iets nieuws en een drop-in. Als het een plek vindt in de markt vanwege andere eigenschappen, dan kan dat gewoon naast PET. Op dit moment is er bijvoorbeeld alleen bier uit glas te verkrijgen in de supermarkt. Bier uit flesjes bestaat nog niet, omdat de
doorlaatbaarheid van PET plastic te groot is. Met PEF zal dit misschien wel mogelijk zijn. Niemand bereid momenteel om meer te betalen, puur omdat het goed is voor het milieu. Als het product duurder is, zal het dus ook betere eigenschappen moeten hebben.
Wat zijn de voordelen van PEF?
De zuurstof barrière is tien keer beter dan bij plastic. Ook is de koolstof barrière beter. Dit maakt het erg interessant voor bedrijven met koolzuurhoudende dranken. Door deze eigenschappen blijft het product in de fles langer houdbaar.
Als de fles duurder is, geen betere eigenschappen heeft en er geen kostenreductie komt op korte termijn, dan heeft de fles geen kans in de markt.
Alles heeft te maken met consumenten demand en de peer pressure op de consumenten.
Bedrijven gaan pas grote verschillen maken als er belastingen op CO2 gaan komen. Als de
belastingnadelen groter zijn dan de extra kosten om duurzamer te zijn, dan zullen bedrijven vanzelf overstappen.
Sommigen zien de opkomst van PEF als een bedreiging voor PET. Ik zie het als oppurtunity. Het is geen bedreiging. Er is een enorme groei in plastic, 5-6% per jaar. hierdoor is er een kans om een switch te maken naar biobased producten. PET blijft 500 jaar in de natuur, PEF zal rond de 10 jaar zitten.
Biodegradeble breekt sneller af dan cellulose. Op dit moment wordt er heel veel getest naar de afbreekbaarheid.
Recyclen is meestal heel duur. Dus een hoge feedstock concentratie in je oplosmiddel (oplosmiddel gaat weer terug in het systeem – recycle) Er moet al vroeg gekeken worden naar dat soort
