Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4224
Main Title: Biomass upgrading technologies for carbon-neutral and carbon-negative electricity generation
Subtitle: Techno-economic analysis of hydrothermal carbonization and comparison with wood pelletizing, torrefaction and anaerobic digestion
Translated Title: Biomasseveredelung zur CO2-neutralen und CO2-negativen Stromerzeugung
Translated Subtitle: techno-ökonomische Analyse der hydrothermalen Karbonisierung und Vergleich mit Holzpelletierung, Torrefizierung und anaerober Vergärung
Author(s): Erlach, Berit
Referee(s): Tsatsaronis, George
Westermark, Mats
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Biomasse hat sich in den letzten Jahren zu einem international gehandelten Brennstoff entwickelt. Aufbereiteten Biobrennstoffen wie Holzpellets oder torrefiziertem Holz kommt vor diesem Hintergrund eine besondere Bedeutung zu, da sie fur Transport und Lagerung besser geeignet sind als unbehandelte Biomasse. Die hydrothermale Karbonisierung (HTC) ist ein Verfahren, welches die Herstellung eines kohleähnlichen Festbrennstoffs aus Biomasse ermöglicht. In dieser Arbeit wird die HTC unter technisch-wirtschaftlichen Aspekten untersucht und mit konkurrierenden Verfahren der Biomasseaufbereitung verglichen. Im ersten Teil der Arbeit werden HTC, Holzpelletierung, Torrefizierung und Biogaserzeugung anhand von Energieeffizienz, Treibhausgasemissionen und Produktionskosten bewertet. Der betrachtete Einsatzfall der Biobrennstoffe ist dabei der Ersatz von fossilen Brennstoffen in Bestandskraftwerken. Im zweiten Teil wird die Bedeutung der Aufbereitungsverfahren fur die Biomasseverstromung mit CO2-Abtrennung (BECCS) untersucht. Torrefizierung und HTC zerstören die faserige Struktur der Biomasse und ermöglichen so ihren Einsatz in Flugstromvergasern. Torrefizierung oder HTC gefolgt von Flugstromvergasung wird verglichen mit der Wirbelschichtvergasung von unbehandeltem Holz. Die untersuchten Prozesse werden mit dem Simulationsprogramm Aspen Plus modelliert und anhand von Exergieanalyse thermodynamisch bewertet. Fur die HTC werden darüber hinaus mit Hilfe einer exergoökonomischen Analyse Potenziale zur Reduktion der Produktionskosten identifiziert. Die Transportkosten fur die Biomasse werden mit einem einfachen Modell fur die Lieferkette in Abhängigkeit von der Anlagenkapazitat abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigen, dass HTC nur dann mit Holzpelletierung konkurrenzfähig ist, wenn biogene Abfälle als Einsatzstoff verwendet werden. Hierfür müssen ganzjährig große Abfallmengen, um die 100 kt/a, zur Verfügung stehen. Geeignete Einsatzstoffe sind kommunale Grünabfälle und leere Fruchtstände aus der Palmölproduktion. Die Exergienanalyse zeigt, dass bei allen Verfahren zur Herstellung fester Biobrennstoffe die Trocknung der Rohbiomasse oder des aufbereiteten Brennstoffs fur eine großen Teil der Exergievernichtung verantwortlich ist. Bei HTC und Biogaserzeugung treten außerdem hohe Exergieverluste durch Abwasser bzw. Gärrest auf. Potenzielle Masnahmen zur Effizienzverbesserung und Kostenreduktion bei der HTC beinhalten eine effiziente Wärmerückgewinnung, Trocknung in Dampfatmosphäre, und Biogasgewinnung aus dem Abgas. Daruber hinaus konnte die wärmeseitige Integration des HTC-Prozesses in ein Dampfkraftwerk die Vorwärmung der Biomasse vereinfachen und die Kosten reduzieren. Beim Einsatz in Kraftwerken mit Biomassevergasung und CO2-Abscheidung bietet Flugstromvergasung von torrefiziertem Holz oder HTC-Kohle einen höheren Wirkungsgrad gegenüber der Wirbelschichtvergasung von unbehandeltem Holz. Allerdings kann der Effizienzgewinn im Kraftwerksprozess die Umwandlungsverluste der Biomasseaufbereitung nicht kompensieren. Zudem ist die CO2-Abscheiderate bezogen auf den Kohlenstoff der Rohbiomasse bei dem Konversionspfad über Torrefizierung oder HTC mit 66–69% deutlich niedriger als bei der direkten Vergasung der Biomasse mit 82–86%. Ist der CO2-Preis ausreichend hoch, um CO2-Abscheidung in fossil gefeuerten Kraftwerken rentabel zu machen, so sind auch einige der untersuchten BECCS-Konzepte nahezu konkurrenzfähig.
Biomass is increasingly becoming an internationally traded commodity fuel. In this context, biomass upgrading technologies such as torrefaction and hydrothermal carbonization (HTC), which increase the energy density and improve the storability and handling of the biomass, have recently gained attention. This work provides a techno-economic assessment of commercial-scale HTC plants and their competing technologies. In the first part of this work, energetic efficiency, GHG emissions and costs of HTC are compared to those of wood pelletizing, torrefaction and anaerobic digestion. Moreover, the substitution of fossil fuels by the aforementioned biofuels in existing power stations is analyzed. The second part focusses on the potential role of biomass upgrading technologiesfor bioenergy with carbon capture and storage (BECCS). Torrefaction and HTC cause the biomass to lose its fibrous structure, thus facilitating entrained flow gasification. In order to investigate the merits of this conversion pathway, torrefaction or HTC followed by entrained flow gasification is compared to the direct fluidized bed gasification of raw wood. The analysis is based on flowsheet simulations created with Aspen Plus. Exergy analysis is employed to locate thermodynamic losses within the respective processes. Exergoeconomic analysis is applied to the HTC plant design to reveal potentials for reducing the biocoal production costs. A simple model of the entire supply chain is developed in order to assess the costs and GHG emissions related to biomass and biofuel transport and storage and their dependency on the plant capacity. The results indicate that HTC can only be economically competitive with conventional wood pelletizing if waste biomass is used as a feedstock. Depending on the remuneration for waste disposal, relatively large processing capacities of up to 100 kt/a of feedstock are required year-round to make HTC an economically viable proposition. Potential feedstocks include park and gardening waste and empty fruit bunches from palm oil production. Exergy analysis reveals that drying of the feedstock or biofuel is the most significant source of exergy destruction in all the analyzed processes generating solid biofuels. HTC and anaerobic digestion also suffer large exergy losses through their waste streams. Measures to improve the efficiency and cost of HTC include efficient heat recovery, drying in superheated steam, and using the waste water to produce biogas. Integration of HTC with a rankine-cycle CHP plant may reduce the biocoal production cost and increase operability by omitting the complex heat recovery scheme required for a standalone HTC plant. IGCC power plants with carbon capture are more efficient when employing entrained flow gasification fired on torrefied wood or HTC biocoal than when using fluidized bed gasification of raw wood. However, the higher efficiency of the IGCC cannot compensate for the conversion losses of the biomass upgrading. Moreover, the carbon capture rate for scenarios with biomass upgrading is only 66–69%, compared to 82–86% for the direct fluidized bed gasification of the raw biomass. The unit cost of electricity generated by the BECCS plants is strongly dependent on the CO2 price. The results indicate that if the carbon price is sufficiently high to incentivize CCS from fossil fuels, then favourable BECCS configurations are also close to economic viability.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-58104
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4521
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4224
Exam Date: 4-Jul-2014
Issue Date: 5-Nov-2014
Date Available: 5-Nov-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Bioenergie
Biokohle
CCS
Hydrothermale Karbonisierung
Torrefizierung
Biocoal
Bioenergy
Carbon capture
Hydrothermal carbonization
Torrefaction
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/
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