Biomass upgrading technologies for carbon-neutral and carbon-negative electricity generation. Techno-economic analysis of hydrothermal carbonization and comparison with wood pelletizing, torrefaction and anaerobic digestion. [Biomasseveredelung zur CO2-neutralen und CO2-negativen Stromerzeugung. Techno-ökonomische Analyse der hydrothermalen Karbonisierung und Vergleich mit Holzpelletierung, Torrefizierung und anaerober Vergärung.]

Abstract

In der Arbeit wird die HTC (hydrothermal carbonization) 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 für die Biomasseverstromung mit CO2-Abtrennung (BECCS) untersucht. Die untersuchten Prozesse werden mit dem Simulationsprogramm Aspen Plus modelliert und anhand von Exergieanalyse thermodynamisch bewertet. Für die HTC werden darüber hinaus mit Hilfe einer exergoökonomischen Analyse Potenziale zur Reduktion der Produktionskosten identifiziert. Die Transportkosten für die Biomasse werden mit einem einfachen Modell für die Lieferkette in Abhängigkeit von der Anlagenkapazität 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 für eine großen Teil der Exergievernichtung verantwortlich ist. Bei HTC und Biogaserzeugung treten außerdem hohe Exergieverluste durch Abwasser bzw. Gärrest auf. Potenzielle Maßnahmen zur Effizienzverbesserung und Kostenreduktion bei der HTC beinhalten eine effiziente Wärmerückgewinnung, Trocknung in Dampfatmosphäre und Biogasgewinnung aus dem Abgas.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.