Optimization of a process concept for the industrial production of Bio-SNG from low-grade fuels

Abstract

Im Zuge des steigenden globalen Energiebedarfs und der gleichzeitigen Notwendigkeit der Reduzierung von Schadstoffemissionen stellt sich die Frage, wie die Menschheit eine globale nachhaltige Entwicklung für die (nahe) Zukunft sicherstellen kann. Im Hinblick auf die ehrgeizigen Ziele des Pariser Abkommens 2015 müssen innovative Energietechnologien entwickelt werden, um grüne und bezahlbare Energie bereitstellen zu können. Synthetisches Erdgas aus vergaster Biomasse (Bio-SNG) ist ein Vertreter von Biokraftstoffen zweiter Generation, das durch die Substitution von fossilem Erdgas zur Defossilisierung beitragen kann. Bisherige Entwicklungen haben gezeigt, dass die Produktion von synthetischem Erdgas in Kombination mit der Zweibettwirbelschicht-Dampfvergasung technisch umsetzbar ist. Allerdings kann das Verfahren aus wirtschaftlicher Sicht nur schwer mit fossilem Erdgas konkurrieren, wenn hochwertige, holzartige Biomasse als Brennstoff für den Vergasungsprozess eingesetzt wird. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein optimiertes Konzept für die industrielle Herstellung von synthetischem Erdgas aus einem minderwertigen Brennstoff (Klärschlamm) ausgehend von der Zweibettwirbelschicht-Dampfvergasung erarbeitet werden. Die Prozesskette wurde basierend auf dem aktuellen Stand des Wissens konzipiert und in ein Simulationsmodell übergeführt. Mithilfe dieses Simulationsmodells, experimenteller Daten aus der 100 kWth Pilotanlage der TU Wien und relevanter Literaturwerten wurde eine techno-ökonomische Analyse zur Beurteilung der Konkurrenzfähigkeit der vorgestellten Anlage durchgeführt. Um einen maximalen Kohlenstoff-Umsatz und eine hohe SNG-Ausbeute zu gewährleisten, wird direkt vor der Methanierung erneuerbarer Wasserstoff aus einer externen Elektrolyseanlage zudosiert. Für den Prozess konnte so ein globaler Kaltgaswirkungsgrad von 59,4 % erreicht werden, der mit typischen Werten für Verfahren zur synthetischen Erdgaserzeugung übereinstimmt. Das wirtschaftliche Abschneiden des Prozesses hängt wesentlich von einigen Faktoren, wie dem Wasserstoff- und dem Brennstoffpreis, ab und wurde quantitativ für verschiedene Szenarien ermittelt. Der Vergleich innerhalb einer technoökonomischen Fallstudie samt einer anschließenden Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die Technologie bei günstigen Rahmenbedingungen, wie beispielweise niedrigen Wasserstoffpreisen, Investitionszuschüssen und/oder der richtigen Prozessgestaltung, mehr als konkurrenzfähig zur Energieversorgung mit fossilem Erdgas sein kann.

In the wake of the rising global energy demand and the simultaneous need for the reduction of harmful emissions, the question arises how mankind can ensure a global sustainable development for the (near) future. With a view to the ambitious targets of the Paris Agreement 2015, innovative energy technologies have to be developed to provide green and affordable energy. In this context synthetic natural gas from gasified biomass (Bio-SNG) represents one of the alternatives among second generation biofuels, which can contribute to defossilization by substituting conventional natural gas. Previous developments have shown that the production of Bio-SNG is technically feasible in combination with the dual fluidized bed steam gasification. However, the technology struggles to compete economically with fossil natural gas, when highquality woody biomass is utilized for the gasification process. Within the scope of this work, an optimized concept for the industrial production of Bio-SNG from a low-value fuel (sewage sludge) based on the dual fluidized bed steam gasification is presented. Backed by the current state of knowledge in this area, a process chain was developed and implemented in a simulation model. With the aid of this simulation model, experimental data from the 100 kWth pilot plant at TU Wien and values from literature, a technoeconomic evaluation was carried out to assess the performance of the presented process chain. To ensure a maximum fuel carbon utilization, renewable hydrogen is fed externally to the methanation section of the plant. For sewage sludge a global cold gas efficiency of 59.4 % could be achieved, which is in accordance with typical values for Bio-SNG processes. The economic performance depends on several factors, especially on the hydrogen- and the fuelpurchase price, and was quantified in different scenarios. The comparison within a business case and a subsequent sensitivity analysis showed that with favorable circumstances, such as low hydrogen-prices, investment subsidies, and/or the right process set-up, the technology is more than capable of competing with the energy supply by fossil natural gas.