Outwitting the dilemma of scale : cost and energy efficient scale-down of the Fischer-Tropsch fuel production from biomass

Abstract

Durch die aktuellen Entwicklungen im Zusammenhang mit der Verringerung der CO2-Emissionen sowie der Sicherung der Versorgungssicherheit in Europa ergibt sich ein bereits kurz- und mittelfristig großer Bedarf an Biokraftstoffen. Die Erzeugung von synthetischen Biokraftstoffen stellt einen durch große Flexibilität im Hinblick auf die einsetzbaren Rohstoffe und die produzierbaren Kraftstoffe gekennzeichneten Weg dar. Dies erscheint angesichts der ambitionierten politischen Ziele unbedingt nötig, und bringt den Vorteil der uneingeschränkten Nutzbarkeit der bestehenden Infrastruktur mit sich.<br />Neben den herausstehenden Produkteigenschaften und der ökologischen Vorteilhaftigkeit ist es jedoch auch ein notwendiger Anspruch, die Herstellungs- und CO2-Einsparungskosten möglichst gering zu halten. Aus diesem Grunde wurde und wird von vielen Autoren die Ansicht vertreten, derartige Fischer-Tropsch Syntheseanlagen müssten sehr groß gebaut werden, um durch Größenvorteile (Economies of Scale) entsprechende Kostensenkungen zu erreichen.<br />Demgegenüber besteht jedoch das Bestreben, den Charme kleinerer, dezentraler Produktionsstätten zu nutzen, welche durch hohe Flexibilität, geringeres Risiko, größtmögliche CO2-Vermeidung durch die Nutzung von Niedertemperaturwärme als Fernheizmedium sowie regionale Beschäftigungs- und Entwicklungspotentiale nicht nur ökologisch, sondern auch volkswirtschaftlich vielversprechend sind. Allerdings standen diesen Bereitstellungskonzepten stets die vergleichsweise deutlich höheren Produktionskosten entgegen.<br />In dieser Arbeit wurden daher Möglichkeiten gesucht, die eine Verkleinerung von biomassebasierten Fischer-Tropsch Anlagen bei weiterhin geringen Produktionskosten zulassen. Zu diesem Zweck sind radikale Veränderungen im Herstellungsprozess erforderlich. Diese wurden mittels Computersimulation analysiert und optimiert. So konnte durch Kombination von innovativer Synthesetechnologie und einer angepassten Produktstrategie, der sogenannten "Polygeneration", eine erhebliche Kostenreduktion und damit die Konkurrenzfähigkeit im kleineren Leistungsbereich von 50 MW Biomasseinput mit Großanlagen im Gigawatt-Maßstab erreicht werden.

As a result of increasing concerns about both CO2 accumulation in the atmosphere and security of supply of crude oil and natural gas especially in Europe, biofuels play an increasingly important role. In order to combine high fuel qualities with maximized yields per acre of land, so-called second-generation, synthetic biofuels have been identified as advantageous for the future. Fischer-Tropsch fuels which are obtained via biomass gasification and subsequent catalytic conversion of the syngas compounds H2 and CO are one highly promising technology in this field.<br />Besides product-related benefits, Fischer-Tropsch fuel production costs have to be kept to a minimum so as to guarantee lowest possible CO2 avoidance costs. For this reason, it is commonly argued that FT-production facilities must be very large so as to take advantage of economies of scale, which lead to decreasing specific fixed costs with increasing plant size. However, at the same time there is great interest in small scale facilities, as there not only risks are minimized, regional development is enhanced, and flexibility is gained, but also CO2-savings are amplified. Given the advantages of small scale biofuel production, in this work the challenge of finding ways for a cost and energy efficient down-scale of the Fischer-Tropsch synthesis was taken on. As obviously the commonly employed FT-conversion system that is based on entrained-flow oxygen gasification is not applicable in the small scale, significant changes in the conversion chain are required. With adequate process design, including the introduction of the so-called "polygeneration" strategy that involves co-generating fuels, power and district heat, the production costs were reduced significantly. Thus, the scale-down to systems that preserve the advantages of small scale and are competitive with gigawatt-scale plants was achieved.<br />