Synthetic natural gas from woody biomass

Abstract

Evolution has allowed humankind to prosper and flourish, culminating in unparalleled growth and abundance where a sustainable existence seems unfeasible. The exorbitant resource consumption and greenhouse gas emissions must be reduced dramatically to reach climate neutrality and lay down a sustainable pathway for future generations. Sustainable energy carriers are one technical solution to contribute to these goals. A promising approach to partially replace natural gas is dual fluidized bed (DFB) gasification of biomass and catalytic fluidized bed methanation to synthetic natural gas. Dual fluidized bed gasification is an established technology that produces a nearly nitrogen-free product gas that has been utilized for heat and electricity generation and demonstrations of synthetic natural gas production. The demonstrations showed that technical and economic issues must be addressed to prepare for successful commercialization. Methanation in adiabatic fixed-bed reactors is already well-known from coal-based production plants and is applied to syngas methanation from biomass alike. However, fluidized bed reactors offer the advantage of an increased heat transfer and less risk of carbon deposition on the catalyst, allowing for a simpler process layout.Hence, this work aims to elaborate on innovative concepts that increase the efficiency, the carbon utilization of the biomass, and the gas quality while simultaneously reducing the complexity of the process and creating economic advantages. The investigations include i) thermodynamic analyses of methanation, ii) design, construction, and investigation of a 10 kW fluidized bed methanation reactor and gas cleaning units, iii) investigation of a full process chain including a 100 kWth advanced dual fluidized bed pilot plant, and, iv) conceptualization, simulation, techno-economic analysis, and CO2 footprint calculations of industrial scale synthetic natural gas production from woody biomass.The results lead to the conclusion that unpressurized fluidized bed methanation with an optimized catalyst in combination with a fixed-bed polishing reactor and advanced dual fluidized bed gasification represents an attractive concept that leads to compliance with the specified thresholds of the natural gas grid (e.g. CO < 0.1 mol.-%) and reduces the electricity consumption by 17%–38%. From an economic point of view, the process can almost compete with industrial natural gas prices at around 90 e/MW h in 2022, presuming revenues from secondary products like district heat and CO2. If revenues from CO2 are unlikely, sorption enhanced reforming, an advanced operation mode of dual fluidized bed gasification with in-situ CO2 removal, leads to a significant cost reduction requiring fewer and smaller equipment. Ecologically favorable hybrid concepts with external H2 addition allow a doubling of the carbon utilization of the biomass but penalize the economic feasibility by increasing production costs by roughly 60%.Overall, synthetic natural gas from woody biomass could lead to a CO2 reduction potential of 12%–39% when applied in the Austrian energy or industrial sectors, thus significantly contributing to the national climate targets.

Die Evolution hat es der Menschheit ermöglicht, sich ungestört zu entwickeln und entfalten, was zu einem beispiellosen Wachstum und Überfluss geführt hat, bei dem eine nachhaltige Existenz nicht mehr möglich scheint. Der exorbitante Ressourcenverbrauch und die Treibhausgasemissionen müssen drastisch gesenkt werden, um Klimaneutralität zu erreichen und einen nachhaltigen Weg für künftige Generationen zu ebnen. Nachhaltige Energieträger stellen eine technische Lösung dar, um diesem Ziel näherzukommen. Ein vielversprechender Ansatz, um Erdgas teilweise zu ersetzen, könnte die Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung (DFB) aus Biomasse und die katalytische Wirbelschichtmethanierung zu synthetischem Erdgas sein. Die Zweibettwirbelschichttechnologie hat sich zur Erzeugung von Strom und Wärme bereits etabliert. Durch das erzeugte, nahezu stickstofffreie Produktgas wurde die Technologie auch zur Produktion von synthetischem Erdgas bereits demonstriert. Im Hinblick auf technische und ökonomische Aspekte bedarf es jedoch einer Weiterentwicklung der bisher betriebenen Demonstrationsanlagen. An sich ist die Methanierung in adiabatischen Festbettreaktoren bereits aus kohlebasierten Anlagen bekannt und wird auch bei der Methanierung von Synthesegas aus Biomasse angewandt. Wirbelschichtreaktoren bieten jedoch den Vorteil eines verbesserten Wärmetransports und eines geringeren Risikos von Kohlenstoffablagerungen auf dem Katalysator, wodurch eine einfachere Prozessgestaltung ermöglicht wird.Ziel dieser Arbeit ist es daher, innovative Konzepte zu erarbeiten, die die Effizienz, den Biomasse-Kohlenstoffnutzungsgrad und die Gasqualität erhöhen, und gleichzeitig eine Reduktion der Prozesskomplexität und eine Senkung der Produktionskosten erreichen. Die Untersuchungen umfassen i) thermodynamische Analysen der Methanierung, ii) Entwurf, Bau und Untersuchung eines 10 kW Wirbelschicht-Methanierungsreaktors sowie von Gasreinigungsapparaten, iii) Untersuchung einer vollständigen Prozesskette, einschließlich einer 100 kWth Zweibettwirbelschicht-Pilotanlage, und, iv) Konzeption, Simulation, techno-ökonomische Analyse und Berechnung des CO2-Fußabdrucks von industriellen Konzepten zur Erzeugung von synthetischem Erdgas aus Biomasse. Aus den Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass eine drucklose Wirbelschichtmethanierung mit optimiertem Katalysator in Kombination mit einem Festbett-Polishing-Reaktor und der Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung ein attraktives Konzept darstellt, welches zu einem hochwertigen Gas entsprechend den Anforderungen des Gasnetzes (z.B. CO < 0, 1 mol-%), bei einer gleichzeitigen Senkung des Stromverbrauchs von 17–38 %, führt. Mit Produktionskosten von circa 90 e/MW h im Jahr 2022 kann das so erzeugte synthetische Erdgas annähernd mit großtechnisch gehandelten Erdgaspreisen konkurrieren, wobei Einnahmen aus Beiprodukten wie Fernwärme und CO2 vorausgesetzt werden. Sind Einnahmen aus CO2 nicht zu erwarten, führt die sorptions-gestützte Gaserzeugung (SER), eine spezielle Betriebsart der Zweibettwirbelschichttechnologie mit in-situ CO2-Abscheidung, zu einer erheblichen Kostenreduktion mit weniger und kleineren Anlagenkomponenten. Ökologisch relevante Hybridkonzepte, mit externer H2-Zudosierung, ermöglichen eine Verdopplung des Biomasse-Kohlenstoffnutzungsgrads, beeinträchtigen aber die wirtschaftliche Machbarkeit durch eine Erhöhung der Produktionskosten um etwa 60 %.Allgemein erlaubt die Produktion von synthetischem Erdgas aus holzartiger Biomasse ein CO2-Reduktionspotential von 12–39 % bei Anwendung im österreichischen Energie- oder Industriesektor und kann somit einen wertvollen Beitrag zum Erreichen der nationalen Klimaziele leisten.