Economic and environmental assessment of CO2-derived and biomass based gases

Abstract

Diese Arbeit präsentiert umfassende ökonomische und ökologische Analysen der Produktion von erneuerbarem Methan aus Biomasse und Kohlenstoffdioxid (CO2). Die Motivation liegt in der Reduktion von Treibhausgasemissionen durch die Integration der erneuerbaren Gase Biomethan, Bio-synthetisches Erdgas (Bio-SNG) und E-Methan in das Energiesystem. Durch die Kombination von techno-ökonomischer Bewertung, Treibhausgasbilanzierung und regionaler Energiesystemmodellierung wird der mögliche Beitrag dieser Gase zum Übergang in ein nachhaltiges Energiesystem bewertet. Die Analyse zeigt, dass die kleinskalige Produktion von E-Methan unter Verwendung von CO2 aus biogenen Prozessen zwar technisch umsetzbar ist, unter den derzeitigen Marktbedingungen jedoch wirtschaftlich herausfordernd bleibt. Selbst unter optimistischen Annahmen bezüglich CO2-Bepreisung und technologischer Lernkurven liegen die Produktionskosten über den Marktpreisen von Erdgas.Die Integration von Wasserstoff in die Biomethan- und Bio-SNG-Produktion erweist sich als vorteilhafter, da sie die Methanausbeute steigert und die Kohlenstoffnutzung verbessert. Ein hybrides Energieversorgungsmodell, das Wind-, Photovoltaik- und Netzstrom kombiniert, wird eingesetzt, um die Stromkosten für die Bereitstellung von Wasserstoff zu minimieren. Darüber hinaus wird das Potenzial von E-Methanerzeugung durch Verwendung von Überschussstrom am Fallbeispiel regionaler japanischer Energiesysteme untersucht. Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass überschüssiger Strom aus Offshore-Windenergie unter bestimmten Aspekten wirtschaftlich in E-Methan umgewandelt werden kann. Dadurch kann die regionale Gasautarkie gestärkt und die Abhängigkeit von importiertem Flüssigerdgas (LNG) verringert werden. Die wirtschaftliche Tragfähigkeit dieses Ansatzes hängt jedoch stark von den Strompreisen, den Volllaststunden und der Dynamik des LNG-Marktes ab. Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung erneuerbarer Gase als strategische Bestandteile innerhalb eines erneuerbaren Energiesystems. Ihr systemischer Wert liegt in ihrer Fähigkeit, Energie zu speichern, Abfall- und Reststoffströme zu integrieren und schwer zu elektrifizierende Bereiche zu unterstützen. Der erfolgreiche Einsatz von erneuerbaren Gasen wird von fortlaufender technologischer Innovation und den politischen Rahmenbedingungen abhängen, die ihre vielfältigen Zusatznutzen anerkennen und fördern.

This thesis presents a comprehensive analysis of the economic feasibility and emission reduction potential of renewable methane production derived from biomass resources and carbon dioxide (CO2). The motivation lies within the broader context of greenhouse gas emission reduction and investigates the integration of renewable gases, namely biomethane, bio-synthetic natural gas (bio-SNG) and e-methane, into the energy system. Through a combination of techno-economic assessment, greenhouse gas emission balances and regional energy system modelling, the thesis evaluates the role of these gases as strategic components in the transition toward a defossilised energy system.The analysis demonstrates that small-scale synthetic methane production using CO2 from biomass-based processes, while technically feasible, remains economically challenging under current market conditions. Even with optimistic assumptions regarding carbon pricing and technological learning, production costs exceed market prices of fossil-based natural gas. The integration of hydrogen into biomethane and bio-SNG production is shown to enhance methane yields and improve carbon utilization. A hybrid energy supply model, combining wind, photovoltaic and grid electricity, is employed to reduce the electricity costs for hydrogen supply. The study further examines how e-methane can mitigate renewable energy curtailment in regional energy systems, focusing on Japan. Modelling results indicate that surplus electricity, particularly from offshore wind can be converted into e-methane under specific conditions, thereby enhancing regional gas self-sufficiency and reducing reliance on imported liquefied natural gas (LNG). However, the economic feasibility of this approach is highly sensitive to electricity prices, full-load hours and LNG market dynamics.The findings underscore the importance of renewable gases as strategic enablers within a renewable energy system. Their systemic value lies in the capacity to provide energy balancing, integration of waste and residue streams and support hard-to-abate sectors. The successful deployment of renewable methane technologies will depend on continued technological innovation, robust carbon pricing mechanisms and policy frameworks that recognize and reward their co-benefits.