Evaluation of dual fluidized bed biomass gasification plants generating electricity, valuable gases, and district heat

Abstract

Im Zuge des Klimagipfels in Paris haben sich die unterzeichnenden Länder dazu verpflichtet ihre CO2 Emissionen zu verringern, um die globale Erwärmung auf 1.5 °C zu beschränken. Um dieses Ziel zu erreichen, ist der vermehrte Einsatz von erneuerbaren Energieträgern erforderlich. Erneuerbare Energieträger spielen bereits heute eine wichtige Rolle in Österreichs Stromsektor. Über 70 % des Elektrizitätsbedarfs werden mittels erneuerbaren Energien erzeugt. Im Gegensatz dazu sind der Transportsektor und die Industrie sehr stark von fossilen Energieträgern abhängig. Biomasse, besonders feste Biomasse wie Hackschnitzel, besitzt noch großes Potential für verschiedene Anwendungen und kann einen Beitrag zur Reduktion der CO2 Emissionen leisten. Um dieses Potential zu nutzen, bietet sich die Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasung an. Diese bietet hohe Effizienz und Flexibilität hinsichtlich der Produkte. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit verschiedene Prozesse zur Erzeugung von Elektrizität, hochwertigen Gasen (Wasserstoff, synthetisches Erdgas und eine Gasmischung bestehend aus Wasserstoff und Methan) und Fernwärme untersucht. In weiterer Folge wurde die techno-ökonomische Machbarkeit sowie deren wichtigsten Einflussgrößen ermittelt. Ausgangspunkt für die Berechnungen war eine belastbare Datenbasis bestehend aus Daten kommerzieller Vergasungsanlagen, Experimenten, die im Laufe dieser Arbeit entstanden sind, und einer umfangreichen Literaturstudie. Mit diesen Daten wurden Massen - und Energiebilanzen der untersuchten Prozesse berechnet. Um die technische Machbarkeit zu untersuchen, wurde die Wärmeintegration der Prozesse untersucht, bevor die techno-ökonomische Machbarkeit für Anlagen mit Brennstoffwärmeleistungen von 10, 50, und 100 MW evaluiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass gezielte Fördermaßnahmen notwendig sind, damit die untersuchten Prozesse wirtschaftlich betrieben werden können. Den größten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit hat der energetische Wirkungsgrad vor den jährlichen Betriebsstunden, den Investitionskosten und dem Holzpreis.

Global warming led to the Paris agreement which was signed by the majority of all countries in order to reduce the CO2 emission to keep the global temperature increase below 1.5 °C. Therefore, a shift towards renewable energy carriers is necessary. Renewable energy carriers already have a high share in Austria's electricity sector. More than 70 % of the electricity demand is met by renewable sources. However, the industrial sector and the transportation sector highly depend on fossil energy carriers. In contrast, biomass, especially solid biomass like wood chips, has still a high utilization potential for different processes in Austria. In order to use this potential and to reduce the CO2 emissions, dual fluidized bed biomass steam gasification with its high efficiency and product flexibility can be employed. Therefore, different processes for the production of electricity, valuable gases (hydrogen, synthetic natural gas, and a gas mixture composed of hydrogen and methane), and district heat were investigated in this thesis. The techno-economic feasibility of the investigated processes was evaluated as well as its most significant influencing parameters. Therefore, a robust and reliable data basis derived from commercial gasification plant data, experimental work carried out as part of this thesis, and an extensive literature review was used. With this data basis, mass and energy balances of the investigated processes were calculated. Subsequently, pinch analyses were carried out in order to prove the technical feasibility of the process layouts before the techno-economic assessments for fuel capacities of 10, 50, and 100 MW were evaluated. The results show that governmental support and subsidies are necessary for an economically feasible operation of the investigated processes. The most significant influencing parameters of the economic feasibility are the production efficiency, the annual operating hours, the investment costs, and the feedstock price.