Densification and conversion technologies for bioenergy and advanced biobased material supply chains - a European case study

Abstract

In the upcoming decades, the European Union intends to shift its main input from fossil energy towards renewable sources and technologies. Today, over 60% of primary renewable energy in the EU28 is based on biomass produced by photosynthesis cultivated in forestry and agricultural systems. The current dominance of biomass within the renewable energy sector can be attributed to its cost-effectiveness and to its simplicity in providing renewable space and process heat and in providing a liquid fuel for transportation compared to other renewable alternatives. With this thesis I seek to explore the continuing substitution of fossil carbon-based economic activities with those based on biogenic carbon. I analyse the possible development of both the bioenergy sector and also of new branches of the bioeconomy, replacing those currently based on considerable amounts of fossil carbon. I discuss densification technologies and the way in which they could help to overcome limitations with regard to resource allocation of feedstock with relatively low carbon density, high water content and high heterogeneity, in comparison to current fossil feedstock. Lastly I examine the commoditisation process of resulting densified biomass products. To tackle these issues and related questions, I (1) construct scenarios for the demand of advanced biobased materials; (2) outline and apply a generic biomass-to-end-use chain tool capable of estimating densified bioenergy carrier deployment costs for a high variety of possible relevant supply chains; and (3) perform an econometric analysis to quantify the integration and efficiency of the European market for the currently most-traded densified bioenergy carrier. I find that, while primary biomass supply for bioenergy and advanced biobased materials could grow from about 7 EJ today to 11-17 EJ in 2050 in the EU28, the share of this supply for biobased chemicals - especially biobased plastics and bitumen - could reach 6-15%. Furthermore, I find that densification technologies such as pelletisation, torrefaction and pyrolysis could already reduce heating costs in Europe, and has the potential to cut the cost of lignocellulosic biomass-based electricity, transport fuel and chemical production in the future. If biomass is torrefied before pelletisation, savings of up to 3 €*GJ-1 could be achieved for woodchip-to-FT-synthesis supply chains. Costs saving effects of densification efforts are found to be higher for increased storage times than for increased transportation distances. It can, however, also be demonstrated that European markets for residential heating based on wood pellets are not efficiently integrated today, and that liquidity and competitiveness would have to be altered in order to support the commoditisation process of this product. Therefore, data availability and quality has to be improved to increase transparency and public perception with respect to fungibility of same-quality pellets independent of pellet colour or supply-chain affiliation, e.g. whether regionally or internationally traded.

In den nächsten Jahrzehnten soll die Deckung des Energiebedarfs der Europäischen Union von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Ressourcen verlagert werden. Zurzeit wird über 60% der erneuerbaren Primärenergie in der EU-28 aus Biomasse abgedeckt. Die relative Kosteneffizienz und auch Simplizität der Bioenergie zur Raumwärmeproduktion und zur Produktion von flüssigen Treibstoffen können als mögliche Gründe für die derzeitige Dominanz der Biomasse im Erneuerbarensektor genannt werden. Mit dieser Dissertation möchte ich die aktuellen Substitutionsbemühungen von fossilen- zu biogenen kohlenstoffbasierten ökonomischen Aktivitäten bis 2050 analysieren. Dafür untersuche ich mögliche Entwicklungen im Bioenergiesektor, aber auch von anderen Branchen der Wirtschaft die bis jetzt auf beträchtlichen fossilen Kohlenstoffmengen basieren. Außerdem diskutiere ich Verdichtungstechnologien zur Überwindung der Beschaffungslimitierungen in Bezug auf die relativ geringen Kohlenstoffdichten biogener Rohstoffe. Letzteres erforsche ich den Kommodifizierungsprozess der resultierenden verdichteten Biokohlenstoffträger. Um diese Themen und ihre Fragen zu behandeln (1) erstelle ich Entwicklungszenarien für fortschrittliche Biomaterialien; (2) entwerfe und verwende ich ein generisches Biomasseversorgungskettenmodel und; (3) nutze ich ökonometrische Methoden um die Integration und Effizienz der europäischen Markte für verdichtete biogene Kohlenstoffprodukte zu quantifizieren. Neben einem erwarteten Wachstum der Biomasseversorgung von derzeit 7 EJ auf 11-17 EJ in 2050 weisen die Szenarien zwischen 6-15 % des Biomasseeinsatzes für biobasierte Chemikalien auf. Untersuchte Verdichtungstechnologien können schon jetzt Kosten im Raumwärmesektor und in weiterer Folge auch zur Bereitstellung von Strom sowie flüssigen Biotreibstoffen und auch Chemikalien basierend auf Lignocellulose senken. Ein, der Pelletisierung vorgeschalteter Torrefizierungsprozess könnte Versorgungskettenkosten um bis zu 3 €*GJ-1 senken. Einsparungspotentiale sind bezogen auf Speicherkosten höher als für Transportkosten. Allerdings sind selbst die in den letzten Jahren etablierten europäischen Holzpelletsmärkte zur Raumwärmeproduktion noch nicht effizient integriert. Liquidität und Wettbewerbsfähigkeit müssten verstärkt werden um hier den Kommodifizierungsprozess zu unterstützen. Um die besprochenen Sektoren der Bioökonomie zu stärken ist außerdem eine erhöhte Markttransparenz zentral. Diese sollte von allen Marktteilnehmern unterstützt und auch eingefordert werden. Deutlicher Forschungs- und Handlungsbedarf besteht in Bezug auf Marktdatenverfügbarkeit und Marktdatenqualität. Die Markttransparenz sowie die öffentliche Meinung bezüglich der Vertauschbarkeit von Pellets gleicher Qualität soll dadurch verbessert werden.