Shaping Future Opportunities for Biomass Gasification - The Role of Integration
Doktorsavhandling, 2020
A considerable number of studies indicate that biofuels produced from lignocellulosic biomass will most probably play a significant role in achieving the climate goals stated in the Paris agreement. Several candidate technologies could be implemented to produce these fuels, and one of the most promising is thermal gasification. Gasification is a robust technology that has been demonstrated successfully at industrial scale and shown to be able to achieve high conversion efficiencies and relatively low production costs. However, there are currently no large-scale plants in operation or under construction, since such plants are unable to compete with their fossil counterparts under current conditions. This thesis explores how different forms and levels of integration could facilitate deployment of large-scale biomass gasification for future production of biofuels. Three levels of integration are considered, a technological level, a process level and a value-chain level. Different integration concepts are then assessed with respect to these levels. From a technology perspective, the implications of switching feedstock are studied. At the process level, heat integration with existing sawmill plants as well as integration of an electrolyser unit with a gasification plant are investigated. From a value chain perspective, integration with the value chain for producing fuels for use the Swedish iron and steel industry is considered, as well as integration with the electricity system.
The results presented in this thesis indicate that the different integration options investigated can contribute to making biofuel production through biomass gasification more cost-efficient. Switching gasifier feedstock can lower biofuel production costs by up to 42%. Efficient heat integration with sawmills is the most attractive option to decrease production costs from a plant-owner perspective. Integration of a flexible gasification unit equipped with CO2 capture capacity for either long-term storage or re-use as feedstock for biomethane production through the Sabatier reaction with hydrogen produced through electrolysis increases the economic competitiveness of the gasification unit, while stimulating increased construction of renewable electricity generation capacity. The thesis thus demonstrates that well-planned integration of biomass gasification plants can contribute significantly to making the technology more competitive
The results presented in this thesis indicate that the different integration options investigated can contribute to making biofuel production through biomass gasification more cost-efficient. Switching gasifier feedstock can lower biofuel production costs by up to 42%. Efficient heat integration with sawmills is the most attractive option to decrease production costs from a plant-owner perspective. Integration of a flexible gasification unit equipped with CO2 capture capacity for either long-term storage or re-use as feedstock for biomethane production through the Sabatier reaction with hydrogen produced through electrolysis increases the economic competitiveness of the gasification unit, while stimulating increased construction of renewable electricity generation capacity. The thesis thus demonstrates that well-planned integration of biomass gasification plants can contribute significantly to making the technology more competitive
hydrogen
heat integration
Gasification
sawmill
SNG
power-to-gas
Biomethane
Biorefinery
process integration
Författare
Johan Ahlström
Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Energiteknik
Bark as feedstock for dual fluidized bed gasifiers. Operability, efficiency, and economics
International Journal of Energy Research,;Vol. 43(2019)p. 1171-1190
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Value chains for integrated production of liquefied bio-SNG at sawmill sites – Techno-economic and carbon footprint evaluation
Applied Energy,;Vol. 206(2017)p. 1590-1608
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Economic potential for substitution of fossil fuels with liquefied biomethane in Swedish iron and steel industry – Synergy and competition with other sectors
Energy Conversion and Management,;Vol. 209(2020)
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Large-scale introduction of forest-based biorefineries: Actor perspectives and the impacts of a dynamic biomass market
Biomass and Bioenergy,;Vol. 142(2020)
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Forest residues gasification integrated with electrolysis for production of SNG – modelling and assessment
Computer Aided Chemical Engineering,;(2018)p. 109-114
Kapitel i bok
The role of biomass gasification in the future flexible power system – BECCS or CCU?
Renewable Energy,;Vol. 190(2022)p. 596-605
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Sveriges långsiktiga klimatmål är att nettoutsläppen av växthusgaser ska vara noll senast år 2045. Detta ska hanteras genom omfattande utbyggnad av förnybar elproduktion, framförallt vind- och solkraft. Men även med omfattande elektrifiering kommer det fortsatt behövas andra typer av bränslen, speciell under en omställningsfas. El lämpar sig helt enkelt inte som energibärare för alla applikationer som efterfrågas i det moderna samhället, exempelvis för tunga transporter. Det råder därför konsensus kring att biobränslen producerade från förnybar skogsråvara kommer att vara ett viktigt verktyg för att minska utsläppen och motverka global uppvärmning.
Förgasning av biomassa är en teknik som ofta pekas ut som ett bra alternativ för att producera biodrivmedel. Trotts detta har förgasning inte nått ett kommersiellt stadie. Det här arbetet undersöker olika aspekter av hur förgasning av biomassa kan effektiviseras för att producera biobränslen till en lägre kostnad. Gemensamt för alla aspekter som undersöks är att de på en varierande nivå fokuserar på integration, med målet att uppnå synergieffekter. Integrationskonceptet har brutits ner i tre nivåer. Den första fokuserar på integration som påverkar processen på tekniknivå. Den andra fokuserar på integration på processnivå, dvs en nivå där flera tekniker samverkar. Den tredje nivån är en värdekedjenivå som innehåller ett flertal processer.
Resultaten visar att genom nya perspektiv på hur biomassaförgasning kan appliceras kan man sänka produktionskostnader. På tekniknivå visas det bland annat hur bark kan användas som ensam råvara för industriell produktion av biometan genom förgasning och på så sätt sänka produktionskostnader. På processnivå kan man se att produktionskostnaderna sänks genom effektiv värmeintegration med svenska sågverk. På en värdekedjenivå kan man dra slutsatsen att integrering av s.k. ”power-to-gas”-koncept med biomassaförgasning är ekonomiskt fördelaktigt för förgasningsprocessen, men också för elsystemet. På så sätt kan biomassaförgasning fungera som en del av ett integrerat energisystem och bidra till att elektrifieringen av samhället sker mer kostnadseffektivt, samtidigt som biobränslen kan produceras billigare till de sektorer som fortfarande har behov av dem. Den här avhandlingen bidrar till den existerande kunskapsbanken om 2:a generationens biodrivmedel. Det är del av ett underlag som kan användas av beslutsfattare, både inom näringslivet och politiken, för att underlätta introduktionen av den biodrivmedelsproduktion som bedöms nödvändig av IPCC, IEA och flera nationella forskningsinstitut.
Förgasning av biomassa är en teknik som ofta pekas ut som ett bra alternativ för att producera biodrivmedel. Trotts detta har förgasning inte nått ett kommersiellt stadie. Det här arbetet undersöker olika aspekter av hur förgasning av biomassa kan effektiviseras för att producera biobränslen till en lägre kostnad. Gemensamt för alla aspekter som undersöks är att de på en varierande nivå fokuserar på integration, med målet att uppnå synergieffekter. Integrationskonceptet har brutits ner i tre nivåer. Den första fokuserar på integration som påverkar processen på tekniknivå. Den andra fokuserar på integration på processnivå, dvs en nivå där flera tekniker samverkar. Den tredje nivån är en värdekedjenivå som innehåller ett flertal processer.
Resultaten visar att genom nya perspektiv på hur biomassaförgasning kan appliceras kan man sänka produktionskostnader. På tekniknivå visas det bland annat hur bark kan användas som ensam råvara för industriell produktion av biometan genom förgasning och på så sätt sänka produktionskostnader. På processnivå kan man se att produktionskostnaderna sänks genom effektiv värmeintegration med svenska sågverk. På en värdekedjenivå kan man dra slutsatsen att integrering av s.k. ”power-to-gas”-koncept med biomassaförgasning är ekonomiskt fördelaktigt för förgasningsprocessen, men också för elsystemet. På så sätt kan biomassaförgasning fungera som en del av ett integrerat energisystem och bidra till att elektrifieringen av samhället sker mer kostnadseffektivt, samtidigt som biobränslen kan produceras billigare till de sektorer som fortfarande har behov av dem. Den här avhandlingen bidrar till den existerande kunskapsbanken om 2:a generationens biodrivmedel. Det är del av ett underlag som kan användas av beslutsfattare, både inom näringslivet och politiken, för att underlätta introduktionen av den biodrivmedelsproduktion som bedöms nödvändig av IPCC, IEA och flera nationella forskningsinstitut.
Ämneskategorier
Energiteknik
Kemiska processer
Kemiteknik
Bioenergi
Energisystem
Styrkeområden
Energi
ISBN
978-91-7905-399-4
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4866
Utgivare
Chalmers