Technical and Environmental Assessment of Energy and Material Production from Rural and Urban Residual Biomass
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften | |
| dc.contributor.referee | Wachendorf, Michael (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Laner, David (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Herzig, Christian (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Bruns, Christian (Dr.) | |
| dc.date.accessioned | 2020-04-23T12:17:17Z | |
| dc.date.available | 2020-04-23T12:17:17Z | |
| dc.date.issued | 2020-04 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202004021134 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/11519 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.relation.projectid | RE-DIRECT INTERREG NWE 294 | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Biochar | eng |
| dc.subject | Bioenergy | eng |
| dc.subject | Commercial scale | eng |
| dc.subject | Global Warming Potential | eng |
| dc.subject | Invasive species | eng |
| dc.subject | Life Cycle Assessment (LCA) | eng |
| dc.subject | Mountainous grassland | eng |
| dc.subject | Social Risk Assessment | eng |
| dc.subject | Residual biomass | eng |
| dc.subject | Solid fuel | eng |
| dc.subject.ddc | 500 | |
| dc.subject.ddc | 630 | |
| dc.subject.swd | Erneuerbare Energien | ger |
| dc.subject.swd | Bioenergie | ger |
| dc.subject.swd | Pflanzenkohle | ger |
| dc.subject.swd | Fester Brennstoff | ger |
| dc.subject.swd | Biogas | ger |
| dc.subject.swd | Energieerzeugung | ger |
| dc.title | Technical and Environmental Assessment of Energy and Material Production from Rural and Urban Residual Biomass | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | Die vorliegende Arbeit umfasst Studien zur Untersuchung technischer und ökologischer Aspekte bei der Nutzung von Restbiomassen in den Nutzungspfaden Energieerzeugung und Aktivkohleproduktion. Im Mittelpunkt der jeweiligen Untersuchung stand das Verfahren zur integrierten Erzeugung von Festbrennstoff und Biogas aus Biomasse (IFBB) und dessen Einfluss auf technische und ökologische Aspekte bei der Verwertung von Restbiomassen. Im Zuge von Naturschutz- und Landschaftspflegemaßnahmen auf extensiv bewirtschafteten Grünlandstandorten und Grünflächen fallen europaweit Restbiomassen an. Die Verwertungswege beschränken sich in den meisten Fällen auf die Kompostierung oder andere Entsorgungsoptionen. Die Nutzung von Restbiomasse zur Deckung vorhandenen Energie- und Materialbedarfs würde nicht nur einen effektiven Nutzungspfad darstellen, sondern auch fossile Ressourcen ersetzen. Daher könnte die Nutzung von Restbiomasse entscheidend dazu beitragen, die Ziele der EU im Rahmen der Richtlinie für erneuerbare Energien und der Bioökonomie-Strategie zu erreichen. Das IFBB wandelt Biomasse durch Maischen und mechanische Trennung in nutzbaren Festbrennstoff und eine energiereiche Presssaft um. Nach der mechanischen Abtrennung wird ein fester Brennstoff mit einer geringeren Schadstoffkonzentration und ein flüssiger Brennstoff, der Biogasanlagen zugeführt werden kann, gewonnen. Die Wirksamkeit von IFBB wurde im Labor- und Prototypenmaßstab nachgewiesen, so dass die erste Studie dieser Arbeit darauf abzielte, die Eigenschaften von Brennstoffen zu untersuchen, die durch einen IFBB-Prozess im kommerziellen Maßstab gewonnenen wurden. Die Reduktion von N, S, Cl, K und Asche war bei der Prozessierung in einer kommerziellen IFBB-Anlage höher, was zu einem qualitativ besseren Festbrennstoff im Vergleich zum Prototyp-Maßstab führte. Aufgrund der reduzierten Konzentration dieser schädlichen Elemente, lagen die Emissionen von NOx und SOx deutlich unter den deutschen Grenzwerten. Extensives Grasflächen, in denen sich invasive Pflanzenarten ausgebreitet haben, produzieren ebenfalls potenzielle Restbiomassen, die vielfach in montanen Gebieten ganz Europas zu finden sind. Diese Flächen müssen für den Erhalt der Biodiversität und Ökosystemdienstleistungen geerntet werden, und die so gewonnene Biomasse steht für die Energiegewinnung zur Verfügung. Das IFBB und die anaerobe Vergärung (AD) sind auch hier zwei potenzielle Techniken zur Wandlung von Restbiomasse in Brennstoffe. Daher wurden in der zweiten Studie die Umwelt- und Primärenergiebilanzen dieser Technologien untersucht und verglichen. Obwohl die (Treibhausgas) THG-Emissionen und der Primärenergieverbrauch für IFBB höher waren, führte eine bessere Energiewandlungseffizienz des IFBB zu höheren THG- und Primärenergieeinsparungen im Vergleich zur AD. Einsparungen für THG und Primärenergie konnten durch den Ersatz netzgebundener Wärme- und Stromquellen mit Brennstoffen aus IFBB und AD erzielt werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Presskuchentrocknung der THG- und Primärenergie-intensivste Prozess im IFBB-System ist. Die mit der Presskuchenproduktion verbundenen THG-Emissionen könnten jedoch durch den Einsatz alternativer Energiequellen gesenkt werden. Die Filterung mit Aktivkohle (AC) wird in Kläranlagen als zusätzlicher Schritt zur Entfernung von organischen Mikroverunreinigungen aus dem Abwasser eingesetzt. Das derzeit verwendete AC wird jedoch überwiegend aus fossilen Quellen gewonnen und muss über weite Strecken transportiert werden. Demgegenüber könnten Restbiomassen, die an Kläranlagen geliefert würden, als Rohstoff für die Herstellung von AC dienen. In der dritten Studie wurden daher die Umwelt- und die kumulierte Energiebedarfsbilanz des Einsatzes von Aktivkohle sowohl aus Restbiomassen als auch aus fossilen Quellen zur Entfernung von Mikroverunreinigungen in der Kläranlage Baden-Baden untersucht und verglichen. Die Bilanzen der THG Emissionen und den kumulierten Bedarf nicht erneuerbarer Energien, die durch den Einsatz von Restbiomasse-Aktivkohle erzielt wurden, waren im Vergleich zur fossilen Aktivkohle niedriger. Die Nutzung der Abwärme aus der Pyrolyse und dem Aktivierungsprozess der Biomasse sowie die Stromerzeugung des BHKW aus Methan der Pressflüssigkeit trugen wesentlich zur Erreichung der niedrigeren Bilanzen bei. Ein zusätzlicher Vorteil der Produktion und Nutzung von AC aus Restbiomasse in der Kläranlage Baden-Baden war ein geringeres soziales Risiko. Die Herstellung von AC aus Restbiomasse mittels IFBB und einer hochmodernen Pyrolyse- und Aktivierungsanlage in Kombination mit einer energetischen Verwertung würde somit die Rohstoffautarkie der Kläranlagen unterstützen und eine nachhaltige Alternative zur Beseitigung von Mikroverunreinigung im Abwasser darstellen. | ger |
| dcterms.abstract | This thesis covers studies carried out to investigate the technical and environmentalaspects of utilising residual biomasses. The utilisation pathways include energy generation and activated carbon production. The role played by integrated generation of solid fuel andbiogas from biomass (IFBB) in influencing the technical and environmental aspects of utilising residual biomasses was the focus of the respective studies. Residual biomasses from less intensively managed grassland sites and green spaces are harvested for nature conservation and landscape management. These biomasses are generated across Europe and the utilisation pathways are limited to composting or disposal in most cases. Utilising residual biomass to fulfil energy and material demand would not only provide an effective utilisation pathway, but also substitute fossil-based resources presently used to fulfil the demand. Therefore, utilising residual biomasses could be crucial in achieving targets set in the EU renewable energy directive and Bioeconomy strategy. IFBB converts biomass into a useful solid fuel and an energy-rich press fluid through mashing and mechanical separation. After mechanical separation, a solid fuel that has a lower concentration of harmful elements and a liquid fuel that can be co-digested in biogas plants are obtained. The effectiveness of IFBB has been proven on a laboratory and prototype scale, thus the first study in this thesis aimed to investigate the properties of the fuel obtained using a commercial scale IFBB process. The reduction of N, S, Cl, K and ash was higher using commercial scale IFBB, thereby resulting in a better solid fuel compared to prototype scale. As a result of the reduced concentration of the harmful elements, emissions of NOx and SOx were well below the German threshold limits. Extensive grasslands affected by species invasion are also a potential residual biomass that can be found in mountainous areas across Europe. These need to be harvested for maintaining biodiversity and ecosystem services, and the residual biomass thus obtained can be used for energy generation. IFBB and anaerobic digestion (AD) are two potential techniques to convert the residual biomass into fuel. Therefore, the environmental and primary energy balances of using these techniques were investigated and compared in the second study. Though greenhouse gas (GHG) emissions and primary energy usage was higher for IFBB, the better energy conversion efficiency for IFBB resulted in higher GHG and primary energy savings compared to AD. The savings for GHG and primary energy could be generated from replacing grid based sources of heat and electricity sources using the respective fuels obtained from IFBB and AD. Additionally, presscake drying was found to be the most GHG and primary energy intensive process in the IFBB system. However, the GHG emissions associated with presscake could be lowered using alternative energy sources. Activated carbon (AC) treatment is used in wastewater treatment plants for removal of organic micropollutants (OMPs) from wastewater. But AC used presently is mostly derived from fossil-based sources and needs to be transported across long distances. Residual biomasses that were delivered to the wastewater treatment plants were used as a raw material to produce AC. The third study investigated and compared the environmental and cumulative energy demand balances involved in the usage and production of AC from residual biomass-based and fossil-based sources for micropollutant removal at the Baden-Baden WWTP. GHG and non-renewable cumulative energy demand balances achieved using residual biomass AC were lower compared to the fossil AC. Utilisation of waste heat from pyrolysis and activation process of the biomass as well as the electricity produced from the CHP using press fluid methane played a key role in in achieving the lower balances. A lower social risk was an additional advantage of using residual biomass AC produced at the Baden-Baden WWTP. Hence, producing AC from residual biomass using IFBB and a state-of-the-art pyrolysis and activation unit combined with energy recovery would aid WWTPs to become self-sufficient in terms of raw materials and provide a sustainable alternative for micropollutant removal at WWTPs. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Joseph, Ben | |
| dcterms.dateAccepted | 2020-03-23 | |
| dcterms.extent | xiv, 115 Seiten | |
| kup.iskup | false |