Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy...

20
Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen J.H.A. Kiel M.K. Cieplik E.E. Diemer Mei 2014 ECN-L--14-026

Transcript of Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy...

Page 1: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Technische uitdagingen in

het Energy Island van biobased productieprocessen

J.H.A. Kiel

M.K. Cieplik

E.E. Diemer

Mei 2014

ECN-L--14-026

Page 2: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

www.ecn.nl

Technische uitdagingen in het Energy

Island van biobased productieprocessen

IIR Congres Biomassa als grondstof voor de industrie – “Het groene goud van de toekomst”

Jaap Kiel, Mariusz Cieplik en Edze Diemer

RDM Campus, Heijplaat, Rotterdam

27 mei 2014

Page 3: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Inhoud

• ECN Biomassa R&D: focus op thermochemische procesopties binnen biobased economy waardeketens

• Energie is een belangrijk onderdeel in biobased productieprocessen

• Reststroom-benutting voor energie is niet triviaal - er zijn vele technische uitdagingen, maar ook mogelijkheden

• Slimme combinatie van praktijkmetingen en lab-schaal onderzoek en slim management van biomassa (reststromen) in het productieproces kan veel problemen voorkomen

• Ook voor reststromen is vaak energie en chemicaliën/materialen co-productie mogelijk (leidend tot extra toegevoegde waarde)

Page 4: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Biomass utilisation in transition

• From focus on bioenergy to focus on bioeconomy

• Cascading and biorefinery important

• Sustainability is complex issue (e.g., ILUC, C-debt)

• But:

– Energy sector orders of magnitude larger than chemical sector

– Some parts of the energy sector difficult to cover with other renewables (e.g., biofuels for heavy vehicles, aviation, marine applications)

– Not all biomass qualifies for high-value applications (e.g., heterogeneous and/or contaminated streams)

Direct biomass-to-energy value chains will remain important

3

Page 5: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

ECN Biomass R&D

•Characterization

•Property databases

•Torrefaction

•TORWASH

•Pyrolysis

•Fractionation

•Combustion

•Gasification

•Biorefinery

•Gas cleaning

•Tar removal

•Gas conditioning

•Separation

•Biofuels (incl. Synthetic Natural Gas (SNG)

•Biochemicals & -materials

•Power & Heat

Feedstock Pre-

treatment Conversion Separation

Product Synthesis

» Higher efficiencies, higher availability, lower environmental impact, higher public acceptance, lower CAPEX/OPEX, new applications

Focus on thermochemical processing

Feasibility studies, techno-economic evaluations, LCA, sustainability assessments

Page 6: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Four main ECN Biomass R&D areas

• Upgrading: Biomass to commodity fuel – Torrefaction: ECN technology available on full scale

– New technology for torrefaction of wet biomass: TORWASH

• Combustion: Biomass boilers and Co-firing – Fuel behaviour during combustion

– Ashes, slags, agglomeration behaviour

• Gasification: Production of power or fuels – Development of gasification technology (MILENA)

– Tar removal (OLGA) and product synthesis

– Test equipment and expertise to provide services

• Biorefinery: Technology for a biobased economy – Organosolv fractionation: conversion into cellulose, hemicellulose, and lignin

– Conversion of fractions into marketable products

– Seaweed biorefinery

Page 7: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

ECN Bridge between science and corporate innovation

Science Industrial partners

Fundamental Research

Applied Research

Industrial Development

What we do

Consultancy & Services Serving your short-term business and R&D needs

Contract R&D Support your R&D with our knowledge, technology and (test)

facilities

Technology development & Transfer Implement our technology in products & processes

Joint Industry Projects Developing tomorrow’s technology together

How we can work with you

Problem solving Using our knowledge, technology, and facilities to solve our clients’ issues

Technology development Developing technology into prototypes and industrial applications

Studies & Policy support Creating insights in energy technology and policy

Page 8: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Lignocellulosic ethanol production Straw-based, 100 t/h input, stand-alone plant

• Estimated capital cost – Energy island major cost factor

1%

1%

10%

3%

0%

6%

47%

1%

6%

6%

2%

7%5%7%

Unit-100 M echanical pretreatment

Unit-200a Pretreatment & pre-Hydrolysis

Unit-200b Enzyme production

Unit-300a Yeast production

Unit-300b Hydrolysis & Fermentat ion

Unit-400 Dist illat ion & Dehydrat ion

Unit-500 Heat & power

Unit-600 Water treatment

Unit-700 Off gas cleaning

Unit-800 Cooling system

Unit-900 Raw materials storage

Unit-1000 Product storage

Working Capital

Start-up costs

Largest investment: CHP unit

2nd Largest investment: Pre-treatment and pre-hydrolysis unit

From: Final report, EET project K01116, 2007

Page 9: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Residues for heat and power Large differences in (inorganics) composition

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

lignin 1 lignin 2 lignin 3

mg/

kg d

.b.

S

Na

Zn

Pb

P

Mn

Mg

K

Fe

Cu

From: Beis et al. (2010), Bioresources 5(3), 1408-1424

Page 10: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Residues for heat and power

Technical challenges

Residues

Mechanical properties

• High water content • Fibrous/tenacious/bulky • Finely dispersed/viscous

Pressing/evaporation

Energy density

Pumping/conveying

(intra-process) Storage

Size reduction (grinding)

Thermo- and Bio-chemical properties

• (earth-)Alkali (Na, K, Ca) • NH3 / Cl / S • Si and Al (sand or clays) • Microbiological content • Highly biodegradable

Slagging/fouling

Corrosion

Mineral residues disposal/utilisation

Microbiological risk

Emissions to air and water

Page 11: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Know your process enemies

• Future Bio-based processes still in early stage of market introduction

– Currently many residues only available on < 1kg scale

– Large variations in compositions of seemingly similar residues (“Craft” lignin vs lignosulphonates vs organic extraction lignins)

– Few pilot/demo plants doing energy recovery from residues, hence limited experience

– E-technology providers are not willing to guarantee performance

• Solution: smart combination of lab-scale tests and pilot/full-scale diagnostics

Page 12: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Biomass Combustion:

Service and Technology Offering

• Consultancy on available biomass types, analysis of biomass composition

• Lab-scale Combustion Simulator and Lab-scale Fluidised Bed (WOB) systems: validated against real life boiler data, suited for solid and liquid fuels, for combustion and gasification

• Bench-scale systems to test combustion, gasification or pyrolysis of all feedstock

• On-site measurement systems, such as gas analysis, probes for determining slagging and fouling, agglomeration

• Abatement of particulates, tars, NOx, and dioxins

Page 13: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Full-scale probe measurements for in-boiler and stack emission diagnostics

camera

ash

sampling

ductdeposition

coupon

heatflux

sensors

thermocouple

flange

camera

ash

sampling

ductdeposition

coupon

heatflux

sensors

thermocouple

flange

Page 14: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Biomass combustion Overview of R&D services

13

Feedstock Transport &

Storage Conversion

Transmission &

Distribution

Wholesale & retail

Cleaning & Separation

Combustion & Steam Generation

Milling, Storage & Conveying

Flue Gas Analysis

ECN scope of biomass tests and services

Physical analysis

In-Boiler corrosion

Ash formation

Ash analysis

Fouling propensity

NOx formation

Chemical analysis

Grindability Conversion

kinetics

Near-burner slagging

Ash NEN-450 conformity

PM emission characterization

Pneumatic transport

Fuel/ash mineralogy

analysis

In-Boiler deposition

Long-term corrosion

ISO certified measurement

of your ‘green’ % of

energy production

Dioxin measurement

Explosivity

Moisture exposure

Steam flow metering

(Trace) organics

formation/fate

Page 15: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Lab-scale Combustion Simulator (LCS) Mimic pulverised-fuel combustion and high-

temperature gasification conditions

Special reactor design: 1-

2s residence times with

only limited total reactor

length

Staged gas

burner: high

heating rate +

proper gas

atmosphere

Particle

sampling probe

Fouling probe

Page 16: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Example: Co-production of bio-energy and green chemicals from

biorefinery residues via gasification

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

[volume%]

[energy%], LHV-basis

[income%], low-price scenario

YXY -

process

Gasification B iomass

Humins

Separation

Final

conversion

Levulinics

Furfuranics Eth ylene

Benzene

Methanol

Diesel

SNG

Power

Heat

Pre -

treatment Lignin

Example of gas composition of fluidised-bed gasifiers. Composition depends on fuel and gasifier conditions. Double ethylene and benzene have also been measured.

Kodok

TKI-BBE Project TEBE113008

Page 17: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Example: Negative value solid residue becomes clean fuel by smart

process integration

• Implementation of TORWASH process solves digestate problem!

• Also for wet residues from biorefinery and bio-ethanol production

biorefinery

organic sludge

digester digestate

???

biogas heat & power

or natural gas grid

fertilizer (N and K)

decanter

liquid

paste 20% solids

???

fertilizer (N and K)

filter

liquid

slurry 10% solids

TORWASH reactor

liquid with digestible organics

press cakes 65% solids

clean fuel

Page 18: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Example: Trace organics emission/abatement study for a leading

biochemicals/bioplastics producer

Project target and scope • Characterization and advice on operational improvement of

a newly-developed thermal conversion process • Focus on trace organics emission reduction

Activities • Thermal conversion process characterization

– Lab- through bench-scale tests at ECN – Pilot- and full-scale analytical and diagnostic assistance

• Trace organics emissions characterization – Formation and distribution amongst process streams – Interaction with (in)organic aerosol formation – Advice on process optimization and end-of-pipe

abatement options

Results • Improved process control and end-of-pipe emission

mitigation strategy

Organic emissions sampling unit

Page 19: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

Thank you for your attention!

For more information, please contact:

Jaap Kiel Programme Development Manager Biomass T +31 88 515 45 90 P.O. Box 1, 1755 ZG PETTEN F +31 88 515 84 88 The Netherlands [email protected] www.ecn.nl

Page 20: Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased ... Technische uitdagingen in het Energy Island van biobased productieprocessen IIR Congres Biomassa als grondstof voor de

6

ECN

Westerduinweg 3 Postbus 1

1755 LE Petten 1755 LG Petten

T 088 515 4949

F 088 515 8338

[email protected]

www.ecn.nl