liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Biomass gasification opportunities in a district heating system
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
2010 (English)In: Biomass and Bioenergy, ISSN 0961-9534, E-ISSN 1873-2909, Vol. 34, no 5, 637-651 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

This paper evaluates the economic effects and the potential for reduced CO2 emissions when biomass gasification applications are introduced in a Swedish district heating (DH) system. The gasification applications included in the study deliver heat to the DH network while producing renewable electricity or biofuels. Gasification applications included are: external superheater for steam from waste incineration (waste boost, WE), gas engine CHP (BIGGE), combined cycle CHP (BIGCC) and production of synthetic natural gas (SNG) for use as transportation fuel. Six scenarios are used, employing two time perspectives - short-term and medium-term - and differing in economic input data, investment options and technical system. To evaluate the economic performance an optimisation model is used to identify the most profitable alternatives regarding investments and plant operation while meeting the DH demand. This study shows that introducing biomass gasification in the DH system will lead to economic benefits for the DH supplier as well as reduce global CO2 emissions. Biomass gasification significantly increases the potential for production of high value products (electricity or SNG) in the DH system. However, which form of investment that is most profitable is shown to be highly dependent on the level of policy instruments for biofuels and renewable electricity. Biomass gasification applications can thus be interesting for DH suppliers in the future, and may be a vital measure to reach the 2020 targets for greenhouse gases and renewable energy, given continued technology development and long-term policy instruments.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier Science B.V., Amsterdam. , 2010. Vol. 34, no 5, 637-651 p.
Keyword [en]
Biomass gasification, District heating, Optimisation, Global CO2 emissions, Energy system, Biorefinery
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-56808DOI: 10.1016/j.biombioe.2010.01.007ISI: 000277918300007OAI: oai:DiVA.org:liu-56808DiVA: diva2:322253
Note
Original Publication: Kristina Difs, Elisabeth Wetterlund, Louise Trygg and Mats Söderström, Biomass gasification opportunities in a district heating system, 2010, BIOMASS and BIOENERGY, (34), 5, 637-651. http://dx.doi.org/10.1016/j.biombioe.2010.01.007 Copyright: Elsevier Science B.V., Amsterdam. http://www.elsevier.com/ Available from: 2010-06-04 Created: 2010-06-04 Last updated: 2017-12-12Bibliographically approved
In thesis
1. District Heating and CHP: Local Possibilities for Global Climate Change Mitigation
Open this publication in new window or tab >>District Heating and CHP: Local Possibilities for Global Climate Change Mitigation
2010 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Global warming, in combination with increasing energy demand and higher energy prices, makes it necessary to change the energy use. To secure the energy supply and to develop sustainable societies, construction of energy-efficient systems is at the same time most vital. The aim of this thesis is therefore to identify how a local energy company, producing district heating (DH), district cooling (DC) and electricity in combined heat and power (CHP) plants, can contribute to resource-efficient energy systems and cost-effective reductions of global carbon dioxide (CO2) emissions, along with its customers. Analyses have been performed on how a local energy company can optimise their DH and DC production and what supply-side and demand-side measures can lead to energy-efficient systems in combination with economic and climate change benefits. The energy company in focus is located in Linköping, Sweden. Optimisation models, such as MODEST and reMIND, have been used for analysing the energy systems. Scenario and sensitivity analyses have also been performed for evaluation of the robustness of the energy systems studied. For all analyses a European energy system perspective was applied, where a fully deregulated European electricity market with no bottlenecks or other system failures was assumed.

In this thesis it is concluded that of the DH-supply technologies studied, the biomass gasification applications and the natural gas combined cycle (NGCC) CHP are the technologies with the largest global CO2 reduction potential, while the biomass-fuelled plant that only produces heat is the investment with the smallest global CO2 reduction and savings potential. However, the global CO2 reduction potential for the biomass integrated gasification combined cycle (BIGCC) CHP and NGCC CHP, the two technologies with highest electricity efficiencies, is highly dependent on the assumptions made about marginal European electricity production. Regarding the effect on the DH system cost the gasification application integrated with production of renewable biofuels (SNG) for the transport sector is the investment option with the largest savings potential for lower electricity prices, while with increasing electricity prices the BIGCC and NGCC CHP plants are the most cost-effective investment options. The economic outcome for biomass gasification applications is, however, dependent on the level of policy instruments for biofuels and renewable electricity. Moreover, it was shown that the tradable green certificates for renewable electricity can, when applied to DH systems, contribute to investments that will not fully utilise the DH systems’ potential for global CO2 emissions reductions.

Also illustrated is that conversion of industrial processes, utilising electricity and fossil fuels, to DH and DC can contribute to energy savings. Since DH is mainly used for space heating, the heat demand for DH systems is strongly outdoor temperature-dependent. By converting industrial processes, where the heat demand is often dependent on process hours instead of outdoor temperature, the heat loads in DH systems can become more evenly distributed over the year, with increased base-load heat demand and increased electricity generation in CHP plants as an outcome. This extra electricity production, in combination with the freed electricity when converting electricity-using processes to DH, can replace marginal electricity production in the European electricity market, resulting in reduced global CO2 emissions.

Demonstrated in this thesis is that the local energy company, along with its customers, can contribute to reaching the European Union’s targets of reducing energy use and decreasing CO2 emissions. This can be achieved in a manner that is cost-effective to both the local energy company and the customers.

Abstract [sv]

Den globala uppvärmningen i kombination med ett ökat energibehov och stigande energipriser gör det nödvändigt att förändra energianvändningen. Energieffektiva system är samtidigt en förutsättning för att kunna säkra energitillförseln och utveckla hållbara samhällen. Fjärrvärme har en viktig roll att fylla i den här omställningen. I fjärrvärmesystemen kan värmeresurser som annars kan vara svåra att nyttiggöras, som till exempel spillvärme och förbränning av avfall tas tillvara. Fjärrvärme kan även bidra till elproduktion i kraftvärmeverk där totalverkningsgraden är högre än vid separat el- respektive värmeproduktion. En omställning av energisystemet till en ökad användning av fjärrvärme och minskad användning av el genom effektiviseringar och konverteringar från olja och el till fjärrvärme kan bidra till att skapa energieffektiva system.

Syftet med den här avhandlingen är att identifiera hur ett lokalt energibolag som producerar fjärrvärme, fjärrkyla och el i kraftvärmeverk kan bidra till att skapa energieffektiva system och kostnadseffektiva globala koldioxidreduktioner tillsammans med sina kunder. Det energibolag som framförallt har studerats i den här avhandlingen är Tekniska Verken i Linköping AB. För att optimera energibolagets fjärrvärme- och fjärrkylaproduktion har energisystemanalyser genomförts, där både åtgärder på tillförsel- och användarsidan har studerats. Genom att se energiförsörjningen ur ett systemperspektiv kan man undvika att ekonomiska och miljömässiga vinster vid en anläggning ersätts av förluster någon annanstans. Optimeringsmodeller, som MODEST och reMIND, har använts för energisystemanalyserna där även scenarier och känslighetsanalyser har inkluderats. För alla energisystemanalyser har ett europeiskt energisystemperspektiv använts där en totalt avreglerad europeisk elmarknad utan flaskhalsar eller andra systemfel antagits.

Slutsatser från analyserna är att det lokala energibolaget kan bidra till kostnadseffektiva globala koldioxidreduktioner genom ett effektivt nyttjande av bränslen i kraftvärmeanläggningar och i bioraffinaderier. Speciellt kraftvärmeanläggningar med hög elverkningsgrad, som t.ex. biomasseförgasning- och naturgaskombianläggningar, har en betydande global koldioxidreduktionspotential. Även biomasseförgasningsanläggningar som är integrerade med produktion av förnybara drivmedel för transportsektorn har visat sig kostnadseffektiva med stor potential att reducera de globala koldioxidutsläppen. Styrmedel har dock en stor påverkan på det ekonomiska utfallet för förgasningsanläggningarna.

Dessutom har studierna visat att energibesparingar kan åstadkommas genom att konvertera el och fossilbränsledrivna industriella processer till fjärrvärme och fjärrkyla. Eftersom fjärrvärme framförallt används för lokaluppvärmning är värmelasten i fjärrvärmesystem säsongsbetonad. Genom att konvertera industriella processer som inte är utetemperaturberoende till fjärrvärme kan fjärrvärmelasten bli mindre säsongsbetonad och mer jämt fördelad över året. En jämt fördelad värmelast är fördelaktig för driften av fjärrvärmeanläggningar och kan bidra till mer elproduktion i kraftvärmeanläggningar. Den extra elproduktionen, tillsammans med den el som blivit tillgänglig efter konvertering av eldrivna processer till fjärrvärme, kan ersätta europeisk marginalelsproduktion vilket kan reducera de globala koldioxidutsläppen.

Det som har framkommit av dessa studier är att det lokala energibolaget, tillsammans med sina kunder, kan bidra till att uppfylla de mål den Europeiska Unionen har angående reduktionen av energianvändningen och koldioxidutsläppen. Dessutom kan detta ske på ett kostnadseffektivt sätt för både energibolaget och dess kunder.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköpings universitet, 2010. 77 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1336
Keyword
District heating, combined heat and power, carbon dioxide emissions, optimisation, energy policies
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-58716 (URN)978-91-7393-325-4 (ISBN)
Public defence
2010-10-08, ACAS, A-huset, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (Swedish)
Opponent
Supervisors
Available from: 2010-09-01 Created: 2010-08-23 Last updated: 2010-09-01Bibliographically approved
2. System studies of forest-based biomass gasification
Open this publication in new window or tab >>System studies of forest-based biomass gasification
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Bioenergy will play an important role in reaching the EU targets for renewable energy. Sweden, with abundant forest resources and a well-established forest industry, has a key position regarding modern biomass use. Biomass gasification (BMG) offers several advantages compared to biomass combustion-based processes, the most prominent being the possibility for downstream conversion to motor fuels (biofuels), and the potential for higher electrical efficiency if used for electricity generation in a biomass integrated gasification combined cycle (BIGCC). BMG-based processes in general have a considerable surplus of heat, which facilitates integration with district heating or industrial processes.

In this thesis integration of large-scale BMG, for biofuel or electricity production, with other parts of the energy system is analysed. Focus is on forest-based biomass, with the analysis including techno-economic aspects as well as considerations regarding effects on global fossil CO2 emissions. The analysis has been done using two approaches – bottom-up with detailed case studies of BMG integrated with local systems, and top-down with BMG studied on a European scale.

The results show that BMG-based biofuel or electricity production can constitute economically interesting alternatives for integration with district heating or pulp and paper production. However, due to uncertainties concerning future energy market conditions and due to the large capital commitment of investment in BMG technology, forceful economic support policies will be needed if BMG is a desired route for the future energy system, unless oil and electricity prices are high enough to provide sufficient incentives for BMG-based biofuel or electricity production. While BMG-based biofuel production could make integration with either district heating or pulp and paper production economically attractive, BIGCC shows considerably more promise if integrated with pulp and paper production than with district heating.

Bioenergy use is often considered CO2-neutral, because uptake in growing plants is assumed to fully balance the CO2 released when the biomass is combusted. As one of the alternatives in this thesis, biomass is viewed as limited. This means that increased use of bioenergy in one part of the energy system limits the amount of biomass available for other applications, thus increasing the CO2 emissions for those applications. The results show that when such marginal effects of increased biomass use are acknowledged, the CO2 mitigation potential for BMG-based biofuel production becomes highly uncertain. In fact, most of the BMG-based biofuel cases studied in this thesis would lead to an increase rather than the desired decrease of global CO2 emissions, when considering biomass as limited.

Abstract [sv]

Bioenergi spelar en viktig roll för att nå EU:s mål för förnybar energi. Sverige har med sina goda skogstillgångar och sin väletablerade skogsindustri en nyckelposition vad gäller modern bioenergianvändning. Förgasning av biomassa har flera fördelar jämfört med förbränningsbaserade processer - i synnerhet möjligheten att konvertera lågvärdiga råvaror till exempelvis fordonsdrivmedel. Används gasen istället för elproduktion kan en högre verkningsgrad nås om gasen används i en kombicykel, jämfört med i en konventionell ångturbincykel. De förgasningsbaserade processerna har i allmänhet ett betydande överskott av värme, vilket möjliggör integrering med fjärrvärmesystem eller industriella processer.

I denna avhandling analyseras integrering av storskalig biomassaförgasning för drivmedelseller elproduktion, med andra delar av energisystemet. Skogsbaserad biomassa är i fokus och analysen behandlar såväl teknoekonomiska aspekter, som effekter på globala fossila CO2-utsläpp. Forskningen har gjorts på två olika systemnivåer - dels i form av detaljerade fallstudier av biomassaförgasning integrerat med lokala svenska system, dels i form av systemstudier på europeisk nivå.

Resultaten visar att förgasningsbaserad biodrivmedels- eller elproduktion kan komma att utgöra ekonomiskt intressanta alternativ för integrering med fjärrvärme eller massa- och papperstillverkning. På grund av osäkerheter i fråga om framtida energimarknadsförhållanden och på grund av de höga kapitalkostnaderna som investering i förgasningsanläggningar innebär, kommer kraftfulla ekonomiska styrmedel krävas om biomassaförgasning är en önskad utvecklingsväg för framtidens energisystem, såvida inte olje- och elpriserna är höga nog att i sig skapa tillräckliga incitament. Medan förgasningsbaserad drivmedelsproduktion kan vara ekonomiskt attraktivt att integrera med såväl fjärrvärme som med massa- och papperstillverkning, framstår förgasningsbaserad elproduktion som betydligt mer lovande vid integrering med massa- och papperstillverkning.

Användning av bioenergi anses ofta vara CO2-neutralt, eftersom upptaget av CO2 i växande biomassa antas balansera den CO2 som frigörs när biomassan förbränns. Som ett av alternativen i denna avhandling ses biomassa som begränsad, vilket innebär att ökad användning av bioenergi i en del av energisystemet begränsar den tillgängliga mängden biomassa för andra användare, vilket leder till ökade CO2-utsläpp för dessa. Resultaten visar att när hänsyn tas till denna typ av marginella effekter av ökad biomassaanvändning, blir potentialen för minskade globala CO2-utsläpp med hjälp av förgasningsbaserade tillämpningar mycket osäker. I själva verket skulle de flesta av de förgasningsbaserade drivmedel som studerats i denna avhandling leda till en utsläppsökning, snarare än den önskade minskningen.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2012. 79 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1429
Keyword
Biomass gasification, second-generation biofuels, global CO2 emissions, energy system optimisation
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-74576 (URN)978-91-7519-955-9 (ISBN)
Public defence
2012-03-02, sal ACAS, hus A, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (Swedish)
Opponent
Supervisors
Available from: 2012-02-02 Created: 2012-02-02 Last updated: 2012-08-20Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(483 kB)1358 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 483 kBChecksum SHA-512
36288662e78f7ca23c30cca9b2b4a6f9f7bfd9dd710355a7fdf6dc8e36b9f5f837fd50646ee9a250e73e37223a502c49d4dab09cd1dcfc87a12735fa7c2a582c
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full text

Authority records BETA

Difs, KristinaWetterlund, ElisabethTrygg, LouiseSöderström, Mats

Search in DiVA

By author/editor
Difs, KristinaWetterlund, ElisabethTrygg, LouiseSöderström, Mats
By organisation
Energy SystemsThe Institute of Technology
In the same journal
Biomass and Bioenergy
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 1358 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 592 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf