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Sustainability evaluation of biorefinery systems for fuel and commodity chemical generation from plant residues

English title Sustainability evaluation of biorefinery systems for fuel and commodity chemical generation from plant residues
Applicant Grenz Jan Hendrik
Number 154046
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL Berner Fachhochschule BFH
Institution of higher education Berne University of Applied Sciences - BFH
Main discipline Agricultural Engineering
Start/End 01.12.2014 - 31.12.2018
Approved amount 125'924.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Agricultural Engineering
Other disciplines of Engineering Sciences
Other disciplines of Environmental Sciences

Keywords (4)

residue-based biofuels; life cycle sustainability assessment; sustainability analysis; fuel chemical co-generation

Lay Summary (German)

Lead
Die Umwandlung von Biomasse in Treib- und Kunststoffe ist eine Chance. Das nicht-erneuerbare Erdöl kann durch erneuerbare heimische Materialien ersetzt werden. Die Entnahme von Biomasse aus den Ökosystemen birgt aber auch Gefahren. Das zeigt der Biogasboom in Deutschland, durch den ganze Landschaften von Mais bedeckt werden. Um Risiken vorab einschätzen zu können, wird im vorliegenden Forschungsprojekt eine neue Methode entwickelt. Mit dieser können Wirkungen der Herstellung und Nutzung biomasse-basierter Treib- und Kunststoffe auf Mensch, Umwelt und Wirtschaft vom Pflanzenbestand über die chemische Industrie bis zur Entsorgung abgeschätzt und, sofern möglich, optimiert werden. Damit wird zu einer besseren Entscheidungsgrundlage für Unternehmen und Politik beigetragen. Die neue Methode verfeinert bestehende Ansätze und verbindet sie miteinander. Sie wird im Projekt auf neue Verfahren zum biochemischen Aufschluss und zur katalytischen Umwandlung z.B. von Maisstroh angewendet.
Lay summary

Das Gesamtprojekt, zu dem das vorliegende Vorhaben und zwei Co-Projekte gehören, befasst sich mit der Entwicklung neuer Verfahren zur Umwandlung pflanzlicher Biomasse in Spezialtreibstoffe für Luftfahrt und Schwerverkehr bzw. in Kunststoffe. Ausgangsmaterialien dieser Verfahren sind Reststoffe wie Maisstroh, Grünschnitt von extensiven Wiesen und Buchenholz.

Im vorliegenden Projekt werden die verfügbaren Materialmengen genau bestimmt, und es werden Verfahren zum Sammeln, Transportieren und Lagern der Biomasse erprobt. Eine Herausforderung in dieser Phase wird es sein, ein umweltfreundliches, wirksames Verfahren zur Konservierung der Biomasse zu finden.

Die zweite Projektphase hat die Entwicklung und Erprobung einer Methode zur Nachhaltigkeitsanalyse biomasse-basierter Wertschöpfungsketten zum Ziel. Dazu werden Methoden wie Ökobilanzierung, Sozial-Ökobilanz und Vollkostenanalyse verfeinert und kombiniert. Eine wichtige Forschungsfrage für diese Phase des Vorhabens ist, wie die soziale Dimension der Nachhaltigkeit angemessen dargestellt und bewertet werden kann, ohne eine Scheingenauigkeit zu erzeugen. In dieser Phase wird zum einen auf der Ebene der Verfahren (Aufschluss und Umwandlung) analysiert, zum anderen entlang der Wertschöpfungskette.

In der dritten Projektphase liegt der Schwerpunkt auf der Verfahrensoptimierung. Alternative Verfahrenswege und Verwendungen der Syntheseprodukte werden über alle drei Dimensionen der Nachhaltigkeit miteinander verglichen. Zudem wird nach Verbesserungsmöglichkeiten für "Hot spots" gesucht, d.h. für Verfahren und Materialien mit besonders negativen Auswirkungen auf Mensch, Umwelt oder Wirtschaftlichkeit.

Die gesellschaftliche Relevanz dieser Forschung ergibt sich zum einen daraus, dass sie im Rahmen von Entscheiden über Biomasseprojekte zur umfassenderen, genauen Berücksichtigung aller drei Nachhaltigkeitsdimensionen beiträgt. Zum anderen wird ein Beitrag zur Optimierung konkreter, innovativer Verfahrensketten geleistet.

Direct link to Lay Summary Last update: 20.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Institute for Environmental Engineering/ETH Zürich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
American Institute of Chemical Engineers Annual Meeting Talk given at a conference Combined Biochemical and Thermochemical Processing of Lignocellulosic Biomass: Techno-Economic Evaluation 16.11.2016 San Francisco, United States of America Pfister Stephan;


Abstract

The present application is part of the joint project “Production of fuels and commodity chemicals through subsequent biochemical and catalytic conversion of lignocellulosic bio-mass”. The joint project aims at developing process chains that link biomass logistics and biomass conversion in biorefineries. With a view on the “Energy strategy 2050”, these chains are meant to contribute to a supply with liquid specialty fuels and commodity chemicals from domestic, renewable sources. Prospective lignocellulosic feedstocks include plant residues, such as corn stover and herbal biomass from extensive grasslands, and possibly wood that is not used so far. A principal goal will be the valorization of yet underutilized sources of plant biomass.The need for the envisaged sustainability evaluation and optimization of process chains on the one hand stems from the multitude of possible combinations of feedstocks, logistics and types of biorefinery. Various combinations of feedstock types, qualities and sources, of col-lection, transport and storage, of the physics and chemistry of catalytic biomass conversion, and of product combinations are thinkable. A targeted navigation through the diversity of prospective solutions will be facilitated by detailed process modelling and optimization. On the other hand, the practical implementation of technically feasible ways of converting biomass into fuels may lead to environmentally, economically or socially undesired outcomes, as shown by the rise and demise of first-generation biofuels. Therefore, all potential process chains will be subjected to a multi-dimensional sustainability evaluation, in order to optimize sustainability performance in the environmental, economic and social domains. Our research will start with a detailed assessment of available feedstocks. Existing estimates will be taken as a starting point and be refined for yet unused plant residues. This will be followed by the development of scenarios of biomass collection, transport, storage and, if necessary, pre-treatment of biomass. Thirdly, a method for sustainability evaluation at the process and chain levels will be developed. This step of the research will include the identification of sustainability criteria to be used during the subsequent phases of evaluation and optimization. It will also be necessary to cover themes of particular relevance to biomass utilization, such as soil fertility and nutrient cycles. The necessary inventory data will be taken from existing databases, complemented by field and proxy information to be retrieved in this project and the companion projects. The evaluation method will first be applied to an iterative multi-criteria assessment and op-timization of biorefinery processes. Information on these processes will be based on data from the companion projects in the framework of the joint project, mass and energy balance as well as thermodynamics being represented by an Aspen (Advanced System for Process Engineering) model. The multi-criteria optimization will draw upon tools such as the General Algebraic Modelling System (GAMS). Finally, those types of biorefinery found promising will be combined with logistics to arrive at integrated process chain scenarios. These will as well be subjected to sustainability assessment and optimization. Alternative processes based on different ways of biomass conversion may as well be included in this analysis.The results of process modelling, sustainability evaluation and optimization will serve as inputs to discussions with stakeholders from agriculture, industry, policy and academia.
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