A unified appraisal framework for the assessment of biorefinery technologies : an approach and first steps to application

Abstract

As part of the desired bio-economy, biomass will find a wide industrial application in the future, re-placing fossil resources and reducing the need of their import from insecure third countries. However, such an increased industrial application of biomass holds its own problems e.g. like an intensifying competition between food and fuel (and so an increasing competition for arable land) and sometimes other serious social problems, such as the so-called Tortilla-Crisis in Mexico in 2007. Therefore, (political) decision making within a bio-economy has not only to account for economic and ecologic aspects, but also for societal ones in the fields of human rights and justice. Moreover, the three aspects of sustainability (economics, environment, and societal aspects) are to be aligned and balanced within those decisions. A standardized assessment methodology for biorefinery technologies, acknowledging all these aspects, has not been presented in literature so far. However, the need for such a standardized assessment framework was already discussed and demanded in the literature. In the present work, a basic architecture for such an assessment methodology as well as a standardized procedure for the selection of biorefinery technologies is presented (Section 2). The methodology includes thoroughly executed technology analysis by Technology Design Assessments (data level). It concerns explicit values and ethics by the use of the triple bottom line approach of sustainability on the impact level. On the decision making level a tailor-made multi-criteria decision making method (Multi-criteria Based Benchmarking) is proposed and Advanced Radar Plots are used for transparent and easy visual comparison of different policy options. The appraisal framework proposed goes beyond the literature on bioenergy appraisal frameworks and can be used as a baseline for future research. Furthermore, first steps towards the implementation of the proposed methodology are undertaken. In this context, hydrothermal carbonization is used as an example as a promising technology in a new developing bio-economy. Based on data from lab experiments, model equations are derived using a severity approach for proper mass balancing (Section 3 and 4). With these equations the product yields of hydrothermal carbonization (of biogas digestate and wheat straw) as well as the degree of carbonization of the hydrochar produced are quantified as functions of different process parameters using a severity approach. In contrast to other studies, a logarithmic dependence on process severity was applied. Process severity itself was calculated from temperature, retention time and catalyst concentration. By these models basing on few selected reaction conditions, a wide range of process conditions can be covered and the yields for the solid, liquid, and gaseous product phase can be predicted. The equations form the necessary data input for the basic Technology Design Assessment of HTC defined within the proposed standardized appraisal framework.

Im Rahmen einer angestrebten Bioökonomie soll Biomasse in Zukunft wieder eine breite industrielle Anwendung finden und dabei fossile Rohstoffe ersetzen bzw. die Notwendigkeit ihres Importes aus unsicheren Drittstaaten reduzieren. Auf der Hand liegt jedoch, dass eine breite industrielle Anwendung von Biomasse eigene, z.T. schwerwiegende gesellschaftliche Probleme nach sich zieht. So kann die Verschärfung des Wettbewerbs zwischen Nahrungsmitteln und Treibstoffen (also die direkte Konkurrenz um Ackerland) gefährliche gesellschaftspolitische Folgen haben, wie die so genannte Tortilla-Krise in Mexiko im Jahre 2007 gezeigt hat. Die politische Entscheidungsfindung muss auf dem Weg zu einer Bioökonomie somit nicht nur ökonomische und ökologische Aspekte bei der Auswahl verschiedener Biomassekonversionstechnologien berücksichtigen, sondern auch gesellschaftliche Aspekte im Bereich der Menschenrechte und allgemeiner Gerechtigkeitsgrundsätze. Darüber hinaus sind Wirtschaftlichkeit, Umwelt, und Gesellschaft bei der Entscheidungsfindung miteinander in Einklang zu bringen. Eine in diesem Zusammenhang standardisierte Bewertungsmethodik für zugehörige (politische) Entscheidungsprozesse, die all diese Aspekte berücksichtigt, fehlte bislang in der Literatur. Die Notwendigkeit eines solchen standardisierten Beurteilungsrahmens hingegen wurde in der Literatur jedoch bereits ausführlich diskutiert und eingefordert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher eine grundlegende Architektur für eine solche Beurteilungs- und Entscheidungsmethodik sowie ein dazugehöriges standardisiertes Vorgehen für die Auswahl von Bioraffinerie-Technologien in einer Bioökonomie vorgestellt (Sektion 2). Die Methode beinhaltet dabei die Beschreibung einer Prozedur zur Durchführung von Technologieanalysen (Technologie Design Assessments – Datenebene). Die Einbeziehung expliziter Werte und Ethik erfolgt dabei durch die Einbettung des so genannten Triple-Bottom-Line Ansatzes (auf der so genannten Einflussebene). Auf der Entscheidungsebene kommt ein maßgeschneidertes multi-kriterielles Entscheidungsverfahren (Multi-criteria Based Benchmarking) zum Einsatz. Ferner werden hier so genannte Advanced Radar Plots eingesetzt, um einen einfachen und transparenten visuellen Vergleich verschiedener Entscheidungsoptionen zu ermöglichen. Der hier vorgeschlagene einheitliche Beurteilungsrahmen geht inhaltlich über die bislang in der Literatur diskutierten Ansätze hinaus und kann als Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten in diesem Bereich gesehen werden. Über dies hinaus präsentiert die vorliegende Arbeit erste Schritte im Hinblick auf die Anwendung der vorgeschlagenen Bewertungsmethodik. In diesem Zusammenhang werden anhand von Daten aus Laborversuchen zur hydrothermalen Karbonisierung (als vielversprechende Beispieltechnologie für eine Bioökonomie) unter Berücksichtigung verschiedener Reaktionsintensitäten (severity approach), Modellgleichungen für die Massenbilanzierung abgeleitet (Sektion 3 und 4). Mit Hilfe dieser Gleichungen können die verschiedenen Produktausbeuten der hydrothermalen Karbonisierung (von Biogasgärresten und Weizenstroh), sowie der Grad der Karbonisierung der entstehenden Biokohle als Funktion von Prozessparametern berechnet werden. Im Gegensatz zu anderen Studien wurde hier eine logarithmische Abhängigkeit von der Reaktionsintensität verwendet. Letztere wurde dabei in Abhängigkeit von der Reaktionstemperatur, der Verweildauer und der Katalysatorkonzentration berechnet. Mit den ermittelten Modellen kann eine breite Palette verschiedener Prozessbedingungen simuliert und die Ausbeute der festen, flüssigen und gasförmigen Produktphase berechnet werden. Diese Modellgleichungen bilden die Grundlage für die Durchführung eines Technology Design Assessments als Ausgangspunkt für die Anwendung der vorgeschlagenen, standardisierten Bewertungsmethode.