Optimization of the Value Chain of the Existing Free Potentials of Wood Resources for Power Generation in Baden-Württemberg

Karlsruher Institut für Technologie

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Javier Parrilla-Martínez

Javier Parrilla-Martínez hat Physik an der Universität Zaragoza studiert und sich dabei auf Biomasse und Biobrennstoffe spezialisiert. Anschließend führte er als Projektleiter in der Wirtschaft Studien zur Wärme-, Strom- und Kraftstofferzeugung aus Pflanzenölen durch.
Es folgten Anstellungen als Stipendiat an der Universität Cottbus mit der Ausrichtung auf Logistikansätze für holzartige Biomasse und als akademischer Mitarbeiter an der Universität Karlsruhe (KIT). Am KIT beschäftigte er sich mit der Durchführung von Energiesystemanalysen und der Entwicklung der Software BIOSPHERE, die die Wertschöpfungsketten biogener Rohstoffe optimiert.
Javier Parrilla-Martínez promovierte im Oktober 2018.

Auf einen?

Expertise

  • Bioenergie-Fachwissen hinsichtlich Holzressourcenernte, Verdichtung, Transport und Umwandlung
  • Durchführung von Energiesystemanalysen (PERSEUS, TIMES, BIOSPHERE)
  • Modellierung von Energiefluss-Bruchteilen

Interessant für

  • Regierungen und öffentliche Behörden zur Förderung neuer Infrastrukturen für nachhaltige Energieerzeugung
  • Energieversorger*innen und Investor*innen vom Bioenergie-Sektor
  • alle, die an intelligenten Stromnetzwerken interessiert sind
Unsplash/Ashes Sitoula
Javier Parrilla-Martínez

Javier Parrilla-Martínez hat Physik an der Universität Zaragoza studiert und sich dabei auf Biomasse und Biobrennstoffe spezialisiert. Anschließend führte er als Projektleiter in der Wirtschaft Studien zur Wärme-, Strom- und Kraftstofferzeugung aus Pflanzenölen durch.
Es folgten Anstellungen als Stipendiat an der Universität Cottbus mit der Ausrichtung auf Logistikansätze für holzartige Biomasse und als akademischer Mitarbeiter an der Universität Karlsruhe (KIT). Am KIT beschäftigte er sich mit der Durchführung von Energiesystemanalysen und der Entwicklung der Software BIOSPHERE, die die Wertschöpfungsketten biogener Rohstoffe optimiert.
Javier Parrilla-Martínez promovierte im Oktober 2018.

Auf einen?

Expertise

  • Bioenergie-Fachwissen hinsichtlich Holzressourcenernte, Verdichtung, Transport und Umwandlung
  • Durchführung von Energiesystemanalysen (PERSEUS, TIMES, BIOSPHERE)
  • Modellierung von Energiefluss-Bruchteilen

Interessant für

  • Regierungen und öffentliche Behörden zur Förderung neuer Infrastrukturen für nachhaltige Energieerzeugung
  • Energieversorger*innen und Investor*innen vom Bioenergie-Sektor
  • alle, die an intelligenten Stromnetzwerken interessiert sind

Interview

Arthur Höring
Redakteur

Deine Arbeit beschäftigt sich mit dem Potenzial, das in der Ressource Holz liegt. Worin liegt dieses Potenzial und über welche Wege lässt es sich nutzen?

Javier Parrilla-Martínez
schreibt…
Arthur Höring
Redakteur

Deine Arbeit beschäftigt sich mit dem Potenzial, das in der Ressource Holz liegt. Worin liegt dieses Potenzial und über welche Wege lässt es sich nutzen?

Javier Parrilla-Martínez
Doktorand

Von allen vorkommenden Holzressourcen wie Waldrestholz, Landschaftsholz, holzigem Bioabfall oder Alt- und Industrieholz weisen derzeit nur die ersten beiden Arten ein ungenutztes freies Potenzial auf, das erschlossen werden könnte. Waldrestholz ist ein Abfallprodukt vom Holzeinschlag in Wäldern, der zum Ziel hat, Holz als Rohstoff zu erzeugen. Hingegen ist Landschaftsholz kein Restholz, sondern eine gegenwärtig ungenutzte natürliche Ressource, die von Bäumen und Sträuchern in Gehölzen gewonnen werden kann.
Die energetische Nutzung von Holzressourcen kann in Form von Wärme, Strom oder Biokraftstoffen erfolgen. Meine Arbeit beschäftigt sich allerdings nur mit der Stromerzeugung, denn aufgrund des fortschreitenden Atom- und Kohleausstiegs werden dringend neue Grundlastkraftwerke benötigt.
Zur Stromerzeugung könnte man dann diese Potenziale dezentral oder zentral nutzen, je nachdem welche der kosteneffizienteren Technologien implementiert wird. Beispiele dafür wären Wirbelschichtvergaser, die jeweils an einen Gasmotor angeschlossen höchstens 20 elektrische Megawatt (MWe) generieren können – oder Gas-und-Dampf-Kombiprozesse, die mindestens 200 MWe bereitstellen. 

Arthur Höring
Redakteur

Du hast für deine Dissertation auch eine Software entwickelt, die sich der Optimierung von Produktionswegen zur Energiegewinnung aus Holz widmet. An welchen Anhaltspunkten orientiert sich diese Software?

Javier Parrilla-Martínez
Doktorand

Die Software BIOSPHERE ermöglichtdie Entscheidungsfindung darüber, über welche Akteur*innen und Prozesse stoffliche bzw. energetische Ressourcen umgewandelt werden dürfen bzw. sollten. Dieses Energie- und Stoffflussmodell optimiert das untersuchte System durch Minimierung der gesamten Ausgaben. Dazu enthält BIOSPHERE für jeden beliebigen Nutzungspfad – bestehend aus Versorgungskette und Umwandlungsanlage – eine mathematische Restriktion zur Gewährleistung von dessen Wirtschaftlichkeit. Dadurch werden unwirtschaftliche Investitionen für Anlagenbetreiber bzw. Anleger*innen vermieden.
Um diesen neuartigen Ansatz zu implementieren ist eine Reihe neuer Gleichungssysteme mit neuen Variablen erforderlich. Diese Variablen sind die virtual flows und stehen für die kleinsten unteilbaren Energieströme, die alle möglichen aufeinander folgenden Prozesse innerhalb eines Nutzungspfades sequenziell miteinander verbinden. Sie weisen neben der Energiemenge auch die Aufschlüsselung der realen Energieflüsse in ihre wesentlichen Bestandteile auf. Das heißt, diese virtual flows bestimmen genau, wer die Energie produziert, umwandelt und schließlich verbraucht. Sie werden dazu extrem wichtig bspw. im Management von intelligenten Netzwerken sein.

Arthur Höring
Redakteur

Diskussionen über die Nachhaltigkeit von Energiegewinnung haben inzwischen auch eine hohe gesellschaftliche Relevanz. Wie würdest du die Erkenntnisse deiner Promotion in Bezug auf diese Diskussion einordnen?

Javier Parrilla-Martínez
Doktorand

In Bezug auf die Höhe der Treibhausgase ist die bloße Stromerzeugung aus Holzressourcen ein nachhaltiger Prozess. Erstens besteht er in der thermischen Umwandlung eines kohlenstoffneutralen Brennstoffs. Dies bedeutet, dass so viel Kohlendioxid in die Atmosphäre emittiert wird, wie die Bäume für ihr Wachstum aus der Luft aufnehmen. Zweitens bleibt die Entstehung von Stickoxiden dank der niedrigen Betriebstemperaturen in Wirbelschichtanlagen auf ein Minimum reduziert. Durch geeignete Gasreinigungsmethoden – besonders bei großen Kraftwerken – kann dieses Minimum auch kosteneffizient entfernt werden.
Andere Schadstoffemissionen wie Feinstaub, Asche oder Ruß kommen zwar in geringem Maße vor, sollten aber ebenfalls eliminiert bzw. reduziert werden. Wichtig wäre auch die Senkung der Emissionen entlang der gesamten Versorgungskette von der Ernte über die Verdichtung bis hin zum Transport – möglicherweise sogar durch ihre Elektrifizierung, insbesondere für Werk- und Fahrzeuge. Letztendlich könnten die Holzpotenziale in Baden-Württemberg klimaneutral bis zu 4% des Bruttostromverbrauchs ausmachen.                                                                                                                                                   

Schlagworte

optimization, model, profitability, restriction, value chain, bioenergy, wood resources, power, heat, utlilisation pathway, location allocation, fluidised-bed gasification, gas engine, BIGCC, co-firing, harvesting, densification, chipping, transport

Zusammenfassung

The energy mix of Baden-Württemberg – one of the most wooded regions of Germany – could be diversified through the optimal valorisation of the existing free potentials of wood resources. Circa 17 PJ of forest residues and landscape wood raw material grow annually over the territory of this federal state. For this reason, an optimisation of the corresponding value chain for power purposes is accomplished in order to identify the most cost-efficient utilisation pathways. Firstly, each unexploited potential of wood resources for up to ten different types of wood chips is estimated at district level. Next, the stages of felling, extraction, debranching, moving and chipping of wood resources are modelled into four specific logistic chains on the basis of the size of forest ownership, the steepness of slope and the variety of tree. Moreover, specific unit costs based on different cost allocation procedures are assigned to the ten identified types of chipped wood resources. Besides the modelling of the transport sector, an array of all feasible technologies for conversion of wood resources into bio-based power are compared to each other in terms of costs. A singular conclusion is drawn according to which, for each particular capacity under the same operation conditions, gasification is more cost-efficient than combustion – except for co-firing. Hence, the fluidised bed gasification coupled to a gas engine or a combined cycle as well as the direct co-firing of wood resources at a 10% co-fire rate are preselected for the intended analysis on account of their higher cost-effectiveness. Lastly, a new MILP model called BIOSPHERE (Bioenergy Optimisation Software for Production Pathways at High Energy and Resource Efficiency) is created for the optimisation of the value chain of wood resources. This optimising tool includes a unique mathematical constraint aiming at assuring profitability of investments within each utilisation pathway.
A scenario-based analysis is first developed for remunerations modelled with a high enough value above the breakeven point. Thereby, a combined heat and power cogeneration process consisting of a fluidised bed gasifier coupled to a gas engine of 20 MWe renders electricity production costs of 10.1-13.8 €cent/kWhe for an annual amount of 7,500 full load hours. The co-firing option for the existing coal-fired power plants with bio-based capacities up to 84.3 MWe generates lower electricity production costs of 6.6-11.7 €cent/kWhe, when the facilities are yearly operated for 3,000 full load hours. If a fluidised bed gasifier is connected to a combined cycle of 210/340 MWe (7,500 full load hours per year), this technology turns out to be the most cost-efficient with electricity production costs in the order of 5.6-7.1 €cent/kWhe. These costs ranges can be reduced by progressively decreasing remunerations below each resulting breakeven point. As for the option of co-firing, cheaper bioenergy configurations arise on the basis of cheaper wood resources that enable lower production costs of up to 5.6 €cent/kWhe for 4,000 hours per year at full load. In conclusion, the low incremental capital costs of co-firing as well as the high efficiencies of fluidised bed gasification-based combined cycles together with the valorisation of the more economical deciduous fractions of wood resources might reduce electricity production costs to a rather low range between 4.5 and 9.5 €cent/kWhe. Leveraging such cost reductions, the introduction of appropriate energy policy instruments for the promotion of carbon-neutral baseload power generation is strongly recommended in view of restrictions induced by Germany’s nuclear and coal phase-outs. Although the quality of the results of this study is mainly conditioned by uncertainty and the high spatial aggregation level of the spatial unit, the implemented methodology as well as the performed optimisation analysis represents an interesting breakthrough that may contribute to the initiated energy transition in Baden-Württemberg and the whole of Germany.

 
 

Metadaten: Deutsche Nationalbibliothek

Zitiervorschlag

Parrilla-Martínez, Javier. Optimization of the Value Chain of the Existing Free Potentials of Wood Resources for Power Generation in Baden-Württemberg. Karlsruher Institut für Technologie, 2019, http://dx.doi.org/10.5445/IR/1000099390/v2.

Repository

publikationen.bibliothek.kit.edu

Identifikatoren

■urn:nbn:de:101:1-2019121104590094536027

■doi: 10.5445/IR/1000099390/v2