Techno-economic analysis of hydrogen production from biomass with carbon capture and storage

Abstract

In addition to reducing greenhouse gas emissions, it is inevitable to remove carbon dioxide (CO2) from the atmosphere to achieve climate-neutrality. Options for this purpose are negative emission technologies (NETs) that couple bioenergy production with carbon capture and storage (BECCS). In this paper, a novel technology concept for BECCS is introduced with the peculiarity that the energy carrier hydrogen is produced from biogenic sources: hydrogen bioenergy with carbon capture and storage (HyBECCS). For the HyBECCS concept, no possibilities for technology-specific assessment exist. However, standardized evaluation fundamentals are necessary to support potential users and investors in their entrepreneurial decision-making processes. They are of great importance with regard to the technical implementation of HyBECCS technologies. Additionally, political framework conditions and qualification systems for public subsidies could also be improved in a more targeted way. The solution developed in this doctoral thesis provides a methodological basis for techno-economic assessment of HyBECCS technologies. It includes uniform system boundaries for ecological and economic balancing and key performance indicators (KPIs). The KPIs can be applied to compare HyBECCS technologies with other hydrogen production technologies and NETs. In addition to conventional economic criteria, these indicators integrate macroeconomic effects resulting from the GHG emissions and reductions as a special feature. On the basis of an exemplary HyBECCS implementation project, a techno-economic analysis is carried out with the help of these KPIs. It is shown that the theoretical principles developed can be applied in practice.

Auf dem Weg zu klimaneutralen Systemen muss zukünftig neben der Reduktion von Treibhausgasemissionen auch Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Atmosphäre entfernt werden. Eine Option dafür bieten Technologien, die Bioenergieerzeugung mit CO2-Abscheidung und -speicherung koppeln (BECCS). In dieser Arbeit wird ein Technologiekonzept für BECCS vorgestellt, bei dem der Energieträger Wasserstoff aus biogenen Rohstoffen produziert wird: Biowasserstofferzeugung mit Kohlenstoffdioxidabscheidung und -speicherung (HyBECCS, engl. hydrogen bioenergy with carbon capture and storage). Für das HyBECCS-Konzept bestehen keine technologiespezifischen Möglichkeiten der techno-ökonomischen Bewertung. Standardisierte Bewertungsgrundlagen sind jedoch notwendig, damit potenzielle Anwender und Investoren bei ihren unternehmerischen Entscheidungsprozessen im Hinblick auf den Technologieeinsatz in der Praxis unterstützt werden können. Auch politische Rahmenbedingungen und Qualifizierungssysteme für öffentliche Subventionen können damit gezielt verbessert werden. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Lösung stellt methodische Grundlagen für die techno-ökonomische Bewertung von HyBECCS-Technologien zur Verfügung. Dazu gehören einheitliche Systemgrenzen für ökologische und ökonomische Bilanzierungen und darauf aufbauende Kennzahlen. Diese können für Vergleiche mit anderen Wasserstoffproduktions- und Negativemissionstechnologien eingesetzt werden. Eine Besonderheit dabei ist, dass die Kennzahlen neben konventionellen betriebswirtschaftlichen Kriterien auch gesamtwirtschaftliche Auswirkungen integrieren, die aus den Treibhausgasemissionen und -reduktionen der zu bewertenden Technologien resultieren. Anhand eines exemplarischen Anschauungsbeispiels wird eine techno-ökonomische Analyse mit Hilfe dieser Kennzahlen durchgeführt. Dabei wird gezeigt, dass die erarbeiteten theoretischen Grundlagen in der Praxis einsetzbar sind.