Climate change impact of pyrochar utilization for co-generation of heat and electricity with a comprehensive sensitivity analysis
2021 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Klimatförändringens påverkan av pyrokol-utnyttjande för samproduktion av värme och el med en omfattande känslighetsanalys (Swedish)
Abstract [en]
In our current time, climate change is one of the most important environmental issues and it is the basis for many policies and legislation that are introduced worldwide. Greenhouse gas (GHG) emissions from human activities contribute largely to global warming and climate change effects which are significant issues today. A strategy to reduce GHG emissions is to use biofuels in combined heat and power (CHP) plants to substitute fossil-based fuels. Pyrochar production from organic wastes through pyrolysis (a thermal process for biomass carbonization in an oxygen-limited environment) can be considered as a source of bioenergy. The goal of this study was to quantify the climate change impact of pyrochar production from pulp and paper mill sludge and the subsequent combustion in heat and power (CHP) plants for co-generation of heat and electricity using life cycle assessment (LCA) method. In the pyrochar scenario, it was assumed that the use of pyrochar would substitute the fossil fuel of coal in the units. Incineration of sludge with the low rate of energy recovery was assumed as the reference scenario for handling sludge from pulp and paper mills. A comprehensive sensitivity analysis was conducted to show under what condition the sludge biochar would offer the higher climate benefits. The results of this LCA show that using sludge pyrochar as biofuel in CHP plants delivered a considerable reduction in GHG emissions (-1.1 tonne CO2-eq per 2.8 tonne dry sludge (functional unit)) from the sludge management. The two largest contributing processes to the climate impact results (with negative contribution of 86% and 20% respectively) are the pyrolysis where pyrolysis gases are captured for energy recovery, and combustion in CHP plants where heat and electricity are displaced with the energy generated from coal-based fuels. The results of sensitivity analysis demonstrated that those parameters that remarkably change the LCA outcomes are the form of pyrochar (pelletvis-a-vis powder), replaced fuels in the CHP plant (solid waste and peat relative to coal), the use of pyrochar fuel in another European country (Germany and Spain vis-a-vis Sweden). As a consequence, pyrochar may have a good market in the energy sector. However, the introduction of sludge pyrochar to the energy sector requires a comprehensive economic analysis in addition to climate effect assessment.
Abstract [sv]
I vår nuvarande tid är klimatförändringar en av de viktigaste miljöfrågorna och den är grunden för många policyer och lagstiftning som införs över hela världen. Växthusgasutsläpp från mänskliga aktiviteter bidrar stor del till global uppvärmning och klimatförändringseffekter som är viktiga frågor idag. En strategi för att minska växthusgasutsläppen är att använda biodrivmedel i kraftvärmeverk för att ersätta fossilbaserade bränslen. Pyrochar-produktion från organiskt avfall genom pyrolys (en termisk process som karboniserar biomassa i en syrebegränsad miljö) kan betraktas som en källa till bioenergi. Målet med denna studie var att kvantifiera klimatförändringarnas påverkan av pyrokarproduktion från massa- och pappersbruksslam och den efterföljande förbränningen i värme- och kraftverk (CHP) för samproduktion av värme och el med livscykelbedömningsmetoden (LCA). I pyrochar-scenariot antogs att användningen av pyrokol skulle ersätta det fossila bränslet av kol i enheterna. Förbränning av slam med låg energiåtervinning antogs som referensscenario för hantering av slam från massa och pappersbruk. En omfattande känslighetsanalys genomfördes för att visa under vilket tillstånd slambiokol skulle erbjuda de större klimatfördelarna. Resultaten av denna LCA visar att användning av slampyrokol som biobränsle i kraftvärmeverk gav en avsevärd minskning av växthusgasutsläppen (-1.1 ton CO2 -ekv. per 2.8 ton torrslam (funktionell enhet)) från slamhanteringen. De två största bidragande processerna till klimatpåverkan (med ett negativt bidrag på 86% respektive 20%) är pyrolysen där pyrolysgaser fångas upp för energiåtervinning och förbränning i kraftvärmeverk där producerad värme och elektricitet ersätter den genererade energin från kolbaserade bränslen. Resultaten av känslighetsanalys visade att de parametrar som anmärkningsvärt förändrar LCA-resultaten är formen av pyrokol (pelletjämfört med pulver), ersatt bränslen i kraftvärmeverket (fast avfall och torv i förhållande till kol), användningen av pyrokolbränsle i ett annat europeiskt land (Tyskland och Spanien gentemot Sverige). Som en konsekvens kan pyrokol ha en bra marknad inom energisektorn. Introduktionen av slampyrokol till energiindustrin kräver dock en omfattande ekonomisk analys utöver klimateffektbedömningen.
Place, publisher, year, edition, pages
2021.
Keywords [en]
Pulp and paper mill sludge, Pyrolysis, CHP plant, LCA, Energy recovery
Keywords [sv]
Massa och papperbrukslam, Pyrolys, Kraftvärmeverk, LCA, Energiåtervinning
National Category
Bioenergy
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kau:diva-85457OAI: oai:DiVA.org:kau-85457DiVA, id: diva2:1579554
Educational program
Engineering: Energy and Environmental Engineering (300 ECTS credits)
Presentation
2021-06-01, 11:40 (Swedish)
Supervisors
Examiners
2021-07-182021-07-092021-07-18Bibliographically approved