Economic evaluation of bio-based supply chains with CO2 capture and utilisation

Carbon capture and storage (CCS) and carbon capture and utilisation (CCU) are acknowledged as important R&D priorities to achieve environmental goals set for next decades. This work studies biomass-based energy supply chains with CO2 capture and utilisation. The problem is formulated as a mixed-integer linear program. This study presents a flexible supply chain superstructure to answer issues on economic and environmental benefits achievable by integrating biomass-coal plants, CO2 capture and utilisation plants; i.e. location of intermediate steps, fraction of CO2 emissions captured per plant, CO2 utilisation plants' size, among others. Moreover, eventual incentives and environmental revenues will be discussed to make an economically feasible project. A large-size case study located in Spain will be presented to highlight the proposed approach. Two key scenarios are envisaged: (i) Biomass, capture or utilisation of CO2 are not contemplated; (ii) Biomass, capture and CO2 utilisation are all considered. Finally, concluding remarks are drawn.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Opportunities for Dutch Biorefineries

Deze Roadmap Bioraffinage beschrijft een aantal mogelijke routes naar de ontwikkeling en implementatie van een bioraffinage-gerelateerde Bio-based Economy in Nederland. De Roadmap combineert korte- en middellange termijn mogelijkheden (commerciële implementatie, demonstratie plants, pilot plants en gerelateerd toegepast onderzoek) met strategisch onderzoek voor de langere termijn. Tevens zijn vier z.g. Moonshots uitgewerkt, als voorziene bioraffinagestrategieën met een grote potentie voor de Nederlandse economi

CO2 CAPTURE AND STORAGE IN PORTUGAL A BRIDGE TO A LOW CARBON ECONOMY

Current projections indicate that further efforts are required at national and EU level to keep the EU on track towards its new 2030 targets, and cut EU's greenhouse gas emissions by 80 to 95 % by 2050, as its longer term objectives to decarbonise the European energy and industry system in line with global climate stabilization achievement. This study shows how low carbon technologies interplay up to 2050 to achieve aggressive mitigation targets in Portugal, under diverse scenarios conditions. While power generation appears to become increasingly supported by renewables and energy efficiency, intensive industry should consider CCS for deep CO from industrial processes. As soon as private companies and public policy bodies identify the needs and opportunities from adopting CCS, while taking current uncertainty, the higher the chance to prevent competitive losses while bridge Portugal to a carbon constrained economy

Strategies for regional deployment of hydrogen infrastructure

In response to the growing urge towards decarbonisation, more and more initiatives have been set to reduce and/or compensate the level of CO2 (carbon dioxide) emitted by human activities, which is one of the main responsible of the incumbent threats of “global warming” and “climate change”. “Climate neutrality by 2050” has become a decisive topic for political agendas worldwide and, against that background, the hydrogen economy can play a significant role. More and more countries have launched roadmaps and strategies for the creation of hydrogen value chains at national and international level. Also on regional scale, local integrated hydrogen ecosystems are growing, the so-called “Hydrogen Valleys”. These include German region North Rhine-Westphalia (NRW), which officially presented a hydrogen roadmap in November 2020, establishing targets for both the short (2025) and medium terms (2030) for the adoption of hydrogen in the sectors of Mobility, Industry, Energy & Infrastructure. The purpose of the present thesis is to investigate techno-economic strategies for the introduction of a hydrogen infrastructure in NRW over the next 15 years (2035), enabling the achievement of the abovementioned targets. Moreover, being buses explicitly mentioned within NRW hydrogen roadmap, the present thesis focuses on strategies to ensure the optimal deployment of hydrogen buses within the region. The work is conducted with support from the research institute of Forschungszentrum Jülich (FZJ), North-Rhine Westphalia, Germany. A simulation model (H2MIND) developed by FZJ is taken as main research tool. The output from two other models by FZJ (FINE-NESTOR and FINE-Infrastructure, respectively), which defined the scenario behind the NRW H2 Roadmap, are reviewed and served as starting point for the adaptation of the H2MIND model. An integrative mapping activity regarding i) existing bus depots for NRW population mobility and ii) existing steel production sites in Germany serves the purpose of increasing the resolution of H2MIND model in the geospatial description of the potential hydrogen refuelling stations for bus companies in NRW. Both the hydrogen demand and production derived from FINE-NESTOR are distributed geospatially over Germany for the years 2025-2030-2035, according to the hydrogen-related technologies modelled within H2MIND. The demand is broken down into Buses, Trains, Cars, Heavy-Duty Vehicles (HDVs) and Light Commercial Vehicles (LCVs), Material Handling Vehicles (MHVs), Industrial uses for Steel, Ammonia, Methanol and other Chemicals. The production is modelled around onshore wind power plants, steam methane reforming industrial locations and import. Four hydrogen supply chain pathways were compared by H2MIND simulations: i) transport and distribution by gaseous hydrogen trailers (‘GH2 trucks’), ii) transport and distribution by liquefied hydrogen trailers (‘LH2 trucks’), iii) transport via newly built hydrogen pipelines plus distribution via gaseous hydrogen trailers (‘new pipelines’), iv) transport via reassigned natural gas pipelines plus distribution via gaseous hydrogen trailers (‘reassigned NG pipelines’). The analysis and assessment of the H2MIND simulation results are conducted mainly on economic merit. The key variable used for the assessment is the weighted average Total Expense (TOTEX) [€/kg H2]. This comparison is carried out from global-cost perspective, then the cost breakdown is considered in order to identify specific features in the cost determination. The weighted average TOTEX is calculated also for the case of onsite renewable energy-based electrolysis at bus hydrogen refuelling stations, in order to understand how such a strategic choice could impact the overall hydrogen supply chain cost – various shares of self-sufficiency at bus depots are considered, ranging from 0% (fully centralized configuration, no self-sufficiency) to 100% (total self-sufficiency, complete independent). An overall three-fold increase in hydrogen demand is expected between the years 2025 and 2035 (from 450.72 kt/yr to 1,862.33 kt/yr in Germany, and from 177.87 kt/yr to 519.16 kt/yr in NRW). Both on national and regional level, the main demand driver is expected to shift from the Industrial sector (in 2025) to Mobility (in 2035). As for the geospatial distribution, NRW concentrates the highest hydrogen demand in the country, covering alone approximatively one third of the total German hydrogen demand. Within NRW, the relevance of a district depends on what hydrogen-consuming sector is considered. For Mobility and public transportation, based on the allocation factors used within H2MIND model, Köln ranks as the district with highest demand in many mobility sectors. For buses, Aachen, Wuppertal, Düsseldorf are the three top cities in the ranking in addition to Köln. Recommendation is that investments focus on high hydrogen-demand districts during the start-up phase of infrastructure development (period 2025-2035), where higher utilization factors of the infrastructural assets are expected and financial risks are therefore minimized. Looking into the weighted average TOTEX for the four analysed pathways, gaseous hydrogen trailers (‘GH2 trucks’) are the most convenient option for connecting production and consumption during the start-up phase of infrastructure development (period 2025-2035). Growing cost competitiveness is expected for ‘reassigned NG pipelines’ after 2035, thanks to the increased hydrogen demand and the higher utilization factor for pipelines. For the period 2025-2035, a fully centralized hydrogen supply pathway is the best option for covering bus-related hydrogen demand in the introductory phase of hydrogen infrastructure creation, with cost parity for onsite electrolysis being expected for the future after 2035Som svar på kraven på minskade koldioxidutsläpp har fler och fler initiativ tagits för att minska och/eller kompensera nivån av CO2 (koldioxid) som släpps ut på grund av mänskliga aktiviteter, vilket är en av de främsta orsakerna till de nuvarande hoten om "global uppvärmning". ” och ”klimatförändringar”. "Klimatneutralitet till 2050" har blivit ett avgörande inslag på politiska agendor världen över och mot den bakgrunden kan vätgasekonomin spela en betydande roll. Fler och fler länder har lanserat färdplaner och strategier för att skapa värdekedjor för vätgas på nationell och internationell nivå. Även i regional skala växer lokala integrerade vätgas-ekosystem, de så kallade "vätgasdalarna". Dessa inkluderar den tyska regionen Nordrhein-Westfalen (NRW), som officiellt presenterade en färdplan för vätgas i november 2020, som fastställde mål för både kort (2025) och medellång sikt (2030) för införandet av vätgas inom sektorerna rörlighet, industri, Energi & Infrastruktur. Syftet med denna avhandling är att undersöka tekniska och ekonomiska strategier för införandet av en vätgasinfrastruktur i NRW under de kommande 15 åren (2035), vilket gör det möjligt att uppnå ovan nämnda mål. Dessutom, eftersom bussar uttryckligen nämns i NRW:s vätgasfärdplan, fokuserar detta examensarbete på strategier för att säkerställa en optimal utplacering av vätgasbussar inom regionen. Arbetet bedrivs med stöd från forskningsinstitutet Forschungszentrum Jülich (FZJ), Nordrhein-Westfalen, Tyskland. En simuleringsmodell (H2MIND) utvecklad av FZJ används som huvudverktyg för forskning. Resultatet från två andra modeller av FZJ (FINE-NESTOR respektive FINE-Infrastructure), som definierade scenariot bakom NRW H2 Roadmap, granskas och tjänade som utgångspunkt för anpassningen av H2MIND-modellen. En integrerad kartläggning av i) befintliga bussdepåer för NRW- befolkningsrörlighet och ii) befintliga stålproduktionsanläggningar i Tyskland tjänar syftet att öka upplösningen av H2MIND-modellen i den geospatiala beskrivningen av potentiella vätgastankstationer för bussföretag i NRW. Både vätgasefterfrågan och produktionen från FINE-NESTOR distribueras geospatialt över Tyskland för åren 2025-2030-2035, enligt de vätgasrelaterade teknologierna som modelleras inom H2MIND. Efterfrågan är uppdelad i bussar, tåg, bilar, tunga fordon (HDV) och lätta kommersiella fordon (LCV), materialhanteringsfordon (MHV), industriell användning för stål, ammoniak, metanol och andra kemikalier. Produktionen är modellerad kring vindkraftverk på land, ångmetanreformerande industrilokaler och import. Fyra varianter av vätgasförsörjningskedjan jämfördes med H2MIND-simuleringar: i) transport och distribution med gasformiga vätgassläp ('GH2-lastbilar'), ii) transport och distribution med släp för flytande väte ('LH2-lastbilar'), iii) transport via nybyggda vätgas rörledningar plus distribution via släp för gasformigt vätgas (”nya pipelines”), iv) transport via tidigare naturgasledningar plus distribution via släp för gasformigt väte (”om-utnyttjade naturgasrörledningar”). Analysen och bedömningen av H2MIND-simuleringsresultaten utförs huvudsakligen på ekonomiska meriter. Den nyckelvariabel som används för bedömningen är den vägda genomsnittliga totala kostnaden (TOTEX) [€/kg H2]. Denna jämförelse görs ur ett globalt kostnadsperspektiv, sedan analyseras kostnadsfördelningen för att identifiera specifika egenskaper i kostnadsbestämningen. Det viktade genomsnittet av TOTEX beräknas även för fallet med elektrolys baserad på förnybar energi på plats vid vätgastankstationer för bussar, för att förstå hur ett sådant strategiskt val skulle kunna påverka den totala kostnaden för vätgasförsörjningskedjan – olika andelar av självförsörjning vid bussdepåer övervägs, allt från 0 % (helt centraliserad konfiguration, ingen självförsörjning) till 100 % (total självförsörjning, fullständigt oberoende). En övergripande trefaldig ökning av efterfrågan på vätgas förväntas mellan åren 2025 och 2035 (från 450,72 kt/år till 1 862,33 kt/år i Tyskland och från 177,87 kt/år till 519,16 kt/år i NRW). Både på nationell och regional nivå förväntas den främsta efterfrågedrivkraften flyttas från industrisektorn (2025) till mobilitet (2035). När det gäller den geospatiala fördelningen, koncentrerar NRW den högsta efterfrågan på vätgas i landet, och täcker ensam ungefär en tredjedel av det totala tyska vätgasbehovet. Inom NRW beror ett distrikts relevans på vilken vätgasförbrukande sektor som betraktas. För Mobilitet och kollektivtrafik, baserat på allokeringsfaktorer som används inom H2MIND-modellen, rankas Köln som det distrikt med högst efterfrågan inom många mobilitetssektorer. För bussar är Aachen, Wuppertal, Düsseldorf de tre bästa städerna i rankingen förutom Köln. Rekommendation är att investeringar fokuserar på distrikt med hög efterfrågan på vätgas under uppstartsfasen av infrastrukturutveckling (perioden 2025–2035), där högre utnyttjandefaktorer av infrastrukturtillgångarna förväntas och finansiella risker därför minimeras. Om man tittar på det vägda genomsnittliga TOTEX för de fyra analyserade varianterna, är släp med väte i gasform (‘GH2-lastbilar’) det lämpligaste alternativet för att koppla samman produktion och konsumtion under uppstartsfasen av infrastrukturutvecklingen (perioden 2025–2035). Ökande kostnadsfördelar förväntas för "om-utnyttjade naturgasrörledningar" efter 2035, tack vare den ökade efterfrågan på vätgas och den högre utnyttjandefaktorn för rörledningar. För perioden 2025–2035 är en helt centraliserad vätgasförsörjningsväg det bästa alternativet för att täcka bussrelaterad efterfrågan på vätgas i den inledande fasen av etablerandet av en vätgasinfrastruktur, med kostnadsparitet för elektrolys på plats vilket förväntas vara lösningen efter 2035Objectius de Desenvolupament Sostenible::7 - Energia Assequible i No Contaminant::7.2 - Per a 2030, augmentar substancialment el percentatge d’energia renovable en el con­junt de fonts d’energiaObjectius de Desenvolupament Sostenible::11 - Ciutats i Comunitats Sostenibles::11.2 - Per a 2030, proporcionar accés a sistemes de transport segurs, assequibles, accessi­bles i sostenibles per a totes les persones, i millorar la seguretat viària, en particular mitjan­çant l’ampliació del transport públic, amb especial atenció a les necessitats de les persones en situació vulnerable, dones, nenes, nens, persones amb discapacitat i persones gran

Reaching net-zero carbon emissions in construction supply chains – Analysis of a Swedish road construction project

Recent estimates suggest that the construction sector accounts for approximately one quarter of global CO2\ua0emissions. This paper assesses the potential for reducing the climate impact of road construction. The study is\ua0structured as a participatory integrated assessment with involvement from key stakeholders in the supply chain,\ua0supported by energy and material flow mapping, an extensive literature review and a scenario analysis. Theresults indicate that it is technically possible to halve road construction CO2 emissions with today’s best available\ua0technologies and practices, to abate more than three quarters of the emissions by 2030 and achieve close to net\ua0zero emissions by 2045. Realising the current potential would rely on sufficient availability of sustainably\ua0produced second-generation biofuels, indicating a need to speed up the implementation of alternative abatementmeasures, including optimization of material use and mass handling requirements, increased recycling of steel,\ua0asphalt and aggregates and enhanced use of alternative binders in concrete. Policy measures and procurement\ua0strategies should be aligned to support these measures with a clear supply chain focus. For deep decarbonization\ua0several key opportunities and obstacles for realisation of breakthrough technologies for basic industry are\ua0highlighted – including electrification and carbon capture for steel and cement, and hybridisation and electrification\ua0for heavy transport and construction equipment. There is a clear need to prepare for deeper abatement\ua0and associated transformative shifts already now and to carefully consider the pathway of getting there while\ua0avoiding pitfalls along the way, such as overreliance on biofuels or cost optimizations which cannot be scaled up\ua0to the levels required

Optimization of CCUS supply chains in the UK: A strategic role for emissions reduction

The UK is the second largest emitter of carbon dioxide in Europe. It aims to take urgent actions to achieve the 2030 target for CO_{2} emissions reduction imposed by EU environmental policies. Three different carbon capture utilization and storage (CCUS) supply chains are developed giving economic indicators for CO_{2} utilization routes not implying carbon dioxide hydrogenation (i.e. with high TRL). The study presents an innovative proposal to reduce CO_{2} impact in the UK, a country rich in coal, which requires reduction of carbon dioxide emissions from flue gases as the easiest and best performing solution. Bunter Sandstone, Scottish offshore and Ormskirk Sandstone are the storage sites considered, while several attractive potential utilization options are considered. Through minimization of total costs, the CCUS supply chain with Bunter Sandstone as storage site results in the most economically profitable solution due to the highest value of net present value (€ 0.554 trillion) and lowest value of pay back period (2.85 years). Only carbon tax is considered. The total cost is € 1.04 billion/year. Across the supply chain, 6.4 Mton/year of carbon dioxide emissions are avoided, to be either stored or used for calcium carbonate production. Future work should consider uncertainty, dynamics of market demand and social aspects