Hydrothermal processing of biogenic residues in Germany: A technology assessment considering development paths by 2030

The mining, processing, and use of finite natural resources is associated with significant interventions in the natural environment. Thus, these and other negative consequences make it necessary to reduce resource consumption. An important field of action is the more efficient use of biogenic residues as secondary raw materials. However, high water containing biomasses are still a problem since they need an energy- and cost-intensive pre-treatment for many conversion processes, which can make their use uneconomical. Hydrothermal processes (HTP) seem to be promising, since they require an aqueous environment for optimal processing anyway. Although technological progress within the industry is recognisable, however, to date HTP have not been established in industrial continuous operation in Germany. The core of this work is identifying reasons for this sluggish development and deriving appropriate recommendations for action. Based on the hypothesis that HTP can contribute to the efficient utilisation of biogenic residues in the future, potentials and obstacles for the development of HTP in Germany are identified using a literature review, expert survey, expert workshop, and SWOT analysis. To estimate the future potential of HTP in a systematic and structured way, a multi-criteria technology assessment approach is developed based on the results. To this end, assessment criteria for HTP are derived, weighted by expert judgment, and integrated into a transparent and structured procedure. In addition, mainly based on a Delphi-survey key factors of HTP development by 2030 in Germany are identified and three development alternatives for HTP in Germany by 2030 are derived. Using a system analysis and a comparative multi-criteria analysis at plant level, these scenarios are analysed for their possible future impact. Based on this methodology, the work shows that the production costs for the end products, the energy efficiency of the process, and the proportion of recycled phosphorus are of high relevance to the techno-economic success of HTP compared to reference systems, and they are therefore of high importance for its future development on the plant level. In addition, further key factors for the future development of HTP in Germany on the system level are found to be mainly in the political-legal (e.g. legal waste status of products from HTP) and techno-economic (e.g. cost-effective process water treatment) areas. According to this, important fields of action are the identification and use of cost reduction potentials (e.g. heat waste use), the development of system integrated decentralised plant concepts with integrated nutrient recycling (e.g. phosphorus), and the development of cost-effective ways to treat process water. System integration, cost-effective process water treatment, and nutrient recycling are all closely linked to production costs, investment costs, and potential revenues, and can contribute to improved process economics. For these areas, there is promising future potential to achieve higher competitiveness with reference technologies that are currently more economical.:Bibliographic description Curriculum Vitae Selbstständigkeitserklärung Danksagung List of Publications Contribution to the Publications Contents List of Acronyms List of Tables List of Figures Part I Introductory Chapters 1 Introduction and Background Hydrothermal processes: Introduction and status quo State of the art in the research field and knowledge gaps Objective and research framework Expected value added of this work 2 Materials and methods Derivation of HTP evaluation metrics and technology assessment tool Derivation of key HTP development factors and scenarios Performing the system-level scenario analysis Plant-level scenario analysis and test application of the assessment tool Derivation of core recommendations 3 Results and discussion Key development factors for HTP in Germany and scenarios System-level scenario analysis Test application of the assessment tool on plant level scenarios Recommendations Discussion 4 Conclusion and outlook Future research Further fields for the application of the developed methods 5 References Part II Appended Articles Paper I Paper II Paper III Paper IV Paper V Paper VIDer Abbau, die Verarbeitung und die Nutzung endlicher natürlicher Ressourcen sind mit erheblichen Eingriffen in die natürliche Umwelt verbunden. Diese und andere negative Folgen machen es daher erforderlich, den Ressourcenverbrauch zu senken. Ein wichtiges Handlungsfeld ist die effizientere Nutzung biogener Reststoffe als Sekundärrohstoffe. Stark wasserhaltige Biomassen sind jedoch ein Problem, da sie für viele Umwandlungsprozesse eine energie- und kostenintensive Vorbehandlung benötigen, was ihre Verwendung unwirtschaftlich machen kann. Hydrothermale Prozesse (HTP) scheinen für diese Reststoffe allerdings vielversprechend zu sein, da sie ohnehin eine wässrige Umgebung für eine optimale Verarbeitung benötigen. Obwohl der technologische Fortschritt innerhalb der Branche erkennbar ist, wurde HTP in Deutschland bisher nicht im industriellen Dauerbetrieb etabliert. Der Kern dieser Arbeit besteht darin, Gründe für diese schleppende Entwicklung zu ermitteln und geeignete Handlungsempfehlungen abzuleiten. Basierend auf der Hypothese, dass HTP in Zukunft zur effizienten Nutzung biogener Reststoffe beitragen können, werden Potenziale und Hindernisse für deren Entwicklung in Deutschland anhand einer Literaturrecherche, einer Expertenumfrage, eines Expertenworkshops und einer SWOT-Analyse ermittelt. Um das zukünftige Potenzial von HTP systematisch und strukturiert abzuschätzen, wird basierend auf den Ergebnissen ein multi-kriterieller Technologiebewertungsansatz entwickelt. Zu diesem Zweck werden Bewertungskriterien für HTP abgeleitet, nach Expertenmeinung gewichtet und in ein transparentes und strukturiertes Verfahren integriert. Darüber hinaus werden hauptsächlich auf der Grundlage einer Delphi-Umfrage Schlüsselfaktoren für die HTP-Entwicklung bis 2030 in Deutschland identifiziert und drei Entwicklungsalternativen für HTP in Deutschland bis 2030 abgeleitet. Mithilfe einer Systemanalyse und einer vergleichenden multi-kriteriellen Analyse auf Anlagenebene werden diese Szenarien auf ihre möglichen zukünftigen Auswirkungen hin analysiert. Basierend auf dieser Methodik zeigen sich als Ergebnisse, dass die Produktionskosten für die Endprodukte, die Energieeffizienz der Prozesse und der Anteil an recyceltem Phosphor für den techno-ökonomischen Erfolg von HTP im Vergleich zu Referenzsystemen von hoher Relevanz und daher auch von hoher Bedeutung für die zukünftige Entwicklung auf Anlagenebene sind. Darüber hinaus liegen weitere Schlüsselfaktoren für die künftige Entwicklung von HTP in Deutschland auf Systemebene hauptsächlich im politisch-rechtlichen (z. B. legalen Abfallstatus von Produkten aus HTP) und techno-ökonomischen (z. B. kostengünstige Prozesswasseraufbereitung)) Bereichen. Wichtige Handlungsfelder sind demnach die Ermittlung und Nutzung von Kostensenkungspotentialen (zB Abwärmenutzung), die Entwicklung systemintegrierter dezentraler Anlagenkonzepte mit integriertem Nährstoffrecycling (z.B. Phosphor) und die Entwicklung kostengünstiger Wege zur Prozesswasserbehandlung. Systemintegration, kostengünstige Prozesswasseraufbereitung und Nährstoffrecycling hängen eng mit Produktionskosten, Investitionskosten und potenziellen Einnahmen zusammen und können zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit der Prozesse beitragen. Für diese Bereiche besteht ein vielversprechendes Zukunftspotenzial für eine höhere Wettbewerbsfähigkeit zu Referenztechnologien, die derzeit noch wirtschaftlicher sind.:Bibliographic description Curriculum Vitae Selbstständigkeitserklärung Danksagung List of Publications Contribution to the Publications Contents List of Acronyms List of Tables List of Figures Part I Introductory Chapters 1 Introduction and Background Hydrothermal processes: Introduction and status quo State of the art in the research field and knowledge gaps Objective and research framework Expected value added of this work 2 Materials and methods Derivation of HTP evaluation metrics and technology assessment tool Derivation of key HTP development factors and scenarios Performing the system-level scenario analysis Plant-level scenario analysis and test application of the assessment tool Derivation of core recommendations 3 Results and discussion Key development factors for HTP in Germany and scenarios System-level scenario analysis Test application of the assessment tool on plant level scenarios Recommendations Discussion 4 Conclusion and outlook Future research Further fields for the application of the developed methods 5 References Part II Appended Articles Paper I Paper II Paper III Paper IV Paper V Paper V

Wirkungsabschätzung von Flächenbelegungen in Ökobilanzen: Arbeitsstand einer Methodenentwicklung

Die Ökobilanz hat unter den in Anwendung befindlichen Umweltbewertungsmethoden einen besonderen Stellenwert und ist zwischenzeitlich bereits in einigen Gesetzen verankert. Für die Betrachtung der Flächennutzung in Ökobilanzen ist eine allgemein anerkannte methodische Lösung bislang allerdings noch nicht vorhanden. Zwar gibt es erste Ansätze, doch wird dabei auch der Bedarf an methodischer Erweiterung und insbesondere die Verbesserung der Datengrundlagen herausgestellt. Dieser Beitrag thematisiert eine Methodenentwicklung am Umweltbundesamt zur Berücksichtigung von temporärer Flächenbelegung und direkter sowie indirekter Flächennutzungsänderung von Produkten und Dienstleistungen im Rahmen der Ökobilanzierung. Zentraler Bestandteil ist die qualitative Bewertung der Flächennutzung und -änderung anhand von Charakterisierungsfaktoren auf Basis eines erweiterten Hemerobieansatzes. Die bisher erarbeitete Methode wurde u. a. für Biogas testweise angewendet, allerdings steht eine umfangreiche Erprobung noch aus. Dieser Beitrag stellt den bisherigen Arbeitsstand vor

Wirkungsabschätzung von Flächenbelegungen in Ökobilanzen: Arbeitsstand einer Methodenentwicklung

Die Ökobilanz hat unter den in Anwendung befindlichen Umweltbewertungsmethoden einen besonderen Stellenwert und ist zwischenzeitlich bereits in einigen Gesetzen verankert. Für die Betrachtung der Flächennutzung in Ökobilanzen ist eine allgemein anerkannte methodische Lösung bislang allerdings noch nicht vorhanden. Zwar gibt es erste Ansätze, doch wird dabei auch der Bedarf an methodischer Erweiterung und insbesondere die Verbesserung der Datengrundlagen herausgestellt. Dieser Beitrag thematisiert eine Methodenentwicklung am Umweltbundesamt zur Berücksichtigung von temporärer Flächenbelegung und direkter sowie indirekter Flächennutzungsänderung von Produkten und Dienstleistungen im Rahmen der Ökobilanzierung. Zentraler Bestandteil ist die qualitative Bewertung der Flächennutzung und -änderung anhand von Charakterisierungsfaktoren auf Basis eines erweiterten Hemerobieansatzes. Die bisher erarbeitete Methode wurde u. a. für Biogas testweise angewendet, allerdings steht eine umfangreiche Erprobung noch aus. Dieser Beitrag stellt den bisherigen Arbeitsstand vor

Wirkungsabschätzung von Flächenbelegungen in Ökobilanzen: Arbeitsstand einer Methodenentwicklung

Die Ökobilanz hat unter den in Anwendung befindlichen Umweltbewertungsmethoden einen besonderen Stellenwert und ist zwischenzeitlich bereits in einigen Gesetzen verankert. Für die Betrachtung der Flächennutzung in Ökobilanzen ist eine allgemein anerkannte methodische Lösung bislang allerdings noch nicht vorhanden. Zwar gibt es erste Ansätze, doch wird dabei auch der Bedarf an methodischer Erweiterung und insbesondere die Verbesserung der Datengrundlagen herausgestellt. Dieser Beitrag thematisiert eine Methodenentwicklung am Umweltbundesamt zur Berücksichtigung von temporärer Flächenbelegung und direkter sowie indirekter Flächennutzungsänderung von Produkten und Dienstleistungen im Rahmen der Ökobilanzierung. Zentraler Bestandteil ist die qualitative Bewertung der Flächennutzung und -änderung anhand von Charakterisierungsfaktoren auf Basis eines erweiterten Hemerobieansatzes. Die bisher erarbeitete Methode wurde u. a. für Biogas testweise angewendet, allerdings steht eine umfangreiche Erprobung noch aus. Dieser Beitrag stellt den bisherigen Arbeitsstand vor

Flächenbelegungen und Flächennutzungsänderungen in der Ökobilanzierung: Eine Methode zur Wirkungsabschätzung

Die Ökobilanz hat unter den in Anwendung befindlichen Umweltbewertungsmethoden einen besonderen Stellenwert und ist zwischenzeitlich bereits in einigen Gesetzen in Deutschland verankert. Für die Bewertung der Flächennutzung in Ökobilanzen ist eine allgemein anerkannte methodische Lösung bislang allerdings noch nicht vorhanden. Zwar gibt es erste Ansätze, doch wird dabei der Bedarf an methodischer Erweiterung und insbesondere die Verbesserung der Datengrundlagen herausgestellt. Dieser Beitrag thematisiert eine Methodenentwicklung am Umweltbundesamt zur Bewertung von temporärer Flächenbelegung und direkter sowie indirekter Flächennutzungsänderung von Produkten und Dienstleistungen im Rahmen der Ökobilanzierung. Zentraler Bestandteil ist die qualitative Bewertung der Flächennutzung und ihrer Änderung anhand von Charakterisierungsfaktoren auf Basis eines erweiterten Hemerobieansatzes. Die bisher erarbeitete Methode wurde u. a. zur Bewertung des Energiesystems in Deutschland angewendet. Weitere Erprobungen erfolgen. Dieser Beitrag stellt den bisherigen Arbeitsstand vor

Key Development Factors of Hydrothermal Processes in Germany by 2030: A Fuzzy Logic Analysis

To increase resource efficiency, it is necessary to use biogenic residues in the most efficient and value-enhancing manner. For high water-containing biomass, hydrothermal processes (HTP) are particularly promising as they require wet conditions for optimal processing anyway. In Germany, however, HTP have not yet reached the industrial level, although suitable substrates are available and technological progress has been made in previous years. This study aims to determine why this is by identifying key factors that need to occur HTP development in Germany until 2030. By using results of previous analyses within this context (i.e., literature review, SWOT analysis, expert survey, and focus group workshop) and combining them with the results of an expert workshop and Delphi-survey executed during this analysis, a comprehensive information basis on important development factors is created. Fuzzy logic is used to analyze these factors in terms of interconnections, relevance, and probability of occurrence by 2030. The results show that technological factors, such as a cost-efficient process water treatment and increased system integration of HTP into bio-waste and wastewater treatment plants, are given high relevance and probability of occurrence. The adaptation of the legal framework, for example, the approval of end products from HTP as standard fuels, has very high relevance but such adaptions are considered relatively unlikely

Supplementary_Information_WMR785735 – Supplemental material for How to identify suitable ways for the hydrothermal treatment of wet bio-waste? A critical review and methods proposal

<p>Supplemental material, Supplementary_Information_WMR785735 for How to identify suitable ways for the hydrothermal treatment of wet bio-waste? A critical review and methods proposal by Daniel Reißmann, Daniela Thrän and Alberto Bezama in Waste Management & Research</p