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 VI / Der 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
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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 VI
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:72884 |
| Date | 27 November 2020 |
| Creators | Reißmann, Daniel |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1016/j.jclepro.2017.10.151, 10.1016/j.jclepro.2018.07.280, 10.1177/0734242X18785735, 10.3390/en11123532, 10.1016/j.biombioe.2020.105588, 10.1111/jiec.13073, 978-3-946629-64-1, 2197-4632, 10.5281/zenodo.3908188 |
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