University of Groningen Techno-Economic Modelling of Biogas Infrastructures Hengeveld, Evert Jan

(1)

University of Groningen

Techno-Economic Modelling of Biogas Infrastructures

Hengeveld, Evert Jan

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.

Document Version

Publisher's PDF, also known as Version of record

Publication date: 2019

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):

Hengeveld, E. J. (2019). Techno-Economic Modelling of Biogas Infrastructures: Biogas transport in pipelines. Rijksuniversiteit Groningen.

Copyright

Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

(2)

527883-L-bw-Hengeveld 527883-L-bw-Hengeveld 527883-L-bw-Hengeveld 527883-L-bw-Hengeveld Processed on: 24-1-2019 Processed on: 24-1-2019 Processed on: 24-1-2019

Processed on: 24-1-2019 PDF page: 1PDF page: 1PDF page: 1PDF page: 1

TECHNO-ECONOMIC MODELLING

OF BIOGAS INFRASTRUCTURES

Biogas transport in pipelines

(3)

The research reported in this thesis was part of the Flexigas project, which was part financed by the municipality of Groningen, province of Groningen, the European Union, European Regional Development Fund, the Ministry of Economic Affairs, ‘Pieken in de Delta’ and the ‘Samenwerkingsverband Noord Nederland’, supported by Energy Valley.

ISBN: 978-94-034-1418-8 (printed) ISBN: 978-94-034-1417-1 (ebook)

All rights reserved. No part of the material protected by this copyright notice may be reproduced or utilized in any form by any means, electronically or mechanically, including photocopying, recording, or by any information storage and retrieval system, whiteout the prior permission of the author.

(4)

Techno-Economic Modelling of

Biogas Infrastructures

Biogas transport in pipelines

Proefschrift

ter verkrijging van de graad van doctor aan de

Rijksuniversiteit Groningen

op gezag van de

rector magnificus prof. dr. E. Sterken

en volgens besluit van het College voor Promoties.

De openbare verdediging zal plaatsvinden op

vrijdag 15 februari 2019 om 16.15 uur

door

Evert Jan Hengeveld

geboren op 28 januari 1958

te Woubrugge

(5)

4

Promotor

Prof. dr. A.A. Broekhuis

Copromotor

Dr. ir. W.J.T. van Gemert

Beoordelingscommissie

Prof. dr. H.C. Moll Prof. dr. F. Picchioni Prof. dr. S. Van Passel

(6)

(7)

6

VOORWOORD

In september 2005 startte het eerste onderzoeksproject van het Energie Kenniscentrum van de Hanzehogeschool Groningen. De Hanzehogeschool heeft, begrijpelijk gezien de ligging in de provincie Groningen, energie als een van de speerpunten gekozen. In de beginperiode zijn de projecten gericht op energiebesparing in de gebouwde omgeving in samenwerking met onder andere MKB en woningcorporaties. Tegelijk werden binnen het lectoraat Energietransitie onderzoeksprojecten ontwikkeld. Het resultaat is een reeks projecten die aangeduid kan worden als de ‘Flexi’s’. Hierin werd flexibiliteit onderzocht in duurzame elektriciteits-, gas- en warmtevoorziening.

Op dit moment is de omvang van het energieonderzoek aan de Hanzehogeschool flink toegenomen. Er lopen meerdere projecten, een grote groep lectoren, onderzoekers en studenten zijn hierbij betrokken. Daarbij aansluitend worden er onderwijsprogramma’s op masterniveau aangeboden. Het thema energie wordt in de breedte onderzocht. Van technisch en bedrijfseconomisch tot juridisch en sociaal psychologisch onderzoek. In de Energy Academy Europe is de Hanze een samenwerking met de Rijksuniversiteit Groningen aangegaan.

Het onderzoek dat gepresenteerd wordt in dit proefschrift vond grotendeels plaats binnen het gesubsidieerde project Flexigas. In Flexigas werd in samenwerking met verschillende partners, ieder met hun eigen specifieke kennis, onderzoek gedaan naar het toepassen van biogas in de energievoorziening. Deze stimulerende onderzoekomgeving heeft in het bijzonder bijgedragen aan mijn promotieonderzoek. De facilitering vanuit RenQi en de inbreng van de projectpartners waren onmisbaar.

Als deel van de activiteiten in Flexigas zijn drie promotieonderzoeken uitgevoerd. Jan Bekkering nam de uitdaging aan om de inpassing van groengas in de gasvoorziening te bestuderen. Frank Pierie richtte zich op de vraag hoe duurzaamheid van een complexe energie productieketen te meten en te optimaliseren. De onderlinge discussie, de wederzijdse reviews van concept teksten en het ‘samen optrekken’ hebben mij enorm geholpen om het derde proefschrift in rij te realiseren.

Mijn dank gaat ook uit naar collega’s voor hun inhoudelijke bijdrage in bijvoorbeeld het promovendi overleg of als deelnemer in een van de energieprojecten. Het management van het kenniscentrum, de dean en teamleiders van Engineering wil ik bedanken voor de gelegenheid die zij gaven om dit onderzoek uit te voeren. Voor de ondersteuners binnen het kenniscentrum dank voor het oppakken van tal van praktische zaken. En dan niet te vergeten alle collega’s, familie en vrienden die belangstelling toonden voor mijn werk. Een aantal mensen wil ik nog apart noemen.

(8)

7

Allereerst Ton Broekhuis, de promotor. Ton, dank! Dank voor het vertrouwen dat je me gaf bij een blanco start. Het overleg, vind ik, was steeds een mooie mix van informeel en toch resultaat gericht. Je hebt me waardevolle suggesties gegevens. Deze waren op hoofdlijnen, maar ook op het detail van een zinsnede of de vormgeving van een enkele grafiek.

Dan Wim van Gemert, de co-promotor. Wim, dank! Je stond, als architect van de flexi’s, aan de wieg van het project Flexigas. Met veel plezier kijk ik terug op de gesprekken, waarin de context van het onderzoek en de onderzoeksvraagstelling centraal stonden. Je ondersteuning van het promovendi-overleg maakte dat overleg tot een succes.

Vervolgens Jan Bekkering, co-auteur van de artikelen. Jan, dank! De intensieve samenwerking, je zorgvuldige lezen van de teksten, je scherpe blik op het juiste gebruik van begrippen en termen, en de open discussie over inhoud heb ik als zeer prettig en nuttig ervaren.

Verder nog Miet Van Dael, co-auteur van één van de artikelen. Miet, dank! Aansluitend op mijn presentatie bij een congres bood je enthousiast aan om samen te werken aan een casestudy. Zo kwamen via jou vergister-data beschikbaar. Je opmerkingen bij de conceptteksten waren nauwgezet en leidden o.a. tot een steeds betere structuur van het artikel.

Gegevens die nodig waren voor de modelberekeningen waren afkomstig van Johan Holstein van DNV-KEMA. Ook bedank ik collega Christian van Someren voor zijn input op de Engelse tekst.

Tot slot, dank aan Huibertien, en ook Wieke en Sjoerd, die de keuze voor een promotietraject steeds hebben ondersteund en aan Matz die regelmatig voor de broodnodige afleiding heeft gezorgd.

(9)

8

2.3.1 Biogas production and Upgrading & Injection 37 2.3.2 The biogas transport 38 2.3.3 Configurations of digesters 41 2.4 Results and discussion 41 2.4.1 Costs, green gas production 1200 m3h-1. 41 2.4.2 Energy use, green gas production 1200 m3h-1 43 2.4.3 Costs, green gas production 150 m3h-1 to 1200 m3h-1. 44

2.4.4 Other comments 45

2.5 Conclusion 46

2.6 Acknowledgements 46

2.7 Appendix 47

2.8 References 48

Chapter 3 Biogas infrastructures from farm to regional scale,

prospects of biogas transport grids. 51

3.1 Introduction 53

3.2 Methodology 56

3.2.1 The biogas transport model 56 3.2.2 The configurations and grid types in this study 57 3.2.3 The model calculations for transport of biogas 59

3.2.4 Safety measures 59

3.3 Results and discussion 60 3.3.1 Costs of biogas transport 60 3.3.2 Energy use for transport of biogas 63

3.3.3 Safety 64

3.3.4 Sensitivity analysis and additional scenario 65

(10)

9 3.4 Conclusions – Future research 68

3.6 Appendix 69

3.7 References 76

Chapter 4 Biogas infrastructures from farm to regional scale,

line-pack storage in biogas grids. 79

4.1 Introduction 81

4.2 Methodology 82

4.2.1 The biogas transport model. 82 4.2.2 Modelling line-pack storage 83 4.2.3 Enlargement of line-pack storage. 85 4.2.4 Additional assumptions 87 4.3 Results and discussion 87 4.3.1 Line-pack storage costs 88 4.3.2 Enlargement of line-pack storage 92 4.4 Conclusions – Future research 95

4.6 Appendix 96

4.7 References: 109

Chapter 5 Potential advantages in heat and power production when biogas is collected from several digesters using dedicated pipelines

- a case study in the “Province of West-Flanders” (Belgium). 111

5.1 Introduction 112

5.2 Methodology 114

5.2.1 Biogas grid costs 114 5.2.2 CHP costs and efficiency, scale dependency 115 5.2.3 Costs attributed to the additional electricity and heat production 118

5.3 Case study 118

5.4 Results and discussion 120 5.4.1 Scenario 1 - Reference scenario 120 5.4.2 Scenario 2 - Hub scenario 120

5.5 Discussion 131

5.6 Conclusions 132

5.7 Appendices 133

5.8 References 142

5.9 Supplementary material 144

Chapter 6 Conclusion and further research 149

6.1 References: 157

Summary 159

Samenvatting 165

(11)

10

University of Groningen Techno-Economic Modelling of Biogas Infrastructures Hengeveld, Evert Jan