71
Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids, IA 52404 [email protected] (319) 362-2120 TechnoEconomic and Environmental Opportunities for Biomass Heat and Power Generation Written by Mark Mba Wright October 14, 2010

Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

 

 

 

 

 

 

Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids, IA 52404 [email protected] (319) 362-2120  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  

Generation  

Written by Mark Mba Wright

October 14, 2010  

Page 2: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

i  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Executive  Summary  

The  purpose  of  this  report  is  to  provide  an  analysis  of  the  feasibility  and  economics  of  using  biomass  

feedstock  to  displace  coal-­‐fired  heat  and  power  generation  in  Iowa,  with  an  emphasis  on  biomass  

generation  that  is  economically  and  environmentally  sustainable.  

Biomass  includes  a  large  variety  of  feedstock  with  varying  compositions  and  energy  properties.  

There  are  various  types  of  feedstock  that  provide  attractive  opportunities  to  replace  fossil  fuels  in  heat  

and  power  applications.  The  main  advantage  of  biomass  feedstock  is  that  they  provide  an  opportunity  to  

reduce  greenhouse  gas  emissions.  In  locations  where  low-­‐cost  feedstock  is  available,  biomass  can  also  

serve  as  an  economical  substitute  to  coal  and  natural  gas.  Iowa  generates  approximately  68.3  million  

tons  of  stover  per  year.  Some  of  this  biomass  could  be  harnessed  to  generate  heat  and  power.  Wood  

and  wood-­‐derived  residues  are  not  a  major  Iowa  resource.  Therefore,  woody  biomass  is  included  in  this  

report  only  for  comparison  purposes.    

Dedicated  biomass  combined  heat  and  power  (CHP)  systems  are  generally  classified  as  direct  

combustion,  gasification,  or  anaerobic  digestion.  Direct  combustion  generates  hot  gas  that  can  be  used  

to  raise  steam  for  heat  or  power.  Gasification  systems  generate  a  hot,  combustible  gas  that  can  be  

combined  with  both  a  gas  turbine  and  a  steam  cycle.  Anaerobic  digestion  systems  generate  methane  

suitable  as  a  natural  gas  substitute.  Dedicated  systems  are  attractive  for  scenarios  where  low-­‐cost  

feedstock  is  available.  Alternatively,  biomass  can  be  integrated  into  existing  coal  plants.  

Biomass  co-­‐firing  with  coal  can  be  done  in  one  of  three  ways:  simultaneously,  separately,  or  via  

gasification.  Simultaneous  combustion  requires  carefully  prepared  biomass,  but  is  the  lowest  cost  

option.  Separate  combustion  is  more  commonly  employed,  but  requires  additional  investment.  

Gasification  is  the  highest  capital  cost  choice,  but  it  provides  the  most  flexibility  and  highest  efficiency.  

Various  utilities  have  integrated  small  amounts  of  biomass  into  their  power  generation  facilities  to  

comply  with  government  mandates.  An  important  area  of  opportunity  is  in  the  integration  with  

agricultural  and  industrial  facilities.  

 Iowa  agriculture  generates  significant  quantities  of  biomass  material,  much  of  which  is  highly  

dispersed.  Either  gathering  large  quantities  of  biomass  residue  to  a  large  facility  or  constructing  small,  

distributed  facilities  could  harness  these  resources.  An  important  Iowa  industry  is  the  livestock  sector.  

Page 3: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

ii  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Manure  from  livestock  operations  is  suitable  for  anaerobic  digestion  systems  and  can  provide  heat  and  

power  to  farm  operations.  

Ethanol  is  a  major  Iowa  export,  and  Iowa  is  one  of  the  leading  producers  of  corn  ethanol  in  the  

nation.  Wet  mill  corn  ethanol  refineries  generate  fiber  as  part  of  the  corn  to  ethanol  process.  This  fiber  

could  be  employed  in  a  CHP  system,  but  unfortunately,  there  are  very  few  wet  milling  corn  plants  in  

operation.  The  advent  of  cellulosic  ethanol  provides  a  great  opportunity  for  the  development  of  

integrated  CHP  units  capable  of  generating  enough  process  heat,  and  excess  power  from  biofuel  

refineries.    

Dedicated  biomass  facilities  face  important  challenges  in  their  ability  to  scale-­‐up.  Power  plants  are  

subject  to  economies  of  scale  that  provide  strong  economic  advantages  to  facilities  capable  of  

converting  large  quantities  of  fuel  to  electricity.  The  dispersed  nature  of  biomass  crops  makes  it  costly  to  

collect  large  quantities  of  feedstock  to  a  centralized  location.  This  has  limited  dedicated  biomass  

facilities  to  small-­‐scale  operations  subject  to  local  biomass  availability.  Electricity  from  small-­‐scale  

facilities  is  more  expensive  to  produce  due  to  higher  capital  costs  and  lower  process  efficiencies.    

Adoption  of  biomass  for  power  generation  provides  positive  economic  impacts  to  local  

communities.  For  every  $1  million  spent  to  purchase  feedstock  for  power  generation,  local  communities  

would  receive  an  estimated  $7.4  million  in  income  and  about  97  jobs  would  be  generated.  This  revenue  

would  offset  up  to  $15.5  million  from  the  coal  industry,  most  of  which  benefits  industries  outside  of  

Iowa.  

Biomass  is  a  renewable  fuel  with  positive  environmental  impacts.  Conversion  of  short-­‐term  rotation  

feedstock  into  energy  has  net  zero  emissions  over  a  period  of  12  years  or  less.  Replacing  fossil  fuels  in  

existing  energy  facilities  helps  lower  CO2,  SOx,  and  NOx  emissions.  Optimization  of  biomass-­‐fired  facilities  

can  reduce  biomass  emissions  including  particulate  matter  to  negligible  quantities.  Technology  

development  could  bring  significant  improvement  in  the  environmental  impact  of  biomass  heat  and  

power  generation.  Additional  research  is  needed  to  determine  the  costs  of  biomass  emission  controls.  

Government  initiatives  continue  to  incentivize  the  adoption  of  biomass  in  existing  power  plants.  

Legislation  that  seeks  to  reduce  power  plant  emissions  could  provide  enough  economic  value  to  make  

biomass  an  attractive  option  for  facilities  seeking  to  comply  with  government  caps  on  air  pollution.  

Page 4: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

iii  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Table  of  Contents  

Executive  Summary.........................................................................................................................................i  

1   Introduction......................................................................................................................................... 1  

2   Overview  of  biomass  heat  and  power  applications............................................................................. 2  

2.1   Biomass  as  an  energy  source.......................................................................................................... 2  

2.2   Biomass  availability ........................................................................................................................ 4  

2.3   The  biomass  supply  chain ............................................................................................................... 6  

3   Literature  review  of  biomass  heat  and  power  applications .............................................................. 10  

3.1   Dedicated  biomass  heat  and  power  generation........................................................................... 10  

3.1.1   Direct  combustion.................................................................................................................. 12  

3.1.2   Gasification ............................................................................................................................ 14  

3.1.3   Anaerobic  digestion ............................................................................................................... 16  

3.2   Biomass  co-­‐firing  in  coal  plants .................................................................................................... 18  

3.2.1   Simultaneous  biomass  and  coal  injection .............................................................................. 19  

3.2.2   Separate  biomass  and  coal  injection...................................................................................... 20  

3.2.3   Biomass  gasification  combined  with  coal  combustion........................................................... 21  

3.3   Biomass  integration  in  agricultural  and  industrial  processing  facilities........................................ 22  

3.3.1   Iowa  agricultural  opportunities  for  biomass  CHP .................................................................. 22  

3.3.2   Iowa  corn  ethanol  refinery  opportunities  for  biomass  CHP................................................... 23  

3.4   Power  plants  with  biomass  combustion  experience .................................................................... 25  

4   Economic  impacts  of  co-­‐firing  biomass  for  heat  and  power  generation........................................... 28  

4.1   Overview  of  the  economics  of  biomass  heat  and  power  generation ........................................... 28  

4.2   Economic  impacts  of  biomass  heat  and  power  generation.......................................................... 35  

5   Environmental  impacts  of  biomass  for  heat  and  power  generation ................................................. 38  

5.1   Overview  of  the  environmental  impacts  of  biomass  for  heat  and  power  generation ................. 38  

5.2   Economic  implications  of  the  environmental  impacts  of  biomass  co-­‐firing  for  heat  and  power  generation ............................................................................................................................................. 46  

5.3   Analysis  of  emissions  from  biomass  combustion ......................................................................... 48  

5.4   Emission  control  measures  for  biomass  combustion ................................................................... 51  

5.5   Handling  and  applications  of  ash  from  biomass  combustion ....................................................... 54  

6   Conclusions........................................................................................................................................ 57  

References .................................................................................................................................................... 1  

 

Page 5: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

iv  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

List  of  Tables  

Table  1  Thermal  properties  of  bioenergy  and  fossil  fuels  [1] ...................................................................... 3  

Table  2  Organic,  ultimate,  and  proximate  analysis  properties  of  representative  feedstock  [1] ................. 4  

Table  3  Gasifier  producer  gas  composition  [8] .......................................................................................... 15  

Table  4  Iowa  corn  and  soybean  agricultural  crop  and  residue  production  [4] .......................................... 22  

Table  5  Livestock  and  poultry  manure  production  rate  [14] ..................................................................... 23  

Table  6  Location,  type  of  biofuel  resources,  and  biofuel  input  quantities  of  biomass  power  plants  

surveyed  by  NREL  [18] ............................................................................................................................... 25  

Table  7  Biomass  and  fossil  fuels  power  technology  characterizations  employed  by  the  EPA  [24] ........... 32  

Table  8  Cost  of  corn  stover,  coal,  and  natural  gas  at  the  burner  (includes  drying  and  grinding  costs)  [25]

................................................................................................................................................................... 33  

Table  9  Comparison  of  costs  and  savings  for  52.3  MW  process  heat  generation  using  different  feedstock  

[25] ............................................................................................................................................................ 34  

Table  10  Expenditures  in  thousands  of  dollars  by  IMPLAN  Sector  per  million  dollars  of  gross  expenditure  

by  feedstock  type  [26] ............................................................................................................................... 36  

Table  11  Economic  impact  for  every  million  $  spent  in  2%  biomass  co-­‐firing  in  southeastern  coal  power  

plants  [26].................................................................................................................................................. 37  

Table  12  Economic  impacts  of  converting  switchgrass  to  power  in  Iowa  [20] .......................................... 38  

Table  13  Greenhouse  gas  warming  potential  of  biomass  and  coal  co-­‐firing  for  combined  heat  (52.3  MW)  

and  power  (9.5  MW)  [25] .......................................................................................................................... 47  

Table  14  Clear  Skies  Initiative  –  estimates  for  2000  power  plant  emissions  and  2022  projections  [26]... 48  

Table  15  Range  of  pollutant  values  analyzed  by  the  DOE  for  emission  reduction .................................... 48  

Table  16  Mean  emission  levels  at  13%  O2  from  small-­‐scale  biomass  combustion  applications  [49] ........ 51  

Table  17  Comparison  of  emissions  for  poor  and  high  standard  combustion  furnace  design  [50] ............ 51  

Table  18  Comparison  of  emission  and  efficiency  measurements  resulting  from  the  optimization  of  a  

combustion  boiler  [51] .............................................................................................................................. 53  

Page 6: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

v  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

List  of  Figures  

Figure  1  Potential  biomass  resources  available  for  energy  applications  as  identified  in  the  USDA's  1  

billion  ton  study  [3]...................................................................................................................................... 5  

Figure  2  Grain  combine  harvester  with  stalk-­‐gathering  head,  collecting  stalk  and  leaf  in  the  front  wagon  

and  cob  and  husk  in  the  rear  wagon  [6] ...................................................................................................... 9  

Figure  3  The  biomass  supply  chain  and  factors  that  influence  biomass  quality  (adapted  from  [7]) ......... 10  

Figure  4  Biomass  steam  generation  for  heat  and  power  process  schematic ............................................ 11  

Figure  5  Direct  (a)  and  indirect  (b)  power  generation  from  flue  gas ......................................................... 12  

Figure  6  Biomass  combustion  furnace  designs:  (a)  suspension,  (b)  grate-­‐fired,  (c)  fluidized  bed  [5] ....... 14  

Figure  7  Biomass  Gasification  Reactor  Designs  [8] .................................................................................... 16  

Figure  8  Single-­‐tank  batch  feed  anaerobic  digester  [5] ............................................................................. 18  

Figure  9  Biomass  and  coal  co-­‐firing  technologies:  a)  simultaneous  injection,  b)  separate  injection,  c)  

biomass  gasification .................................................................................................................................. 19  

Figure  10  Biomass  integrated  gasification  combined  cycle  diagram  for  CHP  at  a  corn  ethanol  facility  [17]

................................................................................................................................................................... 24  

Figure  11  Simplified  description  of  the  kraft  mill  pulp  production  process  with  material  flows  provided  

on  a  dry-­‐basis  [21] ..................................................................................................................................... 27  

Figure  12  Economies  of  scale  of  investment  costs  for  large  scale  dedicated  biomass  power  generation  

plants  [23].................................................................................................................................................. 30  

Figure  13  Impact  of  scale  on  electrical  efficiency  of  biomass  power  plants  [23] ...................................... 31  

Figure  14  Annual  costs  for  biomass  and  coal  co-­‐firing  combined  heat  (52.3  MW)  and  power  (9.5  MW)  

system........................................................................................................................................................ 35  

Figure  15  Bioenergy  and  Fossil  Heat  and  Electricity  Energy  System  Cycles  [29] ....................................... 39  

Figure  16  Forest  Carbon  Cycle  based  on  Tonnes  of  Carbon  per  Hectare  per  Year  (adapted  from  [29]) ... 41  

Figure  17  Land  use  change  among  major  sectors  in  the  United  States,  1982-­‐1997  [31] .......................... 42  

Figure  18  World  continents'  forest  change  rate  (bubble  size  based  on  %  of  world  forests  in  1990,  positive  

values  indicate  forest  growth)  [36]............................................................................................................ 45  

Figure  19  Deforested  Land  Area  in  Brazil  (1988  -­‐  2008)  [38]..................................................................... 46  

Figure  20  Bituminous  coal,  forest  residue,  and  wheat  straw  chemical  fractionation  results  (adapted  from  

[48]) ........................................................................................................................................................... 56  

Page 7: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

1  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

1 Introduction  

The  primary  goal  of  this  project  is  to  provide  a  technical  analysis  of  the  feasibility  and  economics  of  

using  biomass  to  displace  coal-­‐fired  heat  and  power  generation  in  Iowa  with  an  emphasis  on  biomass  

generation  that  is  economically  and  environmentally  sustainable.  This  report  discusses  current  biomass  

heat  and  power  applications,  reviews  recent  literature  and  industry  reports  on  relevant  biomass  

applications,  estimates  direct  and  indirect  economic  benefits  of  biomass  generation,  and  outlines  the  

environmental  impacts  of  biomass  heat  and  power  generation.  

Biomass  feedstock  is  a  clean  and  renewable  source  of  energy  that  is  suitable  for  combustion  

applications.  Biomass  is  currently  employed  in  commercial  and  industrial  applications  to  generate  heat  

and  power.  Direct  combustion  and  co-­‐firing  in  coal  plants  are  some  of  the  most  common  processes  

employed  to  convert  biomass  into  energy.    

There  is  a  growing  interest  in  replacing  the  use  of  fossil  fuels  with  clean  and  renewable  sources  of  

energy.  Biomass  is  a  promising  source  of  energy  that  is  suitable  for  heat  and  power  generation,  and  it  

has  been  the  subject  of  various  studies  and  reports.    

Biomass  generation  has  various  direct  and  indirect  economic  impacts  on  local  communities.  Biomass  

heat  and  power  plants  provide  local  jobs  and  additional  sources  of  revenue  to  farmers  and  producers.  

There  are  various  governmental  incentives  in  place  to  help  communities  and  companies  increase  the  

adoption  of  biomass  for  energy  applications.  

There  is  much  debate  regarding  the  environmental  impacts  of  increasing  the  use  of  biomass  for  

energy  production.  Most  studies  report  positive  direct  environmental  benefits  from  replacing  coal  with  

biomass  in  heat  and  power  applications.  Indirect  environmental  benefits  are  more  difficult  to  measure,  

and  there  is  ongoing  debate  on  the  indirect  environmental  impacts  of  converting  biomass  to  energy.    

Page 8: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

2  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

2 Overview  of  biomass  heat  and  power  applications  

2.1 Biomass  as  an  energy  source  

Biomass  is  generally  defined  as  any  organic  material  of  recent  origin.  It  includes  crops,  wood,  

municipal  waste,  and  other  forms  of  organic  material.  Biomass  properties  are  an  important  

consideration  for  heat  and  power  applications.  Heating  value,  ultimate  and  proximate  analysis,  and  

organic  composition  are  commonly  employed  classifications  to  compare  different  types  of  feedstock.  

Heating  value  is  a  measure  of  the  amount  of  heat  generated  during  combustion.  Biomass  feedstock  

has  a  typical  heating  value  of  18  gigajoules  (GJ)  per  ton.  Fossil  fuels  are  dense  organic  materials  with  

heating  values  that  are  commonly  above  20  GJ/t  and  can  exceed  40  GJ/t.  Therefore,  larger  quantities  of  

biomass  are  typically  required  to  generate  the  same  amount  of  energy  as  a  similar  amount  of  fossil  fuel.  

Table  1  compares  the  thermal  properties  of  bioenergy  feedstocks,  liquid  biofuels,  and  fossil  fuels.  

Ultimate  analysis  is  a  description  of  the  elemental  composition  of  biomass.  Ultimate  analysis  

includes  carbon,  hydrogen,  oxygen,  nitrogen,  sulfur,  and  ash  content.  The  distribution  of  these  

compounds  provides  hints  as  to  the  combustion  behavior  of  the  biomass  material.  Carbon,  hydrogen,  

and  oxygen  affect  the  energetic  performance  during  combustion,  and  nitrogen,  sulfur,  and  ash  can  have  

detrimental  environmental  and  operational  impacts.  Biomass  typically  contains  small  amounts  of  

nitrogen  and  sulfur.  Compared  to  coal,  biomass  is  an  attractive  feedstock  because  of  its  low  sulfur  

content.  Ash  is  actually  a  general  term  that  includes  most  types  of  inorganic  materials  (silica,  iron,  alkali).  

Biomass  ash  content  varies  depending  on  the  type  of  feedstock.  Generally,  agricultural  crops  contain  

higher  ash  quantities  than  woody  crops.  

Page 9: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

3  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Table  1  Thermal  properties  of  bioenergy  and  fossil  fuels  [1]  

    Heating    Value    (GJ/t)  

Ash    (%)  

Sulfur    (%)  

 Corn  stover     17.6   5.6    Sweet  sorghum     15.4   5.5    Sugarcane  bagasse     18.1   3.2-­‐5.5   0.10-­‐0.15  Sugarcane  leaves     17.4   7.7    Hardwood     20.5   0.45   0.009  Softwood     19.6   0.3   0.01  Hybrid  poplar     19   0.5-­‐1.5   0.03  Bamboo     18.5-­‐19.4   0.8-­‐2.5   0.03-­‐0.05  Switchgrass     18.3   4.5-­‐5.8   0.12  Miscanthus     17.1-­‐19.4   1.5-­‐4.5   0.1  

Bioenergy  Feedstock  

Arundo  donax     17.1   5-­‐6   0.07  Bioethanol     28     <0.01  Liquid  Biofuels  Biodiesel     40   <0.02   <0.05  Coal  (low  rank;  lignite/sub-­‐bituminous)     15-­‐19   5-­‐20   1.0-­‐3.0  Coal  (high  rank;  bituminous/anthracite)     27-­‐30   1-­‐10   0.5-­‐1.5  

Fossil  Fuels  

Oil  (typical  distillate)     42-­‐45   0.5-­‐1.5   0.2-­‐1.2  

 

Proximate  analysis  measures  fixed  carbon,  volatile  matter,  and  moisture  content.  Fixed  carbon  is  the  

amount  of  solid  residue  left  after  drying  or  combustion  drives  off  volatile  matter.  Moisture  content  is  an  

important  measure  because  of  its  significant  impact  on  combustion  performance.  Biomass  moisture  

content  can  vary  from  less  than  10%  by  weight  to  over  50%.  Drying  is  typically  required  for  most  

applications  to  limit  energy  penalties.  A  common  rule  of  thumb  for  calculating  drying  requirements  is  

2000  British  Thermal  Units  (BTUs)  per  pound  mass  of  water  evaporated  (4.66  MJ/kg).  Some  heat  and  

power  biomass  applications  can  employ  open  air-­‐drying,  which  has  a  low  operating  costs  but  could  lead  

to  feedstock  degradation.  Dedicated  drying  equipment  commonly  employs  either  hot  air  or  steam  to  

rapidly  evaporate  moisture  [2].    

Biomass  feedstock  is  also  characterized  by  its  organic  composition.  Biomass  is  generally  composed  

of  three  macromolecule  groups:  cellulose,  hemicellulose,  and  lignin.  Cellulose  consists  of  long  glucose  

Page 10: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

4  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

chains  and  serves  as  a  plant  energy  repository.  Hemicellulose  includes  five  different  sugars  and  

represents  20  to  40%  of  the  biomass  weight.  Hemicellulose  is  a  long-­‐term  plant  energy  store  and  

structural  component.    Lignin  represents  only  10  to  25%  of  biomass  weight  but  is  the  main  structural  

component.  Plants  develop  lignin  to  protect  their  cellulose  and  hemicellulose  from  the  attacks  of  

biological  agents.  Table  2  shows  biomass  properties  for  corn  stover,  herbaceous  and  woody  crops.  

Table  2  Organic,  ultimate  and  proximate  analysis  properties  of  representative  feedstock  [1]  

Feedstock   Organic  Composition    (dry  wt-­‐%)  

Ultimate  Analysis    (dry  wt-­‐%)  

Proximate  Analysis    (dry  wt-­‐%)  

  Cellulose   Hemi-­‐cellulose  

Lignin   Other    

C   H   O   N   Ash   Volatile  Matter  

Fixed  C  

Ash  

Corn  stover   53   15   16   16   44   5.6   43   0.6   6.8   75   19   6  Herbaceous  crop  

45   30   15   10   47   5.8   42   0.7   4.5   81   15   4  

Woody  crop   50   23   22   5   48   5.9   44   0.5   1.6   82   16   1.3  

 

2.2 Biomass  availability    

According  to  the  U.S.  Department  of  Agriculture  (USDA),  there  is  more  than  1  billion  tons  of  biomass  

per  year  available  [3].  The  most  abundant  sources  consist  of  crop  residues  (corn  stover,  soybean  

residue,  etc.)  and  perennial  crops,  but  various  types  of  woods  are  also  available  (Figure  1).  Forestlands  

can  produce  about  368  million  dry  tons  of  biomass,  and  998  million  dry  tons  could  be  collected  from  

agricultural  lands.  These  estimates  take  into  account  that  not  all  resources  are  readily  accessible  due  to  

lack  of  transportation  infrastructure,  environmental  concerns,  or  equipment  limitations.  Agricultural  

resource  estimates  assume  improvements  in  crop  production  and  collection.  These  assumptions  avoid  

direct  competition  with  food,  feed,  and  export  demands.  There  could  be  additional  impacts  from  

increased  agricultural  inputs.  

Page 11: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

5  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  1  Potential  biomass  resources  available  for  energy  applications  as  identified  in  the  USDA's  1  billion  ton  study  [3]  

Iowa  is  a  leading  producer  of  corn  and  soybeans  and  generates  large  quantities  of  agricultural  

residues.  Iowa  produced  2.44  billion  bushels  of  corn  grain  in  2009  and  486  million  bushels  of  soybeans  

[4].  Total  residue  production  can  be  estimated  using  residue  factors  that  provide  a  rough  estimate  of  the  

weight  of  residues  available  from  agricultural  production.  One  ton  of  stover  is  produced  for  every  ton  of  

corn  grain,  and  1.5  tons  of  soybean  residues  are  generated  per  ton  of  soybean.    Therefore,  annual  

estimates  for  Iowa  agricultural  residues  are  approximately  68.3  million  tons  of  stover  production  per  

year  and  20.4  million  tons  of  soybean  residues.  A  portion  of  these  residues  is  required  for  soil  cover  to  

prevent  erosion  and  may  not  be  available  for  other  uses.  

There  are  few  other  significant  feedstock  sources  in  Iowa  to  consider  for  heat  and  power  

generation.  For  example,  biomass  grown  in  Conservation  Reserve  Program  (CRP)  land,  such  as  

switchgrass,  has  been  considered  a  potential  source  for  biomass  conversion.  The  challenge  with  CRP  

grown  biomass  is  in  collecting  sufficient  quantities  to  serve  a  nearby  biomass  facility.    

0   50   100   150   200   250   300   350   400   450  

Urban  wood  residues  

Fuelwood  

Fuel  treatments  

Loggin  &  other  residue  

Wood  processing  residues  

Pulping  liquor  

Process  residues  

Grain-­‐to-­‐ethanol  

Perennial  crops  

Crop  residues  

QuanWty  [million  tons/year]  

Page 12: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

6  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Some  industrial  facilities,  such  as  ethanol  refineries  and  pulp  and  paper  mills,  can  be  a  significant  

source  of  feedstock.  There  are  two  major  types  of  corn  ethanol  refineries:  dry  and  wet  mills.  Each  of  

these  generates  different  types  of  by-­‐products.  Dry  mills  primarily  generate  distillers  dried  grains  

(DDGS),  which  have  a  higher  value  as  feed  than  fuel.  Wet  mills  produce  corn  oil,  gluten,  and  fiber  by-­‐

products,  and  this  fiber  is  a  potential  fuel  to  generate  process  heat.  Most  corn  ethanol  refineries  consist  

of  dry  mills  with  not  enough  biomass  available  for  conversion  to  heat  and  power.  Cellulosic  ethanol  

refineries,  such  as  the  Emmetsburg  facility,  convert  corn  cobs  to  ethanol  and  reject  lignin  material  in  the  

process.  Lignin  is  structural  biomass  material  that  microbes  are  currently  unable  to  convert  into  liquid  

fuel.  Lignin  contributes  a  significant  portion  of  biomass  material,  and  its  combustion  in  cellulosic  plants  

could  provide  enough  heat  and  power  for  the  facility  and  for  sale.  

 Smaller  industrial  categories  to  consider  in  Iowa  are  pulp  and  paper  mills.  Iowa  mills  generated  

181,810  dry  tons  of  unused  residues  in  2007.  Despite  being  a  small  contributor  to  the  amount  of  

biomass  available  in  the  state,  pulp  and  paper  mills  present  attractive  opportunities  for  the  

development  of  small-­‐scale  biomass  energy  generation.  

2.3 The  biomass  supply  chain  

Biomass  production  is  a  yearlong  investment  with  multiple  factors  that  affect  the  quality  of  the  final  

product.  This  process  can  be  divided  into  three  stages:  growth,  harvest,  and  conversion.  The  growth  and  

harvest  stages  influence  the  fuel  characteristics  that  are  key  for  biomass  conversion  to  energy.  

Iowa  soil  is  one  of  the  most  fertile  in  the  world  and  allows  for  high  productivity  of  native  species.  

The  proportions  of  clay,  silt,  and  sand  classify  soils.  Clay  consist  of  particles  smaller  than  0.002  mm,  silt  

have  sizes  between  0.002  and  0.05  mm,  and  sand  particles  have  sizes  of  0.05  to  2  mm.  Particles  with  

sizes  greater  than  2  mm  make  it  hard  to  work  on  soil  and  limit  organic  matter  retention.  [5]  

Page 13: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

7  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Sands  and  sand  soils  are  amenable  to  treatment  at  different  moisture  levels.  They  are  not  good  at  

retaining  water,  organic  matter,  or  nutrients.  They  have  an  advantage  with  irrigation  because  salt  does  

not  accumulate.  Crop  yields  in  sand  soils  are  lower  than  other  types  of  soils.  

Silty  and  loamy  soils  are  the  best  type  of  soils  for  agriculture.  They  have  good  water  retention  and  

porosity,  which  allows  for  aeration.  Organic  matter  and  minerals  are  readily  accessible  to  plants  

promoting  plant  growth.  Crop  yields  are  higher  in  silty  soils  than  other  types  of  soils.  

Clay  soils  are  the  most  difficult  to  cultivate  even  at  different  moisture  levels.  Clay  soils  harden  at  low  

moisture  levels  making  it  hard  to  till,  and  they  become  plastic  at  high  moisture  levels  making  crumbling  

difficult.  Clay  soils  can  retain  water,  but  they  do  so  in  a  way  that  makes  water  inaccessible  to  plants.  

Agricultural  practices  are  measures  that  biomass  producers  adopt  to  affect  land  productivity.  

Agricultural  practices  include  soil  preparation,  which  can  improve  soil  properties  and  increase  crop  

yields.  Conventional,  reduced,  and  no-­‐tillage  are  the  three  main  types  of  soil  treatment  in  order  of  

decreasing  intensity.  Conventional  tillage  can  increase  soil  erosion,  and  its  practice  has  decreased  in  

recent  decades.  There  are  a  large  number  of  practices  that  can  be  considered  reduced  tillage  and  their  

common  feature  is  less  impact  on  the  soil  than  conventional  tillage.  No-­‐till  involves  the  least  amount  of  

soil  treatment  but  requires  heavy  use  of  chemical  herbicides  [5].  

Fertilization,  pesticide  use,  and  harvesting  date  are  additional  agricultural  practices  that  are  

employed  throughout  the  growth  stage  and  before  the  harvest  stage.    Fertilization  and  pesticide  use  

have  increased  in  recent  years,  and  their  purpose  is  to  provide  a  rich  environment  for  a  desired  crop  

while  adversely  affecting  weeds  and  bugs.  Fertilizer  and  pesticide  use  ultimately  affect  the  conversion  

process  because  it  can  increase  the  content  of  undesired  energy  conversion  compounds  such  as  chlorine  

and  nitrogen.  

Page 14: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

8  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Moisture  content  is  an  important  factor  in  the  choice  of  harvesting  date  because  it  affects  biomass  

storage.  High  moisture  content  promotes  degradation  by  attracting  bugs  that  decompose  the  material.  

Transporting  biomass  with  high  moisture  content  is  expensive,  and  biomass  conversion  facilities  could  

charge  a  penalty  for  additional  drying  requirements.    On  the  other  hand,  harvesting  biomass  with  low  

moisture  content  can  become  a  fire  hazard  if  long-­‐term  storage  is  required.  Farmers  are  very  adept  at  

monitoring  crop  moisture  level  of  conventional  crops,  and  that  knowledge  should  translate  to  other  

types  of  crops.  

Feedstock  species  is  an  important  factor  that  impacts  final  biomass  composition  as  shown  in  Table  2.  

Although  corn  and  soybeans  dominate  Iowa  agriculture,  there  are  a  number  of  native  species  such  as  

switchgrass  that  exhibit  high  productivity.  Different  varieties  can  have  slight  variations  in  composition  

that  can  be  an  important  factor  for  some  energy  applications.  In  general,  low  ash  content  and  high  

calorific  value  are  the  most  desirable  attributes  for  energy  applications.    

The  harvesting  stage  includes  collection  and  delivery  of  feedstock  to  the  final  conversion  facility.  

Biomass  harvesting  is  commonly  done  with  harvesting  equipment  known  as  a  combine,  which  is  capable  

of  simultaneously  collecting  crops  and  separating  desired  agricultural  products  from  residual  material.  

Conventional  corn  grain  combines  collect  corn  kernels  and  discard  other  parts  of  the  corn  plant  such  as  

cob,  husk,  leaves  and  stalk.  New  combine  designs  capable  of  collecting  corn  residues  in  a  single  pass  

system  are  being  tested.  An  example  of  a  modified  grain  combine  for  residue  collection  is  shown  in  

Figure  2.  These  new  combines  are  capable  of  collecting  64%  of  the  available  stover  at  a  productivity  rate  

of  1.5  hectares  per  hour  [6].  

Page 15: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

9  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  2  Grain  combine  harvester  with  stalk-­‐gathering  head,  collecting  stalk  and  leaf  in  the  front  wagon  and  cob  and  husk  in  the  rear  wagon  [6]  

Biomass  can  follow  a  number  of  different  pathways  after  it  has  been  harvested.  Farms  that  are  close  

enough  to  a  conversion  facility  would  be  able  to  bale  their  material  and  transport  it  to  the  facility  where  

it  would  be  purchased  on  an  as-­‐needed  basis  or  stored.  In  some  cases,  biomass  would  be  transported  to  

an  intermediate  location  (silo)  before  being  shipped  to  the  conversion  facility.  This  two-­‐step  process  is  

known  as  transshipment.  The  intermediate  location  could  be  employed  as  more  than  just  an  

intermediate  storage  facility.  Silos  could  include  equipment  to  dry,  pelletize,  or  pre-­‐treat  the  biomass  as  

appropriate.  Silos  could  be  conveniently  located  next  to  long-­‐range  transportation  including  railroads  

and  barges  enabling  feedstock  shipment  to  remote  locations.  

The  conversion  stage  is  the  final  destination  in  the  biomass  supply  chain.  Figure  3  shows  a  summary  

of  the  supply  chain  steps  and  factors  that  influence  fuel  properties.  The  conversion  stage  section  lists  

some  key  feedstock  properties  for  energy  applications.  

 

Page 16: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

10  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  3  The  biomass  supply  chain  and  factors  that  influence  biomass  quality  (adapted  from  [7])  

 

3 Literature  review  of  biomass  heat  and  power  applications  

3.1 Dedicated  biomass  heat  and  power  generation    

There  are  three  main  approaches  to  the  conversion  of  biomass  into  heat  and  power:  direct  

combustion,  gasification,  and  anaerobic  digestion.  Direct  combustion  produces  hot  gas  that  can  provide  

heat  to  a  downstream  process;  gasification  and  anaerobic  digestion  generate  a  combustible  gas  (flue  

gas)  that  can  be  employed  directly  as  a  heat  source,  or  combusted  for  heat  and  power  [5].  The  purpose  

of  these  processes  is  to  generate  heat  or  a  combustible  gas  that  can  be  employed  directly  or  indirectly  

by  raising  steam  as  shown  in  Figure  4.  

Growth  • Soil  type  • Climate  • Species  • Variety,  clone  • Age  • Harvesmng  date  • Fermlizamon  • Agricultural  pracmces  • Pesmcides  

Harvest  • Transport  • Harvesmng  method  • Transshipment  • Storage  • Drying  • Upgrading  

Conversion    (fuel  propermes)  • Physical  characterismcs  • Moisture  content  • Pollutants  • Calorific  value  • Nutrients  • Fungi  spores  • Slag  formamon  • Ash  content  

Page 17: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

11  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  4  Biomass  steam  generation  for  heat  and  power  process  schematic  

 Figure  5  shows  the  two  main  approaches  to  converting  hot  flue  gas  to  electric  power.  Direct  power  

generation  combusts  flue  gas  in  a  gas  turbine.  Blades  in  the  gas  turbine  rotate  as  the  combustion  gases  

expand  and  exit  the  turbine.  It  is  very  important  that  particles  do  not  enter  the  gas  turbine  because  they  

can  damage  turbine  blades.  This  is  not  a  concern  with  natural  gas,  but  can  add  significant  cost  to  a  

biomass  power  generation  system.    

Indirect  power  generation  employs  a  steam  turbine  to  generate  power.  This  design  requires  high  

quality  steam,  which  can  be  achieved  by  transferring  heat  from  the  combustion  of  biomass  or  flue  gas.  

The  benefit  of  indirect  power  generation  is  that  it  increases  the  process  feedstock  flexibility.  Although  

this  option  requires  additional  equipment  to  generate  steam,  it  can  reduce  the  cost  of  equipment  

related  with  the  consumption  of  combustion  flue  gas.      

Page 18: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

12  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  5  Direct  (a)  and  indirect  (b)  power  generation  from  flue  gas  

 3.1.1 Direct  combustion  

Direct  combustion  is  a  four  step  process  that  occurs  at  temperatures  that  can  exceed  2000  °C  

depending  on  the  feedstock  properties,  amount  of  oxygen  available  to  the  reaction,  and  the  furnace  

design.  The  final  product  is  a  stream  of  hot  gas  that  can  be  used  to  indirectly  raise  steam  for  heat  and  

power  applications.  

There  are  four  key  steps  involved  in  the  combustion  process:  drying,  pyrolysis,  flame  combustion,  

and  char  combustion.  Moisture  must  be  released  from  the  biomass  particle  before  combustion  can  

proceed.  Pyrolysis  is  a  decomposition  process  that  breaks  down  biomass  fibers  into  volatile  gas,  organic  

compounds,  and  solid  charcoal  particles.  Drying  and  pyrolysis  are  combustion  steps  that  require  heat  in  

order  to  take  place.  Pyrolysis  products  are  combustible  in  the  presence  of  oxygen.  Volatile  gases  are  the  

first  ones  to  be  exposed  to  the  surroundings,  and  their  combustion  initiates  the  flaming  combustion  

stage.  The  final  step  involves  the  combustion  of  solid  char  particles.  Although  char  particles  can  be  fully  

Page 19: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

13  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

converted  into  fuel  gas,  typical  furnace  designs  are  unable  to  combust  100%  of  the  organic  material  

present  in  biomass.  

Moisture  content  absorbs  heat  from  the  combustion  reaction  and  reduces  the  process  performance.  

Combustion  heat  raises  the  temperature  of  the  combustion  gases  and  supports  the  combustion  

reactions.  In  the  presence  of  high  moisture,  combustion  heat  may  not  be  able  to  sustain  the  combustion  

process,  and  the  generated  steam  is  not  typically  useful  for  heat  and  power  applications.  Oxygen  is  the  

main  driver  of  the  combustion  process.  There  is  a  theoretical  amount  of  oxygen  required  to  fully  

combust  the  organic  material.  This  amount  is  known  as  the  stoichiometric  oxygen  requirement.  Direct  

combustion  systems  employ  about  20%  excess  oxygen  to  prevent  incomplete  combustion.  The  furnace  

design  has  a  significant  impact  on  how  heat  is  generated  and  distributed  from  the  combustion  chamber.  

Figure  6  shows  three  common  biomass  furnace  designs:  suspension,  grate-­‐fired,  and  fluidized  bed.  

Typically,  feedstock  is  introduced  into  the  burner  using  mechanisms  such  as  a  spreader-­‐stoker  or  auger  

feeding  system  along  with  one  or  two  air  streams.  Suspension  burners  employ  a  rising  air  stream  to  

suspend  particles  as  they  are  combusted.  Air  is  introduced  from  below  a  grate,  and  a  secondary  stream  

can  be  employed  to  ensure  full  particle  combustion.  This  design  can  achieve  efficiencies  of  up  to  99%  

with  particles  of  50  µm  diameter  or  less.  Pulverized  coal  is  commonly  employed  in  suspension  burners,  

which  are  the  most  widely  used  in  the  U.S.  power  industry.  Grate-­‐fired  burners  are  a  late  nineteenth  

century  design  that  consists  of  a  hot  rotating  grate  where  biomass  is  combusted.  The  fluidized  bed  

design  is  the  most  recent  and  became  commonly  used  in  industry  in  the  1980s.  In  a  fluidized  bed,  hot  

particles  (typically  sand)  bubble  due  to  the  stream  of  air  injected  from  the  bottom  of  the  reactor.  The  

bubbling  motion  enables  a  constant  temperature  distribution  throughout  the  bed.    

Page 20: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

14  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  6  Biomass  combustion  furnace  designs:  (a)  suspension,  (b)  grate-­‐fired,  (c)  fluidized  bed  [5]  

 Combustion  furnaces  generate  hot  flue  gas  and  ash.  The  flue  gas  stream  provides  an  indirect  source  

of  heat  for  a  steam  or  Rankine  power  cycle.  Running  water  through  a  heat  exchanger  that  comes  into  

contact  with  the  flue  gas  generates  steam.  A  Rankine  power  cycle  consists  of  an  engine  that  operates  by  

cycling  a  fluid  through  a  hot-­‐cold  cycle  that  runs  a  generator.  Combustion  ash  consists  mostly  of  

inorganic  compounds  such  as  potassium  and  sodium.  Ash  poses  equipment  maintenance  challenges  due  

to  slagging  and  fouling.  Slagging  occurs  when  ash  melts  and  turns  into  a  sticky  fluid  that  can  cause  

agglomeration  in  a  fluidized  bed.  Fouling  results  from  ash  material  coating  heat  exchanger  surfaces,  

which  adversely  affects  system  performance.    

3.1.2 Gasification  

Gasification  occurs  when  biomass  is  heated  in  the  presence  of  limited  oxygen.  Typical  gasification  

temperatures  are  800  up  to  1200  °C.  Limited  oxygen  prevents  pyrolysis  volatile  gases  from  further  

reacting  to  form  CO2.  Gasification  converts  biomass  into  producer  gas,  a  combustible  mixture  of  light  

Page 21: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

15  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

gases  that  includes:  hydrogen,  carbon  monoxide,  carbon  dioxide,  methane,  and  nitrogen.  If  pure  oxygen  

is  employed  for  biomass  combustion,  the  mixture  has  a  higher  heating  value  and  is  known  as  synthetic  

gas  or  syngas.  Producer  gas  can  replace  natural  gas  in  fuel  heating  applications.  The  advantage  of  

gasification  over  combustion  is  that  its  producer  gas  is  a  versatile  intermediate  feedstock  that  can  be  

used  for  heat,  power,  chemicals,  and  liquid  fuels.  Table  3  shows  properties  of  biomass  gasification  gas  

generated  via  different  reactor  configurations.  Half  the  volume  of  air-­‐blown  gasification  gas  consists  of  

nitrogen,  which  dilutes  the  energy  content  and  increases  the  size  requirement  for  downstream  

equipment.  Natural  gas  has  an  energy  value  of  38.3  megajoules  per  cubic  meter  (MJ/m3).  The  gas  quality  

depends  on  the  amount  of  particulate  present  in  the  gas  stream.  The  choice  of  reactor  technology  can  

be  affected  by  the  gas  quality  required  by  the  process  application.    

Table  3  Gasifier  producer  gas  composition  [8]  

  Gas  composition  (%v/v  dry)  

HHV  (MJ/m3)  

Gas  quality    

  H2   CO   CO2   CH4   N2     Tars   Dust  Fluid  bed  air-­‐blown   9   14   20   7   50   5.4   Fair   Poor  Updraft,  air-­‐blown   11   24   9   3   53   5.5   Poor   Good  Downdraft,  air-­‐blown   17   21   13   1   48   5.7   Good   Fair  Downdraft,  oxygen-­‐blown   32   48   15   2   3   10.4   Good   Good  Multi-­‐solid  fluid  bed   15   47   15   23   0   16.1   Fair   Poor  Twin  fluidized  bed  gasification   31   48   0   21   0   17.4   Fair   Poor  

 

Various  reactor  designs  have  been  proposed  for  converting  biomass  to  syngas.    Figure  7  shows  four  

common  biomass  gasification  reactor  designs.  The  objective  of  these  reactors  is  to  rapidly  heat  biomass  

while  exposed  to  a  limited  supply  of  oxygen.  Depending  on  the  design,  producer  gas  and  solid  residue  

(ash)  may  exit  the  reactor  in  the  same  or  separate  streams.  Downdraft  gasification  reactors  introduce  

biomass  from  the  top  and  oxygen  (or  air)  through  the  sides.  Gasification  takes  place  in  the  throat  

section,  and  producer  gas  and  solids  exit  through  the  bottom.  The  updraft  design  introduces  oxygen  

from  the  bottom  of  the  reactor  with  enough  velocity  to  sweep  away  the  producer  gas  while  allowing  

Page 22: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

16  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

solids  to  exit  through  the  bottom  of  the  reactor.  The  bubbling  fluid  bed  and  circulating  fluid  bed  are  the  

most  commonly  employed  reactors  due  to  their  simplicity  and  high  conversion  efficiency.  Fluid  bed  

reactors  are  filled  with  solid  particles  (typically  sand)  that  are  in  constant  motion  due  to  a  stream  of  air  

introduced  from  the  bottom  of  the  reactor.  The  producer  gas  and  solid  particles  exit  in  the  gas  stream.    

Solid-­‐gas  separation  systems,  such  as  the  cyclone  shown  in  the  circulating  fluid  bed  design,  are  typically  

employed  downstream  to  remove  solid  particles  from  the  producer  gas.    

 

Figure  7  Biomass  Gasification  Reactor  Designs  [8]  

 3.1.3 Anaerobic  digestion  

Anaerobic  digestion  is  a  three-­‐step  process  that  takes  place  at  room  temperature  and  atmospheric  

pressure.  The  three  steps  consist  of  hydrolysis,  acidification,  and  methanogenesis.  The  final  product  is  a  

methane-­‐rich  gas  suitable  for  heat  generation  applications.  

During  the  anaerobic  digestion’s  first  step,  organic  material  undergoes  hydrolysis  to  form  simple  

organics,  acids,  and  hydrogen  and  carbon  dioxide  gas.  Coliform  bacteria  (Escheerichia  coli  for  example)  

and  pathogens  similar  to  Salmonella  drive  this  first  step.  The  second  step  is  an  acidification  process  that  

Page 23: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

17  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

produces  acetate,  hydrogen,  and  carbon  dioxide.  Methanogenesis  is  the  final  process  and  results  in  the  

conversion  of  acids  and  gases  to  mostly  methane  and  carbon  dioxide  (CO2).    Anaerobic  digestion  

generates  biogas  with  55  to  75%  methane  by  volume,  CO2,  and  small  amounts  of  hydrogen  sulfide  (H2S).  

Yields  can  be  as  high  as  31,  0.93,  and  0.69  cubic  meters  per  kilogram  (m3/kg)  of  volatile  solids  for  

wastewater,  human  sewage,  and  distillery  waste  respectively  [9].  Biogas  is  a  suitable  replacement  for  

natural  gas  once  H2S  is  removed  from  the  gas  stream.  

Anaerobic  digestion  takes  place  in  purposely-­‐designed  tank  digesters  such  as  the  one  illustrated  in  

Figure  8.  Feed  can  be  supplied  by  batch,  intermittent,  or  continuous  feeding.  Batch  feeding  is  the  least  

efficient  feed  method  because  it  allows  microbial  activity  in  the  digester  to  decrease  as  the  feed  is  

consumed.  Intermittent  feeding  involves  feeding  and  removal  of  equal  amounts  of  material  with  loading  

rates  of  0.5  –  1.5  kilogram  (kg)  per  day  and  retention  times  of  2  to  3  months.  This  method  typically  

results  in  incomplete  feed  conversion  since  removal  rates  may  not  allow  sufficient  time  for  gas  

conversion.  Continuous  feeding  can  achieve  the  highest  rates  of  conversion.  It  involves  retention  times  

of  20  days  or  less  and  loading  rates  of  1.6  –  6.4  kg  per  day.  Two-­‐stage  anaerobic  designs  have  been  

employed  to  reduce  the  rate-­‐limiting  impact  of  methanogenesis.  

Page 24: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

18  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  8  Single-­‐tank  batch  feed  anaerobic  digester  [5]  

 Dedicated  biomass  heat  and  power  systems  are  limited  by  the  availability  of  low  cost  feedstock  and  

transportation  costs.  Dedicated  biomass  systems  are  well  suited  for  locations  where  there  is  significant  

availability  of  organic  residue  material.  Applications  that  are  well  suited  for  dedicated  systems  are  forest  

residues,  paper  and  pulp  mills,  ethanol  plants,  and  large  agricultural  lots.    

Biomass  co-­‐firing  is  an  attractive  pathway  to  the  large-­‐scale  adoption  of  biomass  for  the  production  

of  heat  and  power.  The  advantages  of  biomass  co-­‐firing  in  coal  plants  are  that  it  can  employ  existing  

infrastructure  therefore  reducing  construction  costs;  it  has  positive  economic  impacts  on  local  

communities  by  generating  local  revenue  and  jobs;  and  it  can  help  meet  environmental  standards  by  

reducing  direct  greenhouse  gas  emissions.  

3.2 Biomass  co-­firing  in  coal  plants  

Co-­‐firing  is  defined  as  supplementing  a  primary  fuel  with  a  secondary  fuel.  Biomass  can  serve  as  a  

supplement  for  coal  combustion  and  has  been  successfully  employed  by  various  electric  utility  

companies.  There  are  three  major  options  for  biomass  co-­‐firing  in  coal  plants:  simultaneous  biomass  and  

Page 25: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

19  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

coal  injection,  separate  biomass  and  coal  injection,  and  biomass  gasification  combined  with  coal  

combustion  [10].  

 

Figure  9  Biomass  and  coal  co-­‐firing  technologies:  a)  simultaneous  injection,  b)  separate  injection,  c)  biomass  gasification  

 3.2.1 Simultaneous  biomass  and  coal  injection  

This  co-­‐firing  option  consists  of  mixing  coal  with  small  quantities  of  biomass  outside  of  the  fuel  

boiler.  The  amount  of  biomass  that  can  be  mixed  with  coal  depends  on  the  type  of  boiler.  Pulverized  and  

cyclone  coal  boilers  are  two  common  designs  considered  for  biomass  co-­‐firing.  The  maximum  

percentage  of  biomass  that  can  be  blended  with  coal  is  5%  by  weight  for  pulverized  coal  boilers,  and  

20%  for  cyclone  coal  boilers.  

Pulverized  coal  boilers  supply  over  half  of  U.S.  electricity  [11].  These  boilers  employ  coal  that  has  

been  crushed  to  a  fine  powder.  Biomass  co-­‐firing  in  pulverized  coal  boilers  requires  a  mixture  of  less  

than  5%  by  weight  biomass.  Feeding  biomass  with  coal  increases  the  power  requirement  of  the  

pulverizer,  and  decreases  the  feeder  speed  for  ball  and  race  mills.  Increasing  the  biomass  fraction  would  

Page 26: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

20  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

cause  derating1  of  the  milling  equipment.  If  biomass  co-­‐firing  affects  the  milling  operation,  it  is  possible  

that  the  rate  of  feedstock  input  to  the  boiler  could  decrease.    

Mixing  biomass  with  coal  can  cause  challenges  for  coal  conversion  equipment  resulting  in  limitations  

regarding  the  type  of  biomass  that  can  be  mixed.  Bark  material  can  be  stringy  and  difficult  to  grind  in  

conventional  milling  equipment.  Straw  feedstock  can  cause  plugging  in  feeding  equipment  even  at  blend  

fractions  of  5%  by  weight.  The  plugging  occurs  because  biomass  contains  more  volatile  material  that  

reacts  when  exposed  to  the  heat  enveloping  mechanical  and  reactor  equipment.  The  volatile  material  

can  re-­‐condense  forming  a  viscous  liquid  that  acts  like  glue.  Biomass  typically  has  a  lower  density  than  

coal.  For  example,  agricultural  residues  average  50  to  200  kg/m3  while  coal  density  ranges  between  600  

and  900  kg/m3  [12].  Therefore,  a  5%  by  weight  biomass  blend  represents  more  than  30%  by  volume  

mixture.    

Simultaneous  injection  requires  less  investment  than  other  co-­‐firing  technologies,  but  is  the  most  

limited  option  regarding  the  types  and  quantities  of  biomass  that  can  be  employed.  Cyclone  boilers  

provide  additional  flexibility  regarding  the  feed  composition,  but  they  are  not  as  common  as  pulverized  

coal  boilers.  This  is  particularly  true  of  older  coal  plants,  which  were  built  before  cyclone  boilers  became  

a  common  industrial  option.  

3.2.2 Separate  biomass  and  coal  injection  

Separate  injection  co-­‐firing  employs  pretreatment  equipment  specifically  designed  to  prepare  

biomass  before  feeding  into  the  boiler.  With  this  approach,  biomass  is  injected  at  a  different  section  of  

the  boiler.  There  are  various  advantages  to  this  approach:  it  allows  for  higher  biomass  blend  levels;  it  

                                                                                                                         1  Derating  occurs  when  equipment  is  employed  at  lower  capacity  than  it  is  expected  to  prevent  reductions  to  

its  useful  lifetime.  

Page 27: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

21  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

can  help  with  nitrogen  oxide  (NOx)  reductions;  and  it  can  help  improve  combustion  performance  when  

wet  coal  is  employed.  

Higher  percentages  of  biomass  can  be  co-­‐fired  in  coal  boilers  with  separate  injection.  This  is  possible  

because  biomass  can  be  prepared  separately  and  avoid  problems  associated  with  using  biomass  in  coal  

equipment.    

Coal  combustion  generates  significant  quantities  of  NOx  compounds,  which  are  potent  greenhouse  

gases.  Biomass  increases  the  amount  of  nitrogen  present  in  the  boiler  but  also  increases  the  amount  of  

hydrogen.  Coal  combustion  in  the  presence  of  biomass  results  in  a  reduction  of  NOx  compounds  because  

biomass  promotes  the  formation  of  ammonia  (NH3).    

The  higher  moisture  content  in  wet  coal  reduces  the  rate  of  fuel  fed  into  the  boiler.  Biomass  can  

therefore  serve  to  increase  the  amount  of  combustible  fuel  available  in  the  reactor.  This  improves  the  

utilization  of  the  boiler’s  capacity.  

Separate  biomass  and  coal  injection  requires  investment  in  additional  equipment  to  properly  

prepare  biomass  before  introducing  it  into  the  boiler.  Although  it  provides  increased  flexibility  in  the  

types  of  feedstock  and  quantities  that  can  be  employed,  it  still  requires  careful  control  of  boiler  

performance.  Biomass  has  different  combustion  performance  than  coal  as  discussed  in  previous  

sections.  This  difference  requires  that  operators  monitor  the  impact  of  biomass  in  coal  equipment.  

3.2.3 Biomass  gasification  combined  with  coal  combustion  

Biomass  gasification  can  be  combined  with  an  existing  coal  power  generation  plant.  Producer  gas  

from  biomass  gasification  can  be  fired  in  a  boiler,  a  designated  burner,  a  gas  turbine,  or  in  a  waste  heat  

boiler.  Biomass  gasification  is  also  attractive  for  natural  gas  power  facilities.  Biomass  gasification  is  

described  in  detail  in  section  3.1.2.  

Page 28: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

22  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Biomass  gasification  is  the  most  capital-­‐intensive  co-­‐firing  option,  but  provides  the  most  flexibility  in  

terms  of  potential  applications  and  feedstock  selection.  The  use  of  a  separate  reactor  for  biomass  

combustion  allows  operators  to  optimize  the  performance  of  the  reactor  to  both  fuels.    

3.3 Biomass  integration  in  agricultural  and  industrial  processing  facilities  

Various  biomass  combined  heat  and  power  (CHP)  systems  have  been  considered  for  integration  in  

industrial  and  agricultural  facilities.  Biomass  is  a  by-­‐product  of  various  industrial  activities  and  can  be  

recovered  to  produce  heat  or  power  for  the  facility  or  to  supply  market  demand.  This  chapter  discusses  

biomass  CHP  systems  suitable  for  farm  operations,  corn  ethanol  refineries,  and  small-­‐scale  distributed  

heat  and  power  generation  systems.  

3.3.1 Iowa  agricultural  opportunities  for  biomass  CHP  

Corn  and  soybean  production  dominate  Iowa’s  agricultural  landscape  and  generate  significant  

quantities  of  agricultural  residue.  The  USDA  employs  residue  factors  to  estimate  the  amount  of  

agricultural  residue  generated  [13].  In  2009,  Iowa  produced  2.44  billion  bushels  of  corn  grain  in  13.7  

million  acres.  In  the  same  year,  9.6  million  acres  were  covered  with  486  million  bushels  of  soybeans.  The  

USDA  estimates  that  for  every  ton  of  corn  grain  there  is  an  equal  quantity  of  residue.  For  every  ton  of  

soybeans,  1.5  tons  of  residues  are  generated.  Almost  90  million  tons  of  agricultural  residues  are  

produced  in  Iowa  every  year  as  shown  in  Table  4.    

Table  4  Iowa  corn  and  soybean  agricultural  crop  and  residue  production  [4]  

Feedstock  Bushels  Produced  

(millions)  Acres  Planted  (millions)  

Residue  Factor  Tons  of  Residue  

Generated  (millions)  

Corn   2,440   13.7   1.0   68.3  Soybeans   486   9.6   1.5   20.4  Total   2926   23.3   -­‐   88.7  

 

Page 29: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

23  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Livestock  and  poultry  manure  are  suitable  feedstock  for  anaerobic  digestion  to  produce  methane  

gas.  Production  rates  for  various  types  of  common  confinement  animals  are  shown  in  Table  5.    

Anaerobic  digesters  are  relatively  inexpensive  systems  that  can  convert  manure  to  methane  gas,  which  

can  serve  as  an  operation  heat  source.  Methane  gas  from  anaerobic  digestion  can  replace  natural  gas  in  

most  applications  when  collected  properly  as  discussed  in  section  3.1.3.  

Table  5  Livestock  and  poultry  manure  production  rate  [14]  

Animal  Manure  Production  Rate  

(dry  kg/head-­‐day)  Cattle   4.64  Hogs  and  pigs   0.56  Sheep  and  lambs   0.76  Chickens   0.025  Commercial  broilers   0.040  Turkeys   0.101  

   

3.3.2 Iowa  corn  ethanol  refinery  opportunities  for  biomass  CHP  

There  are  more  than  40  ethanol  refineries  in  Iowa  with  total  capacity  exceeding  3.29  billion  gallons  

of  ethanol  per  year  [15].  The  conventional  corn  ethanol  process  requires  significant  quantities  of  heat  

input.  A  40  million  gallon  per  year  dry  grind  ethanol  plant  can  consume  537,000  million  BTUs  (MMBTU)  

of  heat  mostly  from  the  combustion  of  natural  gas  [16].  Nevertheless,  a  recent  study  estimated  that  a  

corn  ethanol  facility  could  meet  all  its  energy  demand  from  the  combustion  of  ethanol  co-­‐products  and  

corn  cobs  [17].  

Figure  10  shows  the  main  process  units  involved  in  a  biomass  integrated  gasification  combined  cycle  

(BIGCC)  at  a  corn  ethanol  facility.  This  design  employs  a  gasifier  and  a  combustor  to  convert  corncobs  

and  dried  syrup  to  heat  and  power.  Synthetic  gas  (syngas)  from  the  gasifier  is  cooled,  cleaned,  and  

compressed  before  feeding  into  a  gas  turbine  to  generate  electricity.  The  combustor  burns  corn  cobs,  

dried  syrup,  and  excess  volatile  organic  compounds  (VOC)  from  the  DDGS  drying  process.  Hot  

Page 30: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

24  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

combustion  gases  are  sent  to  a  heat  recovery  steam  generator  (HRSG)  to  raise  process  steam  required  

by  the  ethanol  process.  Results  indicate  that  a  50.2  million  gallon  dry  grind  corn  ethanol  plant  could  

generate  30.4  megawatts  of  electric  power  with  a  net  excess  of  21.7  MW.    

 

Figure  10  Biomass  integrated  gasification  combined  cycle  diagram  for  CHP  at  a  corn  ethanol  facility  [17]  

 Wet  milling  corn  ethanol  plants  fell  out  of  favor  for  a  number  of  reasons  despite  their  ability  to  

produce  higher  valued  by-­‐products  than  dry  mill  ethanol  plants.  In  addition  to  ethanol,  wet  mills  

produce  1.7  lb  of  corn  oil,  3  lb  of  corn  gluten  meal  (60%  protein),  13  lb  of  corn  gluten  feed  (21%  protein)  

and  17  lb  of  CO2  [5].  The  high  protein  content  helps  increase  the  marketing  value  of  wet  mill  by-­‐products  

and  discourages  their  use  for  energy  generation.  

 

Page 31: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

25  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

3.4 Types  of  power  plants  with  biomass  combustion  experience  

The  National  Renewable  Energy  Laboratory  (NREL)  compiled  the  experiences  of  20  biomass  power  

plants  [18].  Eighteen  of  these  plants  were  located  in  the  United  States,  one  in  Canada,  and  one  in  

Finland.    Table  6  includes  a  summary  of  the  information  reported  by  these  power  plants.    Process  

residues  are  the  most  common  form  of  biofuel  employed  in  these  plants,  with  a  significant  number  

reporting  mill  residue  as  their  source  of  fuel.  In  2004,  up  to  41  U.S.  power  plants  were  reported  to  have  

experience  with  biomass  co-­‐firing  [19].  

Iowa  has  experience  with  biomass  power  generation.  Alliant  Energy  processed  45  MW  of  

switchgrass  at  their  Ottumwa  power  plant.  Continuous  production  at  this  level  would  require  274,000  

tons  of  switchgrass  per  year,  generate  $16.3  million  of  industrial  output,  and  provide  $6.4  million  in  

payments  to  workers,  farmers,  and  investors  [20].  Unfortunately,  the  Ottumwa  plant  did  not  continue  to  

process  biomass  after  the  initial  project  was  completed.  

Table  6  Location,  type  of  biofuel  resources,  and  biofuel  input  quantities  of  biomass  power  plants  surveyed  by  NREL  [18]  

Plant   Location   Biofuel  Resources  (Residues)   Tons/year   MWe  Williams  Lake     British  Columbia   Mill   768,000   60  Okeelanta  (cogen)     Florida   Bagasse,  urban   694,000   74  Shasta     California   Mill,  forest,  ag   846,000   49.9  Colmac     California   Urban,  ag,  coke   573,000   49  Stratton     Maine   Mill,  forest   561,000   45  Kettle  Falls     Washington   Mill   542,000   46  Snohomish  (cogen)     Washington   Mill,  urban   410,000   39  Ridge     Florida   Urban,  tires,  landfill  gas  fuel  (LFG)   376,000   40  Grayling     Michigan   Mill,  forest   320,000   36  Bay  Front     Wisconsin   Mill,  Tire-­‐derived  fuel  (TDF),  coal   251,000   30  McNeil     Vermont   Forest,  mill,  urban   255,000   50  Lahti  (cogen)*   Finland   Urban,  refuse-­‐derived  fuel  (RDF)   252,000   25  Multitrade     Virginia   Mill   219,000   79.5  Madera     California   Ag,  forest,  mill   308,000   25  Tracy     California   Ag,  urban   214,000   18.5  Camas  (cogen)     Washington   Mill   194,000   17  Tacoma     Washington   Wood,  RDF,  coal   221,000   40  Greenidge**   New  York   Manufacturing   98,000   10.8  Chowchilla  II     California   Ag,  forest,  mill   125,000   10  

Page 32: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

26  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

El  Nido     California   Ag,  forest,  mill   125,000   10  *  167  total  net  MW,  15%  from  biofuels  and  85%  from  coal  **  108  total  net  MW,  10%  from  wood  and  90%  from  coal  

 The  pulp  and  paper  mill  industry  requires  large  quantities  of  energy  and  has  gained  a  lot  of  

experience  in  the  use  of  their  biomass  process  residues.  The  most  common  paper  plant  process  in  the  

U.S.  is  the  kraft  pulping  process.  In  the  typical  kraft  mill,  wood  logs  are  initially  debarked  and  chipped  

yielding  about  91%  of  the  biomass  input  in  wood  chips  and  the  rest  in  waste  wood  known  as  “hog  fuel.”  

The  wood  chips  are  then  processed  by  wood  digestors  wherein  cellulose  is  separated  using  a  sodium  

sulfide  and  sodium  hydroxide  solution  (“white  liquor”).  Washing  of  the  treated  wood  chips  generates  a  

dark  liquid  known  as  “black  liquor,”  which  contains  chemicals,  lignin,  and  hemicellulose.  The  facility  can  

send  cellulose  to  be  processed  into  a  pulp  product  or  paper  depending  on  the  availability  of  a  paper  mill.  

Black  liquor  contains  around  half  the  energy  of  the  wood  chips.  To  harness  this  energy,  the  black  liquor  

is  initially  dried  to  almost  80%  solids  content  and  then  sent  to  a  boiler  to  generate  steam.  Steam  from  

the  black  liquor  recovery  boiler  is  sent,  along  with  steam  generated  from  burning  hog  fuel,  to  a  steam  

turbine  for  power  generation.  Kraft  mills  do  not  generate  enough  process  heat  for  the  pulp  production  

process  and  must  purchase  a  fraction  of  their  electricity  needs  from  the  grid.  Figure  11  shows  a  

summary  diagram  of  the  kraft  mill  process.  A  detailed  report  of  opportunities  for  biomass  fuels  in  the  

pulp  and  paper  industry  can  be  found  in  the  publication  by  Larson  et  al.  [21].  The  pulp  and  paper  mill  

industry  is  not  widely  prevalent  in  Iowa  and  does  not  present  a  major  opportunity  for  biomass  to  energy  

within  the  state.    

Page 33: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

27  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  11  Simplified  description  of  the  kraft  mill  pulp  production  process  with  material  flows  provided  on  a  dry-­‐basis  [21]  

 Process  residues  present  an  economic  and  environmental  opportunity  for  biofuel  plants.  Residues  

from  forest  and  milling  operations  can  be  often  found  at  zero  to  negative  cost.  Generators  of  biofuel  

residues  need  to  dispose  of  this  material,  which  sometimes  ends  up  in  landfills  at  a  cost.  Forest  residue  

may  be  left  exposed  to  the  elements  where  it  decomposes  before  finally  being  disposed  or  burnt  for  

Page 34: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

28  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

heat.    These  residues  emit  greenhouse  gases  as  they  decompose  or  following  incineration  and  power  

generation  is  a  responsible  way  of  accounting  for  these  emissions.  

4 Economic  impacts  of  co-­firing  biomass  for  heat  and  power  generation  

4.1 Overview  of  the  economics  of  biomass  heat  and  power  generation  

The  economic  impacts  of  employing  biomass  for  heat  and  power  generation  are  strongly  dependant  

on  scale.  Capital  costs  and  process  efficiencies  become  more  attractive  at  medium  (50  megawatts  

(MW))  to  large-­‐scale  (>250  MW)  facilities,  but  biomass  availability  typically  limits  the  capacity  of  

dedicated  biomass  heat  and  power  plants.  Biomass  co-­‐firing  in  existing  coal  plants  requires  a  smaller  

investment  than  a  dedicated  biomass  facility,  but  biomass  utilization  in  these  facilities  is  strongly  

dependent  on  the  cost  of  coal.  

The  cost  of  generating  power  typically  decreases  with  increasing  facility  capacity.  This  relationship  

follows  a  power  law  (Equation  1)  that  is  commonly  known  as  economies  of  scale  [22].    The  dominant  

costs  that  impact  economies  of  scale  are  capital  costs.  As  plant  capacity  increases,  capital  costs  per  unit  

of  power  generated  decrease  by  a  scale  factor  of  ‘n’,  which  varies  between  0.6  and  1.  The  implication  is  

that  large  power  facilities  can  generate  power  at  a  lower  cost  than  smaller  facilities.  This  is  particularly  

true  of  coal  generation  plants,  but  biomass-­‐fired  plants  are  at  a  disadvantage  because  of  diseconomies  

of  scale.  

Equation  1  Economies  of  scale  power  law  (C  –  capital  cost;  M  –  capacity  (tons  per  day),  n  –  scale  factor)  

 

Diseconomies  of  scale  are  product  costs  that  increase  with  capacity.  Biomass  delivery  costs  typically  

increase  with  demand  because  of  biomass  collection  costs.  Coal  can  be  transported  from  a  single  point  

Page 35: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

29  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

(the  mouth  of  the  coal  mine)  to  a  power  plant,  and  higher  coal  demand  can  be  met  by  increasing  the  

frequency  of  deliveries  from  the  coal  mine.  Biomass  on  the  other  hand,  must  be  collected  over  a  large  

area  to  satisfy  increased  demand.  Diseconomies  of  scale  follow  the  same  power  law  described  in  

Equation  1  with  a  scale  factor  greater  than  1.  For  a  biomass  power  plant,  delivery  costs  have  a  scale  

factor  of  about  1.5.  

Figure  12  shows  the  economies  of  scale  relationship  for  the  investment  costs  of  dedicated  biomass-­‐

fired  heat  and  power  plants.  Specific  investment  is  the  ratio  of  investment  cost  to  plant  capacity.  Power  

plants  with  capacities  of  less  than  50  MW  have  specific  investment  costs  that  can  be  higher  than  $1500  

per  kilowatt  (kW).  Biomass  power  plants  with  capacities  greater  than  250  MW  have  costs  of  about  $500  

per  kW.  Investment  costs  also  depend  on  the  choice  of  combustion  technology.  Grate  firing  with  steam  

turbine  technology  are  the  lowest  cost  option,  and  biomass  integrated  gasification  combined  cycles  

(BIGCC)  are  the  most  expensive.  Expensive  biomass  heat  and  power  systems  are  attractive  to  power  

utilities  because  they  offer  higher  efficiencies.  

Page 36: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

30  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  12  Economies  of  scale  of  investment  costs  for  large  scale  dedicated  biomass  power  generation  plants  [23]  

 Power  generation  efficiency  increases  with  plant  capacity.  Larger  facilities  are  capable  of  operating  

at  a  wider  range  of  conditions  and  therefore  have  more  flexibility  to  optimize  their  systems.  Figure  13  

shows  the  range  of  electrical  efficiency  for  biomass  to  power  facilities.  BIGCC  have  biomass  to  power  

efficiencies  that  exceed  45%.  Even  at  plant  capacities  of  less  than  50  MW,  BIGCC  systems  can  achieve  

efficiencies  higher  than  40%.  Unfortunately,  capital  costs  for  BIGCC  systems  are  prohibitive  at  small  

scale.  Fluidized  bed  combustion  with  steam  turbine  systems  can  achieve  power  efficiencies  of  over  30%  

at  significantly  lower  cost  than  BIGCC.  The  choice  of  biomass  heat  and  power  technology  requires  

careful  consideration  of  the  impact  of  scale  on  capital  cost  and  operating  efficiency.  

Page 37: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

31  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  13  Impact  of  scale  on  electrical  efficiency  of  biomass  power  plants  [23]  

 Biomass  availability  and  delivery  costs  can  significantly  limit  the  ability  to  scale  a  biomass  conversion  

facility.  The  relationship  between  the  cost  of  collecting  biomass  and  the  facility  capacity  is  shown  in  

Equation  2.  This  equation  assumes  that  a  circular  region  where  biomass  is  grown  and  collected  

surrounds  a  biomass  facility.  ‘M’  is  the  amount  of  feedstock  per  year  sent  to  the  facility.  ‘Y’  is  the  yield  of  

feedstock  in  the  region,  which  depends  on  the  type  of  feedstock  and  soil  productivity.  The  factor  ‘f’  

represents  the  fraction  of  land  that  supplies  feedstock  to  the  facility.  It  is  recommended  for  Iowa  that  ‘f’  

have  a  value  of  60%  or  less  for  sustainable  collection  of  agricultural  residues.  Tortuosity  ‘τ’  accounts  for  

actual  travel  distances  which  differ  from  the  straight-­‐line  distance  between  two  locations.  Finally,  ‘T’  is  

the  freight  transport  cost  per  ton-­‐mile  that  biomass  has  to  travel.  The  implication  of  this  relationship  is  

that  feedstock  costs,  and  subsequently  a  portion  of  power  costs,  increase  with  the  capacity  of  a  biomass  

plant.  

Page 38: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

32  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Equation  2  Average  biomass  delivery  costs  (D)  as  a  function  of  transportation  cost  (T),  tortuosity  (τ),  feedstock  input  (M),  biomass  yield  (Y),  and  sustainability  factor  (f)  

 

The  National  Renewable  Energy  Laboratory  (NREL)  summarized  the  technology  characterizations  

employed  by  the  Environmental  Protection  Agency  (EPA),  and  are  shown  in  Table  7.  Heat  rate  is  a  ratio  

of  the  energy  present  in  the  feedstock  to  the  power  generated  by  the  system,  and  it  is  an  alternative  

measure  to  efficiency.  Fixed  costs  such  as  financial  charges,  capital  charges,  and  labor  costs  contribute  a  

majority  of  the  annual  expenditures  of  power  plants.  Industrial  turbines  include  technologies  that  have  

historically  dominated  the  power  generation  industry,  and  advanced  turbine  systems  include  concept  

designs  that  may  not  be  in  operation  in  the  U.S.  The  costs  shown  in  Table  7  are  representative  of  mature  

process  designs  and  do  not  accurately  reflect  the  costs  of  building  and  operating  a  new  biorefinery  

plant.    

Table  7  Biomass  and  fossil  fuels  power  technology  characterizations  employed  by  the  EPA  [24]  

Component   Industrial  turbine   Advanced  turbine  systems     Biomass   Coal   Biomass   Coal   Natural  Gas  ‘Low’  technology  specifications  Heat  Rate  (Btu/kWh)  

8660   8700   7579   7614   6202  

Efficiency  (%  HHV)   39.4   39.2   45.0   44.8   55.0  Fixed  O  +  M  ($/kW)   51.25   51.25   39.66   39.66   28.80  Variable  O  +  M  (million  $/kWh)  

3.15   3.15   2.46   2.46   0.712  

Total  Capital  ($/kW)   1230   1254   1023   1047   522.50  ‘High’  technology  specifications  Heat  Rate  (Btu/kWh)  

9400   8700   8227   7614   6202  

Efficiency  (%  HHV)   36.3   39.2   41.5   44.8   55.0  Fixed  O  +  M  ($/kW)   44.71   36.44   34.60   28.20   28.80  Variable  O  +  M  (million  $/kWh)  

3.65   2.60   2.85   2.03   0.712  

Total  Capital  ($/kW)   1488   1254   1243   1047   522.50    

Page 39: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

33  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Researchers  from  Oak  Ridge  National  Laboratory  (ORNL)  published  a  recent  techno-­‐economic  

analysis  of  corn  stover  CHP  to  supply  a  corn  ethanol  facility  [25].  Their  study  compared  corn  stover  to  

coal  and  natural  gas  and  developed  scenarios  for  supplying  heat  and  power  with  combinations  of  

biomass  and  coal.  Table  8  shows  the  costs  of  the  various  energy  feedstocks  considered  in  the  study.  

Costs  are  provided  as  fuel  cost  at  the  burner  because  pretreatment  can  significantly  increase  feedstock  

cost  depending  on  feedstock  properties  and  process  requirements.  

Table  8  Cost  of  corn  stover,  coal,  and  natural  gas  at  the  burner  (includes  drying  and  grinding  costs)  [25]  

  Corn  stover   Coal   Natural  gas     Bale   Chop   Pellet      Fuel  cost  at  the  burner  ($/Mg)  

$73   $84   $86   $54   $424  

Higher  heating  value  (MJ/kg)  

16.5   16.5   16.5   28   53  

Energy  cost  at  the  burner  ($/MJ)  

$4.4   $5.1   $5.2   $1.9   $8  

   Results  for  process  heat  generation  are  shown  in  Table  9.  Coal  and  natural  gas  systems  employ  less  

feedstock  material  because  of  higher  process  efficiencies.  The  total  investment  costs  were  estimated  to  

be  the  same  for  biomass  and  coal  systems.  Coal  burners  were  estimated  to  be  half  the  cost  of  biomass  

burners,  but  coal  facilities  require  expensive  gas  clean-­‐up  systems  particularly  for  sulfur  collection.  Coal  

was  found  to  have  the  lowest  annual  cost  followed  by  the  corn  stover  design.  Annual  savings  represent  

the  costs  avoided  by  the  ethanol  facility  in  which  these  systems  are  incorporated.  Based  on  their  

assumptions  for  natural  gas  prices  and  system  design,  natural  gas  would  not  provide  net  annual  savings.  

Corn  stover  and  coal  total  investment  costs  shown  in  this  table  are  identical  based  on  the  assumption  

that  similar  equipment  could  be  employed  to  convert  either  feedstock.    

Page 40: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

34  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Table  9  Comparison  of  costs  and  savings  for  52.3  MW  process  heat  generation  using  different  feedstock  [25]  

  Corn  stover   Coal   Natural  gas  

  Bale   Chop   Pellet      Annual  fuel  consumption  (billion  gm)   121.27   121.27   121.27   73.63   56.61  Total  investment  cost  (million  $)   18.89   18.89   18.89   18.89   8.62  Annual  O&M  cost  (million  $)   3.24   3.24   3.24   3.24   2.02  Annual  fuel  cost  (million  $)   8.81   10.22   9.69   3.98   15.52  Annual  ash  disposal  cost  (million  $)   0.14   0.14   0.14   0.16   –  Total  annual  cost  (million  $)   12.19   13.50   13.07   7.37   17.54  Total  annual  savings  (million  $)   3.59   1.94   2.56   9.18   –  Benefit-­‐Cost  ratio   7.57   4.55   5.69   17.55   –  

   

ORNL’s  techno-­‐economic  study  also  evaluated  the  costs  of  co-­‐firing  varying  proportions  of  corn  

stover  and  coal.  They  investigated  100,  75,  50,  25,  and  0%  biomass  and  coal  mixtures.  The  results  of  

their  analysis  are  shown  in  Figure  14.  Total  costs  increase  and  savings  decrease,  with  higher  biomass  

fractions  due  to  the  higher  cost  of  biomass  compared  to  coal.  As  shown  in  the  figure,  fuel  costs  

contribute  significantly  to  the  increase  in  total  costs.  Ash  disposal  costs  increase  from  $0.16  to  $0.18  

million  with  lower  biomass  fraction.  Although  these  costs  were  estimated  for  a  CHP  system  at  a  corn  

ethanol  plant,  they  do  not  consider  the  combustion  of  any  corn  ethanol  by-­‐products  such  as  cobs  or  

DDGS.  The  total  investment  cost  for  this  biomass  and  coal  co-­‐firing  system  generating  52.3  MW  of  heat  

and  9.5  MW  of  electricity  was  estimated  at  $38  million.  The  payback  period  was  calculated  to  be  6  years.  

Page 41: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

35  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  14  Annual  costs  for  biomass  and  coal  co-­‐firing  combined  heat  (52.3  MW)  and  power  (9.5  MW)  system  

 

4.2 Economic  impacts  of  biomass  heat  and  power  generation  

Direct  economic  impacts  consist  of  monetary  benefits  or  costs,  and  jobs  generated  by  a  given  

activity.  Impacts  are  considered  direct  when  they  are  the  immediate  result  of  an  activity.  For  example:  

income  from  the  sale  of  a  crop.  Direct  economic  impacts  are  relatively  easy  to  calculate  and  are  the  first  

step  in  calculating  indirect  economic  impacts.  

Indirect  economic  impacts  are  benefits  or  costs,  and  jobs  that  result  from  the  direct  economic  

impact  of  a  given  activity.  For  example,  if  a  farmer  purchases  fertilizer,  their  activity  would  indirectly  

provide  income  and  jobs  to  the  fertilizer  industry.  Indirect  economic  impacts  are  difficult  to  estimate.  

Economists  employ  specialized  tools  to  provide  reasonable  estimates  to  community  advisors.  Direct  and  

indirect  economic  impacts  are  very  important  to  community  planners  because  they  are  ideal  tools  for  

deciding  whether  to  support  a  given  commercial  activity  within  a  community.      

English  et  al.  conducted  a  recent  study  on  the  economic  impacts  of  co-­‐firing  biomass  with  coal  in  

power  plants  in  the  southeastern  U.S.  [26].  Their  study  employed  IMPLANTM  software  to  develop  their  

 $-­‐        

 $2    

 $4    

 $6    

 $8    

 $10    

 $12    

 $14    

 $16    

 $18    

100   75   50   25   0  

Ann

ual  Cost  (million  $)  

Biomass  FracWon  (%)  

O&M  cost     Fuel  cost       Ash  disposal  cost       Total  cost       Total  savings      

Page 42: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

36  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

economic  models.  IMPLANTM  collects  annual  industry  information  for  county,  state,  and  national  level  

economic  models.  An  example  of  this  data  is  shown  in  Table  10,  which  includes  the  proprietary  income  

in  thousands  of  dollars  generated  for  every  million  dollars  spent  in  the  purchase  of  biomass  feedstock.  

This  study  is  not  entirely  applicable  to  Iowa  where  different  agricultural  practices  and  growing  

conditions  can  significantly  alter  assumptions  for  agricultural  inputs.  

Table  10  Expenditures  in  thousands  of  dollars  by  IMPLAN  Sector  per  million  dollars  of  gross  expenditure  by  feedstock  type  [26]  

IMPLAN  Sector  

Description   Agricultural  Residues  

Forest  Residues  

Switchgrass   Poplar   Mill   Urban  Waste  

20   Seeds     0   0   30   100   0   0  26   Miscellaneous     160   90   40   50   0   0  26   Operating  Costs     0   0   20   100   0   0  202   Fertilizer     0   0   310   40   0   0  204   Chemicals     0   0   10   110   0   0  451   Fuel/Lube     70   60   80   40   360   310  456   Depreciation     240   280   220   110   140   180  456   Capital     70   60   10   30   10   10  460   Insurance     0   10   20   10   10   10  482   Repair     330   170   110   110   130   160     Labor     130   330   150   300   350   330  

 

 The  study  by  English  et  al.  [26]  found  that  replacing  355,400  tons  of  coal  with  a  2%  biomass  co-­‐fire  

fraction  would  decrease  coal  expenditure  by  $12.5  million.  The  biomass  feedstock  sector  would  gain  

$10.3  million  per  year  with  proprietors  earning  $1.3  million.  When  the  decrease  in  coal  expenditure  is  

taken  into  account,  the  southeastern  region  was  expected  to  gain  a  direct  economic  activity  increase  of  

$5.5  million  and  nearly  100  additional  jobs.  The  direct  and  indirect  economic  impacts  total  $7.4  million  

with  an  initial  impact  of  $7.5  million  to  construct  biomass  co-­‐firing  facilities.    

Table  11  includes  a  breakdown  of  the  main  sectors  affected  by  replacing  2%  of  coal  with  biomass  for  

power  generation.  The  transportation  sector  includes  all  freight  operations  for  coal  and  biomass  

transport.  Direct  operating  income  consists  of  labor  income  at  the  power  plant;  income  in  the  bio-­‐based  

Page 43: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

37  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

feedstock  sector  would  benefit  biomass  producers.  The  coal  sector  would  experience  a  decrease  in  

income  and  jobs  due  to  the  reduced  demand  for  coal.  If  these  results  were  applied  to  Iowa,  a  decrease  

in  coal  expenditure  would  not  affect  the  state  negatively  because  Iowa  is  a  net  importer  of  coal.  

Table  11  Economic  impact  for  every  million  $  spent  in  2%  biomass  co-­‐firing  in  southeastern  coal  power  plants  [26]  

  Income  (1000  $)   Jobs  

Sector   Direct   Total   Direct   Total  Transportation   $1,455   $2,995   14.3   34.9  Operating   $704   $1,011   3.6   8.0  Coal  Replacement     -­‐$8,368   -­‐$15,512   -­‐34.4   -­‐126.9  Bio-­‐based  Feedstock   $11,663   $18,854   79.8   180.8  

 Total  Annual  Investment  (Non-­‐annual)   $5,453   $7,349   63.3   96.8      There  is  very  scarce  information  on  direct  and  indirect  economic  impacts  of  biomass  co-­‐firing  in  

Iowa.  Direct  and  indirect  economic  impact  studies  are  typically  conducted  for  a  specific  community,  

county,  state,  or  nation.  Therefore,  it  is  difficult  to  apply  results  from  a  study  to  a  different  region  or  

technology.    

The  most  recent  and  relevant  study  on  economic  impact  of  biomass  for  power  generation  was  

conducted  in  2002  by  the  Iowa  Policy  Project  [20].  This  study  considered  the  impact  of  switchgrass  for  

energy  generation.  The  data  was  based  on  the  operation  of  the  Alliant  Energy  power  plant  near  

Ottumwa,  Iowa,  which  burned  switchgrass  to  generate  electricity.  The  plant  had  a  45  MW  biomass  

capacity,  and  was  estimated  to  produce  $16.3  million  in  revenue  to  farmers  with  income  of  $6.4  million  

from  the  sale  of  274,000  tons  of  switchgrass.  According  to  the  study,  this  plant  would  directly  create  331  

jobs,  or  470  total  jobs  from  the  conversion  of  switchgrass  to  energy.  A  summary  of  these  results  is  

shown  in  Table  12.  

Page 44: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

38  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Table  12  Economic  impacts  of  converting  switchgrass  to  power  in  Iowa  [20]  

  Direct   Indirect   Induced   Total  

Total  Industrial  Output  (sales)   $16,282,000   $6,609,000   $3,729,000   $26,620,000  Labor  Income   $4,396,000   $1,999,000   $1,394,000   $7,788,000  Value  Added  (inc.  labor  income)   $6,378,000   $3,573,000   $2,350,000   $12,301,000  Jobs     331   77   62   470  

   

5 Environmental  impacts  of  biomass  for  heat  and  power  generation  

5.1 Overview  of  the  environmental  impacts  of  biomass  for  heat  and  power  generation  

There  is  much  concern  about  the  environmental  impacts  of  generating  energy  from  fossil  fuels.  

Biomass  has  been  envisioned  as  an  option  to  reduce  greenhouse  gas  emissions,  but  there  is  debate  on  

its  life  cycle  potential  for  greenhouse  gas  emission  reduction.  Direct  emissions  from  biomass  are  widely  

considered  to  be  net-­‐zero  emissions,  but  there  is  not  a  consensus  on  indirect  emissions.    

Fossil  fuels  consist  of  hydrocarbons  that  have  been  sequestered  over  millennia  by  natural  processes  

that  permanently  reduced  the  amount  of  CO2  in  the  atmosphere.  The  widespread  use  of  coal,  

petroleum,  and  natural  gas  for  energy  generation  releases  these  permanently  sequestered  

hydrocarbons  to  the  atmosphere.  According  to  the  Energy  Information  Administration,  5,955  million  

metric  tons  of  carbon  dioxide  was  emitted  in  2007  by  the  United  States  alone  [27].  Figure  15  shows  a  

comparison  of  bioenergy  and  fossil  heat  and  electricity  energy  system  cycles.  Fossil  energy  systems  do  

not  have  any  mechanisms  for  reducing  atmospheric  carbon  whereas  biomass  acts  as  a  carbon  sink  with  

potential  for  long-­‐term  sequestration.  A  sustainable  bioenergy  carbon  cycle  employs  short-­‐rotation  

crops  that  allow  for  short  carbon  payback  periods.  Kim  and  Dale  estimated  that  a  E85  fuel  system  would  

have  a  payback  period  of  31  years  with  forest  conversion  or  12  years  with  grassland  [28].  

Page 45: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

39  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  15  Bioenergy  and  Fossil  Heat  and  Electricity  Energy  System  Cycles  [29]  

 

Page 46: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

40  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Biomass  combustion  also  emits  CO2  into  the  atmosphere,  but  unlike  fossil  fuels,  these  emissions  are  

considered  to  be  net-­‐zero  emissions  of  greenhouse  gas  emissions.  Carbon  dioxide  from  the  atmosphere  

is  absorbed  during  the  plant  growth  phase,  and  combustion  of  plant  matter  emits  an  equivalent  amount  

of  CO2  into  the  atmosphere  resulting  in  a  near  net-­‐zero  carbon  cycle.  In  fact,  forest  restoration  has  been  

considered  as  a  means  to  reduce  atmospheric  CO2  concentrations  [30].    Figure  16  shows  a  forest  carbon  

cycle  schematic.    The  figure  shows  that  an  estimated  14  tonnes  of  carbon  per  hectare  per  year  are  

removed  by  forests  from  the  atmosphere  via  photosynthesis.  Forests  remove  about  4  tonnes  of  carbon  

per  hectare  per  year,  and  possibly  more  depending  on  the  net  increase  in  soil  carbon  from  foliage,  

seeds,  woods,  and  understorey  that  remains  underground.  

Page 47: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

41  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  16  Forest  Carbon  Cycle  based  on  Tonnes  of  Carbon  per  Hectare  per  Year  (adapted  from  [29])  

 On  the  other  hand,  combustion  of  long-­‐term  rotation  feedstock  is  considered  to  have  positive  net  

greenhouse  gas  emissions.  Long-­‐term  rotation  biomass,  such  as  forests,  sequesters  atmospheric  carbon  

for  periods  of  hundreds  or  thousands  of  years.  Combustion  of  these  resources  results  in  a  sudden,  step-­‐

increase  in  the  concentration  of  atmospheric  CO2.    

There  is  an  important  distinction  between  direct  and  indirect  greenhouse  gas  emissions.  Direct  

emissions  are  emissions  that  result  from  the  processes  that  convert  biomass  into  energy.  Indirect  

Page 48: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

42  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

emissions  result  from  external  activities  that  the  energy  producer  requires  but  does  not  control.  For  

example,  CO2  leaving  a  power  plant’s  stack  constitutes  a  direct  emission.  Emissions  from  the  diesel  

engines  of  trains  carrying  coal  to  the  power  plant  are  considered  indirect  emissions  for  the  power  

facility.  Classification  of  indirect  emissions  can  be  difficult  because  of  how  industrial  processes  relate  to  

each  other.  Indirect  emissions  resulting  from  land  use  change  are  of  particular  interest  and  debate  to  

the  biomass  energy  industry.  

The  impacts  of  land  use  change  on  global  emissions  have  generated  interest  among  researchers  and  

regulators.  Within  the  U.S.,  land  use  change  commonly  occurs  among  urban,  forest,  crop,  pasture,  and  

range  sectors.  Figure  17  shows  how  land  use  has  been  exchanged  among  these  sectors  between  1982  

and  1997.  The  largest  change  in  land  use  over  this  period  has  been  the  conversion  of  pasture  and  range  

to  forest  with  17.1  million  acres.  A  significant  portion  (10.3  million  acres)  of  forestland  has  been  

overtaken  by  the  expansion  of  urban  areas  [31].  

 

Figure  17  Land  use  change  among  major  sectors  in  the  United  States,  1982-­‐1997  [31]  

 

Page 49: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

43  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Examples  of  direct  environmental  impacts  resulting  from  land  use  change  include  when  a  farmer  

chooses  to  clear  trees  to  provide  pasture,  or  when  marginal  land  is  brought  into  production.  Direct  

environmental  impacts  are  easier  to  quantify  and  therefore  amenable  to  public  policy.  The  American  

Clean  Energy  and  Security  Act  (ACES)  introduced  in  2009  seeks  to  incentivize  practices  that  lead  to  

reduced  greenhouse  gas  emissions  [32].  The  challenge  for  carbon  legislators  is  to  properly  account  for  

indirect  environmental  impacts.  

A  commonly  cited  example  of  indirect  land  use  change  is  the  notion  that  employing  food  crops  for  

energy  would  encourage  the  clearing  of  forestland  in  developing  countries  to  meet  food  shortages.  

Searchinger  et  al.  published  a  paper  that  explored  the  impact  of  indirect  land  use  change  in  the  context  

of  the  corn  ethanol  industry  [33].  This  study  employed  the  FAPRI  [34]  model  to  estimate  the  global  

impacts  of  converting  corn  to  ethanol.  Their  results  indicate  that  life  cycle  emissions  of  corn  ethanol  

increase  from  74  to  177  grams  of  CO2  equivalent  per  MJ  of  fuel  when  land  use  change  impacts  are  

included.  Emissions  from  gasoline  consumption  are  estimated  to  be  92  grams  of  CO2  equivalent  per  MJ  

of  fuel.  Therefore,  corn  ethanol  emissions  go  from  a  net  reduction  over  gasoline  to  a  net  increase  when  

indirect  land  use  impacts  are  taken  into  account.  

The  indirect  land  use  change  (ILUC)  model  employed  by  Searchinger  et  al.  includes  a  number  of  

debatable  assumptions  that  have  been  analyzed  by  Mathews  and  Tan  [35].  Searchinger  et  al.  attributes  

that  ILUC  would  be  caused  by  a  spike  in  U.S.  corn-­‐based  ethanol  and  ignores  that:  

a. There  are  other  ways  to  meet  ethanol  (and  biofuel)  demand  than  with  corn  ethanol;  

b. Ethanol  demand  could  be  met  from  foreign  sources  without  requiring  the  diversion  of  more  

U.S.  corn  to  ethanol;  

Page 50: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

44  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

c. The  calculations  employ  trends  from  the  1990s  to  project  impacts  in  2016.  Data  from  the  

1990s  is  skewed  due  to  the  rapid  industrial  growth  of  India  and  China  at  the  time  and  

complete  lack  of  regulatory  control;  

d. Biomass  yields  continue  to  improve  both  in  the  U.S.  and  around  the  world;  and  

e. The  U.S.  could  enact  regulatory  measures  to  counter  the  impact  of  ILUC  without  necessarily  

reducing  biofuel  development.  

Consideration  of  any  of  these  assumptions  could  significantly  alter  the  environmental  profile  of  corn  

ethanol.  Meeting  future  ethanol  demand  with  cellulosic  feedstock  would  limit  competition  with  food  

crops  and  prevent  developing-­‐world  farmers  from  clearing  additional  land  for  food.  U.S.  ethanol  

demand  could  be  met  with  foreign  sources  of  ethanol  that  do  not  have  a  major  ILUC  impact.    

High  deforestation  rates  predate  the  growth  of  the  ethanol  industry.  In  fact,  deforestation  rates  

have  decreased  from  -­‐0.22%  to  -­‐0.18  percent  from  the  90’s  to  the  first  half  of  this  decade  (2000  to  

2005).  Asia  shows  the  greatest  reversal  with  a  deforestation  rate  of  0.14%  between  1990  and  2000,  and  

a  forest  growth  rate  of  0.18%  from  2000  to  2005  [36].  Figure  18  shows  forestland  change  rates  for  

different  world  regions.    

 

Page 51: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

45  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  18  World  continents'  forest  change  rate  (bubble  size  based  on  %  of  world  forests  in  1990,  positive  values  indicate  forest  growth)  [36]  

 A  region  with  significant  deforestation  in  the  past  two  decades  is  South  America,  where  rapid  

economic  growth  has  resulted  in  increasing  rates  of  deforestation.  Since  1988,  Brazil  has  seen  two  

marked  peaks  in  deforestation  (1995  and  2004)  when  11,220  square  miles  (mi2)  and  10,588  mi2  of  

forests  were  cut.  The  2004  peak  was  followed  by  a  drop  to  less  than  4,500  mi2  of  deforested  land  in  

2007  as  shown  in  Figure  19.  The  major  cause  of  deforestation  is  attributed  to  cattle  ranching  with  65  to  

70%  of  forest  clearing  between  2000  and  2005  followed  by  an  increase  of  small-­‐scale  agriculture  

between  20  and  25%  [37].  Various  economical  factors  contribute  to  forest  clearing  for  cattle  ranching  

such  as  currency  devaluation,  increased  meat  consumption  in  Brazil  and  other  countries,  and  

infrastructure  improvements  that  allow  access  to  Amazonian  forests.  

1;  -­‐0.64%  

2;  -­‐0.14%  

3;  0.09%  

North  and  Central  America,    -­‐0.05%   5;  -­‐0.21%  

6;  -­‐0.44%  

1;  -­‐0.62%  

2;  0.18%  

3;  0.07%  

North  and  Central  America,      -­‐0.05%  

5;  -­‐0.17%  

6;  -­‐0.50%  

-­‐0.80%  

-­‐0.60%  

-­‐0.40%  

-­‐0.20%  

0.00%  

0.20%  

0.40%  

Forest  Lan

d  Ch

ange  Rate    

1990  -­‐  2000     2000  -­‐  2005    

Page 52: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

46  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

Figure  19  Deforested  Land  Area  in  Brazil  (1988  -­‐  2008)  [38]  

 The  study  of  indirect  land  use  change  impacts  is  currently  in  its  infancy.  Indirect  land  use  changes  

are  recognized  to  have  significant  impact  on  global  greenhouse  gas  emissions:  it  is  estimated  that  land  

use  change  caused  by  a  variety  of  human  activities  has  contributed  one  third  of  anthropogenic  

emissions  (and  one  fifth  of  all  emissions  in  the  90s)  since  1750  [39,  40].  Unfortunately,  the  mechanisms  

behind  land  use  change  are  not  well  understood  and  have  only  recently  generated  much  scientific  

interest  [41].    There  are  numerous  variables  that  can  impact  the  market  forces  that  cause  indirect  land  

use  change.  The  choice  of  variables  and  assumptions  to  consider  can  significantly  alter  life  cycle  analysis  

results  [28].  Considering  the  recent  history  of  deforestation  rates,  particularly  in  Brazil,  it  is  difficult  to  

find  a  direct  link  between  the  growing  demand  for  biofuels  and  global  land  changes.  

5.2 Economic  implications  of  the  environmental  impacts  of  biomass  co-­firing  for  heat  and  power  generation  

Carbon  dioxide,  sulfur  dioxide  (SO2),  and  methane  (C2H4)  gas  are  some  of  the  compounds  emitted  

from  coal  combustion  with  the  highest  greenhouse  gas  warming  potential.  Greenhouse  gas  warming  

0  

2,000  

4,000  

6,000  

8,000  

10,000  

12,000  

1985   1990   1995   2000   2005   2010  

Deforested  Land

 (Squ

are  Miles)  

Page 53: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

47  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

potential  is  measured  in  units  of  CO2  equivalent.  A  carbon  mass  of  12  kg  has  an  equivalent  CO2  mass  of  

44  kg.    

As  shown  in  Table  13,  biomass  co-­‐firing  can  significantly  reduce  emissions  of  these  compounds  in  

coal  plants.  A  coal-­‐fired  power  plant  emits  about  3.29  Mg  of  CO2  equivalent  CO2,  47.2  kg  of  CO2  

equivalent  SO2,  and  0.02  g  of  C2H4  per  Mg  of  CO2.  Replacing  100%  of  coal  with  biomass  in  the  same  plant  

would  lower  emissions  to  5.65  kg  of  SO2  per  Mg  of  biomass,  and  negligible  quantities  of  CO2  and  C2H4.  

Table  13  Greenhouse  gas  warming  potential  of  biomass  and  coal  co-­‐firing  for  combined  heat  (52.3  MW)  and  power  (9.5  MW)  [25]  

Biomass  fraction  (%)   0   25   50   75   100  

CO2  eq.  per  Mg  of  fuel  (Mg/Mg)  

3.29   2.16   1.31   0.64   0.1  

SO2  eq.  per  Mg  of  fuel  (kg/Mg)  

47.23   32.49   21.36   12.65   5.65  

C2H4  eq.  per  Mg  of  fuel  (g/Mg)  

0.02   0.02   0.03   0.02   0.02  

   

Carbon  legislation  could  provide  attractive  incentives  to  energy  producers  to  lower  their  carbon  

emissions.  The  Clear  Skies  Initiative  enacted  in  2002  proposed  to  cap  SO2,  NOx,  and  mercury  emissions  

from  power  plants  between  now  and  2022.  The  2000  estimates  and  2022  projections  are  shown  in  Table  

14.  The  Clear  Skies  Initiative  calls  for  67%,  63%,  and  73%  reductions  in  SO2,  NOx,  and  mercury  emissions  

throughout  the  United  States  between  2000  and  2022.  The  papers  included  in  this  report  indicate  that  

biomass  is  a  viable  option  for  emission  reduction  when  done  economically.    

Page 54: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

48  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Table  14  Clear  Skies  Initiative  –  estimates  for  2000  power  plant  emissions  and  2022  projections  [26]  

  SO2    

(1000  tons)  NOx    

(1000  tons)  Mercury    (tons)  

State/Region   2000   2022   2000   2022   2000   2022  Alabama     500   75   182   31   2.53   0.38  Georgia     508   66   185   37   1.47   0.25  Kentucky     588   194   244   44   1.78   0.32  Mississippi     129   9   65   11   0.24   0.04  North  Carolina     459   133   161   45   1.52   0.67  South  Carolina     200   64   87   26   0.53   0.19  Tennessee     425   119   156   39   1.12   0.38  Virginia     213   81   82   32   0.64   0.3  Regional  Total     3,021   741   1,162   265   9.82   2.53  

United  States     11,818   3,900   4,595   1,700   67   18  

   The  Department  of  Energy  (DOE)  considered  various  economic  incentives  for  emission  control  

strategies  [42].  The  range  of  values  considered  in  the  DOE  report  is  shown  in  Table  15.  NOx  is  particularly  

harmful  because  of  its  impact  to  both  the  environment  and  human  health.  NOx  is  known  for  causing  

smog  and  a  number  of  respiratory  illnesses.    

Table  15  Range  of  pollutant  values  analyzed  by  the  DOE  for  emission  reduction  

Costs  in  $/ton   Carbon   NOx   SOx  

Base     0   0   142  Low  Carbon     70   2,374   142  High  Carbon     120   2,374   142  

   

Carbon  legislation  is  likely  to  help  make  biomass  an  economically  attractive  fuel  for  existing  coal  

power  plants.  As  discussed  in  previous  sections,  biomass  combustion  results  in  lower  emissions  

compared  to  coal  whether  it  is  employed  as  the  only  source  of  fuel  or  in  a  co-­‐firing  scenario.    

5.3 Analysis  of  emissions  from  biomass  combustion  

Emissions  from  biomass  combustion  can  be  classified  into  three  separate  groups:  emissions  from  

complete  combustion,  emissions  from  incomplete  combustion,  and  particle  emissions.  The  relative  

Page 55: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

49  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

importance  of  these  groups  will  depend  on  the  application  scale,  facility  operation,  and  feedstock  

properties.  

Large-­‐scale  combustion  facilities  typically  include  emission  control  equipment  and  can  achieve  

almost  complete  combustion.  Small-­‐  and  medium-­‐scale  facilities  may  not  include  the  necessary  

equipment  to  contain  certain  pollutants  or  to  achieve  full  combustion.  Small-­‐scale  units  such  as  

domestic  stoves  can  pose  a  challenge  in  dealing  with  some  types  of  pollutants.  Medium-­‐scale  facilities  

could  face  economic  challenges  to  adopt  measures  that  limit  pollutant  emissions.  Feedstock  availability  

can  also  be  an  important  constraint  for  small-­‐  and  medium-­‐scale  operations.  

Emissions  from  complete  combustion  include  CO2,  NOx,  N2O,  SOx,  and  hydrochloric  acid  (HCl).  As  

discussed  previously,  the  quantities  of  most  of  these  pollutants  are  lower  than  from  coal  combustion.  

HCl  can  be  found  in  significant  concentrations  in  herbaceous  feedstock  such  as  miscanthus,  grass,  and  

straw,  but  is  less  of  a  concern  for  woody  biomass.  During  combustion,  most  of  the  HCl  forms  salts,  KCl  

and  NaCl,  and  trace  amounts  are  emitted  as  dioxins  and  organic  chlorine.  Feedstock  washing  is  an  

effective  means  to  reduce  HCl  emissions,  and  additional  measures  can  be  taken  in  the  combustion  

equipment  [43-­‐45].  

Emissions  from  incomplete  combustion  include  carbon  monoxide,  methane,  Non-­‐Methane  Volatile  

Organic  Compounds  (NMVOC),  Polycyclic  Aromatic  Hydrocarbons  (PAH),  Polychlorinated  Dioxins  and  

Furans  (PCDD/PCDF),  Ammonia,  and  ground-­‐level  Ozone  (O3).  Incomplete  combustion  can  occur  

because  of  inadequate  air  and  fuel  mixing  in  the  combustion  chamber,  low  combustion  temperatures,  or  

short  residence  times.    

Page 56: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

50  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

PAH  is  a  group  of  compounds  known  to  have  carcinogenic  effects.  PAH  formation  is  an  intermediate  

step  of  the  conversion  of  fuel  carbon  to  CO2  and  hydrogen  to  H2O.  PAH  emissions  were  found  to  peak  at  

temperatures  between  600  and  800  °C  and  rapidly  decrease  at  higher  temperatures  [46].    

Formation  of  PCDD/PCDF  occurs  at  temperatures  between  180  and  500  °C  due  to  complex  

interactions  between  carbon,  chlorine,  catalysts,  and  oxygen.  The  high  alkali  content  of  herbaceous  

biomass  reduces  the  formation  of  PCDD/PCDF  by  promoting  salt  compounds.  Emissions  of  PCDD/PCDF  

are  typically  below  the  health  risk  limit  and  can  be  reduced  by  various  control  measures  [45,  47].  

Ground-­‐level  O3  formation  takes  place  during  photochemical  atmospheric  reactions  involving  CO,  

CH4,  NMVOC,  and  NOx.  O3  emissions  can  be  reduced  indirectly  by  limiting  incomplete  combustion  

emissions  [48].  

Particle  emissions  include  fly-­‐ash,  soot,  char,  and  tar.  Fly-­‐ash  consists  of  coarse  particles  (diameter  >  

1  µm)  and  aerosols  (diameter  <  1  µm).  Coarse  particles  consist  of  ash  material  that  becomes  entrained  

with  the  flue  gases,  and  aerosols  are  solid  compounds  formed  during  combustion.  Soot  consists  mostly  

of  carbon  and  forms  when  there  is  a  lack  of  local  oxygen.  Combustion  char  includes  organic  compounds  

and  alkali  material,  and  can  become  entrained  in  the  flue  gas.  Tar  is  a  dark,  viscous  liquid  that  consists  of  

condensed  heavy  hydrocarbons  and  can  contribute  most  of  the  particle  emissions  in  small-­‐scale  

combustion  applications  [48].  Table  16  includes  measured  arithmetic  mean  emissions  from  biomass  

combustion  in  various  types  of  small-­‐scale  applications.  

Page 57: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

51  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Table  16  Mean  emission  levels  at  13%  O2  from  small-­‐scale  biomass  combustion  applications  [49]  

  Load  [kW]  

Excess  air  ratio  

CO  [mg/m3]  

CxHy  [mg/m3]  

Particles  [mg/m3]  

NOx  [mg/m3]  

Temp  [°C]  

Efficiency  [%]  

Wood  Stoves   9.33   2.43   4986   581   130   118   307   70  Fireplace  inserts   14.07   2.87   3326   373   50   118   283   74  Heat-­‐storing  stoves  

13.31   2.53   2756   264   54   147   224   78  

Pellet  stoves   8.97   3.00   313   8   32   104   132   83  Catalytic  wood-­‐stoves  

6.00     938            

   The  difference  between  poor  and  high  standard  combustion  technology  and  emission  control  can  be  

appreciated  in  Table  17.  High  standard  equipment  is  very  effective  in  reducing  most  types  of  biomass  

combustion  emissions.  Although  there  is  a  small  overlap  in  particle  emissions,  facilities  can  take  

additional  measures  to  reduce  particle  emissions.  

Table  17  Comparison  of  emissions  for  poor  and  high  standard  combustion  furnace  design  [50]  

Emissions  at  11%  O2   Poor  standard   High  standard  Excess  air  ratio   2-­‐4   1.5-­‐2  CO  [mg/m3

0]   1000-­‐5000   20-­‐250  CxHy  [mg/m3

0]   100-­‐500   <10  PAH  [mg/m3

0]   0.1-­‐10   <  0.01  Particles,  after  cyclone  [mg/m3

0]   150-­‐500   50-­‐150      

5.4 Emission  control  measures  for  biomass  combustion  

Emission  control  measures  can  be  categorized  as  either  primary  or  secondary  measures.  Primary  

emission  reduction  measures  include  feedstock  treatment  and  combustion  process  design.  Secondary  

measures  consist  of  downstream  collection  equipment  that  removes  pollutants  from  combustion  flue  

gas.  

Feedstock  treatments  include  modification  of  the  fuel  composition,  moisture  content  reduction,  and  

particle  size  reduction.  Herbaceous  feedstock  contains  measurable  quantities  of  various  salts  and  alkali  

compounds.  Washing,  including  exposing  biomass  to  rainwater,  can  significantly  reduce  feedstock  alkali  

Page 58: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

52  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

material.    Controlled  washing,  which  includes  using  acids  and  heating  treatments,  can  be  expensive  but  

can  reduce  corrosion  in  the  boiler.  Washing  can  increase  feedstock  moisture  content  and  have  adverse  

effects  on  combustion  performance  such  as  preventing  combustion  temperatures  from  exceeding  850  

°C.  Low  temperatures  promote  incomplete  combustion,  resulting  in  the  increase  of  pollutant  emissions.  

Small-­‐scale  combustion  applications  may  not  have  much  choice  in  the  feedstock  size,  but  large-­‐scale  

facilities  are  typically  optimized  for  a  specific  particle  size.  In  large-­‐scale  facilities,  introducing  feedstock  

with  sizes  that  are  larger  than  expected  can  result  in  incomplete  combustion  and  increased  particle  

emissions.  

Emission  control  based  on  combustion  process  design  includes  the  selection  of  equipment  and  

process  operating  conditions  that  lead  to  lower  emissions.  Equipment  selection  is  typically  limited  by  

plant  capacity  and  economic  factors,  but  equipment  can  be  chosen  to  optimize  the  combustion  of  

available  feedstock.  It  is  possible  to  take  direct  measurements  of  emission  compounds  during  the  

optimization  of  the  combustion  temperature,  residence  times,  and  airflow.  When  direct  measurements  

are  not  available,  the  presence  of  optimal  quantities  of  excess  oxygen  in  the  combustion  chamber  is  a  

good  indicator  of  reduced  emissions.  Table  18  shows  a  comparison  of  emission  and  efficiency  

measurements  taken  before  and  after  the  optimization  of  a  combustion  boiler.  As  is  shown,  

optimization  can  significantly  reduce  emissions  while  simultaneously  improve  process  efficiency.  The  

modifications  include  improved  air  to  fuel  ratio,  flue  gas  recirculation,  and  combustion  chamber  design  

changes.  

Page 59: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

53  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Table  18  Comparison  of  emission  and  efficiency  measurements  resulting  from  the  optimization  of  a  combustion  boiler  [51]  

Property   Before  optimization   After  optimization     1   2   3   1   2   3  CO  [mg/m3

0]   3516   4439   4327   82   313   103  CxHy    [mg/m3

0]   262   303   269   2   28   2  NOx    [mg/m3

0]   772   722   764   652   872   706  Dust  [mg/m3

0]   219   235   214   99   157   106  Flue  gas  temperature  [°C]   163   164   158   109   162   132  Flue  gas  losses  [%]   17   -­‐   17   7   -­‐   8  Losses  due  to  incomplete  combustion  [%]   1.5   -­‐   2.0   0.1   -­‐   0.1  Overall  Efficiency  [%]   81   -­‐   81   93   -­‐   92  

   Secondary  emission  control  measures  consist  of  equipment  that  is  located  downstream  from  the  

boiler  with  the  purpose  of  collecting  pollutants  that  would  otherwise  remain  entrained  in  the  flue  gas  

stream.  Secondary  emission  control  equipment  includes  cyclones,  bag  filters,  electrostatic  precipitators  

(ESP),  and  scrubbers.  

The  choice  of  emission  control  equipment  depends  on  the  particle  size  and  stickiness.  Cyclones  are  

ideal  to  capture  non-­‐sticky  particles  with  diameter  sizes  of  5  mm  or  greater.  Cyclones  operate  by  using  

centrifugal  forces  to  push  particles  to  wall  edges  where  they  eventually  fall  through  the  bottom  while  

the  clean  gas  exits  through  the  top.  Particles  that  are  smaller  than  5  mm  in  diameter  will  remain  

entrained  in  the  gas  stream.  Bag  filters  can  collect  these  smaller  particles  by  providing  a  clothed  surface  

through  which  the  gas  stream  can  pass  through  and  leave  the  particles  on  the  surface.  The  efficiency  of  

bag  filters  tends  to  improve  with  time  because  the  collected  particles  create  a  secondary  surface  with  

even  smaller  pores.  Some  particles  exhibit  electrical  properties,  which  make  ESPs  a  very  efficient  

collection  measure.  ESPs  use  electrical  charges  to  attract  small  particles  to  a  surface  where  they  remain  

until  the  polarity  is  changed  (for  example,  cleaning).  Sticky  particles  such  as  tars  must  be  collected  using  

wet  scrubbers.  Wet  scrubbers  employ  liquid  droplets  to  intercept  particles  in  the  gas  stream.  Although  

water  is  commonly  used,  the  type  of  particles  collected  could  influence  the  choice  of  collection  liquid.  

Page 60: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

54  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

5.5 Handling  and  applications  of  ash  from  biomass  combustion  

Biomass  ash  requires  different  handling  measures  and  end-­‐use  applications  than  coal  ash.  Biomass  

ash  contains  alkali  material  that  volatilizes  at  combustion  temperatures  and  forms  condensable  vapors  

that  are  precursors  to  tar.  This  alkali,  when  processed  properly,  can  be  recycled  to  provide  soil  nutrients.  

The  differences  between  biomass  ash  and  coal  ash  are  significant.  Therefore,  knowledge  gained  from  

the  use  of  coal  ash  is  not  entirely  applicable  to  biomass  ash.  Our  fundamental  understanding  of  how  

solid  residues  from  biomass  conversion  processes  can  interact  with  the  soil  and  environment  at  large  is  

currently  limited.  More  research  is  needed  to  better  understand  the  relationships  between  feedstock,  

conversion  process,  and  residue  end-­‐use  application  for  biomass  technologies.  Following  is  a  discussion  

on  how  to  characterize  the  composition  and  behavior  of  solid  residues  using  chemical  fractionation.  

Alkali  metals  (potassium  (K)  and  sodium  (Na)),  phosphates,  and  some  heavy  metals  volatilize  during  

biomass  combustion  and  agglomerate  into  a  condensable,  sticky  liquid.    When  the  condensation  occurs  

in  the  boiler,  the  liquid  is  known  as  slag;  outside  the  boiler  the  liquid  tends  to  form  tar.  Both  of  these  are  

undesirable  material  in  combustion  equipment  and  can  lead  to  decreases  in  performance  and  clogging  if  

left  unchecked.  Aluminum-­‐silicates,  unlike  the  previously  mentioned  alkali,  tend  to  fuse  into  sub-­‐micron  

quartz  and  silica  particles.  These  particles  are  much  easier  to  collect,  but  the  disadvantage  is  that  they  

can  render  nutrients  inaccessible  to  plants  and  limit  their  utility  for  soil  amendment  applications.  

Chemical  fractionation  techniques  employ  standardized  leaching  processes  with  chemical  reagents  

to  characterize  the  inorganic  components  in  solid  fuels.  Van  Loo  and  Koppejan  employed  chemical  

fractionation  to  compare  the  behavior  of  inorganic  material  found  in  various  biofuels  to  coal.  This  

process  involves  washing  a  small  sample  with  water,  followed  by  an  ammonium  acetate  solution,  and  

finally  a  hydrochloric  acid  solution  [48].  This  process  would  yield  four  fractions  of  leachable  components:  

1. Water  -­‐  alkali  metal  salts,  sulfur,  and  chlorine  compounds;  

Page 61: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

55  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

2. Buffer  solution  –  organics;  

3. Acids  -­‐  carbonates  and  sulphates;  and  

4. Residue  -­‐  silicates  and  compounds  insoluble  in  mineral  acids.  

Water  and  acetate-­‐leachable  elements  correspond  with  compounds  that  become  entrained  in  the  

vapor  phase  in  the  form  of  very  fine  particles  and  aerosols.  Acid  and  residue  fractions  typically  form  

large  particles  that  are  much  easier  to  collect.  Figure  20  shows  chemical  fractionation  results  for  

representative  fossil,  forest,  and  agricultural  fuels.  

 

0  

2000  

4000  

6000  

8000  

10000  

12000  

Si   Al   Fe   Ti   Ca   Mg   Na   K   S   P   Cl  

mg/kg  dry  fu

el  

Bituminous  Coal  in  H2O  

in  Ac  

in  HCl  

in  solid  residue  

in  untreated  fuel  

Page 62: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

56  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

 

 

Figure  20  Bituminous  coal,  forest  residue,  and  wheat  straw  chemical  fractionation  results  (adapted  from  [48])  

 In  general,  biofuels  contain  larger  quantities  of  water-­‐acetate  soluble  fractions  than  coal.  This  

implies  that  biomass  combustion  would  result  in  a  greater  amount  of  fine  particle  and  aerosol  

0  

2000  

4000  

6000  

8000  

10000  

12000  

Si   Al   Fe   Ti   Ca   Mg   Na   K   S   P   Cl  

mg/kg  dry  fu

el  

Forest  Residue  in  H2O  

in  Ac  

in  HCl  

in  solid  residue  

in  untreated  fuel  

0  

2000  

4000  

6000  

8000  

10000  

12000  

Si   Al   Fe   Ti   Ca   Mg   Na   K   S   P   Cl  

mg/kg  dry  fu

el  

Wheat  Straw   in  H2O  

in  Ac  

in  HCl  

in  solid  residue  

in  untreated  fuel  

Page 63: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

57  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

formation.  Power  plants  may  need  to  invest  in  additional  equipment  to  improve  the  collection  of  small  

particulate  matter.    

Returning  biomass  ash  to  the  soil  can  help  close  the  nutrient  cycle.  Some  nutrient  losses  will  occur  

during  the  conversion  and  application  steps,  and  more  research  is  needed  to  determine  the  leaching  

behavior  of  recycled  alkali.  Combustion  facilities  may  need  to  invest  in  quality  assurance  capabilities  to  

ensure  that  the  ash  composition  meets  the  requirements  of  the  soil  where  it  will  be  applied.  The  ash  

source  is  typically  the  most  ideal  candidate  for  its  application  (i.e.  forest  vs.  agricultural  ash),  but  analysis  

may  still  be  required  to  ensure  that  the  ash  composition  did  not  change  drastically.    

An  alternative  market  for  biomass  ash  is  found  in  the  construction  industry.  Coal  ash,  which  is  rich  in  

aluminum-­‐silicates,  has  traditionally  been  employed  in  asphalt  mixtures.  Biomass  ash  that  cannot  be  

marketed  for  soil  amendment  could  serve  as  a  coal  substitute  for  construction,  landscaping,  cement  

blends,  and  as  a  component  for  lightweight  aggregates.  The  challenge  for  these  markets  is  that  biomass  

ash  supply  is  typically  scarce.  Marketing  coal  and  biomass  ash  mixtures  partly  solves  the  availability  

problem,  but  these  mixtures  tend  to  have  specific  properties  that  make  them  a  completely  separate  

product.  

6 Conclusions  

This  report  presents  an  overview  of  the  economic  and  environmental  opportunities  for  biomass  

heat  and  power  generation  in  Iowa.  It  includes  analyses  of  biomass  supply  and  availability,  heat  and  

power  applications,  and  economic  and  environmental  impacts  of  biomass  co-­‐firing.  

Various  types  of  feedstock  are  suitable  for  heat  and  power  applications.  A  major  feedstock  category  

is  agricultural  residues  such  as  corn  stover.  Corn  stover  is  an  attractive  energy  feedstock  when  available  

economically  in  large  quantities.  Iowa  produces  68.3  million  tons  per  year  of  corn  stover,  which  could  be  

Page 64: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

58  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

made  available  to  energy  facilities.  Growth,  harvest,  and  conversion  are  the  key  stages  in  the  biomass  

supply  chain.  Although  there  is  a  mature  supply  chain  established  for  corn  grain,  there  is  still  a  lot  of  

work  needed  to  develop  an  industrial  supply  chain  for  biomass  to  energy  applications.  

Biomass  conversion  to  energy  can  take  place  in  a  dedicated  heat  and  power  generation  system,  in  a  

co-­‐firing  environment,  or  integrated  in  agricultural  and  industrial  facilities.  Dedicated  systems  employ  

direct  combustion,  gasification,  or  anaerobic  digestion  technologies  to  convert  biomass  into  heat  and  

power.  Gas  and  steam  turbines  are  commonly  employed  to  convert  a  combustible  gas  or  process  heat  to  

electricity.  Biomass  co-­‐firing  is  the  practice  of  simultaneously  combusting  biomass  and  coal  in  the  same  

facility.  Simultaneous  injection,  separate  injection,  and  biomass  gasification  combined  with  coal  

combustion  are  three  approaches  to  biomass  co-­‐firing.  These  approaches  provide  a  range  of  feedstock  

flexibility,  capital  cost,  and  process  efficiency  for  facilities  to  consider.  Biomass  can  provide  combined  

heat  and  power  to  agricultural  and  industrial  facilities.  Corn  ethanol  plants  in  particular  could  reduce  

their  use  of  fossil  fuels  and  improve  their  environmental  profile  by  replacing  coal  or  natural  gas  with  

clean,  renewable  biomass.  

Biomass  combustion  results  in  direct  and  indirect  emissions  in  heat  and  power  applications.  Biomass  

can  reduce  direct  CO2,  NOx,  and  SOx  emissions  in  coal-­‐fired  facilities.  The  amount  of  reduction  is  strongly  

dependent  on  the  proportion  of  biomass  to  coal  employed.  Biomass  could,  therefore,  help  industrial  

facilities  meet  governmental  legislation  for  caps  in  power  plant  emissions.  Industrial  facilities  that  rely  

on  short-­‐term  rotation  feedstock  would  have  carbon  payback  periods  of  a  few  years  followed  by  net-­‐

zero  or  even  negative  carbon  emissions.  Most  biomass  combustion  pollutants  can  be  safely  captured  by  

existing  cleaning  technologies.  Development  and  optimization  of  these  technologies  would  help  reduce  

emissions,  and  economic  and  legislative  incentives  could  accelerate  industrial  efforts  to  meet  

environmental  standards.  

Page 65: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

59  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

Iowa  has  the  unique  opportunity  to  lead  in  the  development  of  a  biomass-­‐based  industry.  Iowa’s  

agricultural  residues  could  become  a  major  source  of  energy.  This  report  identifies  some  of  the  major  

challenges  and  opportunities  for  biomass  heat  and  power  generation.  Iowa’s  industrial  facilities  have  

begun  to  integrate  agricultural  feedstock  into  their  current  operations,  but  the  low  cost  of  fossil  fuels  

has  so  far  limited  biomass  adoption.  Technology  development  will  likely  reduce  costs  and  improve  the  

environmental  impacts  of  biomass  heat  and  power  generation.    

Page 66: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

1  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

References  

1.   Anon.  Bioenergy  feedstock  characteristics.    2010  Oak  Ridge  National  Laboratory;  Available  from:  

http://bioenergy.ornl.gov/papers/misc/biochar_factsheet.html.  

2.   Amos  W.  A.,  Report  on  biomass  drying  technology.  1998.  NREL/TP-­‐570-­‐25885.  

3.   Perlack,  R.,  Wright,  L.,  Turhollow,  A.,  Graham,  R.,  Stokes,  B.,  and  Erbach,  D.,  Biomass  as  

Feedstock  for  A  Bioenergy  and  Bioproducts  Industry:  The  Technical  Feasibility  of  a  Billion-­‐Ton  

Annual  Supply.  2005.  Oak  Ridge  National  Laboratory,  A357634.  

4.   Anon.  National  Agricultural  Statistics  Service  Quick  Stats.    2010;  Available  from:  

http://www.nass.usda.gov/QuickStats.  

5.   Brown,  R.C.,  Biorenewable  Resources:  Engineering  new  products  from  agriculture.  2003,  Ames,  

IA:  Iowa  State  Press,  A  Blackwell  Publishing  Company.  

6.   Shinners,  K.,  Boettcher,  G.,  Hoffman,  D.,  Munk,  J.,  Muck,  R.,  and  Weimer,  P.,  Single-­‐pass  harvest  

of  corn  grain  and  stover:  performance  of  three  harvester  configurations.  

7.   Hartmann,  H.  Influences  on  the  quality  of  solid  biofuels—causes  for  variations  and  measures  for  

improvement.  1998.  

8.   Bridgwater,  A.,  Toft,  A.,  and  Brammer,  J.,  A  techno-­‐economic  comparison  of  power  production  by  

biomass  fast  pyrolysis  with  gasification  and  combustion.  Renewable  and  Sustainable  Energy  

Reviews,  2002.  6(3):  p.  181-­‐246.  

9.   Wyman,  C.,  Alternative  fuels  from  biomass  and  their  impact  on  carbon  dioxide  accumulation.  

Applied  Biochemistry  and  Biotechnology,  1994.  45(1):  p.  897-­‐915.  

10.   Tillman,  D.,  Biomass  cofiring:  the  technology,  the  experience,  the  combustion  consequences.  

Biomass  and  Bioenergy,  2000.  19(6):  p.  365-­‐384.  

11.   Anon.  Pulverized  Coal  Power.    World  Resources  Institute    [cited  2010  May];  Available  from:  

http://www.wri.org/publication/content/10338.  

Page 67: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

2  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

12.   Grohmann,  K.,  Wyman,  C.,  and  Himmel,  M.,  Potential  for  fuels  from  biomass  and  wastes.  

Emerging  Technologies  for  Materials  and  Chemicals  from  Biomass,  1992:  p.  354–92.  

13.   Heid  Jr,  W.,  Turning  Great  Plains  crop  residues  and  other  products  into  energy.  Agricultural  

economic  report-­‐United  States  Dept.  of  Agriculture  (USA),  1984.  

14.   Anon.,  An  Evaluation  of  the  Use  of  Agricultural  Residues  as  Energy  Feedstock.  1976.  Stanford  

Research  Institute,  Washington,  D.C.  National  Science  Foundation  Report,  

NSF/RANN/SE/GI/18615/FR/76/3.  

15.   Anon.,  Climate  of  Opportunity.  2010.  Renewable  Fuels  Association,  Washington,  D.C.    

16.   Kwiatkowski,  J.,  McAloon,  A.,  Taylor,  F.,  and  Johnston,  D.,  Modeling  the  process  and  costs  of  fuel  

ethanol  production  by  the  corn  dry-­‐grind  process.  Industrial  Crops  &  Products,  2006.  23(3):  p.  

288-­‐296.  

17.   De  Kam,  M.,  Vance  Morey,  R.,  and  Tiffany,  D.,  Biomass  Integrated  Gasification  Combined  Cycle  

for  heat  and  power  at  ethanol  plants.  Energy  Conversion  and  Management,  2009.  50(7):  p.  

1682-­‐1690.  

18.   Wiltsee,  G.,  Lessons  learned  from  existing  biomass  power  plants.  2000.  National  Renewable  

Energy  Lab.,  Golden,  CO  (US).    

19.   Baxter,  L.  and  Koppejan,  J.,  Co-­‐combustion  of  biomass  and  coal.  EUROHEAT  AND  POWER-­‐

ENGLISH  EDITION-­‐,  2004:  p.  34-­‐39.  

20.   Swenson,  D.  and  Eathington,  L.,  Statewide  Economic  Values  of  Alternative  Energy  Sources  and  

Energy  Conservation.  2002.  Mount  Vernon,  Iowa.  

21.   Larson,  E.,  Consonni,  S.,  Katofsky,  R.,  Iisa,  K.,  and  Frederick,  W.,  A  cost-­‐benefit  assessment  of  

gasification-­‐based  biorefining  in  the  kraft  pulp  and  paper  industry.  2007.  

22.   Jenkins,  B.,  A  comment  on  the  optimal  sizing  of  a  biomass  utilization  facility  under  constant  and  

variable  cost  scaling.  Biomass  and  Bioenergy,  1997.  13(1-­‐2):  p.  1-­‐9.  

Page 68: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

3  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

23.   Dornburg,  V.  and  Faaij,  A.,  Efficiency  and  economy  of  wood-­‐fired  biomass  energy  systems  in  

relation  to  scale  regarding  heat  and  power  generation  using  combustion  and  gasification  

technologies.  Biomass  and  Bioenergy,  2001.  21(2):  p.  91-­‐108.  

24.   Bain,  R.,  Overend,  R.,  and  Craig,  K.,  Biomass-­‐fired  power  generation.  Fuel  Processing  Technology,  

1998.  54(1-­‐3):  p.  1-­‐16.  

25.   Mani,  S.,  Sokhansanj,  S.,  Tagore,  S.,  and  Turhollow,  A.,  Techno-­‐economic  analysis  of  using  corn  

stover  to  supply  heat  and  power  to  a  corn  ethanol  plant-­‐Part  2:  Cost  of  heat  and  power  

generation  systems.  Biomass  and  Bioenergy,  2009.  

26.   English,  B.,  Jensen,  K.,  Menard,  J.,  Walsh,  M.,  Ugarte,  D.,  Brandt,  C.,  Van  Dyke,  J.,  and  Hadley,  S.  

Economic  Impacts  Resulting  from  Co-­‐firing  Biomass  Feedstocks  in  Southeastern  United  States  

Coal-­‐Fired  Plants.  2004:  American  Agricultural  Economics  Association  (New  Name  2008:  

Agricultural  and  Applied  Economics  Association).  

27.   Anon.,  State  CO2  Emissions,  U.S.  Energy  Information  Administration  Washington,  D.C.  2010.  

28.   Kim,  H.,  Kim,  S.,  and  Dale,  B.,  Biofuels,  land  use  change,  and  greenhouse  gas  emissions:  some  

unexplored  variables.  Environmental  Science  &  Technology,  2009.  43(3):  p.  961-­‐967.  

29.   Horne,  R.  and  Matthews,  R.,  Biomass-­‐based  Climate  Change  Mitigation  through  Renewable  

Energy  Technical  Manual  (BIOMITRE  Technical  Manual).  2004.  Sheffield,  UK  NNE5-­‐00069-­‐2002.  

30.   Righelato,  R.  and  Spracklen,  D.,  Carbon  mitigation  by  biofuels  or  by  saving  and  restoring  forests?  

SCIENCE-­‐NEW  YORK  THEN  WASHINGTON-­‐,  2007.  317(5840):  p.  902.  

31.   Alig,  R.,  Plantinga,  A.,  Ahn,  S.,  and  Kline,  J.,  Land  use  changes  involving  forestry  in  the  United  

States:  1952  to  1997,  with  projections  to  2050.  Gen.  Tech.  Rep.  PNW-­‐587.  USDA  For.  Serv.,  

Pacific  Northwest  Res.  Stn.,  Portland,  OR,  2003.  

32.   Congress,  U.,  American  Clean  Energy  and  Security  Act  of  2009.  Waxman-­‐Markey  Bill).  Accessed  3  

December  2009:  http://www.  opencongress.  org/bill/111-­‐h2454/show,  2009.  

Page 69: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

4  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

33.   Searchinger,  T.,  Heimlich,  R.,  Houghton,  R.,  Dong,  F.,  Elobeid,  A.,  Fabiosa,  J.,  Tokgoz,  S.,  Hayes,  

D.,  and  Yu,  T.,  Use  of  US  croplands  for  biofuels  increases  greenhouse  gases  through  emissions  

from  land-­‐use  change.  Science,  2008.  319(5867):  p.  1238.  

34.   Devadoss,  S.,  Westhoff,  P.,  Helmar,  M.,  Grundmeier,  E.,  Skold,  K.,  Meyers,  W.,  and  Johnson,  S.,  

The  FAPRI  modeling  system:  a  documentation  summary.  Agricultural  Sector  Models  for  the  

United  States:  Descriptions  and  Selected  Policy  Applications,  1993.  

35.   Mathews,  J.  and  Tan,  H.,  Biofuels  and  indirect  land  use  change  effects:  the  debate  continues.  

Biofuels,  Bioproducts  and  Biorefining,  2009.  3(3).  

36.   FAO,  A.,  Global  Forest  Resources  Assessment  2005.  2005.  Food  and  Agriculture  Organization  of  

the  United  Nations,  Rome,  Italy.    

37.   Butler,  R.A.  Deforestation  in  the  Amazon.    2010;  Available  from:  

http://www.mongabay.com/brazil.html.  

38.   Anon.  National  Institute  for  Space  Research.    2010.  

39.   Solomon,  S.,  Qin,  D.,  Manning,  M.,  Chen,  Z.,  Marquis,  M.,  Averyt,  K.,  Tignor,  M.,  and  Miller,  H.,  

Climate  change  2007:  the  physical  science  basis.  2007:  University  Press.  

40.   Lepers,  E.,  Lambin,  E.,  Janetos,  A.,  DeFRIES,  R.,  Achard,  F.,  Ramankutty,  N.,  and  Scholes,  R.,  A  

synthesis  of  information  on  rapid  land-­‐cover  change  for  the  period  1981–2000.  BioScience,  2005.  

55(2):  p.  115-­‐124.  

41.   Turner,  B.,  Lambin,  E.,  and  Reenberg,  A.,  The  emergence  of  land  change  science  for  global  

environmental  change  and  sustainability.  Proceedings  of  the  National  Academy  of  Sciences,  

2007.  104(52):  p.  20666.  

42.   Anon.,  Analysis  of  strategies  for  reducing  multiple  emissions  from  power  plants:  sulfur  dioxide,  

nitrogen  oxides,  and  carbon  dioxide,  E.I.A.  Department  of  Energy  Washington,  D.C.  2001.  

43.   Dayton,  D.,  Jenkins,  B.,  Turn,  S.,  Bakker,  R.,  Williams,  R.,  Belle-­‐Oudry,  D.,  and  Hill,  L.,  Release  of  

inorganic  constituents  from  leached  biomass  during  thermal  conversion.  Energy  Fuels,  1999.  

13(4):  p.  860-­‐870.  

Page 70: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

5  

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

44.   Lawrence,  A.,  Bu,  J.,  and  Gokulakrishnan,  P.,  The  interactions  between  SO2,  NOx,  HCl  and  Ca  in  a  

bench-­‐scale  fluidized  combustor.  Journal  of  the  Institute  of  Energy,  1999.  72(491):  p.  34-­‐40.  

45.   Kaufmann,  H.  and  Nussbaumer,  T.,  Formation  and  behaviour  of  chlorine  compounds  during  

biomass  combustion.  Gefahrstoffe  Reinhaltung  der  Luft,  1999.  59(7-­‐8):  p.  267-­‐272.  

46.   Nussbaumer,  T.,  Emissions  from  Biomass  Combustion,  IEA  Biomass  Agreement,  Task  X  -­‐  Biomass  

Utilization,  Activity  1:  Combustion,  1994.  

47.   Wunderli,  S.,  Zennegg,  M.,  Doležal,  I.,  Gujer,  E.,  Moser,  U.,  Wolfensberger,  M.,  Hasler,  P.,  Noger,  

D.,  Studer,  C.,  and  Karlaganis,  G.,  Determination  of  polychlorinated  dibenzo-­‐p-­‐dioxins  and  

dibenzo-­‐furans  in  solid  residues  from  wood  combustion  by  HRGC/HRMS.  Chemosphere,  2000.  

40(6):  p.  641-­‐649.  

48.   Van  Loo,  S.  and  Koppejan,  J.,  The  handbook  of  biomass  combustion  and  co-­‐firing.  2008:  

Earthscan/James  &  James.  

49.   Strehler,  A.,  Emissionsverhalten  von  Feurungsanlagen  fur  feste  Brennstoffe.  Technische  

Universitat  Munchen-­‐Weihenstephan,  Bayerische  Landesanstalt  fur  Landtechnik,  Freising,  1994.  

50.   Nussbaumer,  T.  and  Hustad,  J.,  Overview  of  biomass  combustion.  Developments  in  

thermochemical  biomass  conversion.  London:  Chapman  and  Hall,  1997:  p.  1229–46.  

51.   Sulilatu,  W.F.,  Onderzoek  naar  de  haalbaarheid  van  de  toepassing  van  l-­‐  regelsystemen  bij  

bestaande  houtverbrandingsinstallaties,  TNO-­‐rapport  October.  1997.    

 

 

Page 71: Techno(Economicand Environmental!Opportunities …plainsjustice.org › files › Iowa_Biomass_Report.pdf · Prepared for Plains Justice 100 First Street SW Suite 201 Cedar Rapids,

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

   

Techno-­‐Economic  and  Environmental  Opportunities  for  Biomass  Heat  and  Power  Generation  

About  the  Author  

Mark  Mba  Wright  is  a  research  assistant  with  the  Iowa  State  University  Department  of  Mechanical  

Engineering.  He  earned  his  Masters  of  Science  degree  in  Mechanical  Engineering  and  Biorenewable  

Technologies  at  Iowa  State  University  in  2008.  Mark  has  authored  several  papers  on  the  techno-­‐

economics  of  biofuel  production,  and  is  a  co-­‐author  of  the  chapter  “Capturing  Solar  Energy  through  

Biomass”  in  the  recently  released  book,  “Principles  of  Sustainable  Energy.”