LCA and optimization : an application to biorefineries

At regional, national and global levels there are three main drivers for using biomass in biorefineries for the production of bioenergy, biofuels and biochemicals, namely: climate change, energy security and rural development. Lignin is the second most abundant natural polymer on Earth. The aromatic structure of lignin makes it a suitable platform for biobased chemicals. The development of lignocellulosic biorefineries has been identified as a promising step to reduce the impact of industrial activities on the environment; generally speaking, biorefineries are characterized by integrated and multifunctional technological plants that combine a variety of conversion and separation processes to produce fuels, power, heat and value-added chemicals starting from biomass resources. The environmental impacts of these new technological concepts has been mainly determined using the Life Cycle Assessment (LCA) methodology, aimed either to identifying environmental key processes of the new technology or comparing it to (fossil) reference technologies. However, one of the limitations of LCA is that it does not include systematic ways to identify best options using biomass resources when faced with more complex decision problems considering issues such as feedstock availability, cost-effectiveness, plant capacity and consumer demand.To circumvent these shortcomings, the approach that was applied is to incorporate LCA into optimization frameworks. The goals of the master thesis are two: fistly, to evaluate the most relevant aspects in terms of a LCA study for three biorefinery concepts; secondly, to put the acquired knowledge into practice by enhancing an existing LCA case study of biorefineries by means of an optimization model which is able to nd the best combination of technologies to match a specified final demand subjected to certain constraints, minimizing the environmental impacts in terms of Global Warming Potential (GWP).

A livello regionale, nazionale e mondiale ci sono tre fattori principali per l'utilizzo di biomasse in bioraffinerie per la produzione di bioenergia, biocarburanti e prodotti biochimici, e cioè: il cambiamento climatico, la sicurezza energetica e lo sviluppo rurale. La lignina è il secondo polimero naturale più abbondante sulla Terra e la sua struttura aromatica la rende una piattaforma di partenza adatta per produrre sostanze chimiche provenienti da fonti rinnovabili. Lo sviluppo di bioraffinerie lignocellulosiche è stato identi cato come un passo promettente per ridurre l'impatto delle attività industriali sull'ambiente; in generale, le bioraffinerie sono caratterizzate da impianti tecnologici integrati e multifunzionali che combinano una varietà di processi di conversione e di separazione per produrre combustibili, energia elettrica, calore e sostanze chimiche a partire da biomassa. Gli impatti ambientali di questi nuovi concept tecnologici sono stati determinati principalmente utilizzando la metodologia del Life Cycle Assessment (LCA), nalizzata sia ad identi care i processi più impattanti dal punto di vista ambientale sia confrontandoli con le tecnologie (fossili) di riferimento. Tuttavia, uno dei limiti del LCA è che non include modi sistematici per individuare le migliori opzioni di fronte a problemi decisionali più complessi come la limitata disponibilità di materia prima, la fattibilità economica, la capacità dell'impianto e la domanda di mercato. Per far fronte a questi problemi, l'approccio che è stato utilizzato è stato quello di incorporare la metodologia LCA in un contesto di ottimizzazione. Gli obiettivi della Tesi sono due: in primo luogo, per valutare gli aspetti più rilevanti in termini di uno studio LCA per i tre concepts di bioraffinerie; in secondo luogo, di mettere in pratica le conoscenze acquisite migliorando un caso di studio di LCA esistente di bioraffinerie per mezzo di un modello di ottimizzazione, che è in grado di trovare la migliore combinazione di tecnologie per soddisfare una speci ca domanda nale, soggetto a certi vincoli, riducendo al minimo gli impatti ambientali in termini di potenziale di riscaldamento globale (GWP).