Review of the allocation procedures in life cycle assessment : application to the European petroleum refinery benchmark

Since transportation sector is responsible for almost the 25% of the worldwide greenhouse gas emissions, current policies aim to reduce them by replacing traditional crude oil-based fuels with alternative or renewable fuels or by advancements in vehicle technologies. These policies are supported by Life Cycle Assessment studies whose results estimate the energy and emissions savings obtained by means of these alternative fuels pathways. These alternative solutions have to be compared with the current baseline represented by petroleum fuels. This is because almost all (95%) of the world's transportation energy comes from petroleum-based fuels, largely gasoline and diesel. In the European legislation, the amount of greenhouse gases emissions of diesel and gasoline is indicated through a parameter called Fossil Fuel Comparator. The variant of Life Cycle Assessment collecting many studies and experiments in this sector is named Well-to-Wheel. It, for conventional transport fuels, considers all the transformations occurring during the crude oil recovery, transport of the crude oil, refining and distribution of the finished transportation fuels, and finally the combustion in different powertrains. In these studies, allocation procedures are required to estimate the greenhouse gases emissions attributed to transportation fuels. The resulting problem is that whenever allocations are adopted, some more or less arbitrary choices are needed. The ISO 14041 recommends that the allocation procedure used for each unit process of which the inputs and output are allocated shall be documented and justified. So, for the last twenty years, the use of allocation methods in an environmental Life Cycle Assessment, while analyzing multiple-function systems, has been a strongly debated methodological issue. In each product system, life cycle inventory analysis identifies all the existing flows between the related unit processes. By performing allocations, the assumptions and the choices should therefore reflect the most important characteristics of these fluxes. Respecting this principle of assigning a value to these flows, the most adopted allocation keys are volume, mass, energy, exergy, economic value or marginal value. Just the choice of these keys is what most influences the environmental impact that is attributed to the functions that are here investigated. Once the allocation key has been chosen, a partitioning approach is performed in order to distribute the benefits and impacts to the different inputs, outputs, co-products or wastes of the system under discussion. The purpose of this thesis will be to analyze how to identify the most suitable allocation approach, and to highlight the documented justifications supporting the most pertinent allocation choices reported in literature, while modelling a specific product system: the oil refinery. In fact, among all the Well to Wheel stages, the most interesting and relevant to the allocation is the refining stage. There is a large debate related to the allocation of emissions in refineries to petroleum joint products. The oil refinery is a kind of multifunction process where allocation cannot be avoided because each product is the result of many sub-processes and each intermediate product can be separated in other co-products. So, it is necessary to assign the burdens of each process units among the diverse products which this unit treats. A detailed case study for the EU refinery is presented and consistency criteria for evaluating the allocation methods for this particular case will be proposed. As well as covering the most important transportation fuels (gasoline, diesel, kerosene/jet fuel and heavy fuel oil), the analysis is expanded to petroleum coke and refinery hydrogen whose emissions are much less considered in literature. In literature, many allocation methods fail to properly allocate refinery emissions to hydrogen. The proposed consistency criteria are so based on this aspect: since refinery-hydrogen production is highly carbon intensive, a reliable allocation method should assign higher refinery emissions to co-products requiring higher hydrogen consumption. According to the performed selection, the numerical values of refining emission intensities per MegaJoule are quantified in these ranges: 5.7-6 gCO2eq for gasoline, 6-10.3 gCO2eq for diesel, 6.1-7.9 gCO2eq for kerosene and -29.8-1.9 gCO2eq for heavy fuel oil. The corresponding updated values for the Fossil Fuel Comparator are 91.5-92.2 gCO2eq/MJ for diesel and 91.1-91.4 gCO2eq/MJ for gasoline.

Poiché il settore trasporto è responsabile per quasi il 25% della emissione di gas serra mondiale, le attuali politiche mirano a ridurle attraverso un miglioramento tecnologico dei veicoli o rimpiazzando i combustibili convenzionali con soluzioni alternative. Queste politiche sono supportate da studi di impatto ambientale del ciclo di vita (LCA), grazie a cui è permesso stimare i risparmi in termini di energia e emissioni ottenibili per mezzo di queste soluzioni alternative. Queste soluzioni alternative devono essere confrontate con quello che oggi è lo standard per il settore trasporti: l’utilizzo di diesel e benzina. Nei testi di legge Europei, l’emissione di gas serra di diesel e benzina è indicata per mezzo di un parametro chiamato Fossil Fuel Comparator. La variante delle valutazioni di ciclo di vita che raccoglie i dati e gli esperimenti in questo settore è chiamata analisi dal Pozzo-alla-Ruota (WTW). Questa analisi, applicata ai combustibili convenzionali, considera tutte le trasformazioni dall’estrazione del petrolio, al suo trasporto, al raffinamento, alla distribuzione dei combustibili finali e alla combustione nei diversi sistemi per il trasporto. Negli studi LCA a supporto di queste politiche, le procedure di allocazione sono richieste per la stima delle emissioni di gas serra da attribuire ai vari combustibili del settore trasporti. Il problema è che ogni volta che si attua una allocazione, scelte più o meno arbitrarie si rendono necessarie. Lo standard ISO 14041 raccomanda che la procedura di allocazione usata per ogni unità di processo debba essere dettagliatamente motivata. Così, negli ultimi 20 anni, l’uso di metodi di allocazione per valutazioni ambientali del ciclo di vita (LCA) è stato un problema metodologico fortemente dibattuto. Si riscontra questo problema ogni qualvolta l’analisi interessi sistemi multi funzione. In ogni sistema produttivo, l’inventario di un LCA identifica tutti i flussi esistenti tra le varie unità di processo. Quindi, eseguendo allocazioni, tutte le assunzioni e le scelte necessarie dovrebbero riflettere le più importanti caratteristiche di questi flussi. Volendo rispettare questo principio di base, le chiavi di allocazione più utilizzate sono volume, massa, energia, valore economico o valore marginale. Proprio la scelta di queste chiavi di allocazione è il parametro che più influenza la stima dell’impatto ambientale attribuito alle funzioni analizzate. Una volta che la chiave di allocazione è scelta, un approccio per partizionare è utilizzato per distribuire i benefici e gli impatti ai differenti input, output, co-prodotti o scarti del sistema. L’obiettivo di questa tesi sarà analizzare la metodologia più opportuna per l’identificazione dell’approccio di allocazione più adatto. Questa analisi vuole documentare le giustificazioni che la letteratura riporta per le varie scelte di allocazione per uno specifico sistema: la raffineria petrolifera. Infatti, tra tutti questi passaggi del ciclo di vita dei combustibili tradizionali, quello più interessato dall’allocazione è la raffineria. Esiste attualmente, perciò, un largo dibattito su questo tema e in particolare sull’allocazione delle emissioni ai vari prodotti petroliferi. La raffineria rappresenta uno di quei casi in cui l’allocazione non può essere evitata: questo è dovuto al fatto che i vari prodotti sono frutto di diversi processi di separazione effettuati su altri co-prodotti. Un caso di studio dettagliato è riportato per la raffineria europea e sono inoltre proposti dei criteri di consistenza per la valutazione dei metodi adottati per l’allocazione. L’analisi oltre che ai più importanti combustibili impiegati nel settore trasporti (benzina, diesel, kerosene e olio combustibile), è estesa a due prodotti come coke e idrogeno di raffineria che la letteratura ha finora meno considerato. I criteri di consistenza che sono stati proposti fondano le basi in questo aspetto cruciale: poiché la produzione di idrogeno in raffineria ha una intensità di emissioni di gas serra molto elevata, un metodo di allocazione ben funzionante dovrebbe assegnare emissioni di raffineria più alte ai prodotti che richiedono maggiore consumo di idrogeno. In accordo alla selezione attuata, i valori di emissioni di raffineria per MegaJoule di combustibile sono quantificate nei seguenti range: 5.7-6 gCO2eq per la benzina, 6-10.3 gCO2eq per il diesel, 6.1-7.9 gCO2eq per il kerosene, -29.8-1.9 gCO2eq per l’olio combustibile pesante. I corrispettivi valori aggiornati per il Fossil Fuel Comparator sono identificati in 91.5-92.2 gCO2eq/MJ per il diesel e 91.1-91.4 gCO2eq/MJ per la benzina.