A Nexus approach in global sustainability analysis of Syngas production technologies

This thesis was conceived within the context of Honours Programme "Engineering for Sustainable Development", a Politecnico’s parallel training programme aimed to enhance the cross-discipline skills of future engineers, helping them evaluate global challenges, in order to operate in the field of sustainable development. The training course also included the development of a multidisciplinary master thesis, which in my case included specific research areas of Chemical Engineering and Environmental Engineering. The objective of this work is to combine the chemical engineering and process engineering skills acquired over the last five years with the multi-disciplinary, sustainability oriented skills learned through the Honours Programme. The various competences are combined to guide the definition and optimization of a process according to an industrial efficiency and environmental sustainability, taking into account the geographical variability of resources. The concept of sustainability has been pursued in a "Nexus Food-Energy-Water" perspective. The innovative Nexus approach allows to manage environmental resources in an integrated way, overcoming barriers between individual sectors and scientific disciplines to jointly develop cross-sectoral strategies. The approach is based on the understanding that individual environmental resources are closely linked, in the case of this work those specific of food, water and energy. In order to obtain an analysis tool that follows this approach, we designed an index synthesis of industrial and environmental performance, with the aim of guiding a precise, efficient and sustainable design of a certain industrial production process. The index, in its essence and structure, takes into account the presence of two elements of characterization of a process, fundamental in assessment of the performance of the process itself: the technological and geographical variability. For this thesis work it was decided to consequently develop a more specific index for the analysis of synthetic gas production (syngas), one of the most important basic products of modern industrial chemistry, to determine the impact of sustainability assessment on an important chemical production, a typical chemical engineering problem. In this research, we first went from the definition of an Energy Nexus Index, a tool able to define with national geographical variability, the degree of sustainability in Nexus perspective of power production from a certain resource. This first step posed the bases for modelling of a new, more applied tool: The Syngas Nexus Index. This second index is the main outcome of the thesis and it is more related to the area of chemical engineering. While developing this tool, an analysis of both industrial efficiency and environmental sustainability of the different Syngas production technologies was carried out, starting from the same energy sources considered in the development of the previous Energy Nexus Index. In this second index, the geographical variability has also an important role, linked to a different availability of natural resources in different world countries. The last part of the thesis work involved the application of the tools obtained previously in the evaluation and comparison, in a Nexus perspective, of two different technologies for the reduction of CO2 emissions from the coal gasification syngas production process: Carbon Capture Storage and the innovative AG2STM technology, developed by the Politecnico di Milano.

Questa tesi nasce nel contesto dell’Honours Programme “Engineering for Sustainable development”, un programma di formazione parallela inter-ateneo volta a migliorare le competenze interdisciplinari dei futuri ingegneri, aiutandoli a valutare le sfide globali per operare nel campo dello sviluppo sostenibile. Il percorso di formazione ha previsto anche la compilazione di una tesi magistrale di carattere multidisciplinare, la quale, nel mio caso, ha interessato aree di ricerca proprie dell’Ingegneria Chimica e dell’Ingegneria Ambientale. L’obiettivo di questo lavoro è di unire le competenze di ingegneria chimica e di processo acquisite negli ultimi cinque anni a quelle multidisciplinari orientate alla sostenibilità apprese con l’Honours Programme, allo scopo guidare la definizione o il l’ottimizzazione di un processo secondo un parametro di efficienza industriale e sostenibilità ambientale, tenendo conto della variabilità delle risorse disponibili in ciascun paese. Il concetto di sostenibilità è stato perseguito in una prospettiva “Nexus Food-Energy-Water”. L'innovativo approccio Nexus si caratterizza per permettere di gestire le risorse ambientali in modo sostenibile, superando le barriere tra singoli settori e discipline scientifiche per sviluppare insieme strategie intersettoriali. L' approccio si basa sulla consapevolezza che le singole risorse ambientali sono strettamente collegate, nel caso di questo lavoro quelle specifiche di cibo, acqua ed energia. Per ottenere uno strumento di analisi che segua questo approccio, si è passati attraverso la creazione di un indice, sintesi delle performance industriali ed ambientali, con lo scopo di permettere un design chiaro, efficiente e sostenibile di un certo processo di produzione industriale. L’indice, nella sua essenza e struttura, tiene conto della presenza di due elementi di caratterizzazione di un processo, che, in sede valutazione, sono da tenere in considerazione: una variabilità di tipo tecnologico ed una di tipo geografico. Essendo il sottoscritto uno studente laureando in ingegneria chimica, per questo lavoro di tesi si è deciso di sviluppare anche un indice più specifico per l’analisi della produzione di gas sintesi (syngas), uno dei prodotti base più importanti della moderna chimica industriale. Nel percorso di ricerca si è dunque prima passati dalla definizione di un Energy Nexus Index, uno strumento in grado di definire con variabilità geografica nazionale, il grado di sostenibilità in prospettiva Nexus della produzione di potenza a partire da una certa risorsa. Questo primo passo ha permesso di entrare a pieno nell’ottica dell’approccio di tipo Nexus, ponendo le basi di modellazione per ciò che è stato sviluppato in seguito: il Syngas Nexus Index. Questo secondo indice costituisce il principale elemento di questa tesi relativo all’area di ingegneria chimica. Nel sviluppare questo strumento si è andati a fare un’analisi sia di efficienza industriale che di sostenibilità ambientale delle diverse tecnologie di produzione del Syngas a partire dalle medesime fonti energetiche considerate nello sviluppo del precedente Energy Nexus Index. Anche in questo secondo indice si è tenuto conto dell’elemento variabilità geografica, legato ad una differente disponibilità di risorse naturali nei diversi paesi del mondo. L’ultima fase del lavoro di tesi ha previsto, invece, l’applicazione degli strumenti ottenuti in precedenza nella valutazione e comparazione, in prospettiva Nexus, di due diverse tecnologie per la riduzione delle emissioni di CO2 dal processo di gassificazione del carbone per la produzione di gas di sintesi: la Carbon Capture Storage e l’innovativa tecnologia AG2STM, sviluppata dal Politecnico di Milano.