Techno-economic assessment & life cycle assessment for methanol production through biomass gasification

From the beginning of the Industrial Age in 1760 to 1900, carbon dioxide in the atmosphere had never been higher than 300ppm. Since then, with the increasing exploitation of fossil fuels in the 20th century, atmospheric carbon dioxide reached 400ppm in 2018. This increase is most likely a major contributor to global warming, resulting in the increase in sea level and other related environmental problems. In addition, fossil fuels are a limited resource on earth, with recent estimates projecting about 100 years of remaining oil and gas reserves, and 200 years of coal, even without considering population increase. The need for more resources coupled with care for the environment have aroused people to develop renewable energies and find alternatives to fossil fuels. Methanol derived from wood has been an important energy fuel since the 19th century. It was replaced as a main fuel in the market due to the appearance of inexpensive coal. However, it continues to play an important role in the chemical industry. Methanol has great potential as a transportation fuel; it is derived from a wide range of feedstocks including biomass, coal, natural gas, and carbon dioxide. Among these options, biomass is a standout as a carbon-neutral feedstock, which can greatly help in reducing carbon emissions compared with fossil fuels. This thesis studies the methanol production from biomass via gasification technology. Three processes are analysed with Aspen Plus based on the comparison of technologies in the gasification process, syngas cleaning and methanol synthesis. The design features a processing capacity of 4320 tonnes/day of biomass. The traditional production chain from natural gas is used as a baseline of comparison. The processes are compared based on techno-economic analysis to assess its applicability. Furthermore, a life cycle assessment (LCA) is performed to evaluate the environmental impacts and to help decision-makers choose the appropriate technology not only from an economic perspective, but also from the environmental point of view.

Sin dall’inizio dell’Era Industriale nel 1760 fino al 1900, la concentrazione di anidride carbonica in atmosfera non aveva mai superato i 300ppm. Da allora, in seguito al rapido aumento dell’impiego di fonti fossili nel ventesimo secolo, l’anidride carbonica in atmosfera ha raggiunto i 400ppm nel 2018. Questo aumento è stato riconosciuto dalla comunità scientifica come uno dei maggiori fattori responsabili del riscaldamento globale, causa dell’innalzamento del livello del mare ed altri numerosi problemi ambientali. Inoltre, le fonti fossili sono risorse limitate sulla Terra, per cui recenti stime prevedono circa cento anni di riserve di gas e petrolio rimanenti, e duecento anni di carbone, senza considerare l’aumento della popolazione. La necessità di sempre maggiori risorse unita alla crescente attenzione per la sostenibilità ambientale hanno ispirato lo sviluppo di energie rinnovabili e altre alternative ai combustili fossili. Il metanolo ricavato dal legno è stata un’importante fonte energetica combustibile sin dal diciannovesimo secolo. È stato sostituito come principale combustibile sul mercato con la comparsa del più economico carbone. Tuttavia, continua a ricoprire un importante ruolo nell’industria chimica. Il metanolo ha un grande potenziale come carburante per mezzi di trasporto; viene ricavato da una grande varietà di fonti tra cui la biomassa, il carbone, il gas naturale, e l’anidride carbonica. Tra queste opzioni, la biomassa risalta come fonte a zero emissioni nette di CO2, implicando quindi un deciso contributo alla riduzione delle emissioni di carbonio rispetto ai combustibili fossili. La presente tesi esamina lo scenario di produzione di metanolo da biomassa con l’impiego di tecnologie di gasificazione. Tre processi sono analizzati con Aspen Plus, confrontandone le diverse tecnologie impiegate nel processo di gasificazione, per la pulizia del gas di sintesi e nella sintesi del metanolo. Il progetto prevede una capacità di 4320 tonnellate al giorno di biomassa. La tradizionale catena di produzione da gas naturale è impiegata come punto di riferimento per il confronto. I processi sono in seguito paragonati tramite un’analisi tecno-economica per stabilirne la fattibilità. Inoltre, un’analisi del ciclo di vita è stata eseguita per valutare l’impatto ambientale dell’impianto e per favorire decisioni riguardo la scelta delle tecnologie più appropriate sia dal punto di vista economico che da quello ambientale.