Effects of the use of innovative fuels and biofuels on the reduction of air pollution and the climate change

The European transport sector was responsible for more than 25% of the EU total greenhouse gas (GHG) emissions in 2017. 53% of these emissions came from the passenger cars and light-commercial vehicles segments. Biofuels, electric vehicles, and e-fuels are seen as the most promising options to limit these emissions in Europe. This thesis analysed the potential environmental impacts of using different blends of petrol and renewable components in comparison with a battery electric vehicle, for an average C-segment car. First of all, in order to understand the recent evolution of biofuels and their future perspective, a literature review was carried out on their production, use, legislation, and environmental impacts in Europe for light-duty vehicles. In 2017, biofuels made up 4.5% of the energy consumption in the road transport and non-road mobile machinery. Biodiesel in 2018 accounted for 62% of the biofuels consumed in the EU, followed by bioethanol (17.5%), HVO (16.6%), upgraded biogas (1.7%) and bio-ETBE (1.1%). A review of 86 LCA studies published between 2013 and 2020 indicated that the climate change impact of biofuels is generally lower than that of diesel and petrol, with average emission savings depending on the type of biofuel: 70% for biohydrogen, 63% for upgraded biogas, 41% for pure biodiesel, between 54% and 7% for bioethanol (depending on the blend percentage, between 100% and 10%). An important issue identified is the limited consideration of the land use change effects, which are seldom assessed and are of paramount importance, since the values found in the literature were as high as 231 g CO2 eq/MJ in some cases and thus non-negligible. When it comes to non-GHG-related impact categories, in general biofuels perform similarly or worse than fossil fuels for most of them, except for ozone depletion, fossil resource and abiotic depletion. As a general indication, it is highly recommended to move towards biofuels generated from non-edible feedstocks, waste and by-products, which guarantee a lower risk of land use change. The European legislation, through the Directive 2018/2001 and the regulation 2019/807, is pushing in that direction. The experimental part of the research consisted in testing a Euro 6d-TEMP GDI passenger car with four different fuels both in the laboratory and on the road. Bionaphtha, methanol, bioethanol, and bio-ETBE (ethyl tert-butyl ether) were selected as the most promising products to be blended with petrol, in order to reduce its carbon footprint. The exhaust emissions were measured, in order to check their conformity to the Euro standards and to compare them with those released using a reference commercial petrol containing a typical level of bio-ETBE (Fuel A). Fuel B was a mixture of renewable oxygenates and hydrocarbons, containing bioethanol and bionaphtha. Fuel C contained a high level of renewable ethers (bio-ETBE) and Fuel D contained a not negligible level of renewable alcohols (methanol and bioethanol). The measurements included both regulated and non-regulated pollutants, as well as greenhouse gases. All exhaust emissions of the tested fuels were compliant with Euro 6 standard (for WLTP, Worldwide harmonised Light vehicles Test Procedure) and with Not-To-Exceed limits (for RDE, Real Driving Emissions). Compared with the reference fuel A in WLTP tests, Fuel B showed a statistically significant reduction in volumetric fuel consumption (-3.4% v/v), energy consumption (-6.4%), and in CO2 emissions (-6.9% m/m). Fuel C caused a decrease in energy consumption, CO emissions, and NO2 emissions (-1.0%, -22.3% m/m, and -2.9% m/m, respectively) and an increase in NOx emissions (+50.7% m/m) and fuel consumption (+1.6% v/v). Finally, Fuel D showed a significant increase in NOx emissions (+48.1% m/m). The emission of total aldehydes, only measured and detectable during cold conditions of the WLTP cycle, remained in a low range of values (1.5-2.5 mg/km). Based on the performed tests, none of the fuels clearly showed any criticality as a whole for tailpipe emissions. With respect to the laboratory tests, the RDE runs resulted in higher NOx and CO2 emissions and fuel consumption for all fuels, while CO, THC, CH4, and PN (Particles Number) emissions were lower. The percentage changes observed between laboratory and road tests were different, due to the different methodology and the intrinsic non-repeatability of the latter. Moreover, it was demonstrated how the emission factors resulting from the processing of raw measurements through a regulation-compliant software can significantly differ from those directly based on raw measurements. Finally, an LCA study was performed to evaluate the environmental impacts of using the C-segment GDI Euro 6d-TEMP passenger car fed with the previously tested blends. The use of the internal combustion engine vehicle (ICEV) was also compared with the use of a C-segment battery electric vehicle (BEV). The system boundary included the production, use, and end-of-life of the cars. The functional unit was defined as “driving 1 km in Europe with a C-segment car that fulfils the Euro 6d-TEMP standard”. Several energy carriers were assessed: petrol, ETBE from isobutylene, bio-ETBE (from corn, sugar beet, wheat, and wheat straw), bionaphtha (from 80% palm oil and 20% UCOs), bioethanol (from corn, sugar beet, wheat, and wheat straw), methanol, biomethanol (from sewage sludge, manure, MOW, corn, and willow chips), e-methanol, and electricity. According to the methodology used in this study, all the evaluated biofuels achieved the minimum 50% threshold for “Well-To-Wheels” GHG emissions saving set by Directive 2018/2001, except bioethanol from corn and wheat. For this reason, these two types of bioethanol and the related bio-ETBEs were excluded from the later analysed blends and not included in the complete cradle-to-grave results. All the tested blends potentially guarantee a slight reduction of the impact on climate change. The cradle-to-grave GHG emission savings compared with the fossil reference ranged from 0.8 to 10.2%. The use of a car specifically designed to be fuelled by a blend containing higher percentage of renewable fuels would probably lower the impact. Fuel B (containing bionaphtha and ethanol) resulted the most promising blend. Bionaphtha, despite being the biofuel with the highest WTT emissions among those included in the assessment, contributed to the high GHG savings of Fuel B, thanks to its high biogenic carbon content (84.0% m/m) compared with those of bioethanol (52.2% m/m), biomethanol (37.5% m/m), and bio-ETBE (24.5% m/m). In fact, the biogenic fraction of carbon in Fuel B (11.95% m/m) was the highest among fuels. However, if an estimation of the LUC effects is included in the calculation, the use of palm oil for the production of bionaphtha negates the emissions savings. The shift to second-generation feedstocks or the use of palm oil certified at low-ILUC risk are the recommended ways to minimise the land use change effect. The BEV was found to release less cradle-to-grave GHG emissions compared with the ICEV (-40.9% with respect to the fossil reference Fuel A). A sensitivity analysis proved the existence of a significant dependence of the BEV’s carbon footprint on the country where the BEV is used, because of the different electricity mix. Recharging with the cleanest electricity mix currently available in Europe, i.e., the one of Norway, allows for a further decrease down to -70%, while even with the dirtiest (Estonia) the impact of BEV does not exceed the one of the reference fossil fuel (-5%). Although the ICEV fuelled by the analysed fuel blends and the BEV potentially guarantee a reduction of the impact on climate change and fossil resources, for the other 14 impact categories the picture is mixed. All the options increase marine eutrophication, terrestrial eutrophication, and land use impacts. Fuel B, C, and D can assure a diminution of impact in ozone depletion and ionising radiation, while the BEV just in ozone depletion. All the assessed fuels increased the impacts in particulate matter, freshwater ecotoxicity, and use of minerals and metals, while the BEV reduces these impacts. Conversely, the BEV greatly increases the impacts from ionising radiation, while for the fuels, this kind of impact is reduced, or it is very similar to the reference case. For the remaining impact categories, the picture is mixed. This set of results confirms the importance of evaluating a complete set of environmental impacts, when planning on the best alternative to be followed.

Il settore dei trasporti europeo è responsabile di oltre il 25% delle emissioni totali di gas serra (GHG) dell'UE nel 2017. Il 53% di queste emissioni proviene dai segmenti delle autovetture e dei veicoli commerciali leggeri. I biocombustibili, i veicoli elettrici e gli e-fuels sono le opzioni più promettenti per limitare tali emissioni in Europa. Questa tesi ha analizzato i potenziali impatti ambientali dell'utilizzo di diverse miscele di benzina e componenti rinnovabili rispetto a un veicolo elettrico a batteria (BEV), per un'auto media del segmento C. Innanzitutto, per comprendere la recente evoluzione dei biocombustibili e le loro prospettive future, è stata effettuata un’analisi di letteratura sulla produzione, uso, legislazione e impatti ambientali dei biocombustibili per veicoli leggeri in Europa. Nel 2017, i biocombustibili hanno rappresentato il 4,5% del consumo energetico di trasporto su strada e macchine mobili non stradali. Il biodiesel nel 2018 rappresentava il 62% dei biocombustibili consumati nell'UE, seguito da bioetanolo (17,5%), HVO (16,6%), biometano (1,7%) e bio-ETBE (1,1%). Una revisione di 86 studi LCA pubblicati tra il 2013 e il 2020 ha dimostrato che l'impatto sui cambiamenti climatici dei biocombustibili è generalmente inferiore a quello di diesel e benzina, con una riduzione media di emissioni in base al tipo di biocombustibile: 70% per il bioidrogeno, 63% per il biometano, 41% per il biodiesel puro, tra il 54% e il 7% per il bioetanolo (a seconda della percentuale di miscela, tra il 100% e il 10%). Un importante problema identificato è la limitata considerazione degli effetti del cambiamento di destinazione d’uso del suolo (land use change, LUC), che sono raramente valutati ma di fondamentale importanza, poiché i valori trovati in letteratura in alcuni casi raggiungono i 231 g CO2 eq/MJ. Per le categorie di impatto non correlate ai gas serra, in generale i biocombustibili si comportano in modo simile o peggiore dei combustibili fossili, ad eccezione dell’assottigliamento dello strato di ozono, del consumo di risorse fossili, e del consumo di risorse abiotiche. Come indicazione generale, si raccomanda di orientarsi verso i biocombustibili prodotti da materie prime non edibili, rifiuti e sottoprodotti, che garantiscano un minor rischio di cambiamento di destinazione d’uso del suolo. La normativa europea, attraverso la Direttiva 2018/2001 e il regolamento 2019/807, sta spingendo in tale direzione. La fase sperimentale della ricerca consisteva nel testare un'autovettura a benzina Euro 6d-TEMP GDI con quattro diverse miscele di benzina sia in laboratorio che su strada. Bionafta, metanolo, bioetanolo e bio-ETBE (etil tert-butil etere) sono stati selezionati come i prodotti più promettenti da miscelare con la benzina, al fine di ridurne l'impronta di carbonio. Per ogni miscela, sono state misurate le emissioni allo scarico, al fine di verificarne la conformità agli standard Euro e confrontarle con quelle emesse utilizzando una benzina commerciale di riferimento contenente un livello tipico di bio-ETBE (Benzina A). La Benzina B era una miscela di ossigenati e idrocarburi rinnovabili, contenente bioetanolo e bionafta. La Benzina C conteneva un alto livello di etere rinnovabile (bio-ETBE) e la Benzina D conteneva un livello non trascurabile di alcoli rinnovabili (metanolo e bioetanolo). Le misurazioni hanno incluso inquinanti sia regolamentati che non regolamentati, nonché gas serra. Tutte le emissioni allo scarico sono risultate conformi allo standard Euro 6 (per la procedura WLTP, Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure) e ai limiti Not-To-Exceed (per la procedura RDE, Real Driving Emissions). Rispetto alla benzina di riferimento A, nei test WLTP, la Benzina B ha mostrato una riduzione statisticamente significativa dei consumi volumetrici (-3,4% v/v), dei consumi energetici (-6,4%) e delle emissioni di CO2 (-6,9% m/m). La Benzina C ha mostrato una diminuzione dei consumi energetici, delle emissioni di CO e delle emissioni di NO2 (rispettivamente -1,0%, -22,3% m/m e -2,9% m/m) e un aumento delle emissioni di NOX (+50,7% m/m) e dei consumi (+1,6% v/v). Infine, la Benzina D ha mostrato un significativo aumento delle emissioni di NOX (+48,1% m/m). L'emissione di aldeidi totali, misurata e rilevata solo durante la partenza a freddo nel ciclo WLTP, è rimasta confinata in un range di valori bassi (1,5-2,5 mg/km). Sulla base dei test eseguiti, nessuno dei combustibili ha chiaramente mostrato criticità per le emissioni allo scarico, nel loro insieme. Rispetto ai test di laboratorio, le prove RDE hanno causato maggiori emissioni di NOX e CO2 e maggiori consumi di carburante per tutti i combustibili, mentre le emissioni di CO, THC, CH4 e PN (numero di particelle) sono risultate inferiori. Le variazioni percentuali osservate tra prove di laboratorio e prove su strada sono risultate differenti, a causa della diversa metodologia e dell'intrinseca non ripetibilità delle prove su strada. Inoltre, è stato dimostrato come i fattori di emissione derivanti dall'elaborazione delle misurazioni grezze (attraverso un software conforme alla normativa) possano differire significativamente da quelli basati direttamente sulle misurazioni grezze. Infine, è stato condotto uno studio LCA per valutare gli impatti ambientali dell'utilizzo dell'autovettura a benzina GDI Euro 6d-TEMP di segmento C alimentata con le miscele precedentemente testate. L'uso del veicolo con motore a combustione interna (ICEV) è stato anche confrontato con l'uso di un veicolo elettrico a batteria di segmento C (BEV). Il confine del sistema includeva la produzione, uso, manutenzione e fine vita delle vetture. L'unità funzionale è stata definita come “percorrere 1 km in Europa con un'autovettura di segmento C che rispetta lo standard Euro 6d-TEMP”. Sono stati valutati diversi vettori energetici: benzina, ETBE da isobutilene, bio-ETBE (da mais, barbabietola da zucchero, grano, e paglia di grano), bionafta (da 80% olio di palma e 20% oli vegetali esausti), bioetanolo (da mais, barbabietola da zucchero, grano, e paglia di grano), metanolo, biometanolo (da fanghi di depurazione, letame, insilato di mais, e cippato di salice), e-metanolo ed elettricità. Secondo la metodologia utilizzata in questo studio, tutti i biocombustibili valutati hanno rispettato la soglia minima del 50% per il risparmio di emissioni di GHG “Well-To-Wheels” stabilita dalla Direttiva 2018/2001, ad eccezione del bioetanolo prodotto da mais e da grano. Per questo motivo, questi due tipi di bioetanolo e i relativi bio-ETBE sono stati esclusi dalle miscele analizzate successivamente e non sono stati inclusi nei risultati completi dalla culla alla tomba. Tutte le miscele testate hanno garantito una potenziale riduzione dell'impatto sui cambiamenti climatici. Il risparmio di emissioni di GHG dalla culla alla tomba rispetto al riferimento fossile si è attestato dal 0,8% al 10,2%. L'utilizzo di un'autovettura specificamente progettata per essere alimentata con una miscela contenente una percentuale maggiore di combustibili rinnovabili ridurrebbe probabilmente l'impatto. La Benzina B (contenente bionafta ed etanolo) è risultata la miscela più promettente. La bionafta, pur essendo il biocombustibile con le più alte emissioni WTT tra quelli inclusi nella valutazione, ha contribuito all'elevato risparmio di GHG della Benzina B grazie al suo alto contenuto di carbonio biogenico (84,0% m/m) rispetto a quelli di bioetanolo (52,2% m/m), biometanolo (37,5% m/m) e bio-ETBE (24,5% m/m). Infatti, la frazione biogenica del carbonio nella Benzina B (11,95% m/m) era la più alta tra le miscele analizzate. Tuttavia, quando nel calcolo è stata inclusa una stima degli effetti di LUC, l'uso dell'olio di palma per la produzione di bionafta ha annullato la riduzione dell’impatto sul cambiamento climatico. La transizione a materie prime di seconda generazione o l'uso di olio di palma certificato a basso rischio ILUC sono le vie raccomandate per ridurre al minimo gli effetti del cambiamento di destinazione d’uso del suolo. È stato riscontrato che il BEV causa meno emissioni di GHG dalla culla alla tomba rispetto all'ICEV (-40,9% rispetto al combustibile fossile di riferimento A). Un'analisi di sensibilità ha confermato l'esistenza di una dipendenza significativa dell'impronta di carbonio del BEV dal paese in cui viene utilizzato il BEV, a causa del diverso mix elettrico. La ricarica con il mix elettrico più “pulito” in Europa, cioè quello della Norvegia, consente un ulteriore calo fino al -70%, mentre anche con il mix più “sporco” (Estonia) l'impatto del BEV non supera quello del carburante fossile di riferimento (-5%). Sebbene l'ICEV alimentato dalle miscele analizzate e il BEV garantiscano potenzialmente una riduzione dell'impatto sui cambiamenti climatici e sulle risorse fossili, per le altre 14 categorie di impatto il quadro è disomogeneo. Tutte le opzioni aumentano l'eutrofizzazione marina, l'eutrofizzazione terrestre e l'uso del suolo. Le Benzine B, C e D possono diminuire gli impatti di assottigliamento dello strato di ozono e di radiazioni ionizzanti, mentre il BEV aumenta notevolmente gli impatti da radiazioni ionizzanti. Tutte le miscele valutate aumentano gli impatti di assunzione di materiale particolato, di ecotossicità delle acque dolci e di uso di minerali e metalli, mentre il BEV riduce questi impatti. Per le restanti categorie di impatto, il quadro è disomogeneo. Questo set di risultati conferma l'importanza di valutare un insieme completo di impatti ambientali, quando si pianifica la migliore alternativa da perseguire.