Biomethane for heavy-duty transport: a techno-economic analysis of supply chain alternatives

In the last decade Europe has undergone a significant shift towards the incentivization and implementation of renewable energies to reduce GHG emissions, and more recently to gain energy independency. To achieve the EU’s environmental objectives the decarbonisation of the transport sector is deemed of foremost priority and biomethane has been identified as a viable resource. This thesis proposes a comprehensive study of both the current technological and regulatory landscape available in the EU in support of the production, transportation, and distribution of biomethane, followed by an economic and emissions analysis of the overall supply chain aimed at heavy-duty vehicles as its final users to assess the most convenient solutions. The analysis of the state of the art has shown the great increase in the adoption of agricultural and organic waste as the preferred biomass in combination with upgrading by membrane separation. Contrarily, despite the introduction of three major regulations of AFIR, TEN-E and TEN-T the biomethane distribution network is not completely ready to support long-haul heavy-duty transport. At the same time, both the economic and emissions analyses have showcased the great benefits from shifting to biomethane as a transport fuel. The economic analysis’ findings show that a complete refill of a heavy-duty vehicle costs in ranges of 453-489 €/refill for liquid biomethane (LBM) and 112-148 €/refill for compressed biomethane (CBM) which respectively correspond to 28-31 €/100km and 17-23 €/100km, making CBM the slightly more economically convenient alternative. Ultimately, the emissions analysis has been carried out using a WTW methodology which reported LBM to be a less GHG emitting solution than CBM with overall WTW emissions between -26,82-84,48 gCO2,eq/MJCH4 compared to the range of -14,53-104,46 gCO2,eq/MJCH4 for CBM. For both alternatives, the TTW emissions of the user’s powertrain were the highest ones representing 73-83% of total WTW emissions. In conclusion, even though the European distribution network for biomethane for the heavy-dusty transport sector has yet to fully develop and expand, biomethane is greatly supported by several incentives and policies as it has been clearly shown to be an efficient and effective solution to a more sustainable future, both economically and environmentally.

Nell'ultimo decennio l'Europa ha adottato significative azioni per l’incentivazione e l'implementazione delle energie rinnovabili per ridurre le emissioni di gas serra e, più recentemente, per ottenere indipendenza energetica. Per raggiungere gli obiettivi di sostenibilità europei, la decarbonizzazione del settore dei trasporti è considerata una priorità assoluta e il biometano è stato identificato come una valida risorsa. Questa tesi propone un'analisi completa dell'attuale panorama tecnologico e normativo disponibile nell'UE a supporto della produzione, trasporto e distribuzione del biometano, seguito da un'analisi economica e delle emissioni dell'intera filiera di fornitura per veicoli pesanti come utenti finali al fine di valutare le soluzioni più convenienti. L'analisi dello stato dell'arte ha mostrato il grande incremento nell'adozione di rifiuti agricoli e organici come biomassa preferita in combinazione con l'upgrading tramite separazione a membrana. Al contrario, nonostante l’introduzione delle tre principali normative AFIR, TEN-E e TEN-T, la rete di distribuzione del biometano non è ancora completamente pronta a supportare il trasporto pesante su lunghe distanze. Allo stesso tempo, sia l'analisi economica che quella delle emissioni hanno evidenziato i grandi benefici dell’uso del biometano come carburante per i trasporti. I risultati dell'analisi economica mostrano che un rifornimento completo di un veicolo pesante costa 453-489 €/pieno per il biometano liquido (BML) e 112-148 €/pieno per il biometano compresso (BMC), che corrispondono rispettivamente a 28-31 €/100km e 17-23 €/100km, rendendo il BMC l'alternativa economicamente più conveniente. Infine, l'analisi delle emissioni è stata condotta utilizzando una metodologia WTW che ha evidenziato come il BML sia la soluzione con minori emissioni di gas serra, presentando emissioni WTW complessive comprese tra -26,82-84,48 gCO2,eq/MJCH4 rispetto all'intervallo di -14,53-104,46 gCO2,eq/MJCH4 per il BMC. Per entrambe le alternative, le emissioni TTW del gruppo motore dell'utente sono le più elevate, rappresentando il 73-83% delle emissioni WTW totali. In conclusione, anche se la rete europea di distribuzione del biometano per il settore dei trasporti pesanti deve ancora svilupparsi ed espandersi completamente, il biometano è fortemente sostenuto da diversi incentivi e direttive, poiché ha dimostrato chiaramente di essere una soluzione efficiente ed efficace per un futuro più sostenibile, sia dal punto di vista economico che ambientale.