Ex-ante life cycle assessment of CO2 photocatalytic conversion into methanol

Methanol’s appeal lies in its high energy density, room temperature liquid storage, and versatility as fuel or feedstock, but currently its production methods are unsustainable. Artificial photosynthesis, combined with carbon capture technologies, offers a promising, though challenging, pathway with technical hurdles like methanol stability, process selectivity, and overall efficiency. A cradle-to-gate ex-ante life cycle assessment was carried out to assess the environmental feasibility of photocatalytic CO2 reduction for the production of 1 kg of CH3OH. The results revealed that catalyst preparation and electricity consumption for the reduction are the hotspots of the process, exhibiting higher environmental impacts. Two sensitivity analysis demonstrated that lower environmental burdens are obtained upon recycling the catalyst ten times and using a more sustainable method for its synthesis. Comparing it with traditional methanol production routes, photocatalytic conversion of CO2 showed higher environmental impacts than the natural gas route and, similarly, the environmental impacts were comparable to those of methanol production from coal. This is mainly because of the significantly higher energy requirements, underscoring the need for energy optimization in this new technology. Economic considerations emphasize the need for the photocatalytic reactor to achieve a photocatalytic efficiency (PCE) of at least 12% for economic viability. From a societal perspective, optimizing the use of solar energy for CO2 reduction to produce CH3OH holds the potential to provide social benefits, fostering a safer and healthier environment for workers, local communities, and society at large.

Il metanolo, con alta densità energetica e stoccaggio liquido a temperatura ambiente, rappresenta un’opzione versatile come carburante o materia prima, ma i suoi attuali metodi di produzione non sono sostenibili. La fotosintesi artificiale, combinata con tecnologie di cattura della CO2, offre una via promettente, ma complessa, affrontando questioni come la stabilità del metanolo, la selettività del processo e l’efficienza complessiva. Per valutare la sostenibilità ambientale della riduzione fotocatalitica di CO2 per la produzione di 1 kg di CH3OH, è stata condotta un’analisi del ciclo di vita ex-ante, cradle-to-gate. I risultati indicano che la preparazione del catalizzatore e il consumo di elettricità per la riduzione sono i principali punti critici del processo, con impatti ambientali più significativi. Due analisi di sensibilità hanno dimostrato che è possibile ridurre l’impatto ambientale riciclando il catalizzatore per dieci volte e utilizzando un metodo più sostenibile per la sua sintesi. Confrontando la conversione fotocatalitica di CO2 con le tradizionali vie di produzione di metanolo, si evidenzia un impatto ambientale superiore rispetto alla produzione da gas naturale e una parità di impatti con quella da carbone. Questa differenza è principalmente attribuibile ai notevoli requisiti energetici, sottolineando la necessità di ottimizzare l’energia in questa tecnologia. Sotto il profilo economico, è cruciale che il reattore fotocatalitico raggiunga un’efficienza fotocatalitica (PCE) di almeno il 12% per risultare economicamente vantaggioso. Dal punto di vista sociale, l’uso dell’energia solare per la riduzione di CO2 al fine di produrre CH3OH, se propriamente ottimizzato, può generare benefici, contribuendo a creare un ambiente più sicuro e salutare per i lavoratori, le comunità locali e la società nel suo complesso.