Life Cycle Assessment of Methanol Production from Biomass: A Comparative LCA of Innovative Technologies

The global shift towards reducing carbon emissions has led to a growing interest in sustainable methanol production pathways. This thesis evaluates two distinct methanol production systems: (1) integration of gasification of Black Liquor and green H2 from electrolyser within a pulp mill, and (2) combining biomass-fired Combined Heat and Power (CHP) with Carbon Capture Utilization (CCU) and electrolysis. Through a Life Cycle Assessment (LCA), the environmental impacts of these innovative systems were compared to conventional methanol production from fossil fuels. The study uses a cradle-to-gate approach, focusing on key environmental impact categories such as Global Warming Potential (GWP), land use, water consumption, and resource depletion. For the first case the findings reveal almost 50% reductions in GWP compared to fossil-based methanol production. However, the dependency on electricity from the grid and its carbon intensity remains a critical factor, significantly influencing the overall environmental performance. In the CHP-CCU case, considering Cradle to Gate approach, negative GWP values highlight the carbon sequestration potential of CCU technology. Yet, the study reveals that freshwater eutrophication and land use pose significant challenges. For instance, in the LTU case, freshwater eutrophication reaches 0.0082 kg P eq per GJ of methanol produced, whereas in the Skaerbaek case, it rises to 0.0174 kg P eq, indicating a need for optimization in water pollution management. Furthermore, land use in the Skaerbaek system shows a marked reduction of -42.69 m²a crop eq per GJ, largely due to the avoided impacts from biomass. In contrast, the LTU case results in a land use footprint of 5.62 m²a crop eq per GJ, underscoring the differing environmental trade-offs in these advanced bioenergy systems.

Il cambiamento globale verso la riduzione delle emissioni di carbonio ha portato a un crescente interesse per i percorsi sostenibili di produzione di metanolo. Questa tesi valuta due distinti sistemi di produzione di metanolo: (1) l'integrazione della gassificazione del liquore nero e dell'idrogeno verde da elettrolizzatori all'interno di una cartiera, e (2) la combinazione della cogenerazione a biomassa (CHP) con l'utilizzo della cattura del carbonio (CCU) e l'elettrolisi. Attraverso una Valutazione del Ciclo di Vita (LCA), gli impatti ambientali di questi sistemi innovativi sono stati confrontati con quelli della produzione convenzionale di metanolo da combustibili fossili. Lo studio utilizza un approccio "cradle-to-gate", concentrandosi su categorie chiave di impatto ambientale come il potenziale di riscaldamento globale (GWP), l'uso del suolo, il consumo di acqua e l'esaurimento delle risorse. Nel primo caso, i risultati rivelano una riduzione del GWP di quasi il 50% rispetto alla produzione di metanolo a base fossile. Tuttavia, la dipendenza dall'elettricità della rete e la sua intensità di carbonio rimangono un fattore critico, influenzando significativamente le prestazioni ambientali complessive. Nel caso CHP-CCU, i valori di GWP negativi, considerando l'approccio "cradle-to-gate", evidenziano il potenziale di sequestro del carbonio della tecnologia CCU. Tuttavia, lo studio rivela che l'eutrofizzazione delle acque dolci e l'uso del suolo rappresentano sfide significative. Ad esempio, nel caso LTU, l'eutrofizzazione delle acque dolci raggiunge 0,0082 kg P eq per GJ di metanolo prodotto, mentre nel caso Skaerbaek sale a 0,0174 kg P eq, indicando la necessità di ottimizzare la gestione dell'inquinamento idrico. Inoltre, l'uso del suolo nel sistema Skaerbaek mostra una significativa riduzione di -42,69 m²a crop eq per GJ, dovuta principalmente agli impatti evitati dalla biomassa. Al contrario, il caso LTU comporta un'impronta di uso del suolo di 5,62 m²a crop eq per GJ, evidenziando i diversi compromessi ambientali in questi avanzati sistemi bioenergetici.