Techno-economic analysis of biomethane for heavy-duty hard-to-abate transport: optimization of logistics

The ongoing energy transition in Europe sets ambitious targets for reducing greenhouse gas emissions, especially in hard-to-abate sectors such as heavy-duty road transport and maritime shipping. Within this framework, biomethane emerges as a mature and strategic renewable energy carrier, offering significant environmental advantages due to its compatibility with existing infrastructure and its potential to reduce lifecycle emissions. This thesis aims to provide a comprehensive analysis of the biomethane supply chain for transport applications, with a focus on comparing three alternative distribution pathways: road transport via compressed biomethane trailers, injection into the national gas network (Snam), and the construction of dedicated pipelines for direct delivery to end users. Each transport option is assessed in terms of specific costs, primary energy consumption, and greenhouse gas emissions over the life cycle, considering different plant configurations and logistics scenarios based on transport distance and daily throughput. The analysis is grounded in a quantitative framework that combines literature-based technical data, operational assumptions consistent with industrial practices, and plant scaling criteria, with the aim of evaluating the efficiency and sustainability of each transport alternative under varying operational and territorial conditions. In the second part of the thesis, a spatial and logistic optimization model is developed to determine the optimal siting of new biomethane production facilities and the most cost-effective transport mode, constrained by regional biomass availability and demand in selected ports. The model is applied to two case studies, Sicily and Sardinia, representing key areas for the deployment of liquefied biomethane (Bio-LNG) for maritime bunkering. Results highlight how the optimal transport strategy varies with distance, daily throughput, and the presence or absence of existing gas infrastructure. The approach adopted seeks to provide practical support for strategic territorial planning and policy-making for transport decarbonization, contributing to the definition of sustainable biomethane development pathways aligned with the ambitions of the European Green Deal and the REPowerEU plan.

Il processo di transizione energetica in corso in Europa pone obiettivi stringenti di riduzione delle emissioni climalteranti, con particolare attenzione ai settori “hard-to-abate” (difficili da decarbonizzare), tra cui il trasporto pesante stradale e quello marittimo. In tale contesto, il biometano rappresenta una soluzione tecnologicamente matura, già compatibile con le infrastrutture esistenti e in grado di offrire benefici ambientali significativi grazie alla sua origine rinnovabile e al potenziale di riduzione delle emissioni lungo l’intero ciclo di vita. L’obiettivo di questo studio è di analizzare in modo sistematico la catena di fornitura del biometano per usi nel settore dei trasporti, confrontando in particolare tre modalità logistiche di distribuzione: il trasporto su strada tramite rimorchi per gas compresso, l’utilizzo della rete nazionale del gas (Snam) e la realizzazione di gasdotti dedicati per il trasporto diretto verso i punti di consumo finale. Per ciascuna opzione vengono analizzati i costi specifici, i consumi di energia primaria e le emissioni di gas serra lungo il ciclo di vita, considerando differenti configurazioni impiantistiche e scenari logistici in funzione della distanza e della quantità movimentata. L’analisi si basa su un modello quantitativo che integra dati tecnici di letteratura, assunzioni operative coerenti con la pratica industriale e criteri di scaling impiantistico, con l’obiettivo di valutare l’efficienza e la sostenibilità delle diverse alternative di trasporto al variare delle condizioni operative e territoriali. Nella seconda parte, si introduce un modello di ottimizzazione spaziale e logistica per la localizzazione di impianti di produzione di biometano e per la selezione della modalità di trasporto più conveniente in funzione della domanda energetica nei porti. In particolare, il modello viene applicato a due casi studio relativi alla Sicilia e alla Sardegna, regioni strategiche per lo sviluppo del Bio-LNG come combustibile per il bunkeraggio navale. I risultati mostrano come la scelta della modalità di trasporto ottimale dipenda dalla combinazione tra distanza, quantità giornaliera movimentata e presenza/assenza di infrastrutture esistenti. L’approccio adottato si propone di offrire un supporto concreto alla pianificazione strategica sul territorio e alla definizione di politiche per la decarbonizzazione del trasporto, contribuendo a delineare percorsi di sviluppo del biometano coerenti con le ambizioni del Green Deal europeo e le direttrici del piano REPowerEU.