Process simulation and life cycle assessment of plastic and biomass steam co-gasification for hydrogen and methanol production

Solid waste gasification represents a promising strategy to address growing waste management challenges while enabling the production of valuable chemicals and energy carriers. This work develops an integrated and mechanistically grounded methodology to assess plastic and biomass waste gasification from both process and environmental perspectives. Specifically, steam gasification of polyethylene and beechwood is investigated for hydrogen and methanol production. The proposed workflow combines detailed kinetic modelling, plant-wide simulation, and Life Cycle Assessment (LCA). Optimal gasification conditions are first identified through semi-detailed kinetic modelling using the OpenSMOKE++ framework. The resulting syngas compositions are implemented in Aspen Plus® to simulate the full process layout, quantify mass and energy balances, and evaluate product yields. Environmental performance is then assessed through consequential LCA in OpenLCA, with impacts expressed in terms of global warming potential (kg CO₂-eq per kg of feedstock). The direct integration between reactor-scale modelling, process simulation and LCA ensures methodological consistency and avoids reliance on equilibrium assumptions or literature-based correlations. A comparative analysis is performed between hydrogen production, methanol production, and the conventional Italian End-of-Life (EoL) waste treatment scenario. Results show that hydrogen production represents the most environmentally favourable configuration, achieving the lowest global warming impact due to fossil hydrogen displacement and carbon capture integration. Methanol production exhibits higher mass conversion efficiency but lower environmental benefits under the adopted assumptions. Overall, the study demonstrates that co-gasification combined with semi-detailed kinetics provides a robust framework for evaluating the techno-environmental viability of waste-to-chemicals pathways.

La gassificazione dei rifiuti solidi rappresenta una strategia promettente per affrontare le crescenti criticità legate alla gestione dei rifiuti, consentendo al contempo la produzione di vettori energetici e prodotti chimici ad alto valore aggiunto. Il presente lavoro sviluppa una metodologia integrata e fondata su una descrizione meccanicistica per la valutazione della gassificazione di rifiuti plastici e biomasse, considerando sia gli aspetti di processo sia quelli ambientali. In particolare, viene analizzata la gassificazione a vapore di polietilene e legno di faggio, con l’obiettivo di produrre idrogeno e metanolo. Il flusso metodologico combina modellazione cinetica semi-dettagliata, simulazione di processo a scala impiantistica e Analisi del Ciclo di Vita (LCA). Le condizioni operative ottimali di gassificazione sono inizialmente individuate mediante modellazione cinetica avanzata tramite il framework OpenSMOKE++. Le composizioni del syngas ottenute sono quindi implementate in Aspen Plus® per la simulazione dell’intero impianto, la valutazione dei bilanci di massa ed energia e la stima delle rese di processo. La prestazione ambientale è infine valutata mediante LCA consequenziale in ambiente OpenLCA, esprimendo l’impatto in termini di potenziale di riscaldamento globale (kg CO₂-eq per kg di materia prima). L’integrazione tra modellazione cinetica, simulazione di processo e LCA garantisce coerenza metodologica ed evita il ricorso a ipotesi semplificate di equilibrio o a correlazioni di letteratura. L’analisi comparativa tra produzione di idrogeno, produzione di metanolo e scenario convenzionale italiano di fine vita (End-of-Life, EoL) evidenzia come la produzione di idrogeno rappresenti la configurazione ambientalmente più favorevole, grazie alla sostituzione dell’idrogeno fossile e all’integrazione della cattura della CO₂. La produzione di metanolo mostra una maggiore efficienza di conversione massica, ma benefici ambientali inferiori nelle condizioni considerate. Nel complesso, lo studio dimostra che la co-gassificazione supportata da modellazione cinetica semi-dettagliata costituisce un approccio robusto per la valutazione tecnico-ambientale di percorsi Waste-to-Chemical basati su rifiuti plastici e biomasse.