Life Cycle Assessment of Waste Oil-to-Jet Fuel Production via the HEFA Process with Integrated Co-generation

Sintesi Tecnica: Valutazione del Ciclo di Vita della Produzione di Carburante per Aviazione da Oli di Scarto tramite il Processo HEFA con Cogenerazione Integrata

Problematica
La produzione di Carburante Sostenibile per l'Aviazione (SAF) da oli di scarto tramite il processo Hydroprocessed Esters and Fatty Acids (HEFA) affronta attualmente sfide riguardanti la sua dipendenza da elettricità ed idrogeno esterni, il che può compromettere la sua sostenibilità ambientale complessiva. Mentre il settore energetico globale transita verso la decarbonizzazione, esiste una necessità critica di valutare quantitativamente come l'integrazione della cogenerazione (calore e potenza combinati) e la sostituzione delle fonti di idrogeno influenzino le prestazioni ambientali del ciclo di vita della produzione di SAF. Questo studio affronta il divario nella comprensione dei compromessi tra i percorsi HEFA convenzionali e un sistema HEFA-PG (Potenza e Gas) integrato sotto scenari futuri di transizione energetica, specificamente nel contesto dell'evoluzione del panorama della rete elettrica e della produzione di idrogeno in Cina.

Metodologia
Lo studio impiega una valutazione del ciclo di vita (LCA) "Cradle-to-Grave" seguendo il framework ISO 14040. L'unità funzionale è definita come la produzione di 100 tonnellate di bio-carburante per aviazione.

• Confini del Sistema: L'analisi copre la raccolta e il trasporto degli oli di scarto, il pretrattamento, la produzione (idrogenazione e idroprocessazione), la distribuzione e l'uso finale. Vengono modellati due percorsi: un processo HEFA convenzionale e un processo HEFA-PG integrato con un'unità di cogenerazione (CHP).
• Simulazione e Dati: Le simulazioni di processo sono state condotte utilizzando Aspen Plus per determinare i flussi di materia ed energia. I dati dell'Inventario del Ciclo di Vita (LCI) sono stati compilati sulla base di queste simulazioni e dei parametri regionali per la regione Pechino-Tianjin-Hebei.
• Valutazione dell'Impatto: Il metodo ReCiPe 2016 è stato utilizzato per valutare gli impatti ambientali attraverso sei indicatori midpoint (Potenziale di Riscaldamento Globale [GWP], Potenziale di Formazione di Particolato [PMFP], Potenziale di Acidificazione Terrestre [TAP], Potenziale di Eutrofizzazione delle Acque Dolci [FEP], Potenziale di Tossicità Umana [HTP] e Potenziale di Esaurimento dei Combustibili Fossili [FFP]) e tre indicatori endpoint (Disponibilità delle Risorse, Diversità degli Ecosistemi e Salute Umana).
• Allocazione e Scenari: È stata applicata un'allocazione basata sulla massa per il processo HEFA convenzionale per i sottoprodotti, mentre il processo HEFA-PG ha utilizzato un approccio di carico evitato per l'elettricità generata internamente. Sono state eseguite analisi di sensibilità per proiettare le prestazioni ambientali sotto scenari di decarbonizzazione della rete elettrica (2030–2060) e per confrontare l'idrogeno da reforming di gas naturale con l'idrogeno elettrolitico alimentato da energia eolica.

Contributi Chiave e Risultati
Lo studio fornisce un'analisi comparativa degli oneri ambientali del HEFA convenzionale, dell'HEFA-PG integrato e del cherosene per aviazione a base fossile.

1. Prestazioni di HEFA-PG rispetto a HEFA Convenzionale:

   • Il processo HEFA-PG dimostra significativi vantaggi ambientali rispetto al percorso HEFA convenzionale. Generando elettricità verde interna, il sistema HEFA-PG raggiunge una riduzione netta del GWP a circa il 66% della baseline HEFA convenzionale.
   • La fase di cogenerazione integrata fornisce un effetto di compensazione di circa il 35% per gli indicatori FEP, HTP e FFP.
   • In termini di formazione di ozono, il processo HEFA-PG riduce i contributi dall'80% (nel HEFA convenzionale) a circa il 10%, mitigando significativamente la formazione di ozono a livello del suolo.

2. Confronto con il Cherosene per Aviazione Fossile:

   • Entrambi i percorsi del bio-carburante per aviazione mostrano prestazioni ambientali decisamente superiori rispetto al cherosene per aviazione fossile. Il GWP dei percorsi HEFA e HEFA-PG è ridotto rispettivamente al 13,3% e al 7,2% della baseline fossile.
   • Il percorso HEFA-PG mostra il minor onere ambientale in tutte le categorie, inclusi TAP e PMFP, seguito da HEFA, con il combustibile fossile che presenta il valore più alto.

3. Impatto della Decarbonizzazione della Rete Elettrica (2030–2060):

   • Man mano che la rete elettrica diventa più pulita, il GWP del processo HEFA convenzionale diminuisce gradualmente grazie alla minore intensità di carbonio dell'elettricità acquistata.
   • Al contrario, il vantaggio del GWP del processo HEFA-PG diminuisce nel tempo. Con la decarbonizzazione della rete, il beneficio del credito di carbonio derivante dallo spostamento dell'elettricità di rete diminuisce, causando il superamento del GWP dell'HEFA-PG rispetto all'HEFA convenzionale entro il 2060.
   • Tuttavia, il processo HEFA-PG mantiene un vantaggio robusto nel POFP (riduzioni >80%) e rimane meno sensibile ai cambiamenti della rete riguardo all'HTP, poiché il suo carico di tossicità è concentrato nella logistica delle materie prime e nella produzione di idrogeno piuttosto che nella generazione di elettricità.

4. Sostituzione con Idrogeno Verde:

   • La sostituzione dell'idrogeno da reforming di gas naturale con l'idrogeno elettrolitico alimentato dal vento riduce ulteriormente il GWP per entrambi i percorsi.
   • Compromesso Critico: Nonostante i benefici in termini di carbonio, l'idrogeno elettrolitico porta a un Potenziale di Tossicità Umana (HTP) più di quattro volte superiore rispetto al reforming del gas naturale. Questo aumento è attribuito principalmente agli oneri ambientali associati ai residui di zolfo fuori sito generati durante la produzione di apparecchiature per l'energia eolica.
   • Sotto le attuali condizioni tecniche, l'idrogeno da reforming di gas naturale presenta prestazioni ambientali complessive superiori all'interno del sistema HEFA-PG. Gli svantaggi di tossicità dell'idrogeno elettrolitico possono essere alleviati solo attraverso una produzione più pulita delle apparecchiature eoliche o una revisione dell'allocazione degli oneri ambientali tra i co-prodotti.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento afferma che il processo HEFA-PG è un design altamente efficace per le transizioni energetiche a breve-medio termine, offrendo sostanziali benefici di riduzione delle emissioni attraverso la cogenerazione di elettricità. Tuttavia, lo studio sottolinea che la superiorità ambientale a lungo termine di questo sistema integrato è subordinata al ritmo di decarbonizzazione della rete elettrica.

Inoltre, la ricerca evidenzia una sfumatura critica nell'adozione dell'idrogeno "verde": sebbene l'elettrolisi alimentata dal vento riduca l'impronta di carbonio, essa può involontariamente aumentare i rischi di tossicità umana a causa degli impatti della produzione a monte. Di conseguenza, gli autori sostengono che, sotto gli attuali vincoli tecnologici, il reforming del gas naturale rimane la fonte di idrogeno più equilibrata dal punto di vista ambientale per la produzione di SAF. Lo studio identifica la raccolta/trasporto delle materie prime e la produzione di idrogeno come i principali hotspot ambientali, suggerendo che i miglioramenti futuri debbano concentrarsi sulla produzione più pulita di apparecchiature eoliche e su strategie ottimizzate di allocazione dei co-prodotti per realizzare appieno il potenziale dell'idrogeno verde nel settore del SAF.