Integrated sustainability analysis of innovative uses of forest biomass. Bio-oil as an energy vector

Abstract

Aquesta investigació ofereix un enfocament multidisciplinari, des d’un punt de vista ambiental, social, econòmic i tecnològic, per a estudiar nous usos de la biomassa forestal utilitzant diferents metodologies, com són els grups de discussió, l’anàlisi del cicle de vida i experimental en una planta pilot de piròlisi. En primer lloc, es realitza una avaluació integrada per mitjà de grups de discussió per a identificar les barreres polítiques, socials i ambientals que han impedit que els sistemes integrats de biomassa forestal hagin continuat desenvolupant‐se en el context mediterrani. Els resultats mostren que, tot i les grans oportunitats i apostes per aquests sistemes, és necessari considerar factors socioecològics específics, com ara els règims de propietat, la baixa productivitat dels boscos mediterranis, la feble capacitat institucional, logística i dificultats d'abastament i la falta de rendibilitat econòmica dels productes forestals, si la biomassa forestal ha de contribuir decisivament a la producció de fonts d'energia renovables a Europa. En segon lloc, es duu a terme una anàlisi del cicle de vida d'una planta de gasificació de biomassa forestal i de fusta de post‐consum. Aquest estudi mostra que la biomassa forestal necessita majors requeriments d'energia, degut principalment a una fase d'assecatge addicional que necessita per complir amb els requeriments d’entrada de la gasificació. Finalment, els aspectes tecnològics s’analitzen estudiant la piròlisi de la biomassa. Primer, s’aplica el model d'activació d’energies distribuïdes (DAEM) a la desvolatilització de la biomassa i els seus components. Posteriorment, s’estudia la piròlisi d’estelles de biomassa forestal en una planta pilot amb un reactor de cargol sense fi (10 kg/h) per a estudiar les condicions òptimes d'operació (temperatura de reacció, temps de residència de sòlids i flux màssic) i per a determinar les propietats fisicoquímiques dels productes obtinguts. Els resultats mostren que es pot aconseguir una piròlisi completa de les estelles de biomassa en aquest tipus de reactor i que el major rendiment per a la producció de líquid (59%) i les millors propietats dels productes s’obtenen en la temperatura més baixa estudiada (773 K) i aplicant temps de residència de sòlids de més de 2 minuts. La caracterització química del biooil mitjançant GC/MS mostra que els compostos més abundants són compostos polars volàtils, fenols i benzenediols. Es poden observar molt poques diferències en les propietats físiques de les diferents mostres de bio‐oil, el qual és similar al bio‐oil obtinguts en reactors semblants. Els balanços d'energia del procés de piròlisi de la planta pilot i d’una planta escalada (1500 kg/h) mostren que es necessita una unitat d'assecatge i una cambra de combustió de carbó si la piròlisi s’ha de realitzar en una planta mòbil, tot i que el procés és autosuficient energèticament quan el contingut d'humitat de la biomassa és inferior al 6%. L'anàlisi econòmica demostra que els costos totals de producció de biocombustible a la planta pilot escalada se situen entre 269 i 289 €/m3, depenent del cost de la biomassa (40‐50 €/tona). El punt d'equilibri de la planta de piròlisi és de 116 €/barril quan la biomassa es compra a 50 €/tona i 108 €/barril quan el cost de la biomassa és de 40 €/tona. A llarg termini, el bio‐oil ofereix un gran potencial com a vector energètic i en el futur escenari d’una biorefineria, un nou enfocament que s'estudia a través de la dissolució de la fusta en líquids iònics mitjançant microones. En conjunt, aquests nous usos representen una gran oportunitat per al sector forestal en el context mediterrani, ja que ofereixen productes d’alt valor afegit com és el bio‐oil. El bio‐oil és un vector energètic, tan versàtil com el petroli, i que pot ser la base per a una nova generació de biocombustibles de segona generació i, alhora, matèria primera per a biorefineries. A més, aquesta tesi també està relacionada amb la sostenibilitat social, suggerint accions i propostes associades amb el desenvolupament local i l’economia en xarxa i facilitant la presa de decisions, cosa que ajuda a fer un pas endavant cap a un coneixement global i integral de la sostenibilitat.

This research offers a multidisciplinary approach, from the environmental, social, economic and technological standpoint, to study different novel uses of forest biomass using different methodologies such as IA‐Focus Groups, Life Cycle Assessment and experimental in a pyrolysis pilot plant. First, an integrated assessment of forest biomass systems by focus groups methodology is carried out to identify what political, social and environmental barriers have prevented integrated forest biomass systems to be further developed in the Mediterranean context. Results show that while the opportunities and stakes are high, specific socio‐ecologic factors, such as property regimes, low productivity of Mediterranean forests, weak institutional capacity, logistics and supply difficulties and the lack of economic profitability of forest products, need to be taken into account if forest biomass is to contribute decisively to securing renewable sources of energy in Europe, integrating landscape planning with resource policies or mitigating climate change. Second, a life cycle assessment of a gasification plant using forest biomass and post‐consumer wood is performed. This study shows that forest biomass needs higher energy requirements due to mainly an additional drying stage in order to comply with the gasification demands. Finally, technological aspects are investigated by studying biomass pyrolysis. An application of the Distributed Activation Energy Model (DAEM) to biomass and biomass constituents’ devolatilisation is performed to study the thermal decomposition of biomass. Next, pine woodchips pyrolysis is carried out in an auger reactor pilot plant (10 kg/h) to study the optimal operation conditions (reaction temperature, solid residence time and mass flow rate) and to characterize the properties of the products obtained. Results show that complete woodchip pyrolysis can be achieved in the auger reactor and the greatest yields for liquid production (59%) and optimum product characterisation are obtained at the lowest temperature studied (773 K) applying solid residence times longer than 2 minutes. Bio‐oil GC/MS characterisation shows that the most abundant compounds are volatile polar compounds, phenols and benzenediols. Very few differences can be observed in the physical properties of the bio‐oil samples regardless of the operating conditions, and these properties are similar to bio‐oil obtained in other auger reactors. Energy balances of the pyrolysis process in the pilot plant and in a scaled up auger reactor mobile plant (1500 kg/h) show that a drying unit and a char combustor are needed if the pyrolysis has to be performed in a mobile plant, even though the process is energy‐independent when moisture content is lower than 6%. The economic assessment shows that total costs of producing bio‐oil in the scaled‐up pilot plant is between 269 and 289 €/m3 depending on the biomass cost (40‐50€/ton). The break‐even point of the pyrolysis plant is 116 €/barrel when the biomass is purchased at 50 €/ton and 108 €/barrel when the biomass cost is 40 €/ton. In the long term, bio‐oil offers great potential as an energy vector and in a biorefinery scenario, a novel approach that is studied by performing microwave‐assisted dissolution of wood in ionic liquids. On the whole, these novel uses offer great opportunity for the Mediterranean forestry sector, since they offer value‐added products such as bio‐oil. Bio‐oil represents a new energy carrier, which is as versatile as oil and which may be the basis for a new generation of secondgeneration biofuels and, in turn, raw material for biorefineries. This dissertation is also related to social sustainability by suggesting actions and proposals related to local development and the network economy, as well as facilitating decision‐making processes, which help to make a step forward to a global and integral knowledge of sustainability.