Exploring the economic and environmental implications of integrating carbon capture in biorefinery systems

Abstract

Aquesta tesis examina la integració de bioenergia amb captura i emmagatzematge de carboni (BECCS) dins d'un sistema de biorefineria que processa residus de podes d'olivera i que els transforma en bioetanol i antioxidants. La biorefineria, capaç de processar 1.500 tones de podes diàries, produeix aproximadament 12.000 tones d'antioxidants (amb més del 60% de puresa) i 78.000 tones de bioetanol anualment. Emprant un enfocament integral que inclou simulacions de processos i avaluació del cicle de vida, la nostra anàlisi avalua els aspectes tècnics, econòmics i ambientals de dos escenaris: un utilitzant gas natural i l'altre utilitzant un sistema BECCS alimentat per podes d'olivera. Els resultats indiquen que fent servir BECCS es pot reduir significativament la petjada de carboni, aconseguint potencialment emissions netes negatives (-84,37 kg CO2eq per 1,00 kg de bioetanol i 0,15 kg d'antioxidants produïts). No obstant això, aquests beneficis ambientals es veuen atenuats per desafiaments econòmics i ambientals, ja que els costos d'inversió i operació gairebé es dupliquen, comparant amb les biorefineries tradicionals, i es produeix un efecte de transferència entre impactes ambientals, com l'augment de l'eutrofització (+75%), el consum d'aigua (+45%) i l'ús de sòl (+80%). Malgrat aquests desafiaments, l'alt valor dels processos amb un balanç de carboni negatiu, juntament amb la creixent consciència i els marcs polítics de suport, podrien ajudar a superar aquests obstacles econòmics. Aquesta tesi subratlla la importància d'una avaluació integral a l'hora d'integrar la captura i el emmagatzematge de carboni en biorefineries, permetent una presa de decisions més i millor informada per mitigar els impactes negatius no desitjats i promoure la sostenibilitat.

Esta tesis examina la integración de bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS) dentro de un sistema de biorrefinería que procesa residuos de la poda de olivo para producir bioetanol y antioxidantes. La biorrefinería, capaz de procesar 1.500 toneladas de podas diarias, produce aproximadamente 12.000 toneladas de antioxidantes (con más del 60 % de pureza) y 78.000 toneladas de bioetanol anualmente. Empleando un enfoque hoístico que incluye simulación de procesos y evaluación del ciclo de vida, se evalúan los aspectos técnicos, económicos y ambientales de dos escenarios: uno utilizando gas natural y el otro utilizando un sistema BECCS alimentado por podas de olivo. Los resultados indican que la implantación de BECCS puede reducir significativamente la huella de carbono, logrando potencialmente emisiones netas negativas (-84,37 kg CO2eq por 1,00 kg de bioetanol y 0,15 kg de antioxidantes producidos). Sin embargo, estos beneficios ambientales se ven atenuados por desafíos económicos y ambientales, ya que los costes de inversión y operación casi se duplican, en comparación con los procesos convencionales, y hay transferencia de problemas ambientales de unos indicadores a otros, como el aumento de la eutrofización (+75 %), el consumo de agua (+45 %) y el uso de suelo (+80 %). A pesar de estos desafíos, el alto valor de los procesos con un balance de carbono negativo, junto con la creciente conciencia y los marcos políticos de apoyo, podrían ayudar a superar estas barreras económicas. Esta tesis subraya la importancia de una evaluación integral al integrar la captura y secuestro de carbono en biorrefinerías, permitiendo una toma de decisiones más i mejor informada para mitigar los impactos negativos no deseados y promover la sostenibilidad.

This thesis examines the integration of bioenergy with carbon capture and storage (BECCS) within a biorefinery that processes olive tree prunings, obtaining bioethanol and antioxidants. The biorefinery, capable of processing 1,500 tons of prunings daily, produces approximately 12,000 tons of antioxidants (with over 60% purity) and 78,000 tons of bioethanol annually. Employing a comprehensive approach that includes process simulations and life cycle assessment, the thesis evaluates the technical, economic, and environmental aspects across two scenarios: one using natural gas and the other using a BECCS system fuelled by olive prunings. The findings indicate that BECCS can significantly reduce the carbon footprint, potentially achieving net-negative emissions (-84.37 kg CO2eq per 1.00 kg of bioethanol and 0.15 kg of antioxidants produced). However, these environmental benefits are tempered by economic and environmental challenges, as investment and operating costs nearly double those of conventional biorefineries. On the other hand, there are notable trade-offs in the environmental perspective, such as increased eutrophication (+75%), water consumption (+45%), and land use (+80%). Despite these challenges, the high added-value of carbon-negative processes, along with increasing awareness and supportive policy frameworks, could help overcome these economic hurdles. This study underscores the importance of a holistic evaluation when integrating carbon capture and sequestration into biorefineries, enabling informed decision-making to mitigate unintended negative impacts and promote sustainability.