Aroca, German E

Conejeros, Raul

Dewulf, Jo

Wiche Latorre, Pia

English

Ghent University Academic Bibliography

Life Cycle Assessment for the Production of Second Generation Bioethanol from Eucalyptus wood in Chile Wiche, Pia A.1+, Dewulf, Jo2, Aroca, German E. 3, Conejeros, Raul3. 1 King Abdullah University of Science and Technology 4700, P.O. Box 2626, Thuwal, Saudi Arabia 23955‐6900 2 Department of Organic Chemistry, Faculty of Agricultural & Applied Biological Sciences, Ghent University, Coupure Links 653,B‐9000 Ghent, Belgium 3 Escuela de Ingenieria Bioquimica, Pontificia Universidad Catolica de Valparaiso, General Cruz 34, Valparaíso, Chile + Corresponding author (pia.wiche@kaust.edu.sa)  Abstract The  following  paper  deals with  the  life  cycle  assessment  (LCA)  for  the  production  of  second  generation bioethanol from  lignocellulosic material  in Chile. This  is, care was taken to design and assess the situation considering tree production conditions of the country and a theoretical ethanol production process based on an acid steam explosion under weak acidic conditions and a separate downstream treatment process for the resulting sugar streams. Limits of the system in the LCA included raw materials, tree production, ethanol production and use. Mixing of the ethanol in gasoline and later commercialization were not considered. The assessment was done with the software package SimaPro using EcoIndicator 99 (Hierarchical), and with the CEENE method  for assessment of exergy and determination of exergetic efficiency. Results were  strongly influenced by the use of fossil fuels, which increased the impact. On the other hand, use of lignin and biogas as  replacement  for  fossil  fuels  in  the process  rendered high  environmental  credits.  Finally,  the  exergetic efficiency of the process against fossil fuels was positive, which sheds light over the possibility of obtaining better efficiencies provided process optimization. Keywords: LCA, bioethanol, lignocellulose, exergy. Introduction Chile  has  historically  depended  on  external sources  of  energy  to  supply  for  internal consumption.  Projections  of  difficulty  for  the supply of fossil fuels have motivated the need for alternative,  renewable  sources  of  energy, produced  inside  the  country.  For  this  reason, several research  lines are being explored, one of thembeing  the production of  second  generation bioethanol from  lignocellulosic material, which  is a  readily  available  resource  in  the  country.  The production of  second generation bioethanol  is a topic  of  active  research  nowadays, with  several pilot  and  commercial  scale  plants  being  built around  the  world  (e.g.  Iogen,  Canada;  Izumi, Japan;  Biogasol,  Denmark;  Verenium,  U.S.).  In Chile,  BioEnercel  S.A.  is  one  of  the  consortia dealing with the problem. This work presents the preliminary LCA for the production of bioethanol from  high  density  Eucalyptus  nitens  plantations, as well as a proposal for a production process. Bioethanol  production  requires  two  steps:  the production of biomass, and the treatment of this biomass  for  the  production  of  bioethanol.  One critical  stage  in  the  process  is  wood pretreatment, which facilitates later fermentation by  microorganisms.  The  processes  use  acids, bases,  fertilizers,  water  and  other  chemical substances  that  can  greatly  affect  the environment  if not  carefully  treated.  In order  to assess  the  effects  of  these  substances,  LCA  is used. This  is a tool that helps to obtain an  index measure  of  the  effect  a production  process  can cause over the environment, human health or the availability of  resources, but also,  it can be used as  a  means  for  discovering  inefficiencies  in  the production  process.  Several  methods  are available  for  the  calculation  of  these  features, such as EcoIndicator 991 and CEENE2 (Cumulative Exergy Extraction from the Natural Environment), which were used  in this study. EcoIndicator  is an endpoint  method  describing  the  effects  caused by  the  discharges  to  the  environment.  On  the other  hand,  CEENE  is  a  resource  oriented method, so comparing both makes  it possible  to see  the  effects  at  both  ends  of  the  production process. It  was  found  that  the  greatest  impacts  were produced by the same processes  in both analysis methods,  and  were  linked  to  the  use  of  fossil fuels, as in the production of fertilizers, ammonia salts,  sulphuric  acid  and  sodium  hydroxide.  The analysis  played  an  important  role  in  identifying possible  sources  of  inefficiency  in  the  process, shown  as  excessive  exergy  requirements  or environmental impacts. The results indicate that LCA is a useful tool when assessing  the  damage  to  the  environment,  and exergetic  analysis  is  a  powerful  tool  for  finding points of inefficiency in the process. Methods The  process  was  designed  using  information available  in  the  literature  for  Eucalyptus  or related  trees,  when  necessary,  and  from information  published  by  INFOR  (Instituto Forestal – Forestry Institute). The  study  considered  raw  and  database information  for  the LCA. The preferred database was  EcoInvent,  mainly  because  the  CEENE method is associated to it. EcoInvent was used to describe most materials in the study. Importantly, water  was  differentiated  if  coming  from  the natural  environment  or  the  chemical  industry, depending on the stage. A  plantation  density  of  1.111  [trees/ha]  was considered  for  the  study.  For  its  production purposes,  2  fertilizers,  2  herbicides  and  2 fungicides, as well as plastic bags for germination, compost,  and  other  chemicals  for  intermediate steps were taken  into account. The consumption of CO2 and  the production of O2 were added as credits  for  the  process.  The  system  boundaries can be seen in Figure 1.  The temporal limit of the system was set in 2015, mainly  to  avoid  distortion  by  variations  in  the market  and  the  speed  of  change  in  bioethanol production  technology.  The  estimated consumption  by  the  market  for  that  year  was 243.158  [m3/y],  the  equivalent  to  a  volumetric replacement  of  5%  on  gasoline,  if  the  energy delivered  into  the  system were equal  to  that of gasoline alone. This  system  was  analyzed  using  the  software SimaPro,  with  EcoIndicator  99  in  Hierarchical mode  and  CEENE2  as  impact  assessment methods. E1 -PretreatmentE4 –Product PurificationE2 –Pentose TreatmentE3 –Hexose TreatmentF1 –Biomass ProductionE5 -Waste TreatmentLand SeedsCompostWaterPolyethyleneFertilizers (2)Fungicides (2)Herbicides (2)Copper oxideLatexSodium hypochloriteCO2Solar EnergyElectric EnergyFossil FuelsWaterSulfuric acidDeionized water Active Carbon Calcium oxide Sodium HydroxydeEnzymesAmmonium phosphateMagnesium Sulfate Yeast extract Electric EnergyFossil FuelsEthanol Gas Emissions:Water VapourAcetic AcidFurfural5-HMFCO2BiogasIndustrial PhaseF2 –TransportationForestry PhaseWastewater: WaterSulfuric acidSodium HydroxydeOther organic compoundsSludge Figure 1. System boundaries.  Results and Discussion The main aim of this study was to determine in a preliminary  stage,  whether  the  production  of ethanol  would  make  sense  exergetically  and environmentally.  For  such,  a  base  case  was designed in which the ethanol production process had  a  minimum  of  reflux  and  reuse  flows.  This would  present  the  ‘worst  case  scenario’  for  the production  process,  which  should  improve  the results (i.e. decrease in the overall impact and an increase in the exergetic efficiency) when using a more efficiently designed process. However,  the mixing  of  ethanol  in  gasoline  and  later commercialization were not considered. In this case, the ethanol production process from wood  presented  an  efficiency  of  51.9%  with respect to the theoretical maximum reported3. The  ethanol  production  stage  considered  acid steam  explosion  of  wood  chips,  followed  by separate  treatment  of  the  hexose  rich  and pentose rich streams. Lignin was separated  from the hexose rich stream and was  later  incinerated to  generate  energy  for  the  process.  The  rest  of the stream was  fermented  for  the production of ethanol. A detoxification process was included for the  pentose  rich  stream,  which  considered  the use  of  membrane  filtration,  evaporation,  lime, and  charcoal.  The  resulting  stream,  comprised mainly  by  sugars  and  water,  underwent fermentation  for  the production of ethanol. The ethanol  containing  streams  were  submitted  to distillation  for  obtaining  an  ethanol  rich  stream which  was  later  dehydrated  in  a  zeolite  bed. Waste  water  was  treated  in  an  anaerobic fermentation  stage, producing biogas which was later used in the process. Results  obtained  by  both  impact  assessment methods show that the most critical stages were forestry,  for  the  use  of  fertilizers,  diesel‐depending machinery, and soil; steam explosion, for the use of sulphuric acid; lignin extraction, for the use of  sodium hydroxide and  sulphuric acid; ammonia  salts  used  during  fermentation;  steel, for the production of equipment and machinery; and charcoal, mainly  for  the  land use associated to  its  production.  On  the  other  hand,  carbon fixation  by  trees,  and  use  of  biogas,  lignin  and ethanol  as  replacement  for  fossil  fuels,  were important sources of environmental credits when analyzed  by  the  EcoIndicator  99  method.  The three  latter  were  taken  as  ‘avoided  products’ compared  to  the  use  of  different  fossil  fuels. Effects over analysis results can be seen in Figure 2.  Figure 2. Normalized score, by category for the EcoIndicator 99 method. From left to right: carcinogens, respirable organics, respirable inorganics, climate change, radiation, ozone layer, ecotoxicity, acidification / eutrofication, land +use, minerals, and fossil fuels. Red: ethanol production; Green: ethanol use. Moreover, CEENE only measures the extraction of exergy  from  the  natural  environment,  so  it  did not consider credits. CEENE results, broken down by  category,  are  shown  in  Figure  3.  The  main contribution  to  the  overall  result  is  Land  Use, with  over  70%  of  total.  Land  occupation  and transformation  in  concentrated  in both  the  tree and  charcoal  production,  and  accounts  for  the extraction of solar energy,  incident over such an area of soil. Fossil energy and water resources are also  important,  and  may  be  reduced  improving the recycling of streams in the system. 0,93%14,94%3,13%0,04%0,12%8,65%72,18%RENEWABLE RESOURCESFOSSIL ENERGYNUCLEAR ENERGYMETAL ORESMINERALS AND MINERALAGGREGATESWATER RESOURCESLAND OCCUPATION ANDTRANSFORMATION Figure 3. Contribution per category to the total CEENE score. The exergetic efficiency of the process was found to  be  15.6%  [exergy  obtained  in  ethanol/exergy extracted].  Other  studies  presented  higher exergetic  efficiencies  than  in  this  work,  with different feedstock such as banana4 or corn5. This may  account  for  the  greater  complexity  of  the cellulosic matrix  in  Eucalyptus  compared  to  the other  materials.  Overall  efficiency  versus  fossil fuels resulted in 1.04 (this is, a 4% above the null line),  which  means  there  is  greater  exergy  in ethanol than the exergy wasted by  fossil  fuels  in its  production.  The  result  was  considered positive, as  the analysis was done over a  ‘worst case scenario’ (most inefficient process design). A small sensitivity analysis over the CEENE results showed that the density of plantation has a much greater effect over the extraction of exergy from the environment than does the average distance from the greenhouse to the plantation spot.  Better accuracy will be obtained as more life cycle information  is  made  available  for  the  region (Chile).  As  well,  it  is  necessary  to  improve  the assessment  over  important  stages  such  as enzyme  production  of  charcoal  production.  On the  other  hand  new  information  on  the  tree production process  is becoming available, which will  improve  the  results  on  future  LCA refinements. Conclusion It was observed that the production of bioethanol by the proposed process renders more renewable energy  than  invested  fossil  energy,  which presents  a  promising  future  for  more  efficient processes  and  supports  the  production  of bioethanol as a good alternative to fossil fuels. Acknowledgements This work was supported by the Bioproam project of the Alfa Program, during the part developed in Universiteit  Gent,  under  the  supervision  of Professor Jo Dewulf. References                                               1 Pré Consultants. 2001. Eco – indicator 99, 1999. Amersfoort, Netherlands: Pré Consultants. 2 Dewulf, J., M. E. Bösch, B. Demeester, G. Vandervorst, H. Van Langenhove, S. Hellweg and M. A. J. Huijbregts. 2007. Cumulative Exergy Extraction from the Natural Environment(CEENE): a comprehensive Life Cycle Impact Assessment method for resource accounting. Environmental Science and Technology. 41: 8477 – 8483. 3 Rodríguez, J. 2008. Uso de Biomasa Forestal: Bioetanol. www.cormabiobio.cl. Accesed 24th, April, 2009. 4 Velásquez A., H. I., Ruiz C., A. A, Oliveira J., S. 2009. Ethanol Production from Banana Fruit and its Lignocellulosic Residues: Exergy and Renewability Analysis. International Journal of Thermodynamics 12:155 – 162. 5 Ferraro, D. 2008. Evaluación exergética de la producción de etanol en base a grano de maíz: un estudio de caso en la Región Pampeana (Argentina). Ecología Austral 18: 323 – 336. 

Life cycle assessment for the production of second generation bioethanol from Eucalyptus wood in Chile

https://biblio.ugent.be/publication/1339544/file/1339546.pdf

Life cycle assessment for the production of second generation bioethanol from Eucalyptus wood in Chile

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Ghent University Academic Bibliography