Optimization of Feedstock Blends to Improve Biodiesel Cost Effectiveness and Manage Environmental Impacts

Abstract

Tese de doutoramento em Sistemas Sustentáveis de Energia, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra The controversy raised around biofuels sustainability increased the pressure on biodiesel producers to be as cost efficient as possible and, simultaneously, ensure the sustainability of the biodiesel. As about 85% of biodiesel production costs are attributed to feedstock cost and each feedstock has a different environmental profile, operational level decision making about feedstock selection is crucial to reduce production costs and manage biodiesel environmental performance. This thesis explores opportunities to improve biodiesel cost effectiveness at the operational level, particularly in the feedstock selection process, by assessing the use of waste-based feedstocks (Waste Cooking Oil, WCO) in blends with conventional feedstocks (palm, rapeseed and soya) and hedging feedstock purchase, whilst managing environmental impacts. For this purpose, an uncertainty-aware decision aiding tool to assess economic and environmental tradeoffs of decisions at the operational level, addressing feedstock compositional and price uncertainty, was developed. The model combines environmental life-cycle assessment (LCA) with blending models using multi-objective optimization to assess water scarcity (WSI), water degradability – acidification (AA), eutrophication (EU), ecotoxicity (FT) and human toxicity (HT) – and Greenhouse Gas (GHG) emissions (CC). Data from different crop cultivation locations were considered: Colombia and Malaysia for palm; Argentina, Brazil and the United States (US) for soybean; and, Germany, France, Spain, Canada and the US for rapeseed. An approach was developed to facilitate the decision process that enables the decision-maker to select the best compromise feedstock blend based on an explicit overall environmental performance. Results show that incorporating feedstocks’ compositional uncertainty allows the use of WCO in blends with conventional feedstocks without compromising biodiesel technical performance. A reduction of total feedstock cost was obtained for blends with WCO relatively to equivalent (similar technical performance) blends composed only of virgin oils. The percentage of cost reduction depends on the relation among the prices of the feedstocks. Moreover, the use of WCO in the blends allows a reduction in cost variation reduction relatively to virgin oils blends because the price of that feedstock presents lower volatility comparatively to the conventional feedstocks. The differences observed in the environmental assessment of the various virgin oils systems are mainly related to water scarcity of the location, and the fertilization and pesticides schemes used in each crop/location. Results show that higher water scarcity footprint are due to both high water consumption and high water scarcity of the cultivation site. For the toxicity categories (HT and FT), the highest values are ascribed to the high quantity of pesticide used in the cultivation, while for CC, AA and EU the main contributor is the quantity of fertilizers. WCO presents the lowest values WSI, CC, EU and AA. The multi-objective analysis showed that lower CC and WSI solutions (blends) can be obtained at a lower cost if WCO is included in the biodiesel blend. The same conclusion is obtained when more environmental objectives (AA, EU, FT and HT) are considered in the analysis. The decision-aiding approach developed allows for the visualization of the tradeoff between cost and environmental impacts, facilitating the decision process when more than three objectives are at stake. This research shows that the inclusion of WCO in a diversified portfolio of feedstocks used in blending optimization models is an attractive approach to improve biodiesel cost effectiveness and environmental performance. The model developed can be further used to optimize the blending of alternative feedstocks and to assess the technical viability of other waste-based feedstock (e.g. animal fat) or emerging feedstocks such as algae. Although the tool was designed specifically for biodiesel production system, it can be adapted to other industries, particularly in the recycling sector, to support production planning at the operational level to enhance technical, economic and environmental performance of these industries. A controvérsia gerada em torno da sustentabilidade dos biocombustíveis aumentou a pressão nos produtores de biodiesel para serem o mais eficientes possível em termos de custos e, simultaneamente, garantirem a sustentabilidade do biodiesel. Como cerca de 85% do custo total de produção é atribuído ao custo da matéria-prima, e cada uma apresenta um perfil ambiental diferente, decisões ao nível operacional acerca de selecção de matéria-prima são cruciais para melhorar a performance económica e ambiental do biodiesel. Esta tese explora estratégias para reduzir custos de produção de biodiesel, particularmente no processo de selecção de matérias-primas, ao avaliar o uso de resíduos (Óleo Alimentar Usado, OAU) em misturas com óleos convencionais (soja, palma, colza) e planear a compra de matéria-prima, e, simultaneamente, gerir os impactes ambientais. Para tal, foi desenvolvida uma ferramenta de apoio à decisão para avaliar compromissos económicos e ambientais de decisões efectuadas ao nível operacional. Esta ferramenta tem em conta a incerteza associada à composição e ao preço da matéria-prima. O modelo desenvolvido combina Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) ambiental com algoritmos de mistura através de optimização multiobjectivo para avaliar a escassez de água (WSI), degradabilidade da água – acidificação (AA), eutrofização (EU), ecotoxicidade (FT) e toxicidade humana (HT) – e, emissões de gases com efeito de estufa (CC). Diferentes locais de cultivo foram considerados: palma cultivada na Colômbia e Malásia; soja na Argentina, Brasil e Estados Unidos; e colza na Alemanha, França, Espanha, Canadá e Estados Unidos. Foi desenvolvida uma abordagem para facilitar o processo de decisão que permite ao decisor escolher a mistura com base na performance ambiental global. Os resultados mostram que é possível utilizar OAU em misturas com óleos virgens sem comprometer a qualidade do biodiesel se a incerteza composicional dos óleos for tida em conta. Estas misturas apresentam menores custos relativamente a misturas de óleos virgens. A percentagem de redução depende da relação entre os preços dos diferentes óleos. Adicionalmente, o uso de OAU nas misturas permite obter também uma redução na variação dos custos de produção porque o preço desta matéria-prima apresenta menor volatilidade relativamente à observada nos óleos convencionais. As diferenças observadas na avaliação ambiental dos diferentes óleos virgens estão relacionadas com a escassez de água da região e o esquema de fertilização/pesticidas usados em cada cultura/local. Os resultados mostram que pegadas hídricas mais elevadas devem-se simultaneamente a maiores consumos de água e elevada escassez dos locais de cultivo. Para as categorias de toxicidade (HT e FT), os valores mais elevados são devido à elevada quantidade de pesticidas utilizados no cultivo, enquanto que para CC, AA e EU a maior contribuição provém da quantidade de fertilizantes. WCO apresenta os menores valores para WSI, CC, EU e AA. Na análise multiobjectivo realizada, observou-se que soluções (misturas) com valores de CC e WSI mais baixos podem ser obtidos com menor custo se OAU for incluído nas misturas. A mesma conclusão é obtida quando mais objectivos ambientais (AA, EU, FT e HT) são considerados na análise. A ferramenta de apoio à decisão desenvolvida facilita o processo de decisão ao permitir a visualização do compromisso entre o objectivo económico e os ambientais quando mais do que três objectivos são considerados. Nesta investigação é evidenciado que a inclusão de OAU num portfólio diversificado de matérias-primas usado em modelos de optimização de misturas é uma abordagem atractiva para melhorar a performance económica e ambiental do biodiesel. O modelo desenvolvido pode ser utilizado para optimizar a mistura de matérias-primas alternativas e avaliar a viabilidade técnica de utilizar outros resíduos (por ex. gorduras animais) nas misturas. Embora a ferramenta tenha sido desenvolvida especificamente para produção de biodiesel, pode ser aplicada a outras indústrias, nomeadamente de reciclagem, para apoio à decisão no planeamento de produção com vista a melhorar a performance técnica, económica e ambiental dessas indústrias. Project EMSURE (Energy and Mobility for Sustainable Regions, CENTRO 07 0224 FEDER 002004) FEDER/FCT | PTDC/AGR-FOR/1510/2014 (POCI-01-0145-FEDER-016764) - SUSTAINFOR: Sustainability assessment of forest sector management strategies in the context of a bioeconomy FEDER/FCT | PTDC/AAG-MAA/6234/2014 (POCI-01-0145-FEDER-016765) - SABIOS: Sustainability assessment of bioenergy systems: a life-cycle multi-criteria decision-support approach, including land use change

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• http://hdl.handle.net/10316/32351