Production of Advanced Biofuels from Biomass: Maritime sector as Potential Consumer

Abstract

O transporte marítimo europeu é sem dúvida o maior facilitador comercial do continente, contribuindo fortemente para o desenvolvimento econômico das nações. Atualmente o setor movimenta cerca de 3,5 bilhões de mercadorias por ano na região, contabilizando mais de 11.600 navios que operam em seus portos, consumindo 44 milhões de toneladas de combustível marítimo fóssil por ano, o que representa 138 milhões de toneladas de dióxido de carbono equivalente emitidos anualmente na atmosfera, correspondente às mesmas quantidades de emissões da Bélgica. Este é um desafio particular para o setor marítimo europeu, que está empenhado em reduzir as suas emissões, no entanto, ainda são necessárias soluções de baixas emissões de carbono, com altas densidades energéticas, de forma a garantir uma longa autonomia aos navios, garantindo o transporte de mercadorias sem comprometer a logística atual de operação.Face a estas evidências, os biocombustíveis surgem como um forte contribuinte para o abastecimento do setor marítimo europeu. No entanto, a escassez de terras no continente abre espaço para a rota dos biocombustíveis avançados, com as mesmas características do atual combustível fóssil utilizado no setor e que podem ser produzidos a partir de diversas fontes de resíduos, proporcionando menores emissões, e utilizando a mesma infraestrutura de abastecimento e transporte já existente.O presente estudo visa analisar a contribuição e potencial da rota Bio Fischer-Tropsch Diesel a partir de resíduos lignocelulósicos (trigo, cevada e milho) como fonte de descarbonização para o setor marítimo europeu, sem competir com a produção de alimentos nem áreas de preservação. Esta solução corresponde à eliminação de um dos factores com maiores impactos negativos causados pela primeira geração de biocombustíveis. Apresentando regiões da Europa como maior potencial para se produzir o combustível alternativo, explorando os resultados técnico-econômicos, bem como a pegada de carbono separadamente por região e fonte de matéria-prima.O presente estudo teve uma abordagem técnico-econômica disponível na literatura, como base metodológica para se calcular a disponibilidade de matéria-prima para cálculos de balanço de massa e energia na produção de Bio Fischer-Tropsch Diesel, além de determinar o custo nivelado (LCOE) para cada potencial região produtora. Em seguida, para avaliar a pegada de carbono de cada combustível, foi utilizada uma análise “well-to-tank”.Trinta sub-regiões distribuídas em nove países demonstraram ter a capacidade potencial para permitir explorar uma área de 23,27 milhões de hectares e produzir 4,9 milhões de toneladas de Diesel renovável anualmente, a serem distribuídas em 12 portos dos respetivos países. França destacou-se como o mais importante produtor devido às suas grandes áreas de cultivo que abrangeram 2,80 Mha e 1,58 Mt de produção de Bio Fischer-Tropsch Diesel.Em termos econômicos, considerando a produção de Bio Fischer-Tropsch Diesel, foi -possível determinar um LCOE médio de 57,06 €/GJ, 68,69 €/GJ e 51,20 €/GJ para palha de trigo, palha de cevada e palha de milho respetivamente.Considerando a pegada de carbono, a média de massa de CO2 por MJ para os diferentes recursos energéticos foram de 25,16 gCO2/MJ, 30,33 gCO2/MJ 30,18 gCO2/MJ para as palhas de trigo, cevada e milho,na devida ordem. Este resultado permite reduzir em 8.40% as atuais emissões do setor marítimo europeu. Caso essas diminuições fossem comercializadas nos mercados de carbono poderiam movimentar anualmente cerca de 260 milhões de euros.O trabalho também forneceu uma análise de sensibilidade com a variação do custo da biomassa, eletricidade, taxa de juros e custo de subprodutos, bem como variação de misturas do biocombustível entre 1% e 100% em comparação com o atual combustível fóssil marinho utlizado permitindo obter também o custo do CO2 poupado.A competitividade (break-even oil cost) das rotas mudaria de acordo com cada matéria-prima utilizada, atingindo uma faixa entre 20,63-33,05 €/GJ para o Bio FT-Diesel da palha de trigo, 25,71-41,18€ /GJ para Bio FT-Diesel da palha de cevada, e 19,16-30,70 €/GJ para o Bio FT-Diesel da palha de milho.Concluímos que a rota Bio FT-Diesel seria viável para ser utilizada nos navios atuais que irão operar pelos próximos 20-30 anos e para os novos navios que estão a serem construídos. No entanto, tornar-se-ia uma opção viável apenas se o petróleo atingir um alto preço de comercialização, além disso, o alto custo de investimento da conversão da biomassa para a rota Bio FT-Diesel continua sendo um obstáculo. O baixo desenvolvimento tecnológico da produção necessita de mais investimento em pesquisa e desenvolvimento (R&D) com o intuito de trazer rendimentos efetivos, sendo necessário o desenvolvimento de normalização das características do biocombustível para a utilização em motores marítimos, o que alavancaria o avanço desta alternativa no setor.

The European continent's most important trade facilitator is the maritime sector, which is driving the economic growth of the member countries. With over 11.600 ships working in their ports and 44 million tons of fossil marine fuel consumed each year, the industry now moves almost 3.5 billion commodities in the region yearly, handling the same quantity of emissions as Belgium (138 million tons of carbon dioxide equivalent). This represents a particular challenge for the European maritime sector, which is obliged to reduce its emissions but, to accomplish that, it needs low-carbon solutions with high energy densities to ensure that the ships can continue to transport goods without jeopardizing the entire current logistics of the operation.In face of this evidence, biofuels emerge as a vital contributor to supply the European maritime sector. Nevertheless, the lack of land in the continent enhances the opportunity for the advanced biofuel route, which can be produced from several residues sources with similar characteristics to the current fossil fuel used in the sector, providing lower emissions and making use of the same infrastructure already in place.The current study aims to present to the European maritime sector the contribution of Bio Fischer-Tropsch Diesel (Bio FT-Diesel) derived from lignocellulosic residues (wheat, barley, and maize) as a source of decarbonization without competing with food production or deforesting protected areas, which is one of the most significant impacts caused by the first generation of biofuels. The best locations in Europe for producing alternative fuels were empirically discussed, and the techno-economic outcomes and carbon footprint of each site and feedstock supply were separately assessed.The mass and energy balance of the Bio FT-Diesel output was determined using a techno-economic procedure and the Levelized Cost of Energy (LCOE) of each prospective production zone is also calculated. The well-to-tank analyses were then utilized to calculate the carbon emissions of each fuel.It is shown that an area of 23.27 million hectares may be explored by thirty sub-regions spread over nine countries, and 4.9 million tons of renewable diesel might be produced annually and supplied to 12 ports in the various nations. France emerged as the top producer thanks to its sizable 2,80 Mha of cropland and 1,58 Mt of Bio FT-Diesel production.In terms of economics, it was discovered an average LCOE of 57,06 €/GJ, 68,69 €/GJ, and 51,20 €/GJ for wheat, barley, and maize straw, respectively.The average findings for the carbon footprint were 25,16 gCO2/MJ, 30,33 gCO2/MJ, and, therefore, 30,18 gCO2/MJ. It might cut the existing emissions from the European marine industry by 8.40%. The findings indicated that those reductions may generate around 260 million euros per year in revenue if they were sold in the carbon markets.The study also includes a sensitivity analysis of modifying biomass, electricity, interest rate and sub-product cost, as well as blend variation (1-100 per cent), in comparison to the present marine fossil fuel utilized at a cost of CO2 avoided.According to the feedstocks employed, the competitiveness (break-even oil cost) of the routes would vary, with the range for wheat Bio FT-Diesel being 20,63-33,05 €/GJ, barley Bio FT-Diesel being 25,71-41,18 €/GJ, and maize Bio FT-Diesel being 19,16-30,70 €/GJ.As a major conclusion, the study suggests that Bio FT-Diesel is a realistic fuel source for existing and future ships operating in the next 20-30 years. Because of this, it would only be a feasible solution if crude oil reached a high commercialization price. Additionally, a barrier still exists due to the significant investment costs associated with the biomass-to-Bio FT-Diesel process. To promote this in the market, maritime engine biofuel standards must be developed. This is because production has a low level of technological development, so additional investments and R&D are needed to obtain effective yields.