Time-integrated GHG emissions in advanced waste-to-energy plants producing fuels, chemicals and electricity from MSW refuse

Abstract

The evaluation of the climate benefit in the production of fuels from conventional biomass has recently evolved by incorporating a dynamic approach, a comparison with the reference system and other recommendations from the IPCC. Important drawbacks have been identified in the comparison of conventional (static) and dynamic (time-integrated) assessments for the production of biofuels. This thesis contributes to a better understanding of the real climate benefit in the production of products and services using a specific and plentiful waste in Europe, i.e., MSW refuse (the unsorted stream of MSW usually disposed of). Lately, some dynamic assessments have been made for the production of fuels and electricity using forest and agricultural residues. In this thesis, their work is expanded by the selection of a residue (MSW refuse) which is already in-use within the different regional waste management schemes in Europe (incineration and landfilling) and the production of a material that stores biogenic carbon, i.e., renewable-derived plastic materials. The climate benefit of the proposed advanced waste-to-energy (WtE) plant is evaluated by defining two systems (the one proposed in the thesis and the reference system) using system expansion and substitution. The dynamic modeling of the waste management scheme in Europe (current and future) as well as the temporary storage of the biogenic carbon fraction in the renewable-derived plastics (intimately related to the management scheme) are main contributions to the field. The proposed methodology is based on two climate benefit indicators: the climate mitigation index (CMI) and the differential climate impact (DCI). The indicators analyze the impact of the replacement of the current waste management system for one which is based on advanced WtE plants. In Paper I, a preliminary work applying the static methodology (GHG balance) is carried out for the analysis of the results in advanced WtE plants producing biofuels, drop-in chemicals and electricity and with the possibility of carbon capture and storage in bioenergy (Bio-CCS). In Paper II, the dynamic GHG emission assessment is applied to the advanced WtE plant analyzed in Paper I. In Paper III and IV, two countries are selected for the comparison of the systems: Spain, where landfilling is dominant; and Sweden, where incineration is dominant. Moreover, two different scenarios are taken into account: Scenario 1, in which the reference system remains unaltered, and Scenario 2, in which there is an evolution towards landfill banning and decarbonization of the energy mix. The results reveal that the landfilling replacement in dominant-landfill European countries has a positive climate impact in the short term, although the long-term impact depends on the evolution of the reference system (waste management and electric mix). Renewable-derived plastics are proposed (Paper IV) as an alternative greenhouse gas removal (GGR) technology and compared with Bio-CCS as the common GGR technology in most Integrated Assessment Models (IAMs). The production of plastics compares favorably in terms of climate benefit in the short and medium term and would even provide a larger climate benefit in incineration-dominant regions in the long term. In Paper V and VI, the static and dynamic assessment for the production of electricity is analyzed.

Esta tesis está enfocada en el análisis dinámico (integrado en el tiempo) de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) asociadas a la producción de productos y servicios en un planta de gasificación avanzada alimentada por la fracción rechazo de los residuos sólidos urbanos (RSU) (fracción no reciclable ni compostable que va a depósito en vertedero o incineración). Tradicionalmente, el cálculo de la huella de carbono de un proceso alimentado por fuentes renovables se lleva a cabo desde un punto de vista estático, mediante herramientas exhaustivas que permiten calcular las emisiones asociadas al ciclo de vida completo de un proceso o producto y cuyo objetivo es la comparación de alternativas para producir una misma unidad funcional (por ejemplo, una misma planta de producción que puede ser alimentada por diferentes tipos de biomasa) incluyendo la alternativa de origen fósil. Sin embargo, el resultado final de estos estudios estáticos es un valor promedio de las emisiones anuales, un resultado que puede ser insuficiente cuando la fuente renovable que se analiza es un residuo que forma parte de un ciclo biológico de degradación que se usa como sistema de referencia para valorar si ese residuo debe ser utilizado como fuente energética o no. Por otro lado, recientemente, se están llevando a cabo estudios dinámicos de emisiones centrados en residuos agrícolas y forestales; sin embargo, la fracción rechazo de los RSU tiene un potencial energético similar a los residuos agrícolas en Europa. Los estudios dinámicos analizan la evolución de las emisiones de GEI producidas en un proceso de degradación de la materia (normalmente residuos) e incorporan la comparación con un sistema de referencia y otras recomendaciones desde el Panel Intergubernamental por el Cambio Climático (IPCC por sus siglas en inglés). La fracción rechazo puede proceder de plantas de tratamiento mecánico y biológico (TMB) o de la separación en origen y la práctica más común en Europa es su depósito en vertedero (principalmente en el sur de Europa). El depósito en vertedero produce emisiones de GEI que empiezan pocos meses u años después del depósito y continúan hasta 40 años después con diferente intensidad a lo largo del tiempo. De ahí la necesidad de aplicar un enfoque dinámico a un estudio donde el sistema de referencia es el vertedero. Esta tesis estudia, en clave de beneficio climático, la sustitución del sistema actual de gestión de la fracción rechazo (vertedero e incineración) por un sistema basado en plantas de gasificación avanzadas. Estas plantas producen un mix de productos (biocombustibles y/o químicos de origen renovable) y/o servicios (electricidad y/o calor) a partir de la fracción rechazo. Dos grandes tipos de plantas de gasificación avanzada son analizados: por un lado, grandes plantas de gasificación llamadas biorefinerías termoquímicas que producen biocombustibles (y químicos de origen renovable) así como electricidad (y calor) con una alta eficiencia. Por otro lado, plantas de gasificación de pequeña y mediana escala produciendo electricidad. Las plantas de producción de electricidad son analizadas también desde el punto de vista económico ya que pueden ser implantadas a corto plazo porque existen tecnologías comerciales maduras que lo permitirían. Los plásticos de origen renovable (fabricados a partir de los químicos) son propuestos como una tecnología alternativa de retirada de carbono de la atmósfera ya que el carbono queda retenido en el plástico de origen renovable durante un periodo de tiempo que dependerá del tipo de plástico, su tiempo de vida y el sistema convencional de gestión de los residuos plásticos. La posibilidad de incorporar captura y almacenamiento de carbono en bioenergía (Bio-CAC) (tecnología comúnmente analizada en los Modelos de Evaluación Integrados (IAMs, en inglés)) y su comparación con el potencial de captura de los plásticos de origen renovable también es analizada. Los resultados revelan que la producción de plásticos de origen renovable compara favorablemente en términos de beneficio climático a corto y medio plazo e incluso podrían proveer un beneficio climático a largo plazo en países donde la incineración es una práctica predominante (norte de Europa). Desde el punto de vista metodológico, dos países europeos son elegidos para el análisis, España, que representa a los países del sur de Europa donde el depósito en vertedero es predominante y Suecia, representando a los países del norte de Europa donde la incineración es predominante. Para el análisis, dos posibles escenarios son considerados, un escenario 1 donde el sistema de gestión de residuos y el mix energético no varían a lo largo del tiempo (este escenario permite la comparación con una evaluación de emisiones estática desarrollada también en esta tesis) y un escenario 2 que evoluciona hacia un sistema sin depósito en vertedero y un mix energético bajo en carbono. En ambos escenarios se estudia un horizonte de tiempo de 100 años según el IPCC. De la colaboración con el Joint Research Centre (JRC, Comisión Europea) surgió una propuesta metodológica basada en dos nuevos indicadores de beneficio climático: el índice de mitigación climática (CMI, en inglés) y el diferencial de impacto climático (DCI, en inglés). Del mismo modo, el JRC colaboró en el modelado del carbono biogénico almacenado en los plásticos de origen renovable que dio lugar a un parámetro para ser incorporado en un análisis estático de emisiones (promedio de carbono biogénico almacenado en plásticos de origen renovable) y en uno dinámico (epool, sumatorio de las corrientes de reciclaje, vertedero e incineración a los largo del tiempo). Por tanto, el modelado dinámico del sistema de gestión de residuos (actual y futura) así como el modelado del almacenamiento de carbono biogénico en los plásticos de origen renovable son las principales contribuciones de esta tesis. Los resultados revelan que un análisis estático de las emisiones temporales resultaría insuficiente para la toma de decisiones sobre la sustitución del vertedero por plantas de gasificación avanzadas. El impacto de esta sustitución tiene un efecto positivo a corto plazo para ambos tipos de plantas aunque el concepto de biorefinería termoquímica produciendo plásticos de origen renovable cursa con el mayor beneficio climático. El beneficio a largo plazo no estaría garantizado a no ser que se tomen medidas para la restricción del depósito en vertedero.