Life cycle assessment of energy production from forest residues

Abstract

The production of bioenergy from forest biomass residues has been increasing in the last years in Portugal, mainly as a consequence of concerns related to climate change and forest fires. However, the potential environmental impacts associated with its production should be quantified to support decision-making. This quantification can be performed by using life cycle assessment (LCA), a methodology that evaluates the entire life cycle of a product or process (from the extraction of the raw materials until its end-of-life), allowing to identify the most significant stages and processes along the life cycle. Currently, there is a limited number of LCA studies concerning the production of bioenergy from forest biomass residues. In addition, those studies usually exclude the end-of-life stage (ash management) or only consider ash disposal in landfill, disregarding the valorisation alternatives. Furthermore, given the constraints on forest residues availability, it is important to assess the best use for these residues from an environmental perspective. Therefore, this thesis aims to contribute to increase the knowledge of the environmental performance of the bioenergy sector in Portugal. The two most representative combustion technologies for electricity production from forest biomass residues (grate furnace and fluidised bed) are assessed and compared using LCA throughout all stages of the value chain, namely, forest management, collection, processing, transportation, energy conversion and end-of-life. Moreover, LCA is applied to the end-of-life stage of the ash generated during the combustion of forest biomass residues to evaluate two valorisation alternatives (construction materials and soil amelioration) and compare with ash landfilling. Various scenarios are included in order to identify the most efficient option from an environmental point of view. Additionally, a consequential LCA is used to evaluate the best valorisation option for the forest biomass residues, namely, electricity, heat or bioethanol, in comparison with a baseline that entails leaving the residues in the forest soil and energy is produced from fossil fuels. The results show that fluidised bed presents smaller environmental impacts than grate furnace for all impact categories analysed. Regarding ash valorisation in construction materials, all scenarios assessed had a lower environmental impact than landfilling in all the impact categories. However, the valorisation of ash for soil amelioration presents higher environmental impacts than landfilling for some impact categories, indicating that it can potentially increase the amount of pollutants in the soil. Finally, the results of the consequential LCA indicate that the best use of the forest biomass residues is cogeneration of electricity and heat, but for some impact categories it would only perform environmentally better than the baseline under particular conditions.

A produção de bioenergia a partir de resíduos florestais tem aumentado nos últimos anos em Portugal devido às preocupações relacionadas com as alterações climáticas e os incêndios florestais. No entanto, os potenciais impactes ambientais associados à sua produção devem ser quantificados para suportar a tomada de decisão. Esta quantificação pode ser realizada com recurso à avaliação de ciclo de vida (ACV), uma metodologia que avalia todo o ciclo de vida de um produto ou processo (desde a extração das matérias-primas até ao seu fim de vida), permitindo identificar as etapas e processos mais significativos ao longo do seu ciclo. Atualmente, existe um número limitado de estudos de ACV relacionados com a produção de bioenergia a partir de resíduos florestais. Além disso, esses estudos geralmente excluem a etapa de fim de vida (gestão das cinzas) ou consideram apenas a deposição de cinzas em aterro, excluindo as alternativas de valorização. Complementarmente, dadas as restrições à disponibilidade de resíduos florestais, é necessário avaliar o melhor uso desses resíduos do ponto de vista ambiental. Assim, esta tese pretende contribuir para aumentar o conhecimento do desempenho ambiental do setor da bioenergia em Portugal. As duas tecnologias de combustão mais representativas para a produção de eletricidade a partir de resíduos florestais (fornalha de grelha e leito fluidizado) foram avaliadas e comparadas através da metodologia de ACV ao longo de todas as etapas da cadeia de valor, nomeadamente a gestão florestal, recolha, processamento, transporte, conversão em energia e fim de vida. Além disso, a ACV é aplicada na etapa de fim de vida da cinza gerada durante a combustão dos resíduos florestais para avaliar duas alternativas de valorização (materiais de construção e correção do solo) e comparar com a deposição da cinza em aterro. Nesse sentido, foram incluídos vários cenários para identificar a opção mais eficiente do ponto de vista ambiental. Adicionalmente, é usada a ACV consequencial para avaliar a melhor opção de valorização dos resíduos florestais, nomeadamente eletricidade, calor ou biocombustíveis, em comparação com um cenário de referência em que os resíduos são deixados no solo florestal e a energia é produzida a partir de combustíveis fósseis. Os resultados obtidos mostram que o leito fluidizado apresenta menores impactes ambientais do que a fornalha de grelha para todas as categorias de impacte analisadas. No que respeita à valorização das cinzas nos materiais de construção, todos os cenários avaliados apresentam um impacte ambiental inferior ao da deposição em aterro em todas as categorias de impacte. No entanto, a valorização das cinzas para correção da qualidade do solo apresenta maiores impactes ambientais do que o aterro para algumas categorias de impacte, indicando que potencialmente pode aumentar a quantidade de poluentes no solo. Finalmente, os resultados da ACV consequencial indicam que a cogeração de eletricidade e calor é a melhor opção para a valorização dos resíduos florestais, embora para algumas categorias de impacte o seu desempenho ambiental só é melhor que o do cenário de referência em determinadas condições.