Biojet fuel production via alternative thermochemical routes: thermoeconomic, life cycle and flight performance analysis

Resumen

La integración económica, tecnológica, política, social y cultural a nivel mundial incide directamente en la demanda energética, la dependencia de los combustibles fósiles y el cambio climático. En este sentido, la industria de transporte aéreo es una piedra angular de la globalización, proyectando duplicar sus operaciones antes de 2040. Por lo tanto, la investigación en fuentes de energía sostenible es imperativa. Se espera que el combustible biojet desempeñe un papel importante en la transición energética hacia un futuro con bajas emisiones de carbono. Éste ha demostrado su idoneidad para ser mezclado con el combustible de aviación derivado del petróleo. Sin embargo, estudios recientes han apuntado al combustible biojet a partir de alcohol celulósico y aceite vegetal residual como un sustituto potencial del Jet A1 debido a la disponibilidad de materia prima, su renovabilidad, las tecnologías de procesamiento y su composición físico-química. Esta tesis evalúa exhaustivamente la eficiencia de los modelos de biorrefinería para la producción de combustible biojet como componente de mezcla Jet A1 a través de las rutas termoquímicas de Alcohol-a-Jet (ATJ) y Ésteres Hidroprocesados y Ácidos Grasos (HEFA). La materia prima seleccionada para el estudio ha sido la biomasa lignocelulósica de residuos de cultivos oleaginosos. El proceso ATJ implica la obtención del etanol celulósico y su posterior procesado a combustible biojet mediante deshidratación, oligomerización e hidrotratamiento. Además, se utilizó isobutanol derivado de celulosa para producir triisobutano empleando el modelo cinético de oligomerización. Por otro lado, el proceso HEFA utilizó aceite vegetal de residuos como materia prima primaria y destilados de ácidos grasos mediante hidrólisis térmica, descarboxilación e hidrotratamiento. Los modelos fueron construidos con el software de simulación de procesos de ingeniería química AspenPlus® v.11 basado en metodologías experimentales y certificadas. Las rutas estudiadas fueron evaluadas mediante análisis tecnoeconómicos, exergéticos y termoeconómicos detallados con el objetivo de optimizar la cadena productiva. Asimismo, se realizó un análisis de sensibilidad para determinar la competitividad económica de los combustibles biojet obtenidos. Se realizaó el análisis de ciclo de vida con el software SimaPro® v.9.0. La evaluación resultó en emisiones de GEI inferiores a las de la producción de Jet A1 derivado del petróleo. Finalmente, se calcularon las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas del combustible biojet y se compararon con las especificaciones ASTM D7566 para garantizar la homogeneidad, la calidad de la combustión y el cumplimiento de los requisitos de seguridad. Además, se realizó un cálculo de carga útil frente a rango en vuelos de largo y medio alcance para evaluar el rendimiento del combustible biojet en condiciones de vuelo particulares sin condicionar la capacidad de pasajeros y carga o el rango de vuelo. ----------ABSTRACT---------- The economic, technological, political, social, and cultural integration directly affects the energy demand, dependence on fossil fuels, and climate change. In this regard, the air transportation industry is a cornerstone in globalization, projecting to double its operations before 2040. Thus, sustainable energy sources research is imperative. Biojet fuel is expected to play a significant role in the energy transition for a low-carbon future. It has already proved its blending suitability with petroleum-derived aviation fuel. Nevertheless, recent studies have pointed to biojet fuel from cellulosic alcohol and residual vegetable oil as a potential surrogate due to feedstock availability, renewability, processing technologies, and physico-chemical composition. This thesis comprehensively assesses biorefinery models’ efficiency for biojet fuel production as Jet A1 blending component through the Alcohol-to-Jet (ATJ) and Hydroprocessed Esters and Fatty Acids (HEFA) thermochemical routes. The selected feedstock for the study was lignocellulosic biomass from oleaginous crops residues. The ATJ process involved cellulosic ethanol processing and its subsequent upgrade to biojet fuel by dehydration, oligomerization and hydroprocessing. Besides, cellulose-derived isobutanol was utilized to produce triisobutane employing the oligomerization kinetic’s model. On the other hand, the HEFA process used vegetable oil from residues as the primary feedstock and fatty acid distillates through thermal hydrolysis, decarboxylation and hydroprocessing. The models were built in AspenPlus® v.11 chemical engineering process simulation software based on experimental and approved methodologies. The studied routes were evaluated through exhaustive techno-economic, exergetic and thermoeconomic analyses for the production chain optimizing. Also, a sensibility analysis was performed for the biojet fuels economic competitiveness determination. The life cycle assessment was carried out in SimaPro® v.9.0 modelling software. Current environmental policies supported the assessment resulting, in all cases, in GHG emissions under those from petroleum-derived Jet A1 production. Finally, biojet fuel physico-chemical and thermodynamical properties were calculated and compared with the ASTM D7566 specifications to ensure homogeneity, combustion quality and compliance with safety requirements. Furthermore, a payload vs range calculation for long and intermediate-range flights was performed to assess the biojet fuel performance under particular flight conditions without conditioning the passenger and cargo capacity or flight range.