Morais, Simone BarreiraSOUSA, ANA CATARINA COSTA2026-03-062026-03-062024-07-16http://hdl.handle.net/10400.22/32023In this study, a life cycle assessment was performed that compares the impacts associated with the joint production of two fuel alternatives to fossil natural gas by two different production pathways. The production of biomethane (BioCH4) and synthetic natural gas (SNG) for injection into the natural gas distribution network is carried out from biogas obtained from sewage sludge, a residue from wastewater treatment plants, by two pathways that differ in the upgrading technology employed in the separation of methane from carbon dioxide. One of the pathways separates these compounds through a membrane (MP), the most commercially applied technology, and the other captures carbon dioxide through hydrate formation in a microreactor under development, the NetMIX microreactor (HBGtS). In each of these pathways, a scenario of the impact of the production of solely biomethane was also evaluated. The determination of the total potential production of SNG and biomethane in Portugal was also an objective of the study as well as its associated impact and the effect that the use of renewable sources of electricity, solar and wind energy, has on the environmental impact of production. The life cycle assessment was prepared by applying the characterization factors included in the ReCiPe 2016 method, available in the SimaPro software, using seven of the categories provided by the method. For all the analyzed categories, except water consumption and global warming potential, the highest impacts are attributed to the scenarios producing both BioCH4 and SNG. For the scenarios producing biomethane, the heavier impact is observed in the pathway using HBGtS as the upgrading unit. The global warming potentials show greater impacts on the scenario where biomethane and synthetic natural gas are produced, scenarios 1 and 3, and a heavier contribution from the Electrolysis process, accounting 76.2% and 71.0% of total global warming potentials, respectively for the pathway using MP and HBGtS as upgrading technology. When only BioCH4 is the final product, scenarios 2 and 4, a reduction of impacts is observed in the MP upgrading pathway, and an increase is observed on the HBGtS upgrading pathway, in comparison with the other scenario in the respective pathway. The HBGtS upgrading unit burden contributes with 11.4% and 74.5% of the total global warming potentials, respectively in scenarios 3 and 4, with electricity consumption, 72% of process contribution, and with emissions associated with treatment of the wastewater that leaves the process, 28%. The MP upgrading unit, in turn contributes to total impact of about 4.5% and 32.9%, in scenarios 1 and 2, solely from electric power fed to the system. When assumed a water recycling system, HBGtS’ electricity burden still makes its impacts prevail over the use of membrane separation, opposing 0.0077 and 0.0035 kg CO2/MJ. In order to turn the HBGtS technology into a more competitive approach becomes crucial the use of promoters in hydrate formation that aim to reduce the operating pressure and so the energy consumption. Also, a more precise assessment of the information collected to the upgrading technologies inventory may be a future work to be done, in order to mitigate the uncertainty aspects and allow a more precise and fair comparison. Some uncertainty aspects are the extrapolation of the Aspen simulations data, which assumes the best possible case, for the HBGtS upgrading unit. Concerning the MP upgrading unit, the different flow and composition from where the data was collected, and the not consideration of the membrane lifetime. Regarding the MP upgrading unit, the scale and composition disparity towards the case study, the non-inclusion of aspects related to the used membrane materials as well as its lifetime and maintenance requirements. The lowest impacts were obtained for the MP pathway with a global warming potential of 0.08 kg CO2/MJ of BioCH4+SNG and 0.03 kg CO2/MJ for BioCH4 production, the latter revealing the pathway with the best environmental performance per energy unit of final product. In Portugal, the biomethane production potential is 175,000 MJ/h which results in a global warming potential in the MP pathway of 13.8 t kg CO2/h for the scenario producing BioCH4 and SNG and for the BioCH4 production is 6.0 t kg CO2/h. The use of solar and wind-sourced electricity causes a 62% and 73% reduction in the global warming potentials respectively for the MP pathway scenario 1, and 61% and 70% for the HBGtS pathway, scenario 3. The use of renewable electric energy in the electrolysis process shows its advantages.Neste estudo foi realizada uma avaliação de ciclo de vida que compara os impactos associados à produção conjunta de dois combustíveis alternativos ao gás natural fóssil por duas cadeias de produção distintas. A produção de biometano (BioCH4) e gás natural sintético (GNS) destinados à injeção na rede de distribuição de gás natural é realizada a partir de biogás obtido de lamas de depuração, um resíduo das Estações de Tratamento de Águas Residuais, por duas cadeias que se distinguem pela tecnologia de purificação aplicada na separação do metano do dióxido de carbono. Uma das cadeias faz a separação através de uma membrana (MP), tecnologia mais comummente aplicada, e outra faz a captura do dióxido de carbono através da formação de hidratos num microreator em desenvolvimento, o NetMIX microreactor (HBGtS). Em cada uma destas cadeias, um cenário do impacto da produção única de Biometano é também avaliada. A determinação da produção total potencial de GNS e Biometano em Portugal representou também um objetivo do estudo assim como o seu impacto associado e o efeito que a utilização de fontes renováveis de eletricidade, energia solar e eólica, tem no impacto ambiental da produção. A avaliação de ciclo de vida foi elaborada através da aplicação dos fatores de caracterização incluídos no método ReCiPe 2016, disponível no software SimaPro, sendo utilizadas sete das categorias fornecidas pelo método. Para todas as categorias analisadas, exceto o consumo de água e o potencial de aquecimento global, os impactos mais elevados são atribuídos aos cenários de produção de biometano e de gás natural sintético. Para os cenários de produção de biometano, o maior impacte é observado no cenário que utiliza o HBGtS como unidade de valorização. Os potenciais de aquecimento global mostram impactos mais elevados no cenário em que tanto o BioCH4 e o GNS são produzidos, cenários 1 e 3, e uma maior contribuição do processo de eletrólise, representando 76,2% e 71,0% do total de potencial de aquecimento global, respetivamente para a cadeia que utiliza MP e HBGtS como tecnologia de purificação. Quando apenas o BioCH4 é o produto final, cenários 2 e 4, há uma redução dos impactos na cadeia de purificação com MP e um aumento na cadeia com purificação HBGtS, em comparação com o outro cenário na respectiva cadeia. A purificação com HBGtS contribui com 11,4% e 74,5% do total dos potenciais de aquecimento global nos cenários 3 e 4, respetivamente, sendo o consumo de eletricidade responsável por 72% da contribuição do processo, e com as emissões associadas ao tratamento das águas residuais que saem do processo, 28%. A unidade de purificação por MP, por sua vez, contribui para um impacto total com cerca de 4,5% e 32,9%, nos cenários 1 e 2, apenas devido à energia eléctrica fornecida ao sistema. Quando se assume um sistema de reciclagem de água, o consumo eléctrico do HBGtS ainda faz com que os seus impactos prevaleçam sobre a utilização da separação por membranas, opondo 0,0077 e 0,0035 kg CO2/MJ. Para a tecnologia HBGtS ser competetiva será crucial usar-se promotores para a produção de hidratos que baixam a pressao de operacao e portanto o consumo energéticos. É também de ressalvar que uma avaliação mais precisa das informações recolhidas para o inventário das tecnologias de modernização deverá ser um trabalho futuro a realizar, a fim de atenuar os aspectos de incerteza e permitir uma comparação mais precisa e equitativa. Alguns pontos de incerteza são a extrapolação realizada na informação obtida para a unidade de purificação HBGtS. Relativamente à unidade de purificação MP, as discrepâncias de escala e composição face ao caso de onde foi retirada a informação, a não inclusão de aspectos relativos aos materiais das membranas utilizadas, e a não consideração do tempo de vida e necessidades de manutenção das membranas. Os impactos mais baixos foram obtidos para a cadeia MP, com um potencial de aquecimento global de 0,08 kg CO2/MJ para a produção de BioCH4+SNG e de 0,03 kg CO2/MJ para a produção de BioCH4, revelando-se este último o cenário com melhor desempenho ambiental por unidade de energia de produto final. Em Portugal, o potencial de produção de biometano é de 175.000 MJ/h, o que resulta num potencial de aquecimento global na cadeia de porificação com MP de 13,8 t kg CO2/h para o cenário de produção de BioCH4 e SNG e para a produção de BioCH4 é de 6,0 t kg CO2/h. A utilização de eletricidade de origem solar e eólica provoca uma redução de 62% e 73% nos potenciais de aquecimento global, respetivamente, para o cenário 1 da cadeia MP, e de 61% e 70% para o cenário 3 da cadeia com HBGtS. A utilização de eletricidade renovável no processo de eletrólise mostra as suas vantagens.engBiogas UpgradingMembrane Permeation TechnologySewage SludgeWastewater Treatment PlantLife cycle assessmentNetMIX technologyHydrate-based carbon captureBiomethaneSynthetic Natural Gasmaster thesis204226872