Technical and environmental analysis on the power production from residual biomass using hydrogen as energy vector

Abstract

Decarbonization of energy by using renewable sources is a global need to tackle climate change. Herein, we report on the techno-environmental analysis of the use of sugarcane press-mud, a residual biomass, as feedstock to produce power in a fuel cell by using hydrogen (H2) as energy vector. Technical analysis was performed by using experimental and Aspen plus simulation results whereas environmental analysis was assessed through life cycle assessment. Raw bioethanol was used as H2 source, which was purified by three different technologies, i.e., flash, mash, and rectification columns. Mash column was selected as the suitable process to purify bioethanol for producing H2 and power, mainly ascribed to the reduction of bioethanol impurities that increases H2 yield, reduces energy demand, and mitigates the environmental impact in terms of global warming potential and acidification potential. This technology presented an energy efficiency of 56 %, a renewability factor of 1.24 and a carbon footprint of 1.21 kg CO2 kWh−1. Additionally, the use of residual biomass showed environmental benefits in comparison with the use of first-generation bioethanol from sugarcane molasses. Therefore, using sugarcane press-mud as power source in rural areas can diversify the energy sources to move towards a decarbonized economy.

La descarbonización de la energía mediante el uso de fuentes renovables es una necesidad mundial para hacer frente al cambio climático. En este documento, informamos sobre el análisis tecnoambiental del uso de lodo de prensa de caña de azúcar, una biomasa residual, como materia prima para producir energía en una celda de combustible utilizando hidrógeno (H2) como vector de energía. El análisis técnico se realizó mediante el uso de resultados experimentales y de simulación de Aspen plus, mientras que el análisis ambiental se evaluó mediante la evaluación del ciclo de vida. Se usó bioetanol crudo como fuente de H2, que se purificó mediante tres tecnologías diferentes, es decir, columnas flash, macerado y de rectificación. La columna de puré fue seleccionada como el proceso adecuado para purificar bioetanol para producir H2 y energía, principalmente atribuido a la reducción de impurezas de bioetanol que aumenta el rendimiento de H2, reduce la demanda de energía y mitiga el impacto ambiental en términos de potencial de calentamiento global y potencial de acidificación. Esta tecnología presentó una eficiencia energética del 56 %, un factor de renovabilidad de 1,24 y una huella de carbono de 1,21 kg CO2 kWh−1. Además, el uso de biomasa residual mostró beneficios ambientales en comparación con el uso de bioetanol de primera generación a partir de melaza de caña de azúcar. Por lo tanto, el uso de lodo prensado de caña de azúcar como fuente de energía en áreas rurales puede diversificar las fuentes de energía para avanzar hacia una economía descarbonizada.