Identification of efficient and affordable technologies for sustainable production of biodiesel from various bio-resources

Abstract

Population growth and a significant improvement in living standards in most parts of the world has resulted in an increasing energy demand. Fossil fuels are used for most of the world’s energy demands. However, fossil fuels have been identified to be one of the main sources of greenhouse gas (GHG) and other environmental pollutants. Fossil fuels are increasingly more difficult to obtain to support the world’s expanding economic activities. Therefore, the search for alternative renewable energy resources that could secure the world energy supply without imposing significant negative impact on the natural environment is inevitable. Biofuels are promising renewable energy alternatives to replace petroleum fuels. Among such biofuels is biodiesel, which is non-toxic and biodegradable and has low GHG emmisions compared to the fossil diesel. Biodiesel can be produced easily from various feedstock types using a number of different technologies. Homogeneous base catalyzed transesterification is the conventional way to produce biodiesel at an industrial scale. However, this catalyst technology requires oil feedstock with very high purity, such as edible oil. The high price of edible oil could increase the overall production cost so that biodiesel would not be economically competitive with fossil diesel. There are also food versus energy controversies. Consequently, the high cost of production has been the main constraint for wide spread use of biodiesel fuel. Since the cost of feedstock comprises more than 80% of the total biodiesel production cost, identifying a production process that could produce fuel grade biodiesel from low quality and cheap feedstock would be indispensable. The primary objective of the present PhD thesis is, therefore, to identify technically efficient and economically affordable technologies for the production of fuel quality biodiesel from non-edible and cheap oil feedstock. In doing so, the thesis attempted to evaluate the techno-economic performances of some selected production technologies. In addition, in order to optimize the production processes, the thesis assessed the sensitivity of the production technologies towards the change in market values of inputs and outputs as well as the change in production capacity. The entire study is process simulation based using two-advanced software - Aspen Plus® and Super Pro®. The present PhD thesis is based on seven scientific papers that are geared towards achieving the same objective as this thesis, as stated above. It is evident from the vast scientific literatures that there have been enormous amount of research undertaken on the production of biodiesel using different technological routes. Therefor, the approach that we first considered was a review of the relevant literatures to provide an overview of the advantages and disadvantages of the main transesterification techniques for biodiesel production (Paper I). Categorized by their catalyst type, the technologies have been evaluated for their choice of feedstock as well as for their reaction conditions, which are required to efficiently convert the feedstock to biodiesel. A state of the art review of the available literatures has been undertaken to investigate the economics of biodiesel production (Paper II). This review was related to the determination and comparison of the total cost of investment, direct production costs as well as various system variables affecting profitability among different production technologies and production scales. Two effective catalyst technologies (Sulfuric acid and Calcium oxide) were selected for further assessment of the techno-economic performances of the process alternatives (Paper III). Three complete process flows were designed using these catalysts separately and in combination. The sensitivity of the process alternatives were also analyzed for changes in market values of oil cost and biodiesel selling price. To have a base for optimizing the process, a comprehensive investigation of the effect of more market variables on the feasibility of the CaO catalyzed process has been carried out (Paper IV). This sensitivity analysis was performed over the market value of the price of biodiesel, glycerol, oil feedstock, alcohol, catalyst, and labor cost, equipment maintenance cost as well as a variation of local tax to test how these variables could affect the feasibility of the business. In an extended study, the techno-economic performances of the different layouts of biodiesel production processes using sulfuric acid catalyst have been assessed (Paper V). Four different scenarios of sulfuric acid catalyzed biodiesel production processes have been simulated based on four different arrangements of operation units for major downstream processes. The sensitivity analysis was undertaken to investigate how Net Present Value (NPV) and Payback time could be affected by a change in market values of biodiesel selling price and oil purchasing cost. This could help to identify the most tolerant alternative to the global market fluctuations of the variables. Similarly, the techno-economic implications of the different process layouts and capacities of biodiesel production using a CaO catalyst has also been investigated (Paper VI). In this study, four scenarios of biodiesel production processes using a CaO catalyst have been designed based on the different possible arrangements of each unit procedure required to produce biodiesel from acidic oil. These four process scenarios have also been redesigned into two additional feedstock capacities (with a total of three feedstock capacities: 3106.34, 5177.23, and 7248.12 kgh−1) to investigate the economic effect of variation of the oil feeding capacities. The latest catalyst technologies that are proved to be viable in converting non-edible oil to biodiesel are also included in the study (Paper VII). The catalyst studied are bulk CaO, enzyme, ionic liquid and nano CaO particle, for which the whole process flow has been designed to investigate techno-economic performances of the alternatives for production of fuel grade biodiesel from low quality feedstock.

Befolkningsøkning og en samtidig betydelig økning i levestandarden i de fleste områdene i verden har bidratt til et stadig økende behov for energi. Fossilt brennstoff dekker i dag mesteparten av verdens energibehov. Imidlertid er fossil brennstoff pekt på som en av de viktigste bidragsyterne til klimagassutslipp og global oppvarming, samt andre miljøforurensninger. Det er stadig vanskeligere å skaffe nok fossilt brennstoff for å sikre økonomisk utvikling i mange land, spesielt i Afrika. Derfor er det avgjørende at man finner alternative, fornybare energikilder som kan sikre verdens energibehov, uten samme betydelige negative innflytelse på miljøet som fossilt brensel. Bioenergi kan være lovende fornybare kilder for å erstatte oljebaserte energikilder. En av disse er biodiesel, som ikke er giftig, er nedbrytbar og har lave klimagassutslipp sammenlignet med fossile kilder. Biodiesel kan utvinnes fra mange typer biologisk materiale, ved hjelp av flere teknologier. Homogen base katalysert transesterifisering er den konvensjonelle måten å produsere biodiesel industrielt. Imidlertid krever denne katalysatormetoden en olje av meget høy kvalitet, slik som matolje. Høy pris på matolje hindrer biodiesel fra matolje i å kunne konkurrere prismessig med fossil diesel. I tillegg har man konflikten mellom mat og energiproduksjon. Som et resultat av dette, har høye produksjonskostnader vært det viktigste hinderet for utstrakt bruk av biodiesel. Siden prisen på biologisk material utgjør mer enn 80% av den totale kostnaden for biodieselproduksjon, blir det derfor nødvendig å identifisere en produksjonsprosess som kan produsere biodiesel av god nok kvalitet (‘fuel grade’) fra billig biologisk materiale av lav kvalitet. Hovedproblemstillingen i denne doktoravhandlingen er derfor å identifisere effektive og økonomisk bærekraftige teknologier for å produsere ‘fuel quality’ biodiesel av ikke-spiselige og billige biologiske oljekilder. Gjennom dette har avhandlingen forsøkt å evaluere de tekno-økonomiske forutsetningene av utvalgte produksjonsteknologies. I tillegg har avhandlingen undersøkt hvor følsomme teknologiene er for endringer i markedsverdien av innsatsfaktorer og ytelse, så vel som endringer i produksjonskapasitet, i en søken etter å optimalisere produksjonsprosessen. Hele avhandlingen er gjort ved simuleringsstudier av prosessene basert på to dataprogrammer - Aspen Plus® and Super Pro®. Avhandlingen består av syv vitenskapelige artikler som alle er rettet mot å oppnå det samme målet som avhandlingen som helhet, som er gjengitt tidligere. Vitenskapelig litteratur viserat det har vært utført en enorm forskningsinnsats innenfor produksjon av biodiesel, gjennom bruk av forskjellige teknologier. Vi skrev først en oversiktsartikkel basert på relevant litteratur for å skaffe en oversikt over fordeler og ulemper av de viktigste transesterifiserings teknologiene for biodiesel produksjon (Artikkel I). Kategorisert etter katalysatoregenskapene, har teknologiene blitt evaluert i henhold til biologisk material, samt for forholdene de behøver for å få reaksjonene til å være optimale for å omdanne biologisk materiale til biodiesel. Vi har en oversiktsartikkel som har gjennomgått litteraturen for å sammenfatte hva som er økonomisk lønnsomt i forhold til biodieselproduksjon (Artikkel II). Denne oversikten var relatert til bestemmelse og sammenligning av de totale investeringskostnadene, direkte produksjonskostnader, så vel som forskjellige systemvariabler som kan påvirke lønnsomheten til ulike produksjonsteknologier og skala av produksjonen. To effektive katalysator-teknologier (svovelsyre og kalsiumoksid, CaO) ble deretter valgt for nærmere studier av tekno-økonomisk karakter for prosessalternativene (Artikkel III). Tre komplette prosessflytskjema ble designet der man brukte disse katalysatorene hver for seg eller samtidig. Sensitiviteten til de ulike prosessalternativene ble også analysert med tanke på endringer i markedet for olje, og for salgsprisen på biodiesel. For å ha et utgangspunkt for optimalisering av prosessen, foretok vi en grundig undersøkelse av hvilken virkning de ulike markedsvariablene hadde på muligheten for å gjennomføre en katalysatorprosess ved hjelp av CaO (Artikkel IV). Denne sensitivitetsanalysen ble foretatt på markedsverdien ved hjelp av prisen på biodiesel, glycerol, olje, alkohol, katalysator, lønnskostnader, vedlikehold, så vel som lokalt skattetrykk, for å se hvordan disse variablene påvirket lønnsomheten. I en utvidet analyse så vi på den tekno-økonomiske yteevnen til ulike produksjonssystemer ved å bruke svovelsyre som katalysator (Artikkel V). Fire ulike scenarier for biodieselproduksjon med svovelsyre ble simulert, basert på fire ulike sammensetninger av enhetene for produksjon for hovedprosessene nedstrøms. Sensitivitetsanalysen ble foretatt for å se på hvordan ‘Net Present Value (NPV)’ og ‘Payback time’ ble påvirket av endringer i markedet for verdien av biodiesel kostnaden ved kjøp av olje. Dette vil bidra til å identifisere de mest robuste alternativene med vekslende pris i et globalt marked. De tekno-økonomiske påvirkningene av ulike produksjonssystemer og kapasitet for biodieselproduksjon ved hjelp av en CaO-katalysator har blitt analysert ved samme metode (Artikkel VI). I denne studien har fire scenarier for biodiesel produksjon der CaO ble brukt som katalysator, blitt utført basert på ulike mulige sammensetninger av hver produksjonsenhet, i den hensikt å produsere biodiesel fra syreolje (acidic oil). Disse fire prosess-scenariene har også blitt redesignet for ytterligere to matehastigheter for biomateriale (noe som gir totalt tre matehastigheter: 3106.34, 5177.23, og 7248.12 kgh−1). Dette er gjort for å undersøke effekten på den økonomiske gevinsten når man endrer matekapasitet. Den nyeste katalysatorteknologien som har vist seg å være brukbar til å konvertere ikke-spiselig olje til biodiesel er brukt i den siste artikkelen i avhandlingen (Artikkel VII). Katalysatoren brukt her er bulk CaO, enzym, Ioniske løsninger og Nano CaO partikler, hvor hele prosessflyten er designet for å undersøke det tekno-økonomiske utbyttet av de ulike alternativene for produksjon av drivstoffklasse biodiesel fra biologisk materiale av lav kvalitet.