Carbon footprint of bio-based polypropylene via hydrotreatment and steam cracking
Kaipainen, Ira (2020)
Diplomityö
Kaipainen, Ira
2020
School of Energy Systems, Ympäristötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120799708
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120799708
Tiivistelmä
Plastics have multiple useful features which have made them indispensable in the functions of everyday life. The growth of plastic industry has only accelerated, even though it has been globally acknowledged as one of the most significant users of fossil fuels and sources of greenhouse gas (GHG) emissions. Bio-based plastics could mitigate the environmental challenges of plastic industry by reducing its reliance on fossil resources. Polypropylene (PP) production from used cooking oil (UCO) via hydrotreatment and steam cracking could provide a convenient production route where renewable waste feedstock could be turned into one of the most demanded plastic types, and the carbon content of UCO could be stored in the material unlike in fuel applications of UCO.
The goal of this thesis is to quantify global warming potential (GWP), land use (LU) and water use (WU) of UCO-based PP through life cycle assessment (LCA) framework and GaBi software modelling. The aim is to determine whether UCO-based PP could reduce GHG emissions compared to petrochemical PP, and which life cycle stages are the most carbon intensive. Additionally, the goal is to examine the sustainability impacts of cultivated virgin feedstocks, soybean, sunflower and canola oil, in this production route.
The carbon footprint of UCO-based PP is 0.80 kg CO2equivalents (CO2eq) per 1 kg, which is a reduction of 53 % to the carbon footprint of petrochemical PP. The most carbon intensive life cycle stages are steam cracking (43 %) and hydrotreatment (30 %). The carbon in UCO-based PP is 100 % biogenic, and its net carbon footprint is -2.34 kg CO2eq. Therefore, it is also viable to act as a carbon sink. The conclusion of the study is that bio-based PP via hydrotreatment and steam cracking has potential to act its part in mitigating climate change. Most sustainable feedstock for the production route is UCO, but due to its high demand and insufficient local collection capacity, canola oil is the next best alternative from climate change perspective. Muoveilla on monia hyödyllisiä ominaisuuksia, jotka ovat tehneet niistä välttämättömiä arkielämän toimissa. Muoviteollisuuden kasvu on vain kiihtynyt, vaikka se on maailmanlaajuisesti tunnistettu yhdeksi merkittävimmistä fossiilisten polttoaineiden käyttäjistä ja kasvihuonekaasupäästöjen lähteistä. Biopohjaiset muovit voisivat lievittää muoviteollisuuteen liittyviä ympäristöhaasteita vähentämällä sen riippuvuutta fossiilisista resursseista. Polypropeenin (PP) valmistaminen käytetyn ruokaöljyn vetykäsittelyllä ja höyrykrakkauksella voisi tarjota kätevän tuotantotavan, jossa uusiutuva jätemateriaali saataisiin muutettua yhdeksi kysytyimmistä muovityypeistä, ja sen sisältämä hiili saataisiin sidottua materiaaliin, toisin kuin polttoainekäytössä.
Tämän diplomityön tavoite on kvantifioida ruokaöljypohjaisen PP:n (Bio-PP) hiilijalanjälki sekä maan- ja vedenkäyttö elinkaariarvioinnin metodologialla ja GaBi-ohjelmistomallinnuksella. Tarkoitus on määrittää voisiko Bio-PP vähentää kasvihuonekaasupäästöjä verrattuna petrokemialliseen PP:iin, ja millä sen elinkaaren vaiheilla on suurimmat ympäristövaikutukset. Tarkoitus on myös selvittää millaisia kestävyysvaikutuksia neitseellisillä raaka-aineilla, soija-, auringonkukka- ja rapsiöljyllä, olisi tässä tuotantotavassa.
Bio-PP:n hiilijalanjälki on 0,80 kg hiilidioksidiekvivalenttia (CO2eq) per 1 kg, joka on 53 % vähemmän kuin petrokemiallisen PP:n hiilijalanjälki. Elinkaarivaiheista höyrykrakkauksella (43 %) ja vetykäsittelyllä (30 %) on suurimmat hiilijalanjäljet. Bio-PP:iin sitoutunut hiili on 100 % biogeenistä, ja sen nettohiilijalanjälki on -2.34 kg CO2eq, minkä vuoksi se voisi toimia myös hiilinieluna. Tutkimuksen lopputulos on, että Bio-PP:n valmistus vetykäsittelyllä ja höyrykrakkauksella on osaltaan potentiaalinen lievittämään ilmastonmuutosta. Kestävin raaka-aine tälle tuotantotavalle on käytetty ruokaöljy, mutta sen suuren kysynnän ja riittämättömän paikallisen keräyskapasiteetin vuoksi, rapsiöljy on seuraavaksi paras vaihtoehto ilmastonmuutoksen kannalta.
The goal of this thesis is to quantify global warming potential (GWP), land use (LU) and water use (WU) of UCO-based PP through life cycle assessment (LCA) framework and GaBi software modelling. The aim is to determine whether UCO-based PP could reduce GHG emissions compared to petrochemical PP, and which life cycle stages are the most carbon intensive. Additionally, the goal is to examine the sustainability impacts of cultivated virgin feedstocks, soybean, sunflower and canola oil, in this production route.
The carbon footprint of UCO-based PP is 0.80 kg CO2equivalents (CO2eq) per 1 kg, which is a reduction of 53 % to the carbon footprint of petrochemical PP. The most carbon intensive life cycle stages are steam cracking (43 %) and hydrotreatment (30 %). The carbon in UCO-based PP is 100 % biogenic, and its net carbon footprint is -2.34 kg CO2eq. Therefore, it is also viable to act as a carbon sink. The conclusion of the study is that bio-based PP via hydrotreatment and steam cracking has potential to act its part in mitigating climate change. Most sustainable feedstock for the production route is UCO, but due to its high demand and insufficient local collection capacity, canola oil is the next best alternative from climate change perspective.
Tämän diplomityön tavoite on kvantifioida ruokaöljypohjaisen PP:n (Bio-PP) hiilijalanjälki sekä maan- ja vedenkäyttö elinkaariarvioinnin metodologialla ja GaBi-ohjelmistomallinnuksella. Tarkoitus on määrittää voisiko Bio-PP vähentää kasvihuonekaasupäästöjä verrattuna petrokemialliseen PP:iin, ja millä sen elinkaaren vaiheilla on suurimmat ympäristövaikutukset. Tarkoitus on myös selvittää millaisia kestävyysvaikutuksia neitseellisillä raaka-aineilla, soija-, auringonkukka- ja rapsiöljyllä, olisi tässä tuotantotavassa.
Bio-PP:n hiilijalanjälki on 0,80 kg hiilidioksidiekvivalenttia (CO2eq) per 1 kg, joka on 53 % vähemmän kuin petrokemiallisen PP:n hiilijalanjälki. Elinkaarivaiheista höyrykrakkauksella (43 %) ja vetykäsittelyllä (30 %) on suurimmat hiilijalanjäljet. Bio-PP:iin sitoutunut hiili on 100 % biogeenistä, ja sen nettohiilijalanjälki on -2.34 kg CO2eq, minkä vuoksi se voisi toimia myös hiilinieluna. Tutkimuksen lopputulos on, että Bio-PP:n valmistus vetykäsittelyllä ja höyrykrakkauksella on osaltaan potentiaalinen lievittämään ilmastonmuutosta. Kestävin raaka-aine tälle tuotantotavalle on käytetty ruokaöljy, mutta sen suuren kysynnän ja riittämättömän paikallisen keräyskapasiteetin vuoksi, rapsiöljy on seuraavaksi paras vaihtoehto ilmastonmuutoksen kannalta.