Comparative life cycle assessment of pressurized hot water extraction based lignocellulosic biorefinery using multiple scenario analysis

Thumbnail Image

Files

master_Ristimäki_Rita_2025.pdf (2.03 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-09-07

Department

Major/Subject

Biosystems and Biomaterials Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

94

Series

Abstract

Innovation development for novel concepts such as biorefineries using pressurized hot water extraction (PHWE) requires robust tools for evaluating environmental performance early in the design process. Comparative Life Cycle Assessment (LCA), using scenario analysis, can be used to benchmark different system configurations, helping to identify optimization potential. Beyond identifying environmental hotspots, it is also crucial to understand how early-stage modelling assumptions influence results and shape interpretation. The main objective of this thesis is to analyze how different resource integration strategies, such as water recycling and byproduct valorization, as well as foreground modelling choices, affect the environmental performance of an integrated PHWE-based biorefinery. To address this, I developed multiple modular cradle-to-gate LCA models representing different system configurations, based on pilot-scale data, incorporating a scale-up procedure and data source hierarchy. Environmental performance was evaluated both at a system and product level across several impact categories. The results showed that feedstock production consistently contributed over 50% of the Global Warming Potential (GWP) across all scenarios. Heat generation also emerged as a significant contributor, with its environmental impacts varying according to sourcing and allocation strategies. Water recycling offered marginal GWP improvements but raised questions about trade-offs in Water Consumption (WC), due to wastewater treatment. Allocation methods strongly influenced Land Use (LU) and WC results. At the product level, sensitivity to different flows was identified, but the differences remained relatively minor. Overall, the study demonstrates that in an integrated biorefinery concept, modelling choices for key hotspot flows that originate from the host mill can outweigh the environmental efficiencies of the biorefinery process itself. It provides a transparent workflow for scaling pilot data into full system LCA models and clarifies considerations for the biorefinery-level design. Finally, it highlights areas where policy-level support is crucial to ensuring the sustainability of such emerging technologies.

Uusien konseptien, kuten paineistettuun kuumavesiuuttoon (PHWE) perustuvien biojalostamoiden kehittäminen, edellyttää luotettavia työkaluja ympäristövaikutusten arviointiin jo suunnittelun alkuvaiheessa. Vertailuun perustuva elinkaariarviointi (LCA) ja skenaarioanalyysi mahdollistavat erilaisten järjestelmäkonfiguraatioiden arvioinnin ja optimointimahdollisuuksien tunnistamisen. Ympäristövaikutusten lisäksi on tärkeää ymmärtää, miten alkuvaiheessa tehdyt mallinnusvalinnat vaikuttavat tuloksiin ja niiden tulkintaan. Tämän työn tavoitteena on analysoida, miten erilaiset resurssien hyödyntämisstrategiat, kuten vedenkierrätys ja sivuvirtojen hyödyntäminen, sekä miten alkuvaiheen mallinnusvalinnat vaikuttavan integroidun PHWE-pohjaisen biojalostamon ympäristövaikutuksiin. Tätä varten kehitettiin useita modulaarisia, kehdosta-portille-rajattuja elinkaarimalleja, jotka perustuivat biojalostamon pilotista kerättyyn dataan. Tämä tehtiin käyttämällä tutkimuksessa kehitettyä tietolähdehierarkiaa sekä skaalausmenettelyä. Vaikutuksia arvioitiin koko biojalostamon ja yksittäisten tuotteiden tasoilla eri ympäristövaikutusluokkien avulla. Tulokset osoittavat, että pääraaka-aine (sahanpuru) ja sen tuotanto muodosti yli 50 prosenttia ilmaston lämmityspotentiaalista (GWP, CO2 päästöt) kaikissa skenaarioissa. Myös käytetyn lämmön tuotanto ja lähde olivat merkittäviä tekijöitä, ja niiden vaikutukset vaihtelivat tuotantotavan, sekä ympäristövaikutusten allokoinnin mukaan. Vedenkierrätys toi vain vähäisiä GWP-parannuksia, mutta nosti esiin ristiriitoja vedenkäyttö-vaikutuskategorian (WC) ja jätevedenkäsittelyprosessin välillä. Allokointimenetelmillä oli suuri vaikutus etenkin maa-alan käytön (LU) ja WC:n tuloksiin. Tuotteiden välisiä eroja herkkyydessä eri materiaalivirtoihin kyettiin havaita, mutta erot pysyivät vähäisinä. Tutkimus osoittaa, että integroidussa biojalostamokonseptissa emäntälaitoksesta peräisin olevien kuormitusvirtojen mallinnusvalinnoilla voi olla ratkaisevampi vaikutus ympäristökuormitukseen kuin biojalostamon omalla toiminnalla. Tämä työ tarjoaa läpinäkyvän menetelmän pilottidatan skaalaamiseksi elinkaariarviointeihin ja tukee varhaisen vaiheen suunnittelupäätöksiä. Se tuo esiin myös poliittisen päätöksenteon kohteita, jotka pystyvät tukemaan vastaavien biojalostamokonseptien kestävyyttä.

Description

Supervisor

Dessbesell, Luana

Thesis advisor

Kamravamanesh, Donya

Keywords

lignocellulosic biorefinery, early-stage LCA, comparative LCA, pressurized hot water extraction, multiple scenario analysis, modular LCA modelling, multi-output system, sustainable bioeconomy, Finnish biomass resources

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510208343

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM