Syftet med den här studien är att göra en teknoekonomisk utvärdering av processer för förvätskning av CO2 med hjälp av Aspen Plus. Ett flertal förvätskningsprocesser från tidigare studier jämfördes och från dessa valdes två förvätskningsprocesser ut för fortsatta studier och simuleringar. Dessa två förvätskningsprocesser var ett internt kylt förvätskningssystem och ett externt kylt förvätskningssystem av Øi et al., Energy Procedia 86 (2016) 500-510, som kallats system A, samt av Seo et al., International Journal of Greenhouse Gas Control 35 (2015) 1-12 kallat system B. Dessa två olika processer simulerades för teknisk analys med hjälp av Aspen Plus. Aspen Economical Analyzer (AEA) användes för att göra den ekonomiska analysen. I dessa simuleringar användes ett massflöde på 45 ton/h inkluderat vatteninnehåll, i jämförelse med tidigare studier med högre massflöden runt 100 ton/h. Elektricitet-och kylbehovet undersöktes i ett flertal olika fall med varierande kyltemperatur mellan kompressorerna. Två fall med integrering av fjärrvärme samt två fall med en värmepump undersöktes också med varierande återgående temperatur på fjärrvärmevattnet. Detta gjordes för att undersöka hur mycket värme som kan tillvaratas från förvätskningsprocessen. Vidare bestämdes även investeringskostnader samt driftskostnader med hjälp av AEA. Från detta bestämdes även den årliga kostnaden av kapitalet, CAPEX, och kostnaden att förvätska CO2 räknades ut i form av €/ton.  Resultaten visade att integrering av fjärrvärme samt värmepumpar är användbart för att tillvarata på så mycket värme som möjligt från förvätskningssystemen. I de fall med en värmepump samt en återgående temperatur på 47°C i fjärrvärmenätet hade ett COP på 3.07 samt 3.15 för system A samt system B vardera. Kostanden att förvätska CO2 var 17.42 €/ton för system A samt 17.75 €/ton för system B utan använding av en värmepump samt en återgående temperatur på 47°C i fjärrvärmenätet. Vid integrering av en värmepump gick kostnaden av förvätskning upp till 20.85 €/ton för system A samt 21.69 €/ton för system B. Kostnaden av förvätskning dominerades av driftskostnader med kostnaden av kapitalet har en mindre påverkan. Utnyttjandegraden har även en stor påverkan på kostanden av förvätskning, då lägre kapaciteter visade sig leda till markant högre förvätskningskostnader. När intäkterna från fjärrvärmeproduktionen adderades till kostnadskalkylen, minskade kostnaden av förvätskning, speciellt för de system med en värmepump, där priset minskade till 10.26 €/ton för system A eller 10.98 €/ton för system B. I linje med tidigare studier pekar även dessa resultat på att det ekonomiska optimumet sammanfaller med energioptimum. Resultaten visade även att system A, det internt kylda systemet, hade den lägsta förvätskningskostanden och minsta elektricitetsförbrukningen med och utan värmepump, och därför är system A optimalt för småskalig CO2 förvätskning. / The aim of this study is to do a technoeconomical analysis on CO2 liquefaction systems using Aspen Plus. Several liquefaction systems from previous studies were compared, and from these, two liquefaction systems were chosen for further studies and simulations. These liquefaction systems were namely an internal liquefaction system and an external liquefaction system by Øi et al., Energy Procedia 86 (2016) 500-510, called system A and Seo et al., International Journal of Greenhouse Gas Control 35 (2015) 1-12, called system B. These systems were simulated for technical analysis using Aspen Plus, and Aspen Economical Analyzer (AEA) was used for economical studies. A small-scale liquefaction system was studied with a mass flow rate of 45 tonne/h including the water content, as compared to other studies with higher mass flow rates of around 100 tonne/h. The electricity demand and cooling demand were studied in several cases of interstage cooling between compressors. Furthermore, two cases of district heating as well as two cases of heat pumps were studied with varying return temperatures of the district heating water. This was done to study how much heat could be recovered from the liquefaction process. Furthermore, the capital expenses as well as the operating expenses were also determined using AEA. From this, the annual CAPEX and the cost of CO2 was calculated in terms of €/tonne CO2.  The results showed that district heating and heat pumps can be useful to recover heat from the liquefaction processes. The simulations that included a heat pump and assumed a return temperature of 47°C had a COP of 3.07 and 3.15 for system A and B respectively. The determined cost of production was 17.42 €/tonne for system A and 17.75 €/tonne for system B when not using a heat pump and a return temperature of 47°C in the district heating grid. However, when adding a heat pump the total production cost (TPC) increased to 20.85 €/tonne for system A, and 21.69 €/tonne for system B. It was also shown that the TPC is highly dominated by the operating expenses while the total capital investment has a smaller impact on the TPC. The capacity is also important for the TPC as lower capacities was shown to lead to significantly increased production costs. When taking the revenue streams from district heating into account the TPC was decreased, in particular for the systems including the heat pumps, where the TPC for system A was 10.26 €/tonne while for system B it was 10.98 €/tonne. In accordance with previous studies it was shown that the economical optimum is closely related to the energy optimum. It was concluded that as system A, the internal liquefaction system, had the lowest TPC and electricity input with and without the heat pump and thus it is the optimal configuration for small-scale CO2 liquefaction.

The latest report from the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) highlights the great threats of climate change. The chemical industry, including the pharmaceutical sector, is one of the significant contributors to global greenhouse gas emissions (GHG), representing nearly 7% of global carbon dioxide (CO2) emissions. For this industry to reach net-zero emissions of CO2, measures beyond mitigation actions need to be taken. This thesis investigates the elimination of CO2 emissions in the Swedish pharmaceutical sector and evaluates the implementation of the rather new technology of Bioenergy with Carbon Capture and Storage (BECCS), using currently available amine-based post-combustion processes. This thesis presents a comprehensive assessment of different criteria based on the PESTLE (Political, Economical, Social, Technological, Legal, and Environmental) framework and considers their relative importance from a company perspective. Two alternative scenarios based on the emissions goals set by the case company are developed and evaluated through this Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA)-based PESTLE framework. BECCS deployment targeting net negative emissions would be preferable for the case company since it offers benefits in environmental, social and long-term economical aspects. From the economic aspect, the specific cost for capturing CO2 could be around 1281 SEK per tonne, higher than the present European Union Emission Trading System (EU ETS) price and typical investment cost for afforestation projects. Most opportunities are identified within the environmental and social aspects, but some economic, technological and regulatory challenges should be addressed to realise the BECCS implementation in the Swedish Pharmaceutical Industry. / Den senaste rapporten från Intergovernmental Panel on Climate Change belyser de stora hoten med klimatförändringar. Den kemiska industrin, inklusive läkemedelssektorn, är en av de betydande bidragarna till de globala växthusgasutsläppen , som står för nästan 7 % av deglobala koldioxidutsläppen (CO2). För att denna industri ska nå nettonollutsläpp av CO2 måste åtgärder vidtas utöver begränsningsåtgärder. Detta examensarbete undersöker eliminering av CO2-utsläpp i den svenska läkemedelssektorn och utvärderarimplementeringen av den relativt nya teknologin, koldioxidlagring från biomassa, med hjälpav tillgängliga aminbaserade efterförbränningsprocesser. Detta examensarbete presenterar en omfattande bedömning av olika kriterier baserade på PESTLE (politiska, ekonomiska, sociala, tekniska, juridiska och miljömässiga) ramar och tar hänsyn till deras relativa betydelse ur ett företagsperspektiv. Två alternativa scenarier baserade på utsläppsmålen som ställts upp av företaget utvecklas och utvärderas genom detta multikriterie-baserade PESTLE-ramverket. Koldioxidlagring med inriktning på negativa utsläpp skulle vara att föredra för företaget eftersom det erbjuder fördelar i miljömässiga, sociala och långsiktiga ekonomiska aspekter. Ur den ekonomiska aspekten kan den specifika kostnaden för att fånga upp CO2 vara cirka 1 281 SEK per ton, högre än det nuvarande priset för Europeiska unionens utsläppshandelssystem (EU ETS) och den typiska investeringskostnaden för skogsplanteringsprojekt. De flesta möjligheter identifieras inom den miljömässiga och sociala aspekten, men vissa ekonomiska, tekniska och regulatoriska utmaningar bör lösas för att förverkliga implementeringen av koldioxidlagring i svensk läkemedelsindustri.

Tesis por compendio / [EN] Anaerobic MBRs (AnMBRs) can provide the desired step towards sustainable wastewater treatment, broadening the range of application of anaerobic biotechnology to low-strength wastewaters (e.g. urban ones) or extreme environmental conditions (e.g. low operating temperatures). This alternative technology gathers the advantages of anaerobic treatment processes (e.g. low energy demand stemming from no aeration and energy recovery through methane production) jointly with the benefits of membrane technology (e.g. high quality effluent, and reduced space requirements). It is important to highlight that AnMBR may offer the possibility of operation in energy neutral or even being a net energy producer due to biogas generation. Other aspects that must be taken into account in AnMBR are the quality and nutrient recovery potential of the effluent and the low amount of sludge generated, which are of vital importance when assessing the environmental impact of a wastewater treatment plant (WWTP). The main aim of this Ph.D. thesis is to assess the economic and environmental sustainability of AnMBR technology for urban wastewater treatment at ambient temperature. Specifically, this thesis focusses on the following aspects: (1) development of a detailed and comprehensive plant-wide energy model for assessing the energy demand of different wastewater treatment systems at both steady- and unsteady-state conditions; (2) proposal of a design methodology for AnMBR technology and identification of optimal AnMBR-based configurations by applying an overall life cycle cost (LCC) analysis; (3) life cycle assessment (LCA) of AnMBR-based technology at different temperatures; and (4) evaluation of the overall sustainability (economic and environmental) of AnMBR for urban wastewater treatment. In this research work, a plant-wide energy model coupled to the extended version of the plant-wide mathematical model BNRM2 is proposed. The proposed energy model was used for assessing the energy performance of different wastewater treatment processes. In order to propose a guidelines for designing AnMBR at full-scale and to identify optimal AnMBR-based configurations, the proposed energy model and LCC were used. LCA was used to assess the environmental performance of AnMBR-based technology at different temperatures. An overall sustainability (economic and environmental) assessment was conducted for: (a) assessing the implications of design and operating decisions by including sensitivity and uncertainty analysis and navigating trade-offs across environmental and economic criteria.; and (b) comparing AnMBR to aerobic-based technologies for urban wastewater treatment. This Ph.D. thesis is enclosed in a national research project funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation entitled "Using membrane technology for the energetic recovery of wastewater organic matter and the minimisation of the sludge produced" (MICINN project CTM2008-06809-C02-01/02). To obtain representative results that could be extrapolated to full-scale plants, this research work was carried out in an AnMBR system featuring industrial-scale hollow-fibre membrane units that was operated using effluent from the pre-treatment of the Carraixet WWTP (Valencia, Spain). / [ES] El reactor anaerobio de membranas sumergidas (AnMBR) puede proporcionar el paso deseado hacia un tratamiento sostenible del agua residual, ampliando la aplicabilidad de la biotecnología anaerobia al tratamiento de aguas residuales de baja carga (ej. agua residual urbana) o a condiciones medioambientales extremas (ej. bajas temperaturas de operación). Esta tecnología combina las ventajas de los procesos de tratamiento anaerobio (baja demanda energética gracias a la ausencia de aireación y a la recuperación energética a través de la producción de metano) con los beneficios de la tecnología de membranas (ej. efluente de alta calidad y reducidas necesidades de espacio). Cabe destacar que la tecnología AnMBR permite la posibilidad del autoabastecimiento energético del sistema debido a la generación de biogás. Otros aspectos que se deben considerar en el sistema AnMBR son el potencial de recuperación de nutrientes, la calidad del efluente generado y la baja cantidad de fangos producidos, siendo todos ellos de vital importancia cuando se evalúa el impacto medioambiental de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas. El objetivo principal de esta tesis doctoral es evaluar la sostenibilidad económica y medioambiental de la tecnología AnMBR para el tratamiento de aguas residuales urbanas a temperatura ambiente. Concretamente, esta tesis se centra en las siguientes tareas: (1) desarrollo de un modelo de energía detallado y completo que permita evaluar la demanda energética global de diferentes sistemas de tratamiento de aguas residuales tanto en régimen estacionario como en transitorio; (2) propuesta de una metodología de diseño e identificación de configuraciones óptimas para la implementación de la tecnología AnMBR, aplicando para ello un análisis del coste de ciclo de vida (CCV); (3) análisis del ciclo de vida (ACV) de la tecnología AnMBR a diferentes temperaturas; y (4) evaluación global de la sostenibilidad (económica y medioambiental) de la tecnología AnMBR para el tratamiento de aguas residuales urbanas. En este trabajo de investigación se propone un modelo de energía acoplado a la versión extendida del modelo matemático BNRM2. El modelo de energía propuesto se usó para evaluar la eficiencia energía de diferentes procesos de tratamiento de aguas residuales urbanas. Con el fin de proponer unas directrices para el diseño de AnMBR a escala industrial e identificar las configuraciones óptimas para la implementación de dicha tecnología, se aplicaron tanto el modelo de energía propuesto como un análisis CCV. El ACV se usó para evaluar la viabilidad medioambiental de la tecnología AnMBR a diferentes temperaturas. En este trabajo se llevó a cabo una evaluación global de la sostenibilidad (económica y medioambiental) de la tecnología AnMBR para: (a) evaluar las implicaciones que conllevan ciertas decisiones durante el diseño y operación de dicha tecnología mediante un análisis de sensibilidad e incertidumbre, y examinar las contrapartidas en función de criterios económicos y medioambientales; y (b) comparar la tecnología AnMBR con tecnologías basadas en procesos aerobios para el tratamiento de aguas residuales urbanas. Esta tesis doctoral está integrada en un proyecto nacional de investigación, subvencionado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN), con título "Modelación de la aplicación de la tecnología de membranas para la valorización energética de la materia orgánica del agua residual y la minimización de los fangos producidos" (MICINN, proyecto CTM2008-06809-C02-01/02). Para obtener resultados representativos que puedan ser extrapolados a plantas reales, esta tesis doctoral se ha llevado a cabo utilizando un sistema AnMBR que incorpora módulos comerciales de membrana de fibra hueca. Además, esta planta es alimentada con el efluente del pre-tratamiento de la EDAR del Barranco del Carraixet (Valencia, España). / [CA] El reactor anaerobi de membranes submergides (AnMBR) pot proporcionar el pas desitjat cap a un tractament d'aigües residuals sostenible, i suposa una extensió en l'aplicabilitat de la biotecnologia anaeròbia al tractament d'aigües residuals amb baixa càrrega (p.e. aigua residual urbana) o a condicions mediambientals extremes (p.e. baixes temperatures d'operació). Aquesta tecnologia alternativa reuneix els avantatges dels processos de tractament anaerobi (baixa demanda d'energia per l'estalvi de l'aireig i possibilitat de recuperació energètica per la producció de metà), conjuntament amb els beneficis de l'ús de de la tecnologia de membranes (p.e efluent d'alta qualitat, i reduïdes necessitats d'espai). Cal destacar que la tecnologia AnMBR permet la possibilitat de l'autoabastiment energètic del sistema degut a la generació de biogàs. Altres aspectes que s'han de considerar en el sistema AnMBR són el potencial de recuperació de nutrients, la qualitat de l'efluent i la baixa quantitat de fang generat, tots ells de vital importància quan s'avalua l'impacte mediambiental d'una planta de tractament d'aigües residuals urbanes. L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral és avaluar la sostenibilitat econòmica i mediambiental de la tecnologia AnMBR per al tractament d'aigües residuals urbanes a temperatura ambient. Concretament, aquesta tesi se centra en les tasques següents: (1) desenrotllament d'un detallat i complet model d'energia per al conjunt de la planta a fi d'avaluar la demanda d'energia de diferents sistemes de tractament d'aigües residuals tant en règim estacionari com en transitori; (2) proposta d'una metodologia de disseny i identificació de les configuracions òptimes de la tecnologia AnMBR mitjançant l'aplicació una anàlisi del cost de tot el cicle de vida (CCV) ; (3) anàlisi del cicle de vida (ACV) de la tecnologia AnMBR a diferents temperatures; i (4) avaluació global de la sostenibilitat (econòmica i mediambiental) de la tecnologia AnMBR per al tractament d'aigües residuals urbanes. En aquest treball d'investigació es proposa un model d'energia a nivell de tota la planta acoblat a la versió estesa del model matemàtic BNRM2. El model d'energia proposat s'ha utilitzat per a avaluar l'eficiència energètica de diferents processos de tractament d'aigües residuals urbanes. A fi de proposar unes directrius per al disseny d'AnMBR a escala industrial i identificar les configuracions òptimes de la tecnologia AnMBR, s'ha aplicat tant el model d'energia proposat, com el cost del cicle de vida (CCV). L'anàlisi del cicle de vida (ACV) s'ha utilitzat per a avaluar el rendiment mediambiental de la tecnologia AnMBR a diferents temperatures. En aquest treball s'ha dut a terme una avaluació global de la sostenibilitat (econòmica i mediambiental) de la tecnologia AnMBR per a: (a) avaluar les implicacions de les decisions de disseny i operació per mitjà d'una anàlisi de sensibilitat i incertesa i examinar les contrapartides en funció de criteris econòmics i mediambientals; i (b) comparar la tecnologia AnMBR amb tecnologies basades en processos aerobis per al tractament d'aigües residuals urbanes. Aquesta tesi doctoral està integrada en un projecte nacional d'investigació, subvencionat pel Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN), amb títol "Modelación de la aplicación de la tecnología de membranas para la valorización energética de la materia orgánica del agua residual y la minimización de los fangos producidos" (MICINN, projecte CTM2008-06809-C02-01/02). Per a obtenir resultats representatius que puguen ser extrapolats a plantes reals, aquesta tesi doctoral s'ha dut a terme utilitzant un sistema AnMBR que incorpora mòduls comercials de membrana de fibra buida. A més, aquesta planta és alimentada amb l'efluent del pretractament de l'EDAR del Barranc del Carraixet (València, Espanya). / Pretel Jolis, R. (2015). Environmental and economic sustainability of submerged anaerobic membrane bioreactors treating urban wastewater [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58864 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio