Biogas solutions offer many benefits for the environment and society, including organic waste treatment as well as being an enabler for energy and nutrient recovery. The products of anaerobic digestion are a biogas, which contains a share of 30 to 50% carbon dioxide (CO2) and 50 to 70% methane, and a liquid remanent, rich in nutrients. The biogas can be upgraded by removing the CO2 to increase the energy content, producing biomethane. At present, CO2 is considered a waste in biomethane production systems, and hence it is emitted into the atmosphere. Nevertheless, biogas upgrading technologies separate a pure-grade CO2 and, likewise, carbon capture processes, providing a pure CO2 flow that can be stored or utilized. Compared to storage, carbon capture and utilization (CCU) technologies deliver valuable carbon-based products required to sustain human activities. The valorization of green CO2 could aid the transition towards defossilization of the economy. Indeed, several CO2 utilization technologies could be incorporated into biomethane production systems, but there is still a limited understanding of the available alternatives and their potential impacts on biomethane systems. This thesis aims to investigate the integration of CO2 utilization technologies in biomethane production systems by revealing its potential, identifying alternatives, and assessing the impacts of the integration. Using Sweden as an example, scenarios of future biomethane production were employed to estimate the potential CO2 available for utilization. To complement the analysis, a qualitative approach made possible the identification of aspects that could affect CO2 utilization in biomethane production. Moreover, a multi-criteria analysis (MCA) framework was developed to identify relevant indicators for assessment and available alternatives for CO2 utilization. The research also includes a life cycle assessment (LCA) to evaluate the climate performance of relevant CCU alternatives in the biomethane production system. Results show that 160 kt of CO2 could be obtained from biomethane production in Sweden, which could potentially increase threefold from 2020 to 2030. The evaluation of alternatives for CO2 utilization includes environmental, technical, economic, and social criteria with sound indicators within an MCA framework. Indicators to evaluate each criterion provide valuable information to identify feasible and sustainable alternatives that can be integrated into biomethane plants. The identified alternatives with a high readiness level are additional methane through methanation, horticulture, mineral carbonates, fuels, pH control, bulk chemicals, and liquefied CO2 for direct use. The results provide information to decision-makers in relation to considerations to take before implementation, like energy requirements, the existence of regulations and standards, and uncertainty. In terms of the climate performance of biomethane with the inclusion of CCU alternatives, the results show a possible reduction of CO2 emissions that depends on the possibility of substituting fossil-based products. The investigated alternatives all result in lower emissions, but concrete curing and methanation using renewable hydrogen produce the best results. To conclude, the potential future increase of green CO2 from biomethane in Sweden creates opportunities to substitute fossil carbon in current applications and mature conversion pathways. Moreover, the inclusion of CCU in biomethane production contributes to reducing biomethane system emissions and diversifying its products. Possible alternatives of CCU that can be integrated into biomethane production systems in the short term include methanation and concrete curing. Other alternatives could be possible but present lower performance and higher uncertainties at the moment. / Biogaslösningar kan ge en mängd positiva miljömässiga och samhällsviktiga effekter, inklusive behandling av organiskt avfall och framställning av energi och näringsämnen. Produkterna från anaerob rötning är dels biogas, som består från 30 till 50% av koldioxid (CO2) och 50 till 70% av metan, dels en flytande rötrest med högt näringsinnehåll. Biogasen kan uppgraderas genom att ta bort CO2 för att öka energiinnehållet, och på så vis framställs biometan. CO2 ses för närvarande som en restprodukt i produktionssystemet och släpps därför vanligtvis ut i atmosfären. Tekniker för uppgradering av biogas liknar dock processer för infångning av CO2, där högkoncentrerade flöden av CO2 lagras (CCS) eller används (CCU). Till skillnad från lagring bidrar tekniken för CCU till att skapa produkter som behövs för att upprätthålla samhällsviktiga funktioner. Dessa valoriseringar av grön CO2 skulle kunna stödja övergången mot ett fossilfritt ekonomiskt system. Faktum är att det finns ett flertal tekniker som skulle kunna integreras i produktionssystem för biometan, men kunskapen om dessa tekniker och deras inverkan på biometansystemet är begränsad. Denna avhandling syftar till att undersöka integrationen av tekniska lösningar för nyttiggörande av CO2 vid framställning av biometan genom att påvisa dess potential, identifiera alternativa tekniska lösningar, och utvärdera integrationens följder. Med Sverige som exempel skapades scenarier för framtida biometanproduktion för att uppskatta mängden CO2 som skulle kunna tas om hand. Som ett komplement till dessa uppskattningar tillämpades ett kvalitativt tillvägagångssätt som identifierade aspekter som skulle kunna påverka CO2-användningen vid biometanproduktion. Dessutom utvecklades ett multikriterieanalytiskt (MCA) ramverk för att identifiera relevanta indikatorer för utvärdering och möjliga alternativ för CO2-användning. En livscykelanalys (LCA) tillämpades även för att utvärdera klimatprestandan för relevanta CCU-alternativ inom produktionssystem för biometan. Forskningsresultaten visar att 160 kt skulle kunna erhållas från biometanproduktion i Sverige. För Sveriges del finns det en potential att öka den insamlade mängden CO2 från biometan upp till tre gånger under perioden 2020 till 2030. I utvärderingen av de tekniska lösningarna inkluderas miljömässiga, tekniska, ekonomiska och regulatoriska kriterier för indikatorer inom ett MCA-ramverk. Dessa indikatorer användes för att utvärdera hur respektive kriterium bidrar till att identifiera realiserbara tekniska lösningar som kan integreras i biometananläggningar. De identifierade teknikerna med hög mognadsgrad är framställning av ytterligare metan genom metanisering, biomassa, karbonatmineral, bränslen, pH-värdesreglering, baskemikalier och flytande CO2 för direkt användning. Varje alternativ har dock faktorer som skulle kunna hindra implementering, såsom höga energikrav, lagstiftningar och standarder samt hög osäkerhet. När det gäller klimatprestandan för biometan med olika CCU-alternativ visar resultaten på en möjlig minskning av CO2-utsläpp som beror på möjligheten att substituera fossilbaserade produkter. Alla de undersökta alternativen resulterar i lägre utsläpp, men härdning av betong och metanisering med förnybar vätgas ger bäst resultat. Slutsatsen som dras är att det finns en stor potential i Sverige att framställa grön CO2 från biometan vilken skulle skapa flera möjligheter att byta fossilbaserade produkter i nuvarande tillämpningar. Införandet av CCU i biometanproduktion kan dessutom bidra till att minska biogassystemets utsläpp och diversifiera produktutbudet. Möjliga alternativ för CCU som kan integreras med biometanproduktionssystem på kort sikt inkluderar metanisering och betonghärdning. Andra alternativ kan också vara aktuella, men uppvisar för närvarande lägre prestanda och högre osäkerhet. / <p>Funding agency: The Kamprad Family Foundation</p>

Without a doubt, there is a consensus around the international community which suggests that our current way of life is unsustainable for a healthy planet, society and economy. One focal point that should be taken deeply into consideration is the steel industry as, globally, it accounts for 8% of global emissions. Thus, there is a dire need to incorporate drastic measures, if one wishes to reach net-zero emissions by 2050, in accordance with the Paris Agreement of 2015. Electric Arc Furnaces are seeing a rapid implementation in the steel industry. However, at 0.5 tonnes of CO2 emitted per tonne of liquid steel produced, this emissions rating is still significant considering the amount of steel being produced annually. Additionally, these furnaces emit off-gases which must be treated from the dust. This leaves operators with a conundrum as the dust content compromises the use of waste heat recovery boilers for energy recovery, due to constant breakdowns. Therefore, this study aims to analyse the feasibility of using bioenergy and carbon capture and utilisation (CCU) concepts to capitalise on the high off-gas energy and emissions content to remedy the dust issue, whilst producing higher value products. The proposed concept evaluates the effectiveness of using the off-gas as the energy carrier and feed-stock for a biogasificaiton unit. Three different cases based on different EAF off-gas compositions have been investigated. Case 1 suggested that the off-gas composition is very CO2-heavy, whichled to investigating the option of adopting a CO2 biogasification concept to directly use the CO2. Case 1 performed the best in terms of CO2 utilisation efficiency; being 0.293. The system energy utilisation also noted that 49.3% of the inlet streams energy was transferred to the desired product. On a broader picture, this means that around 11% of the total energy coming out of the EAF would be utilised in producing a value-added product in the form of syngas. This contrasts with allowing around 33% of the energy in the EAF either being completely dissipated to the environment or converting it into electricity via waste heat recovery. The following two cases, Case 2 and 3, indicate EAF off-gas composition containing 72% and 40% nitrogen respectively. For Cases 2 and 3, a steam biogasification process was integrated which did not yield positive results for CO2 utilisation, since is a more promising gasifying agent. In addition, significant energy from EAF off-gas is used in raising the temperature of steam to the design temperature of the gasifier. However, although the CO2 was not directly used in this part of the process, it allows for other opportunities of process integration, for example the reverse water-gas shift step.

CO2 global emissions exceed 30 Giga tonnes (Gt) per year, and the high atmospheric concentrations are detrimental to the environment. In spite of efforts to decrease emissions by sequestration (carbon capture and storage) and repurposing (use in fine chemicals synthesis and oil extraction), more than 98% of CO2 generated is released to the atmosphere. With emissions expected to increase, transforming CO2 to chemicals of high demand could be an alternative to decrease its atmospheric concentration. Transportation fuels represent 26% of the global energy consumption, making it an ideal end product that could match the scale of CO2 generation. The long-term goal of the study is to transform CO2 to liquid fuels closing a synthetic carbon cycle. Synthetic fuels, such as diesel and gasoline, can be produced from syngas (a combination of CO and H2) by Fischer Tropsch synthesis or methanol synthesis, respectively. Methanol can be turned into gasoline by MTO technologies. Technologies to make renewable hydrogen are already in existence, but CO is almost exclusively generated from methane. Due to the high stability of the CO2 molecule, its transformation is very energy intensive. Therefore, the current challenge is developing technologies for the conversion of CO2 to CO with a low energy requirement. The work in this dissertation describes the development of a recyclable, isothermal, low-temperature process for the conversion of CO2 to CO with high selectivity, called Reverse Water Gas Shift Chemical Looping (RWGS-CL). In this process, H2 is used to generate oxygen vacancies in a metal oxide bed. These vacancies then can be re-filled by one O atom from CO2, producing CO. Perovskites (ABO3) were used as the oxide material due to their high oxygen mobility and stability. They were synthesized by the Pechini sol-gel synthesis, and characterized with X-ray diffraction and surface area measurements. Mass spectrometry was used to evaluate the reducibility and re-oxidation abilities of the materials with temperature-programmed reduction and oxidation experiments. Cycles of RWGS-CL were performed in a packed bed reactor to study CO production rates. Different metal compositions on the A and B site of the oxide were tested. In all the studies, La and Sr were used on the A site because their combination is known to enhance oxygen vacancies formation and CO2 adsorption on the perovskites. The RWGS-CL was first demonstrated in a non-isothermal process at 500 °C for the H2-reduction and 850 °C for the CO2 conversion on a Co-based perovskite. This perovskite was too unstable for the H2 treatment. Addition of Fe to the perovskite enhanced its stability, and allowed for an isothermal and recyclable process at 550 °C with high selectivity towards CO. In an effort to decrease the operating temperature, Cu was incorporated to the structure. It was found that Cu addition inhibited CO formation and formed very unstable oxide materials. Preliminary studies show that application of this technology has the potential to significantly reduce CO2 emissions from captured flue gases (i.e. from power plants) or from concentrated CO2 (adsorbed from the atmosphere), while generating a high value chemical. This technology also has possible applications in space explorations, especially in environments like Mars atmosphere, which has high concentrations of atmospheric carbon dioxide.

Carbon dioxide is released by natural and anthropogenic processes, such as the production and combustion of fossil fuels. Production of biogas also generates carbon dioxide, but of biogenic origin. The global, yearly emissions of greenhouse gases are regularly increasing, although agreements such as the Paris Agreement is signed by parties globally. Sweden has the goal to reach net-zero emissions by 2045, and thereafter to only obtain negative emission levels. To reach these goals the biogenic version of Carbon Capture and Storage (CCS) called Bioenergy with Carbon Capture and Storage (BECCS) is considered to be an essential strategy. Using carbon dioxide, through Carbon Capture and Utilization (CCU), in for example products, can complement BECCS since the strategy can increase the value of carbon dioxide. These strategies make it possible to reduce the climate impact of biogas production.  This master thesis aimed to chart different techniques in CCS and CCU to examine how they can be used to utilize or store carbon dioxide from biogas plants. What technical demands different solutions create was explored. The different techniques were assessed through a multi criteria analysis by a technological, environmental, marketable and economical standpoint to investigate which ones were the most suitable for a specific, studied case – Tekniska verken’s biogas plant. One suitable technique within CCU was analyzed through a screening of actors in the region. An environmental assessment of one technique in CCS and one in CCU were compared with the reference case Business as usual, to explore how a simulated biogas plant’s climate impact can change through the implementation of CCS and CCU.  The charting of literature gave findings of 42 different techniques, which were sifted down to 7; algae farming for wastewater treatment, BECCS in saltwater aquifers, carbon dioxide curing of concrete, bulk solutions, production of methanol, production of methane through Power To Gas and crop yield boosting in greenhouses. The multi criteria analysis pointed out carbon dioxide curing of concrete and BECCS in saltwater aquifers as suitable solutions for the studied case. The implementation of these techniques requires a liquefaction plant, infrastructure for transportation as well as business partners.  A life cycle assessment of the studied cases climate impact was given through modelling and simulation of a model plant of the studied case, with the functional unit 1 Nm3 biomethane. The reference case Business as usual had a climate impact of 0,38 kg CO2 eq, which corresponds to approximately one eighth of the climate impact of fossil fuels such as gasoline or diesel. By storing the carbon dioxide through BECCS in saltwater aquifers the climate impact decreased to - 0,42 kg CO2 eq. By utilizing the carbon dioxide through curing of concrete the biomethane’s climate impact decreased to -0,72 kg CO2 eq. The results thereby evince that Swedish biogas producers can improve their climate performance through CCS and CCU. / Koldioxid släpps ut av såväl naturliga som antropogena processer, exempelvis vid produktion och förbränning av fossila bränslen. Även vid biogasproduktion uppkommer koldioxid, men av biogent ursprung. Årliga globala utsläpp av växthusgaser ökar regelbundet, trots överenskommelser som Parisavtalet som syftar till att begränsa klimatförändringarna. Sverige ska nå nettonollutsläpp senast 2045 och därefter ha negativa utsläppsnivåer. För att uppnå detta mål anses en biogen version av Carbon Capture and Storage (CCS), det vill säga avskiljning och lagring av koldioxid, kallad Bioenergy with Carbon Capture and Storage (BECCS) vara en essentiell strategi. Tillvaratagande av koldioxid, genom Carbon Capture and Utilization (CCU), kan ge ett bra komplement till BECCS eftersom det nyttiggör koldioxid i produkter och kan öka värdet av koldioxid. Tekniker inom CCS och CCU möjliggör minskad klimatpåverkan inom biogasproduktion.  Detta examensarbete syftade till att kartlägga olika alternativ inom teknikerna CCS och CCU för att undersöka hur dessa kan användas för att nyttiggöra eller lagra koldioxid från biogasanläggningar, samt att undersöka vilka tekniska krav som ges av lösningarna. Utifrån en multikriterieanalys bedömdes vilka lösningar som var tekniskt, miljömässigt, marknadsmässigt och ekonomiskt motiverade för tillvaratagande av koldioxid. Bedömningen genomfördes genom att studera specifikt fall som var Tekniska verken i Linköpings biogasanläggning. Den lösning som valdes ut som lämplig inom CCU analyserades ur ett marknadsmässigt perspektiv genom en översiktlig kartläggning av aktörer i regionen. Därefter studerades klimatpåverkan från en förenklad modell av Tekniska verkens biogasanläggning för att undersöka hur denna förändras vid implementering av en lämplig lösning inom CCS respektive CCU.  Genom en screening av lösningsförslag identifierades 42 lösningsförslag inom CCS och CCU som sållades ner till sju stycken; algodling vid vattenrening, BECCS i saltvattenakviferer, betong härdad av koldioxid, bulklösning, metanoltillverkning, tillverkning av metan genom Power To Gas samt växthusodling. Multikriterieanalysen visade att koldioxidhärdad betong inom CCU och BECCS i saltvattenakviferer inom CCS var lämpliga lösningar för det studerade fallet. För implementering av förslagen krävdes bland annat en förvätskningsanläggning, infrastruktur för transport och samarbetspartners.  De studerade scenariernas klimatmässiga livscykel erhölls genom modellering och simulering av en modellanläggning av det studerade fallets biogasanläggning i programvaran SimaPro med användning av den funktionella enheten 1 Nm3 fordonsgas. Resultatet visade att fordonsgasen i referensfallet har en klimatpåverkan på 0,38 kg koldioxidekvivalenter. Fordonsgasens klimatpåverkan var cirka en åttondel av fossila bränslen såsom bensin och diesels klimatpåverkan. Vid lagring av koldioxid genom BECCS i saltvattenakviferer förändrades klimatpåverkan till - 0,42 kg koldioxidekvivalenter. När koldioxid användes till härdning av betong förändrades fordonsgasens klimatpåverkan till -0,72 kg koldioxidekvivalenter. Detta innebär att svenska producenter av biogas kan förbättra sin klimatpåverkan genom såväl lösningar inom CCS som CCU.

Carbon dioxide from biogas production is currently considered to be without value and isbecause of this released into the atmosphere in the biogas upgrading process. The residualgas is a potential carbon source and can create value in the biogas manufacturing process.By finding a suitable value-creating process that utilizes carbon dioxide, it can be possibleto provide both economic and environmental incentives for companies to develop theiroperations. This project explored the possibility to create value from this CO2. Through anevaluation of the technical maturity of CCU technologies, a recommendation could be givenat the end of the project. An analysis of technical barriers, such as pollutants in the gas, aswell as barriers in the form of competence and corporate culture were examined in orderto provide a reasoned recommendation. The project mapped which value-creating systemswould be suitable for biogas producers in a Swedish context. This included established methaneand carbon dioxide upgrading techniques currently in use and suitable CCU techniquesthat can interact with the selected upgrading processes and serve as value creators. Based onthis survey, it was then possible to identify common, critical variables for these systems. Thereafter,a recommendation of an appropriate CCU technology could be given depending onthe CO2 composition produced. One conclusion from the study was that carbon dioxide concentrationsfrom the residual gas was often high (approx. 97-98 %) and did not contain anycorrosive or toxic components, and that this largely depends on how the digestion reactor ishandled in the production process. Thus, questions were raised about what the actual limitationsof the CCU are, as they did not seem to be technical. CCU techniques that proved to beof particular interest were pH regulation of sewage plants, CO2 as a nutrient substrate for thecultivation of microalgae, and manufacturing of dry-ice for refrigerated transports. All of thesetechnologies currently have a sufficiently high degree of technical maturity to be installedalready today. Other CCU techniques, such as "’Power to gas”, require a high CO2 concentrationand were discarded as the literature review did not suggest the economic potential forthem as they require additional CO2 upgrading steps. Instead, CCU techniques were chosenthat could be implemented directly with the existing CO2 quality. Furthermore, it was concludedthat one reason why CCU technologies have not been widely implemented is internalbarriers between distributors and manufacturers (or users) of CCU technologies. Thus, theuse of carbon dioxide from biogas production and implementation of CCU technologies canbe promoted by eliminating barriers in companies, such as a lack of both knowledge andfinancial incentives. / Koldioxid från biogasproduktion betraktas i dagsläget som utan värde och släpps ut i atmosfärenvid uppgradering av biogas. Restgasen är en potentiell kolkälla och kan vara värdeskapandeför biogasprocessen. Genom att finna en lämplig värdeskapande process som utnyttjarkoldioxid går det att ge både ekonomiska och miljömässiga incitament till företag att utvecklasin verksamhet. I detta projekt undersöktes möjligheten att skapa värde av denna CO2.Genom en utvärdering av den tekniska mognadsgraden hos CCU-tekniker kunde en rekommendationges vid projektets slut. En analys av tekniska hinder, såsom föroreningar i gassammansättningen,såväl som hinder i form av kompetens och företagskultur undersöktes för attkunna ge en motiverad rekommendation. I projektet kartlades vilka värdeskapande systemsom skulle passa för biogasproducenter i en svensk kontext. Detta inkluderade etableradeuppgraderingstekniker för metan- och koldioxid som används i dagsläget. I projektet undersöktesäven lämpliga CCU-tekniker som kan samverka med de valda uppgraderingsprocessernaoch och agera värdeskapande. Utifrån denna kartläggning kunde det sedan anges vilkagemensamma, kritiska variabler som finns för dessa system. Därefter kunde en rekommendationav lämplig CCU-teknik ges beroende på den producerade CO2 sammansättningen. Enslutsats i projektet var att koldioxid från restgasen ofta var av hög koncentration (ca. 97-98 %)och ej innehöll några korrosiva eller toxiska komponenter, och att detta till stor del beror påhur rötkammaren är hanterad i produktionsprocessen. Således väcktes frågor kring vilka defaktiska begränsningarna för CCU är, då de inte torde vara tekniska. CCU-tekniker som visadesig vara av särskilt intresse var pH-reglering av avloppsverk, CO2 som näringssubstratför odling av mikroalger, samt tillverkning av kolsyreis för kyltransporter. Samtliga dessatekniker har tillräckligt hög teknisk mognadsgrad för att kunna installeras i dagsläget. AndraCCU-tekniker, såsom ”Power to gas”, kräver en hög CO2-koncentration och avfärdades dålitteraturstudien inte talade för den ekonomiska potentialen i dessa eftersom de kräver ytterligareuppgraderingssteg för CO2. Således valdes istället CCU-tekniker som skulle gå attimplementera direkt med den befintliga CO2 kvalitén. Vidare drogs slutsatsen att en anledningtill att CCU-tekniker inte har blivit vida implementerade till stor del är interna hindermellan distributörer och tillverkare (eller utnyttjare) av CCU-tekniker. Således kan användandetav koldioxid från biogasproduktion och implementering av CCU-tekniker främjasgenom att eliminera hinder hos företag. I projektet yttrade sig detta som bristande ekonomiskaincitament och okunskap. Ett ökat användande av CCU-tekniker kan också uppnås genomatt införa lagar och regler som begränsar användandet av föråldrade tekniker som drivs avfossila bränslen, och som kan ersättas av klimatvänliga CCU-tekniker.