De 20 största massabruken i Sverige släpper tillsammans ut ungefär 20 miljoner ton CO2 per år. Dessa utsläpp har biogent ursprung och anses därför vara klimatneutrala. Massa- och pappersindustrin är därmed en lämplig kandidat för implementeringen av BECCS (eng. Bioenergy with Carbon Capture and Storage) och har en betydande potential att nå de, av den svenska regeringen, uppsatta klimatmålen som säger att Sverige inte ska några nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären senast år 2045. I detta examensarbete simulerades kemiska absorptions- och desorptionsprocesser med MEA som lösningsmedel genom att tillämpa den hastighetsbaserade metoden i en rigorös modell i Aspen Plus. Stripper- och absorptionsmodellerna validerades innan standardprocessen modifierades till en konfiguration som möjliggör värmeintegration av koldioxidinfångningens överskottsvärme med, exempelvis, ett sulfatmassabruk. Avskiljningsgraden och laddning hos den mättade lösningen användes som prestandaindikatorer för att validera absorptionskolonnerna. Återkokarens energiåtgång och laddning hos den omättade lösningen användes somprestandaindikatorer för att validera stripperkolonnerna. Samtliga kolonner dimensionerades för att erhålla 90 vikt% avskiljningsgrad. Olika flödeshastigheter av lösningsmedlet testades för att säkerställa effektivt nyttjande av packningen i absorptions- och stripperkolonnerna. Lämpliga temperaturnivåer för värmeintegration, inom och utanför, koldioxidinfångningen erhölls genom att utvärdera olika varianter av en stripper-overhead-kompression konfiguration. Utvärderingen av den modifierade MEA processen tog hänsyn till potentialen för ångbesparing och energieffektivisering. Resultat från simuleringarna tyder på att den modifierade strippern skulle kunna ge besparingar på upp emot 11 % i ånganvändning. Energibesparingar i samma storleksordning kunde även erhållas genom värmeintegration mellan koldioxidinfångningen och en särskild process i ett referensbruk. Implementering av BECCS-konceptet på det här sättet skulle därmed kunna bli ett mer attraktivt alternativ för den svenska massa- och pappersindustrin att bekämpa klimatförändringarna. / The 20 largest pulp mills in Sweden emit around 20 million tonnes of CO2 per year. These emissions are considered carbon-neutral since they originate from biogenic sources. The pulp and paper industry is therefore a good candidate for the application of BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage) and has the potential to play a significant role for reaching the long-term mitigation target set by the Swedish government that Sweden should be climate-neutral by year 2045. In this thesis, a MEA-based chemical absorption and desorption process was rigorously modelled in Aspen Plus using the rate-based method. Validation of the absorber and stripper model was conducted before the standard process was modified to a configuration that enables heat integration of a significant amount of excess heat from the capture process in, for example, a Kraft pulp mill. CO2 removal rate and rich solvent loading were used as performance indicators to validate the absorber columns. The reboiler duty and lean solvent loading served as performance indicators in the stripper validation. The columns were dimensioned considering 90 wt% capture rate. Efficient use of the entire packing in the absorber and stripper columns was ensured by testing different solvent flow rates. Suitable temperature levels for heat integration, within and across the capture plant, were obtained through an assessment of different versions of a stripper overhead compression configuration. The evaluation of the modified MEA processes took into account the steam conservation potential and energy efficiency potential. The simulation results indicate that the modified stripper may lead to savings of up to 11% in steam consumption. Heat integration between the capture plant and a specific process in a reference Kraft pulp mill resulted in energy savings of the same order of magnitude. Thereby, making the BECCS concept a more attractive solution for the Swedish pulp and paper industry to mitigate climate change.

Roterugnar är cylindriska kärl som används för att höja materials temperaturer i en kontinuerlig process som kallas för kalcinering. Roterugnar kan tillämpas i olika processer såsom reduktion av oxidmalm samt återvinning av farligt avfall. Fördelen med roterugnar ligger i dess förmåga att hantera råmaterial som sträcker sig från slam till granulära material med en mängd olika partikelstorlekar, och därigenom upprätthålla distinkta miljöer såsom en bädd av fasta partiklar som samexisterar med ett oxiderande fribord. Sex olika bäddbeteende har dokumenterats med avseende på fyllningsgrad samt Froude nummer. Syftet med denna studie var att utveckla en tvådimensionell suspensions modell med CFD genom att använda den kommersiella mjukvaran COMSOL 5.5 för att simulera de två faser, gas och fast, som en blandad fas efter verk av Philips et. al., Physics of Fluids A: Fluid Dynamics 4.1 (1992) 30-40 och Acrivos & Zhang., International Journal Multiphase Flow 20.3 (1994) 579-591. Denna modell undersöktes genom att jämföra den med de dokumenterade flödesregimerna samt genom parameter som partikelstorlek, partikeldensitet och viskositeten hos gas i flödesregimen känd som rullande läge. Dessutom undersöktes temperaturprofilen för den roterande ugnen genom att utforska hur blandningsvariationer av den fasta bädden i den roterande ugnen påverkas av värmeöverföringen när värme tillförs från väggen under rullande läge. Resultaten av den tvådimensionella suspension modellen visade att det var bara möjligt att simulera glidläge korrekt; andra lägen kunde inte beskrivas som dokumenterat i litteraturen. Det indikeras att vilovinkeln och viskösa krafter i den roterande ugnen var låga vilket resulterade i att suspensions modellen inte kunde avbilda exakt de återstående flödesregimerna som dokumenterat. Till exempel avbildades rullningsläget mer likt forsandeläge då partiklarna fall fritt efter höjning av bädden. Partikelstorlek och partikeldensitet har visat sig ha en betydande påverkan på suspensions modellen eftersom de viskösa krafterna blir låga för en partikelstorlek och partikeldensitet under 0,4 mm respektive 1500 kg/m3. Angående gasens viskositet visades det sig att ju närmare värdet 2.055e-3 (Pa*s) den blev desto större blev sedimentationsflödet vilket resulterade i att bäddpartiklarna dras ner och förblir där. Suspensions modellen kunde således simulera en fast och flytande fas och inte en gasfas som avsett. Slutligen visade temperaturanalysen att påverkan av den termiska konduktiviteten var mer signifikant än den specifika värmekapaciteten i intervallet 1 - 50 (W/(m*K)) respektive 300 - 800 (J/(kg*K)) på grund av den tid det tog att nå en homogen temperaturprofil. / Rotary kilns are cylindrical vessels used to raise materials temperature in a continuous process known as calcination. Rotary kilns find application in various processes such as reduction of oxide ore and hazardous waste reclamation. The advantage of the rotary kiln lies in its ability to handle feedstock ranging from slurries to granular materials with a variety of particle size, thereby maintaining distinct environments such as a bed of solid particles coexisting with an oxidising freeboard. Six different bed behaviours within the kiln have been documented with respect to the filling degree and Froude number. The aim of this study was to develop a two-dimensional suspension model with CFD by using the commercial software COMSOL 5.5 to simulate the two phases, gas and solid, as a mixed phase, following the works of Philips et. al., Physics of Fluids A:  Fluid Dynamics 4.1 (1992) 30-40 and Acrivos & Zhang., International Journal Multiphase Flow 20.3 (1994) 579-591. This model was investigated by comparing it against the documented flow regimes as well as through parameters such as particle size, particle density and viscosity of gas in the flow regime known as rolling mode. In addition, the temperature profile of the rotary kiln was investigated by exploring how the mixture variation of the solid bed within the rotary kiln affects the heat transfer when heat is supplied from the wall during a rolling mode. The results of the two-dimensional suspension model showed that it was only possible to simulate the slipping mode accurately; others mode could not be described as documented in literature. It is indicated that the angle of repose and viscous forces within the rotary kiln were low resulting in the suspension model not being able to accurately depict the remaining flow regimes as documented. For instance, the rolling mode was depicted more as a cataracting mode due to the free fall of particles after elevation of the bed. The particle size and the particle density were found to have a significant impact on the suspension model as the viscous forces became low for a particle size and particle density below 0.4 mm and 1500 kg/m3 respectively. As for the viscosity of gas it was found that the closer it got to the value 2.055e-3 (Pa*s) the sedimentation flux became too large resulting in the bed particles being pulled down and remaining there. Thus, the suspension model could simulate a solid and liquid phase and not a gas phase as intended. Lastly, the temperature analysis revealed that the impact of the thermal conductivity was more significant than the specific heat capacity in the range of 1 - 50 (W/(m*K)) and 300 - 800 (J/(kg*K)) respectively, due to the time it took to reach a homogeneous temperature profile.

The topic of this thesis is carbon dioxide (CO2) capture and storage (CCS), which is a technology that is currently being promoted by industries, scientists and governments, among others, in order to mitigate climate change despite a continued use of fossil fuels. Because of the complex nature of CCS and the risks it entails, it is controversial. The aim of this thesis is to analyse how the technology may be further developed in a responsible manner. In the first part of the thesis different methods for capturing CO2 from industrial processes as well as power plants are analysed. The aim is to identify early opportunities for CO2 capture, which is considered important because of the urgency of the climate change problem. Three potential early opportunities are studied: i) capturing CO2 from calcining processes such as cement industries by using the oxyfuel process, ii) capturing CO2 from pressurised flue gas, and iii) capturing CO2 from hybrid combined cycles. Each opportunity has properties that may make them competitive in comparison to the more common alternatives if CCS is realised. However, there are also drawbacks. For example, while capturing CO2 from pressurised flue gas enables the use of more compact capture plant designs as well as less expensive and less toxic absorbents, the concept is neither suitable for retrofitting nor has it been promoted by the large and influential corporations. The second part of the thesis has a broader scope than the first and is multidisciplinary in its nature with inspiration from the research field of Science and Technology Studies (STS). The approach is to critically analyse stakeholder percep-tions regarding CCS, with a specific focus on the CCS experts. The thesis sheds new light on the complexity and scientific uncertainty of CCS as well as on the optimism among many of its proponents. Because of the uncertain development when it comes to climate change, fossil fuel use and greenhouse gas emissions, the conclusion is that CCS has to be further developed and demonstrated. A responsible strategy for a future development of CCS would benefit from: i) a search for win-win strategies, ii) increasing use of appropriate analytical tools such as life-cycle analysis, iii) a consideration of fossil fuel scarcity and increasing price volatility, iv) funding of unbiased research and v) increasing simultaneous investments in long-term solutions such as renewable energy alternatives and efficiency improvements. / QC 20100727

The purpose of this thesis was to develop an economical, sustainable, and environmentally friendly straw Medium Density Fibreboard (MDF) process, capable of full-scale manufacturing and to produce MDF of requested quality. The investigated straw was based on wheat (Triticum aestivum L.) and rice (Oryzae sativa L.). In this thesis three different methods were taken for manufacture of straw MDF; (A) wheat-straw fibre was blowline blended with melamine-modified urea-formaldehyde (MUF), (B) rice-straw fibre was mixed with methylene diphenyl diisocyanate (MDI) in a resin drum-blender, and (C) wheat-straw fibre was activated in the blowline by the addition of Fenton’s reagent (H2O2/Fe2+) for production of non-resin MDF panels.  The MUF/wheat straw MDF panels were approved according to the requirements of the EN standard for MDF (EN 622-5, 2006). The MDI/rice-straw MDF panels were approved according to requirements of the standard for MDF of the American National Standard Institute (ANSI A208.2-2002). The non-resin wheat-straw panels showed mediocre MDF panel properties and were not approved according to the requirements in the MDF standard. The dry process for wood-based MDF was modified for production of straw MDF. The straw MDF process was divided into seven main process steps. 1.       Size-reduction (hammer-milling) and screening of straw 2.       Wetting and heating of straw 3.       Defibration 4.       Resination of straw fibre 5.       Mat forming 6.       Pre-pressing 7.       Hot-pressing       The primary results were that the straw MDF process was capable of providing satisfactory straw MDF panels based on different types of straw species and adhesives. Moreover, the straw MDF process was performed in pilot-plant scale and demonstrated as a suitable method for producing straw MDF from straw bales to finished straw MDF panels. In the environmental perspective the agricultural straw-waste is a suitable source for producing MDF to avoid open field burning and to capture carbon dioxide (CO2), the biological sink for extended time into MDF panels, instead of converting straw directly into bio energy or applying straw fibre a few times as recycled paper. Additionally, the straw MDF panels can be recycled or converted to energy after utilization. A relationship between water retention value (WRV) of resinated straw fibres, the thickness swelling of corresponding straw MDF panels, and the amount of applied adhesive was determined. WRV of the straw fibre increased and the TS of straw MDF declined as a function of the resin content. The empirical models developed were of acceptable significance and the R2 values were 0.69 (WRV) and 0.75 (TS), respectively. Reduced thickness swelling of MDF as the resin content is increased is well-known. The increase of WRV as a function of added polymers is not completely established within the science of fibre swelling. Fortunately, more fundamental research can be initiated and likely a simple method for prediction of thickness swelling of MDF by analysis of the dried and resinated MDF fibres is possible. / Syftet med denna avhandling var att lägga grunden för en ekonomisk, hållbar och miljövänlig MDF process för halmråvara, kapabel för fullskalig produktion av MDF och goda skivegenskaper. Framställningen av MDF skivor utgick från halm av vete (Triticum aestivum L.) och ris (Oryzae sativa L.). Tre olika metoder användes för att producera MDF av halm; (A) fibrer av vetehalm belimmades i blåsledning med ett melaminmodifierat urea-formaldehydlim (MUF), (B) fibrer av rishalm belimmades i en limblandare med metylen difenyl diisocyanate (MDI), (C) Limfria MDF skivor av vetehalm framställdes med aktivering av fibrer genom tillsats av Fenton´s reagens (H2O2/Fe2+) i blåsledning utan någon tillsats av syntetiskt lim. Sammanfattningsvis kan det understrykas att framställda MDF-skivor av MUF/vetehalm var godkända enligt standard för MDF (EN 622-5, 2006). Dessutom var framställda MDF skivor av MDI/rishalm också godkända enligt krav i standard för MDF ”American National Standard Institute” (ANSI A2008.2-2002). Limfria vetehalmskivor visade på måttliga skivegenskaper och klarade inte kraven i MDF standard.   Fiberframställningsprocessen för MDF modifierades till en produktion utgående från halm. MDF processen för halm delades upp i sju primära processoperationer.   (1)            Storleksreducering och sållning av halm (2)            Vätning och uppvärmning av halm (3)            Defibrering (4)            Belimning av halmfiber (5)            Mattformning (6)            Förpressning (7)            Pressning   De viktigaste resultaten från denna studie är att MDF av halm kunde produceras utgående från olika typer av halmsorter och lim. Dessutom utfördes MDF-processen i pilotskala och visade på en lämplig metod för framställning av MDF-skivor från halmbalar till färdiga halmfiberskivor. Det miljömässiga perspektivet på att använda jordbruksavfall till framställning av halmskivor är att undvika förbränning av halm ute på fältet, men det är även möjligt att binda koldioxid (CO2) i halmskivor under längre tid än att omsätta halmråvaran omedelbart som bioenergi eller använda halmfiber som returpapper några få gånger. Dessutom kan MDF återanvändas eller bli omsatt till energi efter användning.   Ett förhållande mellan ”water retention value” (WRV), av belimmade halmfiber, tjocklekssvällning för motsvarande MDF av halmskivor och mängden av tillsatt lim vid olika nivåer har undersökts. Med ökande limhalt tilltog WRV fibersvällning, vidare minskade tjocklekssvällning för motsvarande MDF skivor. De framtagna empiriska modellerna var godtagbara och beräknade R2 värden var 0.69 (WRV) och 0.75 (TS). Minskad tjocklekssvällning med ökad limhalt är dokumenterad sen tidigare. Ökad fibersvällning WRV vid tillsats av polymerer (limmer) är inte fullständigt etablerad inom vetenskapen för fibersvällning. Lyckligtvis kan grundläggande forskning initieras och sannolikt föreligger en enkel metod för att prediktera tjocklekssvällning av MDF genom analyser av torkade och belimmad MDF fiber.

Reliable energy supply is a major concern and crucial for development of the global society. To address the dependency on fossil fuel and the negative effects of this reliance on climate, there is a need for a transition to cleaner sources. An attractive solution for replacing fossil-based products is renewable substitutes produced from biomass. Gasification and pyrolysis are two promising thermochemical conversion technologies, facing challenges before large-scale commercialization becomes viable. In case of biomass gasification, tar is often and undesired by-product. An attractive option to convert tar into syngas is nickel-based catalytic steam reforming (SR). For biomass pyrolysis, catalytic SR is in early stages of investigation as a feasible option for bio-crude conversion to syngas. The focus of the thesis is partly dedicated to describe research aimed at increasing the knowledge around tar reforming mechanisms and effect of biomass-derived impurities on Ni-based tar reforming catalyst downstream of gasifiers. The work focuses on better understanding of gas-phase alkali interaction with Ni-based catalyst surface under realistic conditions. A methodology was successfully developed to enable controlled investigation of the combined sulfur (S) and potassium (K) interaction with the catalyst. The most striking result was that K appears to lower the sulfur coverage and increases methane and tar reforming activity. Additionally, the results obtained in the atomistic investigations are discussed in terms of naphthalene adsorption, dehydrogenation and carbon passivation of nickel. Furthermore, the thesis describes research performed on pyrolysis gas pre-conditioning at a small-industrial scale, using an iron-based catalyst. Findings showed that Fe-based materials are potential candidates for application in a pyrolysis gas pre-conditioning step before further treatment or use, and a way for generating a hydrogen-enriched gas without the need for bio-crude condensation. / Tillförlitlig energiförsörjning är en stor utmaning och avgörande för utvecklingen av det globala samhället. För att ta möta beroendet av fossil råvara och de negativa effekter som detta beroende medför för klimatet finns ett stort behov av en övergång till renare energiråvaror. En attraktiv lösning är att ersätta nuvarande fossil råvara med produkter från biomassa. Förgasning och pyrolys är två lovande teknologier för termokemisk omvandling av biomassa. Kommersialisering av dessa teknologier är inte helt problemfritt. I fallet förgasning så behöver, bl.a. oönskade tyngre kolväten (tjära) hanteras innan den producerade orenade produktgasen kan användas i syntesgastillämpningar. Ett effektivt alternativ för detta är gaskonditionering vid höga temperaturer, baserade på katalytisk ångreformering med en nickelkatalysator. Katalytisk ångreformering är en möjlig teknik för omvandling av bioråvara, producerad från pyrolys av biomassa, till syntesgas. Avhandlingen fokuserar delvis på att beskriva den forskning som utförts för att öka kunskapen kring mekanismer för tjärreformering och effekterna av föroreningar från biomassan på en nickelkatalysator nedströms förgasare. Arbetet bidrar till en bättre förståelse av hur alkali i form av kalium (K) i gasfasen upptas, jämviktas och växelverkar med ytan hos nickelkatalysatorn under fullt realistiska förhållanden. Inledningsvis utvecklades en metod för att möjliggöra kontrollerade studier av den kombinerade effekten av S och K, vilken inkluderar exakt dosering av alkali till en produktgas, eliminering av transienter i katalysatoraktiviteten samt katalysatorkarakterisering. Det mest lovande resultatet är att K både sänker ytans svavelinnehåll och ökar aktiviteten för omvandlingen av metan och tjära. För att ytterligare fördjupa kunskaperna i mekanismerna för tjärnedbrytning utfördes experimentella och teoretiska ytstudier på en enkristallnickelyta med naftalen som modellförening. Resultat avseende naftalenadsorption, dehydrogenering av naftalen och kolpassivering av nickelytan diskuteras. Därutöver så beskriver avhandlingen den forskning som utförts inom förkonditionering av pyrolysgas med en järnkatalysator för varsam deoxygenering av biooljan och vätgasproduktion. Detta utfördes vid en småskalig industriell anläggning. De experimentella studierna visar att den undersökta järnkatalysatorn resulterar i en vätgasberikad gas och att den är en potentiell kandidat för tillämpning i ett förkonditioneringssteg. / <p>QC 20170830</p>

[pt] A indústria 4.0 impulsionou o desenvolvimento de novas tecnologias para atender as demandas atuais do mercado. Uma dessas novas tecnologias foi a incorporação de técnicas de inteligência computacional no cotidiano da indústria química. Neste âmbito, este trabalho avaliou o desempenho de controladores baseados em aprendizado por reforço em processos químicos industriais. A estratégia de controle interfere diretamente na segurança e no custo do processo. Quanto melhor for o desempenho dessa estrategia, menor será a produção de efluentes e o consumo de insumos e energia. Os algoritmos de aprendizado por reforço apresentaram excelentes resultados para o primeiro estudo de caso, o reator CSTR com a cinética de Van de Vusse. Entretanto, para implementação destes algoritmos na planta química do Tennessee Eastman Process mostrou-se que mais estudos são necessários. A fraca ou inexistente propriedade Markov, a alta dimensionalidade e as peculiaridades da planta foram fatores dificultadores para os controladores desenvolvidos obterem resultados satisfatórios. Foram avaliados para o estudo de caso 1, os algoritmos Q-Learning, Actor Critic TD, DQL, DDPG, SAC e TD3, e para o estudo de caso 2 foram avaliados os algoritmos CMA-ES, TRPO, PPO, DDPG, SAC e TD3. / [en] Industry 4.0 boosted the development of new technologies to meet current market demands. One of these new technologies was the incorporation of computational intelligence techniques into the daily life of the chemical industry. In this context, this present work evaluated the performance of controllers based on reinforcement learning in industrial chemical processes. The control strategy directly affects the safety and cost of the process. The better the performance of this strategy, the lower will be the production of effluents and the consumption of input and energy. The reinforcement learning algorithms showed excellent results for the first case study, the Van de Vusse s reactor. However, to implement these algorithms in the Tennessee Eastman Process chemical plant it was shown that more studies are needed. The weak Markov property, the high dimensionality and peculiarities of the plant were factors that made it difficult for the developed controllers to obtain satisfactory results. For case study 1, the algorithms Q-Learning, Actor Critic TD, DQL, DDPG, SAC and TD3 were evaluated, and for case study 2 the algorithms CMA-ES, TRPO, PPO, DDPG, SAC and TD3 were evaluated.

IPCC SR15 rapporterade att alla framtida scenarier för att begränsa klimatförändringen till 1,5°C är starkt beroende av negativa utsläppstekniker, såsom geografisk CO2-lagring som används av Stockholm Exergi’s Värtaverket. Men kan man uppnå starkare klimatvinster genom en cirkulär koldioxidekonomi? Bildandet av en cirkulär koldioxidekonomi är absolut nödvändigt för att uppnå global koldioxidneutralitet, men hur kommer vi dit? Elektrolys av CO2 erbjuder en ekonomiskt och miljömässigt attraktiv väg för att uppgradera CO2-utsläpp till värdefulla bränslen och råvaror, vilket minskar användningen av fossila resurser och CO2-utsläpp till atmosfären. Detta examensarbete undersöker möjligheten att ta bort 720 000 ton-CO2-utsläpp från det avfallseldade kraftvärmeverket i Högdalen som fallstudie, via elektrokemisk reduktion av CO2 till eten, med målet att producera polymera konstruktionsmaterial, för att fungera som en kolsänka. Dessa polymerer har utvärderats utifrån kriterier som kapacitet som kolsänka, marknadsstorlek och LCA. Eten är den mest användbara råvarukemikalien för polymerproduktion och har ett betydande koldioxidavtryck på 1,73 ton CO2 per producerade eten. Att använda eCO2RR skulle minska betydande CO2-utsläpp och överbrygga luckan mellan fossila och förnybara resurser. Detta examensarbete föreslår en preliminär processdesign, komplett med en teknoekonomisk modell för att beräkna ekonomin, mass- och energibalanser för ett flertal scenarier. Över hundra elektrokatalysatorer har studerats i en litteraturgenomgång, där 5 st elektrokatalysator har valts ut baserat på olika styrkor i särskilda meritvärden, för att fastställa prestationsmål för lönsamhet. Den teknoekonomiska modellen drog slutsatsen att vid nuvarande prisläge på 700 SEK/MWh kunde ingen av elektrokatalysatorerna uppnå lönsamhet. Att sänka elpriset till LCOE för vindkraft till 335 SEK/MWh, blev resultaten mycket lönsamma, inklusive IRR upp till 41,3%. Modellparametrar ändrades för att fastställa de viktigaste variablerna i en omfattande känslighetsanalys. Vi kan dra slutsatsen att strömtätheter på 400-600 mA/cm2 är gynnsamma och med så låg bibehållen cellspänning som möjligt (&lt;2,4V). Om man specifikt inriktar sig på eten som produkt kan det vara fördelaktigt att ytterligare öka lönsamheten genom att producera myr- eller ättiksyra som ett nästa steg, vilket har fördelen av enklare vätskegasseparering och för att undvika produktion av metan och etanol. För lönsamhet krävs en livstid på minst 2-4 år för elektrokatalysatorn (CCM), 10 år för stacken och 20 år för elektrolyssystemet. I miljöanalysen studerades massbalans-lagringen av CO2. Detta uppnåddes genom att ta bort de direkta utsläppen från Högdalenverket. De indirekta utsläppen förhindrades genom att ersätta konventionella processer av elkällans kolintensitet. Baserat på genomsnittet av elektrokatalysatorerna skulle värdlandet behöva kräva en kolintensitet för elproduktionen under 101 och 153 tCO₂/GWh för NET-direkt respektive indirekt CO2-avlägsnande. Följaktligen kan högre CO2-besparingar uppnås genom handel med koldioxidsnål svensk el till grannländer med mycket högre koldioxidintensitet. Totalt sett var den direkta koldioxidminskningen mellan 487 300 till 575 000 ton CO₂ och en indirekt minskning på mellan 1 065 000 till 1 219 000 ton CO₂, beroende på energieffektivitet och produkter. Den största utmaningen för kommersiell framgång för alla eCO2RR-projekt bortsett från de tekniska prestandaaspekterna är att nödvändiga förändringar i skatteregelverket behövs, så att el från elektrolysprojekt till gröna kemikalier blir skattebefriade, som jämförbart med förbränning av förnybar biomassa är befriad från CO2-skatter. / The IPCC SR15 reported that all future scenarios to limit climate change to 1.5°C are heavily reliant on negative emission technologies, such as geographical CO2 storage employed by Stockholm Exergi’s Värtaverket. But can stronger climate benefits be achieved through a circular carbon economy? The formation of a carbon circular economy is imperative towards achieving global carbon neutrality, but how do we get there? Electrolysis of CO2 offers an economically and environmentally attractive route to upgrade CO2 emissions to valuable fuels and feedstocks, thus reducing the use of fossil resources and CO2 emissions to the atmosphere, hence closing the cycle.  This thesis explores the possibility of removing the 720,000 tCO2 emissions of the case study waste-fired CHP plant, Stockholm Exergi’s Högdalenverket, via the electrochemical reduction of CO2 (eCO2RR) towards ethylene, with the goal of producing polymeric construction materials, to act as a carbon sink. These polymers were evaluated on criteria such as, capacity as a carbon sink, market size and LCA. Ethylene is the prevailing commodity chemical for polymer production and has a significant carbon footprint of 1.73 tonCO2 per tonne of ethylene produced. Displacement via the eCO2RR would prevent substantial CO2 emissions and bridge the gap between fossil and renewable resources.  This thesis describes a preliminary process design, complete with technoeconomic model to calculate the economics, mass and energy balances of numerous scenarios. Electrocatalyst data from an in-depth literature review comprising of over 100 catalysts was drawn, with 5 electrocatalyst candidates selected based on strengths in particular figures of merit, to determine performance targets for profitability. The technoeconomic model concluded that at the current price point of 700 SEK/MWh, none of the electrocatalysts could achieve profitability. Lowering the electricity price to the levelized-cost of electricity (LCOE) for wind, 335 SEK/MWh, yielded highly profitable results, including IRR up-to 41.3%. Model parameters were changed to determine the most important variables in an extensive sensitivity analysis. Concluding that performance targets require current densities of 400-600 mA/cm2 whilst maintaining as low cell voltage as possible (&lt;2.4 V). When specifically targeting ethylene, it is beneficial to increase profitability through targeting more valuable, formic, or acetic acid, which has the advantage of easier liquid-gas separation and to avoid production of methane and ethanol. For stability, 2-4 years minimum is required for the catalyst-coated membrane (CCM), 10 years for the stack and 20 years for the electrolyser systems.    In the environmental analysis, capabilities for carbon storage were studied via CO2 balance. This was achieved by taking the direct emissions removed from Högdalenverket, the indirect emissions prevented by replacing conventional processes and by the carbon intensity of the electricity source. Based on the average energy efficiency and performance of the electrocatalysts, the host country would require a carbon intensity of electricity production below 101 and 153 tCO₂/GWh for NET direct and indirect CO2 removal, respectively. Consequently, higher CO2 savings were achieved by trading low-carbon Swedish electricity to neighbouring countries with much higher carbon intensities. Overall, the direct carbon reduction was between 487,300 to 575,000 tCO₂ and indirect reduction of between 1,065,000 to 1,219,000 tCO₂, subject to energy efficiency and targeted products.  It remains that aside from the technical performance aspects of the eCO2RR catalysts, the major roadblock towards the commercial success of all eCO2RR projects is the required adjustments to regulatory framework, such that electricity for electrolysis projects towards green chemicals exempt from taxes in a similar way to renewable biomass combustion exempt from CO2 taxes.

The direct variable costs for heat and electricity production based on solid biomass fuel combustion is approximately 3-5 times lower than the costs in a fossil fuel-oil based boiler in Sweden. In addition waste derived biomass fuels are typically much cheaper than biomass not classified as waste. The introduction of the waste derived fuels; wastewater treatment sludge, demolition wood, and animal waste in a 50MWth circulating fluidized bed (CFB) biomass boiler located in Perstorp, Sweden, led to rapid deposit buildup in superheaters, heavy ash accumulation in economizers and failing boiler tubes and vortex finders that forced frequent boiler shutdowns. This in turn increased the use of expensive oil (fossil fuel) in backup boilers and the CO2 footprint of the on-site energy conversion system. This work aims to increase the general mechanistic understanding of combustion systems using complex fuels, and includes: A mapping of the boiler failure and preventive maintenance statistics; elemental composition analysis of ash, deposits and fuel fractions; flue-gas composition measurements; chemical speciation analysis; an attempt to describe the overall ash transformation reactions and mass balance throughout the combustion process. Scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used to analyze the elemental composition of ash and deposits. The SEM-EDS results were used together with data from X-ray powder diffraction (XRD) analysis, thermodynamic phase data, and equilibrium calculations in an attempt to quantify the crystalline phases and the overall ash transformation of the process. Based on the findings concerning ash transformation and the failure statistics, it has been possible to identify generic key parameters regarding boiler design and process parameters, enabling major improvements of the CFB boiler availability, a lower overall energy conversion cost and a reduced CO2 footprint. / Den direkta rörliga kostnaden för värme-och elproduktion baserad på fast biobränsle är ungefär 3-5 gånger lägre än kostnaden för fossiloljebaserad produktion. Avfallsklassade fasta biobränslen är vidare oftast betydligt billigare än fasta biobränslen som inte är klassade som avfall. Införandet av de avfallsklassade bränslena; reningsslam, rivningsvirke, och animaliskt avfall i en 50MWth cirkulerande fluidiserad bädd (CFB) -panna, ledde till kraftig beläggningstillväxt i överhettare och ackumulering av aska i ekonomisers, samt haveri av panntuber och centrumrör i cyklonerna, som tvingade fram frekventa pannstopp. Detta ökade i sin tur användningen aveldningsolja (fossilt bränsle) i reservkrafts-pannor vilket resulterade i ett större CO2 utsläpp och en högre kostnad för energiomvandlingen på siten. Detta arbete syftar till att öka den allmänna mekanistiska förståelsen av förbränningssystem som använder komplexa bränslen, och omfattar; haveri- och underhållsstatistik, elementarsammansättningsanalys av aska, beläggningar och bränslefraktioner, rökgasens sammansättning, kemisk specificering av askor och beläggningar, ett försök att beskriva de övergripande askomvandlingsreaktionerna, samt en massbalans för förbränningsprocessen. Svepelektronmikroskop (SEM) utrustat med energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) användes för att analysera den elementära sammansättningen av aska och beläggningar. SEM-EDS-resultaten användes tillsammans med pulverröntgendiffraktionsanalys (XRD), termodynamiska fasdata, och jämviktsberäkningar i ett försök att kvantifiera de kristallina faserna och de övergripande askomvandlingsreaktionerna i processen. Baserat på resultaten rörande askomvandling och haveristatistik, har det varit möjligt att identifiera generiska nyckelparametrar gällande panndesign och processparametrar, som möjliggjort stora förbättringar av CFB pannans tillgänglighet, en lägre totalkostnad för energiomvandlingen på siten samt ett minskat CO2-utsläpp.

<p>The present work is focused on the synthesis of small-scale (modular processes) to produce olefins from light alkane resources in shale gas.</p> <p>Olefins, which are widely used to produce important chemicals and everyday consumer products, can be produced from light alkanes - ethane, propane, butanes etc. Shale gas is comprised of light alkanes in significant proportion; and is available in abundance. Meanwhile, shale gas wells are small sized in nature and are distributed over many different areas or regions. In this regard, using shale gas as raw material for olefin production would require expensive transportation infrastructure to move the gas from the wells or local gas gathering stations to large central processing facilities. This is because existing technologies for natural gas conversions are particularly suited for large-scale processing. One possible way to take advantage of the abundance of shale resource for olefins production is to place small-sized or modular processing plants at the well sites or local gas gathering stations.</p> <p>In this work, new process concepts are synthesized and studied towards developing simple technologies for on-site and modular processing of light alkane resources in shale gas for olefin production. Replacing steam with methane as diluent in conventional thermal cracking processes is proposed to eliminate front-end separation of methane from the shale gas processing scheme. Results from modeling studies showed that this is a promising approach. To eliminate the huge firebox volume associated with thermal cracking furnaces and allow for a compact cracking reactor system, the use of electricity to supply heat to the cracking reactor is considered. Synthesis efforts led to the development of two electrically powered reactor configurations that have improved energy efficiency and reduced carbon footprints over and compare to conventional thermal cracking furnace configurations.</p> <p>The ideas and results in the present work are radical in nature and could lead to a transformation in the utilization of light alkanes, natural gas and shale resources for the commercial production of fuels and chemicals.</p>