This degree project studies the integration of carbon capture system into biomass fired combined heat and power (bio-CHP) plants. The key disturbances from bio-CHP plants include flue gas flow rate, carbon dioxide (CO2) concentration and available heat for the reboiler because the use of versatile biomass and the dynamic operation of CHP plants results in large fluctuations in the properties of flue gas and the heat input for CO2 capture. To clearly understand the impacts of these disturbances on the performance of CO2 capture, a dynamic CO2 capture model is developed in Aspen Plus Dynamics by using monoethanolamine (MEA) based chemical absorption. Proportional-Integral (PI) feedback controllers are then implemented to further study and compare the performance of the CO2 capture process under different control strategies, the performance with general control settings and fine-tuned controllers are obtained and compared, including both the control performance and system performance. The control performance includes the maximum deviation and settling time, which could reflect only the performance of the controllers.  The system performance includes Captured CO2, reboiler duty and Energy penalty per unit CO2 captured, which could reflect CO2 capture system performance. An equilibrium stage steady state model is first developed for the key components in the CO2 capture plant in Aspen Plus, consisting of the absorber, the stripper, and lean-rich heat exchanger. By sizing the components and employing the pressure driven mode, the steady state model is enabled to be a dynamic model. The disturbances about flue gas and reboiler heat are taken from a real bio-CHP plant in Sweden. Considering the higher flue gas flowrate, the model has been scaled up to meet the requirement of this bio-CHP plant. The addition of controllers are done for the flexible operation of the CO2 capture system and the controlled variables considered in this study are the percentage of CO2 absorbed in the absorber column, reboiler temperature and rich solvent flow in the stripper column. The results show the effects of fluctuations in the key influencing factors on the control performance and the system performance . The fine-tuned controller implemented system showcases better performance when the quantity of CO2 captured is compared with that of the system in the absence of controllers, where a 1.1% increase in the amount of captured CO2 is observed when the flue gas flow rate is increased by 30%. The system also maintains a 1.8% higher capture rate when controllers are implemented. This showcases better system performance when controllers are implemented in the system. To further analyse the effects of control strategies two different control strategies are compared where controllers with general settings are compared to the controllers which are fine-tuning achieved by implementing tuning parameters which were obtained through Internal Model control (IMC) based on the system requirements. The fine tuning of the controllers results in improved system performance where the amount of captured CO2 increases by 1.4% when the reboiler duty is increased by 30% and a 1.7% decrease in the energy penalty per unit CO2 captured. Additionally, the results show that the settling time and maximum deviation are different for the two controllers where the controller which underwent fine tuning maintained the steady set point whereas the controller with general controller tuning showcases deviation before it attained stability. Therefore, the fine-tuned controller is more efficient to enable the flexible operation of CO2 capture when facing disturbance. It is studied that the tuning parameters implemented in the controllers affect the transient operation of the plant and improved the dynamic performance of the capture system. The tuned controllers offered more stability to the capture system while attaining their respective set points in a shorter time frame. It is also found that there exists a big difference between the system’s performance without controllers and that with finely tuned controllers. The difference in captured CO2 amount is approximately 26 ton/h when flue gas flow rate increases by 30%. The percentage difference is 1.1%, 7.7% and  5.9% for Captured CO2, reboiler duty and Energy penalty per unit CO2 captured respectively. In conclusion the control of the transient operation of the CO2 capture system needs the control system implemented and requires fine tuning parameters to achieve the desirable performance.

Utsläppen av växthusgaser ökar över hela världen och nya tekniker används för att minska utsläppen. 7% av utsläppen kommer från stålsektorn. 25% av världens stålproduktion görs via återvinningstekniken ljusbågsugn. Genom återvinningsprocessen släpps det ut 500kg CO2 per ton producerat flytande stål. En möjlighet att sänka dessa direkta utsläppär att koppla ljusbågsugnsprocessen med biomassa förgasnings och koldioxidavskiljning. Den föreslagna lösningen i denna avhandling är att utnyttja avgaserna från stålsmältningen i förgasningsprocessen och skapa värdefulla produkter. Projektet utvärderar den tekniska genomförbarheten i form av energieffektivitet och kolutnyttjande. Den föreslagna processen simulerades med Aspen Plus. Ett problem med ljusbågsugnens avgaser är fluktuationen i sammansättningen. Tre fall avavgassammansättning undersöktes. Fall 1 var den genomsnittliga avgassammansättningen, medan fall 2 och 3 var extrema med högt CO- respektive CO2-innehåll. Resultatet visade att syntetsgassammansättningen starkt beror på förgasningsmedlet. I samtliga fall ökade energieffektiviteten och de direkta utsläppen minskade, jämfört med nuvarande process. Fall 1 visade generellt högst effektivitet och kolutnyttjande, medan det CO2 rika fallet (fall 3) hade lägst. Ett kontinuerligt flöde av förgasningsmedel krävs för att driva förgasningsprocessen. Eftersom ljusbågsugn är en satsvis process, sker luftförgasning när avgaser inte är tillgängliga. Det önskade resultatet av luftförgasning är att producera syntetsgas som liknar avgasförgasningens syntesgas. Resultaten visade att luftinfiltration i avgaser är gynnsamt för mer liknande syntesgas . / Greenhouse gas emissions are increasing worldwide, and new techniques are being adopted to suppress the emissions. The steel sector is responsible for 7% of the emissions. 25% ofthe world’s steel production is made through the recycling technique EAF. Throughout the recycling process, 500 kg CO2 gets emitted per ton of liquid steel produced. An opportunity to lower these direct emissions is to couple the EAF process to biomass gasification and CO2 utilisation process. The proposed solution in this thesis is to utilise the off-gases in the gasification process and create high-valuable products. The project evaluates the technical feasibility via energy efficiency and carbon utilisation. The proposed process was simulated using Aspen Plus. A problem with the off-gases from EAF gasification is the fluctuation in composition. Three cases of off-gas composition were therefore investigated. Case 1 was the average off-gas composition, while cases 2 and 3 were extreme with high CO and CO2 content, respectively. The result showed that the syngas composition strongly depends on the gasifying agent. In all cases, the energy efficiency increased, and the direct emissions decreased. Case 1 generally showed the highest efficiency and carbon utilisation, while the CO2 heavily case (case 3) had the lowest. A continuous flow of gasifying agents is required to run the gasification process. Since EAF is a batch process, air gasification runs when off-gases are unavailable. The desired outcome of air gasification is to produce syngas similar to off-gas gasification. The results showed that air infiltration in off-gases is favourable for more similar syngas composition.

Det här projektet redogör för olika behandlingstekniker för gråvatten och för tillämpningar för olika ändamål inom återanvändning. Syftet är att föreslå en lämplig processdesign för behandling av gråvatten i stadsmiljö, på Loudden, Norra Djurgårdsstaden (NDS). Undersökningen grundar sig på relevant litteratur och på fyra demo-sites där gråvatten behandlas och återanvänds i olika tillämpningar. Gråvattendata samlades in och ett genomsnitt beräknades för att karakterisera gråvatteninflödet. Flödet från gråvattnet beräknades utifrån den dagliga vattenförbrukningen i Sverige om 140 liter/person/dag. Fyra behandlingsprocesser valdes ut. Behandlingsprocesserna kombinerades med förbehandling vilket är standard för att skydda efterföljande process steg. Två av dessa behandlingsprocesser modifierades eftersom de, var och en för sig, inte skulle vara tillräckliga för att minska föroreningar och säkra applikationen för slutanvändaren. De fyra processenheternas prestanda utvärderades utifrån två kriterier:  EU:s kvalitetskriterier  för  återvunnet  vatten  under  klass C samt driftsparametrar. En lista som rangordnar de viktigaste variablerna skapades för att sortera fram det bästa teknikvalet. En utvärderingsprocess visade på designernas lämplighet för den behandling som krävs. "Process Combination 1" valdes på grund av dess robusta prestanda och uppvisade inte några betydande nackdelar. Den består av ett fingaller, en submerged membrane bioreactor och ett kloreringssteg. Processdesignen  innehåller värmeåtervinning och tillämpningar  för  återanvändning  inom processindustri samt bevattning för planteringar inom området. De tekniska och ekonomiska beräkningarna baserades på det karakteriserade gråvattnet och den konstruerade flödet. Investeringskostnaden för den föreslagna processdesignen hamnar på 31 miljoner kronor. Den genererar en årlig inkomst på 5 miljoner kronor och kommer, enligt nuvärdesmetoden och med en ränta på 5 %, att vara fullt betald efter 9 år. / This project presents greywater (GW) treatment techniques and reuse applications for different purposes. The aim is to suggest a suitable process design for treating GW in the urban city environment, Loudden, Norra Djurgårdsstaden (NDS). The research studied relevant literature and four demo sites where GW is treated and reused in various applications. GW data were collected, and an average was used to emulate a GW inflow characteristic. The GW flow was constructed based on estimated daily water consumption in Sweden of approximately 140 liter/person/day. Four treatment process units were selected. The treatment processes units were combined with pre- treatment, a standard treatment to protect the system. Two of these treatment processes were modified because, individually, they would not be sufficient to reduce contaminants and secure the end-user application. The performance of the four process units was evaluated based on two criteria: EU quality criteria for reclaimed water under class C and operating parameters. A list ranking the most critical variables was created to sort out the best process unit. An evaluation process showed the suitability of the designs for the required treatment. "Process Combination 1" was chosen because of its robust performance and did not present any significant drawbacks. It consists of a fine screen, a submerged membrane bioreactor, and a chlorination step. A process design including heat recovery and reuse applications for irrigation of the plantation fiels in the area and process industry was established. The characterized inflow and constructed GW flow were then used for technical and economic calculations. The estimated investment cost for the proposed process design was approximately SEK 31 million. It generates an annual income of SEK 5 million and will, according to the Net Present Value method, with an interest rate of 5%, be fully paid after 9 years.

Utsläpp av CO2 till atmosfären bidrar till ökningen av globala temperaturer. Industrisektorn står för 20 % av utsläppen och utav dessa kommer 6 % från pappers- och massaindustrin. För att lyckas minska den globala temperaturhöjningen till under 1,5 °C hjälper det inte bara att minska utsläppen. Även negativa utsläpp måste genereras. Syftet med denna studie är att undersöka implementeringen av CLG för att separera CO2 på ett energieffektivt sätt och samtidigt generera H2 och elektricitet. Processanalyser genomfördes för att undersöka möjligheten att implementera CLG-processen till ett typiskt massabruk. Processmodeller togs fram for att undersöka CLG, värmeåtervinning samt elektricitetsgenerering. Processmodellerna utvecklades med hjälp av Aspen Plus och Aspen HYSYS. De framtagna modellerna analyserades sedan med avseende på olika designparametrar inom CLG-processen. På ett typiskt massabruk som producerar 800 000 adt varje ˚ar kan 375 kg CO2/adt separeras och då uppnå negativa utsläpp, genom att byta ut multi-fuel forsrännaren med en CLG process. Den framtagna processmodellen skulle också kunna generera 360-504 kWh/adt av H2 beroende på de designparametrar som används för CLG-processen. Enligt modellen kan värme som ˚återvinns från processen användas för att fånga upp ytterligare 13 % av CO2 från andra delar av bruket. Processanalys för olika designparametrar inom CLG systemet så som temperatur, luftflöde och flödet av syrgasbärare har presenterats. Nyckeltalen som undersöktes var den mängd CO2 som kunde fångas upp, mängd H2 genererad samt överskottet av elektricitet som produceras när multi-fuel förbränningen byts ut mot en CLG-process på ett typiskt massa bruk. / Emissions of CO2 to the atmosphere are contributing to the global temperature rise. The industrial sector contributed to 20 % of the emissions and out of that, 6 % are generated from the pulp and paper industry. To limit the temperature increase below 1,5 °C, the emissions not only need to be reduced but also negative emissions should be generated from different sectors. The purpose of this study is to realize the implementation of Chemical Looping Gasification (CLG) to separate CO2 (for permanent storage) in an energy-efficient way while co-generating H2 as well as electricity. Process analysis was carried out to investigate the possibility of substituting the multifuel boiler in a typical pulp mill with a CLG process. Process models for the CLG, heat recovery and electricity generation process were developed using Aspen  Plus and Aspen HYSYS. The process was analysed for different design conditions (temperature, autothermal condition, air flow, oxygen carrier flow) in the CLG process. It was found that in a typical pulp mill producing 800 000 adt per year, 375 kg- CO2/adt (14 % of total emissions from the process) can be inherently separated for storage to achieve negative emissions, if the multi-fuel boiler is replaced with a CLG unit. This process will also be able to generate 360-504 kWh/adt H2 depending on the design conditions in the CLG process. Heat recovered from the CLG unit can be utilized in capturing approximately 13 % additional CO2 from other sources in the pulp mill. Process analysis for different design conditions in CLG (temperature, airflow, oxygen carrier flow) have been presented. The key performance indicators were CO2 capture rates, H2 generated and net electrical output from the process.

In this project, a numerical model describing the reaction mechanism and the mass and energy transport in wood pyrolysis is studied. The applicability of the model in predicting actual biomass pyrolysis assessed by comparing the model to TGA experimental measurements. The comparison to experiments is done in relation to the mass loss characteristics of chips of varying sizes. The mass loss is of interest as it is a variable necessary in the coupling of reactor and particle models. Three reaction models were simulated and results compared to experimental data, namely, the reaction model developed by Park et al. [Combustion and Flame 157 (2010) 481-494], a simple multicomponent parallel reaction model, and a competitive reaction model. The model of Park et al. did not fit with the experimental data as it underestimates the char yield. The parallel reaction model, which is based on hemicellulose and cellulose decomposition to char and volatiles, also did not agree with the experiments even when fitting the parameters to the data. The downward trend of char yield with increasing temperature suggests there exists competition between the volatiles and char in wood pyrolysis. The proposed competitive reaction model which consists of a hemicellulose reaction to volatiles and a cellulose reaction to volatiles and char is in good agreement with the experimental data. The mass loss characteristics in the experimental temperature range is fairly predicted within reasonable accuracy.

När befolkningsmängden ökar och teknisk och ekonomisk utveckling sker så påverkas även energianvändningen. Detta ställer krav på att energitillförseln är säker, stabil och hållbar. I dag är det fossila bränslen som dominerar globalt sett vilket får konsekvenser för den miljö vi lever i, och dessutom är det en ändlig, ohållbar resurs. Därför behöver dessa ersättas av hållbara alternativa energikällor, vilket också är centralt för miljömål i både Sverige och i den Europeiska Unionen. Förhoppningar finns om att processer som omvandlar lignocellulosa till fasta, flytande och gasformiga drivmedel och bränslen kan bidra till omställningen från fossilt till förnybart. I detta examensarbete som utförts i samarbete med KTH och IVL Svenska Miljöinstitutet har främst en av dessa omvandlingsprocesser undersökts närmare – pyrolys. Pyrolys är en termisk process som omvandlar lignocellulosa under temperaturer mellan cirka 300-650 °C under syrefria förhållanden. Tre faser kan erhållas. En gasfas som kan kondenseras till pyrolysolja, en fast fas som benämns biokol eller kol (beroende på slutanvändning) och en okondenserbar gasfas. Utbytet av produkter och kvalitet på dessa styrs främst av: typ av råvara, typ av reaktor och av vilka processförhållanden som råder. En undersökning av olika pyrolysprocessers status på marknaden har gjorts. Graden av kommersialisering och status i nuläget och hur framtiden kan se ut för både tekniken och produkterna har uppskattats genom litteraturstudier, internetsökningar och intervjuer med utvalda företag och personer med kunskaper inom pyrolys. Rapporten visar att pyrolys inte ännu är en helt kommersiell process, men att den har möjlighet att bli det med rätt förutsättningar. Det är svårt att säga när det sker, då det förutom fortsatt teknisk utveckling, ökad kunskap kring pyrolysprocessen och resultat av demonstrationer beror på olika externa faktorer. Yttre faktorer för kommersialisering av pyrolys i Sverige har identifierats som ökad säkerhet kring politiska styrmedel och beslut kring långsiktiga sådana (osäkerhet och kortsiktiga beslut skrämmer bort investerare), vikten av att etablera en värdekedja för att säkra investeringen, och priser på fossila drivmedel och biomassa som råvara. Processer för produktion av biokol verkar dock ha hunnit längre än de för pyrolysolja och är i ett tidigt stadium av kommersialisering.  Den enda tillämpningen som är fullt kommersiell idag är produktion av träkol och för detta tillämpas ofta traditionella satsvisa processer. Många möjliga användningsområden för produkterna finns där de har potential att reducera koldioxidutsläpp och bidra till en mer hållbar framtid. Standardisering och certifiering av produkter är då viktigt, samt demonstration av användning. Stabilisering och vidare förädling av pyrolysoljan är en annan viktig faktor för kommersialisering. Ännu verkar processer för katalytisk uppgradering inte vara tillräckligt tekniskt eller ekonomiskt utvecklade för att ge en konkurrenskraftig produkt, men forskning pågår kring detta. Integrering av processen ser ut att kunna öka energieffektiviteten, samt bidra till minskade produktionskostnader. / The population growth as well as a rapid technical and economic development globally affects the energy consumption. This requires a secure, stable and sustainable supply of energy. Today fossil fuels dominate globally and this results in environmental problems. Fossil fuels are also a finite, unsustainable resource. Thus, there is a need to replace fossil fuels with sustainable alternative sources of energy. This is also central for environmental goals both in Sweden and in the European Union. There are expectations that processes for the conversion of lignocellulosic biomass to solid, liquid and gaseous fuels can contribute to a transition from fossil to renewable fuels. In this thesis, carried out in collaboration between KTH and IVL Swedish Environmental Research Institute, one of the conversion processes is investigated in detail – pyrolysis. Pyrolysis is a thermal process that converts lignocellulose under anaerobic conditions at temperatures between about 300-650°C. Three phases can be obtained as products. A volatile which can be condensed into pyrolysis oil, a solid which may be termed biochar or charcoal depending on the end use, and a gas phase. The yield and the quality of the products is dependent upon the type of raw material, the type of reactor and the process conditions. An examination of the status of different pyrolysis processes on or on the way to the market has been made. The current degree of commercialization and what the future may look like for both the technology and the products have been assessed through literature studies, internet searches, and interviews with selected companies and individuals with expertise in pyrolysis.   This report reveals that continuous pyrolysis is not yet a fully commercial process, but that it has the opportunity to reach commercialization during the right conditions. It is difficult to say when it occurs, due to various external factors, continued technical development, increased knowledge of the pyrolysis process and results of the current demonstrations. In this report, several critical factors for the commercialization of pyrolysis in Sweden have been identified, e.g. increased stability for policy instruments and that will limit the risk for investments (uncertainty and short-term decisions frightens investors) and the establishment of a value chain for the products, i.e. a stable market. Prices on fossil fuels and biomass feedstock are also important factors. Processes for the production of biochar is in the early stages of commercialization, and seem to have reached further in their development than processes for pyrolysis oil. The only fully commercial application of pyrolysis today is the production of charcoal that commonly is performed in traditional batch-wise processes. There are many possible uses for the products in which they have the potential to reduce carbon emissions and contribute to a more sustainable future. Standardization and certification of products is important, and demonstration of the use. Stabilization and further upgrading of pyrolysis oil is another important factor for commercialization. It seems like processes for catalytic upgrading are not yet sufficiently technically or financially developed to be able to provide a competitive product. Research and development in this area are ongoing. Integration of the process with incumbent industrial processes seems to be able to offer increased energy efficiency and reduced production costs.

Dricksvatten är en essentiell del av ett hållbart samhälle. Därför är det viktigt att säkerställa säkert dricksvatten genom fungerande vattenreningsverk. En viktig förorening att behandla är NOM, som i sig är ofarligt men som kan producera farliga föroreningar. En teknik som används för behandling av NOM är kolfiltrering. Hur ökad flödeshastighet och ökad kontakttid påverkade kolfiltrens effektivitet undersöktes vid dricksvattenreningsverket Norrvatten. De undersökta parametrarna var partiklar, ultraviolett absorbans vid 254 nm, turbiditet, konduktivitet, fluorescent löst organiskt material, totalt organiskt kol, kemisk syreförbrukning, odlingsbara mikroorganismer och lukt. Tre kolfilter studerades vid olika flödeshastigheter; 190, 220, 250 och 280 L/s under ett dygn var. Samtidigt hade två filter ökad kontakttid på 60 och 76 % under sex veckor, medan ett filter fortsatte med den vanliga flödeshastigheten på 190 L/s. Utgående vatten från filtren analyserades för att se om dessa ändringar hade någon effekt på vattenreningen. Denna preliminära studie fann ingen signifikant effekt på kolfiltreringens rening på grund av ökad flödeshastighet eller uppehållstid. Detta kan vara en indikation på att kolfiltreringen kan hantera en framtida flödesökning och därmed vara en väsentlig del av en framtida expansionen av vattenreningsverket. De tecken som visade på att kolfiltren påverkades av ökningen av flödeshastigheter kunde förklaras av fluktuationer i inkommande vatten och skillnader mellan de olika filtren. I framtiden bör effekten av inkommande vatten studeras i detalj. En mer ingående analys av både inkommande och utgående vatten till kolfiltren bör utföras, där provtagning sker oftare för att bättre förstå fluktuationerna i inkommande föroreningskoncentrationer. Dessutom bör testerna upprepas för att se hur reningen skiljer sig från dag till dag. Hur kolfiltren hanterar ökade flödeshastigheter över längre tidsperioder bör också undersökas vidare. / Drinking water is an essential part of a sustainable society. In the future, the demand for drinking water will increase and contaminants in the water sources are also predicted to increase. Therefore, it is essential to ensure safe drinking water through functioning drinking water treatment plants (DWTPs). One important contaminant to treat is natural organic matter (NOM), which is harmless in itself but can produce harmful products. One technique to use for treating NOM is carbon filters (CFs). The effect of increased flow rate and increased empty bed contact time (EBCT) on the CF efficiency was investigated at a DWTP. The investigated parameters were particles, ultraviolet absorbance at 254 nm, turbidity, conductivity, cultivable microorganisms, fluorescent dissolved organic matter, total organic carbon, chemical oxygen demand, and odour. Three CFs were studied at different flow rates; 190, 220, 250, and 280 L/s for 24 hours each. Additionally, two filters had increased EBCT of 60 and 76 %, while one filter continued with the regular flow rate of 190 L/s for six weeks. Outgoing water from the filters was analysed to see if the change had any effect on the DWTP. This preliminary study did not find any significant effect on the CF treatment caused by increased flow rate or EBCT. This could be an indication that the CFs can handle a future increase in flow rate and thus be an essential part of a future expansion of the DWTP. The indications of CFs being affected by the increase in flow rates for some of the parameters could be explained by fluctuations in incoming water or differences between the separate filters. In the future, a more thorough analysis of both incoming and outgoing water to the CFs should be done, where sampling occurs more frequently to better understand the fluctuations in incoming contaminant concentrations. The measurements should also be repeated to see how the treatment differs from day to day. How the CFs handle increased flow rates over longer time periods should also be investigated further.

Hybridraketer har inte sett så mycket användning som dess motsvarigheter som använder flytande eller fasta drivmedel. De främsta orsakerna kan förklaras med att hybridraketer historiskt sett haft lägre regressionshastighet och bränsletäthet. Inverkan av nackdelarna har dock minskat tack vare fortsatt forskning rörande hybridraketer. Tillsammans med de säkerhetsoch ekonomiska fördelar som kommer med hybridraketer har gjort hybridraketer ett mer konkurrenskraftiga. Hexaminbaserade fasta bränslen har formulerats och utvärderats med betoning att förbättra härdningstid och mekaniska egenskaper. Genom att inkludera mjukgörare och ändra NCO/OH-förhållandet har ett fast bränsle med lovande mekaniska egenskaperoch god härdningstid framställts. / Hybrid propellant rockets has not seen as much use as its liquid and solid propellant counterparts. The main reasons for this can be attributed to hybrid propellant rockets historically having lower regression rate and fuel density. However, the impact of these disadvantages have been diminished over the years as a result of increased research. This together with the safety and economic advantages of hybrid propellant rockets, the hybrid system have become a more competitive system to use. Hexamine basedsolid fuel grains have been formulated and evaluated with emphasis on enhancing pot-life and tensile proprieties. By including plasticisers and altering the NCO/OH ratio, a solid fuel grain was successfully produced, overcoming earlier encountered problems with short pot-life as well as having promising tensile properties.

The European Green Deal declared that Europe must decarbonize to become carbon-neutral within 2050. To do so, the European Parliament emphasized hydrogen as a major tool for energy transition. In regard of current environmental challenges, liquid hydrogen has raised interest as energy carrier for energy storage and transport. Due to growing use of renewable energy sources such as solar and wind energy, intermittent sources will increase. Hydrogen production methods will become mostly intermittent with renewable energies. However, due to historical hydrogen production by steam methane reforming, liquefaction was developed at steady nominal charge. In order to feed current liquefaction processes with renewable hydrogen, a buffer system will become required. This thesis studies the effect of buffer and liquefaction combination on performances and cost. In order to carry out this liquefaction from intermittent source, the study is performed based on industrial data from a variable co-product hydrogen profile. This profile acts as a simplified case. The scope of the study is drawn by considering compressed hydrogen as temporary storage for the buffer while liquefaction unit is modelled around Linde Leuna cycle. The technical-economical study covers sensitivity analysis on both buffer and liquefaction unit. For the buffer unit, storage capacity, storage pressure, liquefaction flexibility and recuperation rate impacts are examined. Liquefaction sensitivity analysis includes pressure drop, electricity cost and capacity study.  It is highlighted that 100% gaseous hydrogen recovery is not profitable due to high costs increase for recuperation higher than 95%. Storage pressure and capacity as well as liquefaction flexibility drive buffer cost and recuperation rate of the co-product hydrogen. Considering liquefaction study, results highlight that pressure drops cause first order deviations in energy consumption as well as on cost. Results show that the specific buffer cost is evaluated between 71% and 59% of liquefaction cost. Hence the thesis raises attention on future work on heat exchangers design, pressure drop optimization and liquefaction unit flexibility to allow an optimized renewable liquid hydrogen production.

Det är välkänt att klimatförändringar på grund av global uppvärmning är en av de största kriserna som hotar jorden. Det är en enorm utmaning för mänskligheten att minska koldioxidutsläppen, den främsta orsaken till global uppvärmning. Enkelt genomförbara åtgärder är inte tillräckliga och teknik för att ta bort koldioxid från atmosfären anses nödvändig för att temperaturökningen inte ska överstiga de 1,5 °C som anges i Parisavtalet. Direkt infångning av koldioxid från luft (vanligen kallad direkt luftinfångning, (Eng. Direct air capture - DAC)) är en ny teknik som kan ta bort koldioxid direkt från atmosfären. För närvarande är denna metod dyr; upp till 1000 USD per ton avlägsnad koldioxid. Denna höga kostnad beror främst på den relativt låga koldioxidkoncentrationen i luften, vilket leder till att en stor anläggning behövs för att fånga upp gasen och därmed stora investeringar. Tekniken är mycket energiintensiv, antingen elektrisk eller termisk, och för att göra en direkt infångning effektivare, måste anläggningen drivas med energi som inte har några eller mycket låga koldioxidutsläpp. Energin på Island är billig och dess produktion innebär ett mycket lågt koldioxidavtryck. Syftet med arbetet i denna avhandling är att utforska om metoden för direkt infångning av koldioxid från luft kommer att vara en mer genomförbar metod än koldioxidinfångning från punktkällor (eng. point source - PS) på Island på grund av god tillgång till billig och ren energi. Lärandekurvan för direkt luftfångning studerades tillsammans med scenarier för metodens tekniska utveckling. Tre olika fall med punktkällor på Island studerades för jämförelse. Två olika direkta luftinfångningstekniker analyserades också, en som drivs av en stor mängd elektricitet och en som drivs mestadels av termisk energi. Det resulterade i att i bästa fall, där inlärningshastigheten är hög och tekniska förbättringar är signifikanta, så skulle produktionskostnaden för direkt luftinfångning (levelized cost of energy, LCOC) vara lägre än motsvarande för infångning från en punktkälla. Energikostnaden påverkar LCOC för DAC idag men med teknisk utveckling förväntas energibehovet minska och därför kommer energikostnadens påverkan att bli lägre. Det är dock fortfarande viktigt, med tanke på bidraget till att minska globala uppvärmningen, att energin som driver DAC-anläggningen har ett lågt koldioxidavtryck, vilket kan garanteras på Island. Tvärtom, om inlärningshastigheten för DAC-tekniken är låg och inga tekniska förbättringar sker i lösningsmedel eller sorbenter, är och kommer DAC-tekniken att bli dyrare än infångning från punktkällor om båda anläggningarna finns på Island. En hög inlärningshastighet och teknikutveckling är beroende av trycket att nå målen i Parisavtalet. Det är därför mycket viktigt för DAC att efterfrågan på koldioxidinfångning ökar. Dessutom har DAC mer potential att påverka klimatförändringarna eftersom DAC kan vara en kolnegativ teknik om den kombineras med permanent lagring av koldioxid. PS-avskiljningen kan endast vara en kolneutral teknik och detta om den kombineras med permanent lagring av koldioxid. / It is well known that climate change due to global warming is one of the greatest crises facing the Earth. It is a huge challenge for mankind to reduce CO2 emissions, the major cause of global warming. Mitigation measures are not enough. Technologies to remove the CO2 from the atmosphere are considered necessary, so the temperature rise does not exceed 1.5°C as stated in the Paris Agreement. Direct air capture (DAC) is a new technology that can remove carbon dioxide directly from the atmosphere. Currently, this method is expensive, up to 1000 USD per ton CO2 removed. This high cost is mostly due to the relatively low concentration of CO2 in the ambient air, leading to a large unit to capture the gas and therefore high capital investment. The technology is very energy-intensive, either electrical or thermal, and to make direct air capture more efficient the plant needs to be powered with energy that has no or very low CO2 emissions. The energy in Iceland is low cost and its production has a very low carbon footprint. This thesis aims to find out if the direct air capture method will be more feasible than a point source CO2 capture in Iceland due to good access to low-cost and clean energy. The learning curve for direct air capture was studied along with scenarios for its technological development. Two different direct air capture technologies were analyzed, one that is powered by a large amount of electricity and one powered mostly by thermal energy. Three different point source cases in Iceland were studied for comparison. For the best-case scenario, where the learning rate is high and technological improvements are significant, the levelized cost of direct air capture is lower than levelized cost of point source capture. The cost of energy affects the levelized cost of direct air capture today but with technical development, the energy needed is expected to go down, and therefore the effect of energy cost will be lower.  However, it is still important, concerning contribution to reducing global warming, that the energy powering the direct air capture plant has a low carbon footprint, which can be assured in Iceland. On the contrary, if the learning rate of the direct air capture technology is low and no technical improvements occur in solvents or sorbents the direct air capture technology is and will be more expensive than point source capture considering both located in Iceland. The high learning rate and development in technology are dependent on the pressure to reach the goals of the Paris Agreement. It is therefore vital for direct air capture that the demand for carbon removal measures is enhanced due to pressure to reach the Paris Agreement goals. Furthermore, direct air capture has more potential to affect climate change than point source capture as direct air capture can be a carbon-negative technology if coupled with the permanent storage of CO2. The point source capture can only be a carbon-neutral technology if coupled with the permanent storage of CO2.