Worldwide concern on reducing global warming consequences has motivated the development of power generation technologies to move towards renewable and sustainable energy. The process takes time and currently, a significant percentage of the world’s electricity systems are driven by fossil fuels. The transition phase from fossil fuel to renewable technology has allowed the combined cycle gas power plant to play an essential role in our global energy mix. This investigation aims to develop scenarios to improve its performance and reduce the carbon footprint during its operation. A baseline scenario of the natural gas combined cycle has been developed using Aspen Hysys software, and the simulation performance is validated with ASME PTC 4-4. The analytical validation results in a 1.13% difference in air and fuel flow rate of 642.95 kg/s compared with 650.28 kg/s as simulation input. Four scenarios are developed following the baseline scenario: seawater cooling and intercooling with LNG cold energy utilization, carbon capture, and hydrogen blending. Those scenarios are compared with three key performance indicators such as system efficiency (%), levelized cost of electricity (USD/MWh), and specific carbon dioxide emissions (gr-CO2/kWh). The analysis shows that sea water cooling with LNG cold energy achieves the highest efficiency of 56.46%, a 0.12% increase compared with the baseline scenario. Hydrogen blending with natural gas achieves the lowest LCOE and specific carbon dioxide footprint of 46.97 USD/MWh and 351.23 gr-CO2/kWh, respectively. The reduction of 12.58 kTon annual carbon dioxide is achieved by implementing 5% hydrogen blending by volume into the combined cycle power generation system. / Världsomfattande oro att minska konsekvenserna av den globala uppvärmningen har motiverat kraftgenereringsteknik att gå mot förnybar och hållbar energiutveckling. Processen tar tid och förnuvarande drivs en betydande andel av världens elsystem av fossila bränslen. Övergångsfasen från fossilt bränsle till förnybar teknik har gjort det möjligt för kombikraftverk att spela en viktig roll i vår globala energimix. Denna rapport syftar till att utveckla scenarier för att förbättra dess prestanda och minska koldioxidavtrycket under dess drift. Ett utgångsscenario för naturgasens kombinerade cykel har utvecklats med hjälp av Aspen Hysys programvara, och simuleringsprestandan är validerad med ASME PTC 4-4. Den analytiska valideringen resulterar i en skillnad på 1,13 % i luft- och bränsleflöde på 642,95 kg/s jämfört med 650,28 kg/s som simuleringsindata. Fyra scenarier utvecklas efter baslinjescenariot: havsvattenkylning och mellankylning med LNG kall energianvändning, kolavskiljning och väteblandning. Dessa scenarier jämförs med tre nyckeltal som systemeffektivitet (%), utjämnad kostnad för el (USD/MWh) och specifika koldioxidutsläpp (gr-CO2/kWh). Analysen visar att havsvattenkylning med LNG kall energi uppnår den största verkningsgraden på 56,46 %, en ökning med 0,12 % jämfört med utgångsscenariot. Vätgasblandning med naturgas uppnår lägsta LCOE och specifika koldioxidavtryck på 46,97 USD/MWh respektive 351,23 gr-CO2/kWh. Minskningen av 12,58 kTon årlig koldioxid uppnås genom att implementera 5 % vätgasblandning i volym i det kombinerade kraftgenereringssystemet.

Den stora oron för de ökade växthusutsläppen och klimatförändringas effekter har uppmuntrat utvecklingen av åtgärder för att motverka de negativa konsekvenserna. En av de tekniker som har uppmärksammats under de senaste decennierna är kolavskiljningstekniken. Men nuförtiden är kolavskiljning en teknik som är relaterad till höga kostnader där både kapital- och driftskostnaderna är höga. Därför utfördes i detta projekt ett försök att minska kostnaden genom att ersätta den absorptionspackade kolonnen med ett nytt kompakt system. I detta fall atomiserade det kompakta systemet lösningsmedlet till droppar för att öka massöverföringen av koldioxidabsorptionen. Syftet med detta projekt var att utföra en jämförande teknisk-ekonomisk utvärdering av den konventionella kemiska absorptionsprocessen med packade kolonner mot en process med ett kompakt system. En processmodell för den konventionella processen etablerades i Aspen Plus. Dessutom manipulerades den berikade lösningen i samma processmodell för att simulera den förbättrade absorptionen på grund av atomatiseringen av lösningsmedlet. Det resulterade i att implementeringen av det kompakta systemet kunde generera tekniska förbättringar som ett minskat användande av lösningsmedel och en lägre återkokningsbelastning i regenereringskolonnen. Det var dock ingen betydande minskning av den totala fångstkostnaden. I det här fallet var de främsta bidragande faktorerna till fångstkostnaden var kompressorkostnaden och det höga elpriset. Känslighetsanalysen visade dock i huvudsak att fångstkostnaden skulle kunna sänkas när elpriset är lägre. Man kan dra slutsatsen att kompakta system är en lovande teknik som skulle kunna bidra till utvecklingen av kolavskiljningstekniken. Framtida undersökningar av processdesignen krävs dock för att sänka fångstkostnaden ännu mer. / The great concern regarding the increased greenhouse emissions and the effects of the climate change has encouraged the development of solution in order to counteract the negative consequences. One of the technologies that has gained attention during the last decades has been the carbon capture technology. However, nowadays the carbon capture has been a technology that has been related to high capture costs where both capital and operational costs usually has been high. Therefore, in this project, an attempt was realized to reduce the capture cost by replacing the absorption packed column with a novel compact system. In this case, the compact system atomized the solvent into droplets in order to enhance the mass transfer of the carbon dioxide absorption. The aim of this project was to perform a comparative techno-economical evaluation of the conventional chemical absorption process with packed columns to a process with a compact system. A process model for the conventional process was established in Aspen Plus. Furthermore, the rich loading was varied in the same process model in order to simulate the enhanced absorption due to the atomization of the solvent. It resulted that the implementation of the compact system could generate technical benefits such as a reduced solvent utilization and a lower reboiler duty in the stripper column. However, there was no significant reduction regarding the total capture cost. In this case, the main contributors to the capture cost were the compressor cost and the high electricity price. Nevertheless, the sensitivity analysis showed principally that the capture cost could be reduced if the power required in the flue gas compressor can be reduced. It could be concluded that the compact system is a promising technology that could contribute to a further development of the carbon capture technology. However, future investigations regarding the process design are required in order reduce the capture cost even more.

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.

Investments in carbon capture from industrial emissions have been on the rise in recent years, having reached over $200 million in 2021 as compared to 2015’s $13 million. The Paris Agreement, signed by 196 parties globally in 2015, is purported to be the primary driver for this, with its ambitious goal of limiting global surface temperature rise to 1.5°C by the year 2100 as compared to the pre-industrial era. Achievement of a carbon-neutral future for industries has been sought by experts in more than a few ways, which include attempts directed towards re-designing current manufacturing processes to produce inherently low CO2 emissions. Although eventual elimination of carbon emissions forms the ultimate goal, complete avoidance of CO2 production does not seem probable for all industrial sectors. Emissions from industries in the medium to long term are thus foreseen to be composed between 0.5% and 7% of CO2 by moles (roughly between 1% and 10% by mass), depending on the level of dilution occurring during the various flue gas treatment procedures between their source and the capture unit. An assessment of the capabilities of two popular and one prospective carbon capture technologies in capturing CO2 from such emissions of the future has been made in this work to aid investors make informed decisions about a suitable technology. The monoethanolamine-based (MEA) absorption system, one of the most popular choices today, was found to be well capable of treating emissions composed of CO2 in proportions as low as 0.6% by mole (or ∼1% by mass) with capture rates well over 95%. Its thermal energy intensity ranged between 3.59 MJth/kgCO2 captured and 10.23 MJth/kgCO2 captured with an associated levelised cost of capture ranging between €20.36/tonneCO2 captured and €141.97/tonneCO2 captured going from the 10% concentrated to the 1% concentrated stream by mass. In comparison, the benfield system was found to effect much lower CO2 capture rates ranging between 35% and 88%, making it unsuitable for treatment of low CO2 concentrated streams. Even with such poor performance at high pressures of operation, its energy demand ranged between 3.9 MJth/kgCO2 captured and 11.07 MJth/kgCO2 captured with an associated levelised cost of capture between €174.28/tonneCO2 captured and €4209.06/tonneCO2 captured. The immobilised amine-based system, in what is considered to be a non-optimised configuration yet, was found to capture nearly 100% of the entering CO2 with energy consumption ranging between 3.71MJth/kgCO2 captured and 11.8 MJth/kgCO2 captured for extremely high, but improvable levelised costs of capture ranging between €674.31/tonneCO2 captured and €3488.42/tonneCO2 captured. Exhibiting comparable energy performance to the mature MEA-based absorption system’s even in its non-optimised configuration, the immobilised amine-based adsorption system was found to possess potential to be the carbon capture technology of the future for treatment of low CO2-concentrated effluent streams. / Investeringar i koldioxidavskiljning från industriella utsläpp har ökat de senaste åren och nått över 200 miljoner USD 2021 jämfört med 2015 års 13 miljoner USD. Parisavtalet, som undertecknades av 196 parter globalt 2015, påstås vara den främsta drivkraften för detta, med det ambitiösa målet att begränsa den globala yttemperaturökningen till 1,5°C till år 2100 jämfört med den förindustriella eran. Att uppnå en koldioxidneutral framtid för industrier har eftersträvats av experter på mer än ett fåtal sätt, vilket inkluderar försök inriktade på att omdesigna nuvarande tillverkningsprocesser för att producera låga CO2-utsläpp. Även om fullständig eliminering av koldioxidutsläpp utgör det ideala målet, är det inte troligt att CO2-produktion kan undvikas helt för att alla industrisektorer. Utsläppen från industrier på medellång till lång sikt förväntas därför utgöra mellan 0,5 % och 7 % av CO2 per mol (ungefär mellan 1 % och 10 % i massa), beroende på nivån av utspädning som inträffar under de olika rökgasbehandlingsprocedurerna mellan utsläppskällan och fångstenheten. I det här arbetet har två traditionella och en potentiellt blivande koldioxidavskiljningsteknik jämförts och en bedömning av deras förmåga att fånga in CO2 från framtida utsläpp har gjorts i syfte att hjälpa investerare att göra ett klokt val. Det monoetanolaminbaserade (MEA) absorptionssystemet, ett av de mest populära valen idag, visade sig vara väl kapabelt att behandla utsläpp med CO2-koncentrationer så låga som 0,6 molprocent (eller 1 massprocent) med fångsthastigheter långt över 95 %. Dess termiska energiintensitet varierade mellan 3,59 MJth/kgCO2 captured och 10,23 MJth/kgCO2 captured med en tillhörande utjämnad kostnad för fångst mellan €20,36/tonCO2 captured och €141,97/tonCO2 captured från 10 % koncentrerad till 1 % koncentrerad ström i massa. Som jämförelse visade sig benfield-systemet ge mycket lägre CO2-avskiljningshastigheter på mellan 35 % och 88 %, vilket gör metodenolämplig för behandling av gasströmmar med låg CO2-koncentration. Den dåliga prestandan uppvisades trots höga drifttryck och metoden medförde en energiintensitet mellan 3,9MJth/kgCO2 captured till 11,07MJth/kgCO2 captured samt en snittkostnad mellan €174/tonCO2 captured till €4209,06/tonCO2 captured. Det immobiliserade aminbaserade systemet anses vara en icke-optimerad konfiguration men visade sig trots det fånga upp nästan 100 % av inkommande CO2 med en energiförbrukning på mellan 3,71 MJth/kgCO2 captured och 11,8 MJth/kgCO2 captured. De extremt höga, men dock förbättringsbara, snittkostnaderna för infångningen sträcker sig mellan €674/tonCO2 captured och €3488,42/tonCO2 captured. Det immobiliserade aminbaserade adsorptionssystemet uppvisar jämförbar energiprestanda som det mogna MEA-baserade absorptionssystemet även i sin icke-optimerade konfiguration.

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.