Biomass combustion can be seen as CO2 neutral, thereby biomass combustion plants can have negative CO2 emissions if retrofitted with post combustion capture (PCC) technology using liquid absorbents. Monoethanolamine (MEA) has been used for carbon capture in coal combustion plants but are not suitable for use in biomass combustion plants due to corrosion and high solvent regeneration cost. Instead, the hot potassium carbonate (HPC) process using potassium carbonate (K2CO3) as absorbent show better attributes in these aspects. Although, K2CO3 has slow reaction kinetics with CO2 which need to be improved using promoters. Piperazine is the most tested promoter but are hazardous to humans. Recent research has revealed promising alternatives, among these different amino acid salts such as glycine, proline, and isonipecotic acid which are chemically benign. Biomass flue gas composition vary depending on the biomass fuel characteristics. How this affects the degradation and potential formation of hazardous substances need to be studied further. Biomass combustion plants are generally equipped with flue gas condensation systems, making retrofitting more feasible due to increased system flexibility and energy recovery options. The operation costs of carbon capture and sequestration (CCS) in biomass combustion plants need to be monitored to optimize the plant revenue. To make implementation of HPC in biomass combustion plants a reality, piperazine should be used as promoter. Meanwhile, research should focus on improving the absorption rate in HPC process with more chemically safe promoters.

The EU has set out a goal to become climate neutral by 2050. The IPCC has recognized carbon dioxide removal (CDR) as being an essential technology in order to achieve net zero CO2 emissions. Since CDR can account for emissions from sectors that are hard to mitigate, the European Commission has proposed a regulation that will be the first EU-wide voluntary certification framework for high-quality carbon removals. During 1 December 2023 - 23 March 2023, the proposal received feedback from different actors in order to develop methodologies that will enable stakeholders to implement this certification framework. Therefore, since relevant actors' participation in designing the framework is important, the aim of this study is to analyse the feedback and identify potential strengths, weaknesses, areas of agreement, and conflicts of interest in the proposal. Out of the 210 submitted feedback documents that the EU Commission received, 165 documents were analysed in this study. From the feedback, the results of this study show that many actors from different sectors welcome the proposal and believe that it could bring further transparency and trustworthiness to CDR activities which could increase investments in carbon removal solutions. However, a common weakness among the respondents was the lack of clarity in the framework regarding the terminology and the alignment to other regulations and policies. Some conflicts of interest were also identified, surrounding the level of permanence in the included CDR activities, co-benefits, and the representation of actors within the expert groups. / EU har satt ett mål att bli klimatneutralt 2050. IPCC har erkänt koldioxidinfångning som en nödvändig teknik för att uppnå netto noll CO2 utsläpp. Detta eftersom koldioxidinfångning kan kompensera för utsläpp från sektorer som är svåra att minska. Den Europeiska kommissionen har därav föreslagit en ny förordning som kommer att bli det förstaEU-omfattande frivilliga ramverket för certifiering av koldioxidinfångning av hög kvalitet. Den 1 december 2023 - 23 mars 2023 fick förslaget feedback från olika aktörer i syfte att utveckla metoder som gör det möjligt för aktörer att implementera certifieringsramverket. Eftersom att relevanta aktörers deltagande i utformningen av ramverket är av betydelse, är syftet med denna studie att analysera responsen som certifieringsramverket har fått för att sedan kunna identifiera potentiella styrkor, svagheter, punkter av överensstämmelse och intressekonflikter inom förslaget. Av de 210 dokumenten med respons som inkom tillEU-kommissionen, analyserades 165 dokument i denna studie. Efter att responsen analyserats framkom det att många aktörer från olika sektorer välkomnar förslaget då de, bland annat, anser att förslaget skulle kunna tillföra ytterligare transparens och trovärdighet gällande koldioxidinfångning. Detta skulle i sin tur kunna öka andelen investeringar i olika tekniker för koldioxidinfångning. En svaghet som framkom bland respondenterna var att terminologin i ramverket ansågs vara otydlig. Respondenterna ansåg även att det var otydligt hur ramverket skulle anpassas till befintliga och kommande policys och lagar. Vissa intressekonflikter kunde också identifieras. Både kring koldioxidlagringens varaktighet och ramverkets samfördelar samt representationen av aktörer inom expertgupperna.

Att begränsa globala uppvärmningen till 1,5°C kommer kräva negativa koldioxidutsläpp. En metod för att generera negativa koldioxidutsläpp är så kallad Bio-Energy Carbon Capture and Storage (BECCS). En direkt implementering av BECCS är att fånga in CO2 från rökgas som genereras vid förbränning av biomassa i en så kallad post-combustion capture-konfigurering. Post-combustion BECCS har skapat en stor resonans hos kraftverksoperatörer och pappersproducenter. Stockholm Exergi, som ägs av Fortum och Stockholms Stad, siktar på att fånga in upp till 800 kt CO2 per år från deras biomass-eldade CHP-anläggning i Värtaverket vid 2024. Planen är att fånga in CO2 från rökgasen genom en absorptionsprocess och sedan skeppa det till Norge för geologisk förvaring. Mastersexamensarbetet följde en experimentskampanj driven av Stockholm Exergi som siktade på att uppnå experimentell validering av en absorptionsprocess för koldioxidinfångning från rökgas vid förbränning av biomassa. En testenhet konstruerades och tester genomfördes från december 2019 till maj 2020. Examensarbetet fokuserade på rollen absorptionsmedlet hade på infångningshastigheten. Tester med tre olika lösningsmedel genomfördes och de experimentella resultaten analyserades genom en kombination av jämviktsmodeller och Murphree-effektiviteter. Resultatet visar att ett absorptionsmedel baserat på vattenlöslig K2CO3 är kompatibel med rökgas från förbränning av biomassa, eftersom infångningshastigheter mellan 5 och 13 % uppmättes. De undersökta hastighetspromotorerna (3 vikt% H3BO3 + 1 vikt% V2O5) visade dock inte den förväntade effekten på infångningshastigheter, och på grund av tidsbegränsningar testades inte olika vikt% av promotorn under det här examensarbetet. Ingen tydlig slutsats drogs därför med hänsyn till promotorer. Baserat på Murphree-effektiviteterna som beräknats genom experimenten med konstant förhållande mellan vätske- och gasflöde uppskattas en 28–35 m hög kolonn fånga 90% av CO2 i rökgasen. / Limiting global warming to 1.5°C will require negative carbon emissions. One way for generating negative carbon emissions is through bio-energy carbon capture and storage (BECCS). A direct implementation of BECCS is to capture CO2 from the flue gas originating from the combustion of biomass in a post-combustion capture configuration. Post-combustion BECCS has generated considerable resonance among power plant operators and paper manufactures. Stockholm Exergi, owned by Fortum and Stockholm Stad, aims at capturing up to 800 kt CO2 per year from their biomass-fired CHP plant in Värtaverket by 2024. The plan foresees to capture CO2 from the flue gas utilizing an absorption process and shipment of the captured CO2 to Norway for geological storage. The Master thesis project followed an experimental campaign run by Stockholm Exergi that aimed at experimental validation of an absorption process for carbon capture from flue gas originating from the combustion of biomass. A test unit was constructed, and test trials were run from Dec. 2019 to May 2020. The thesis focused on the role of the absorption solvent on the capture rate. Test trails with three different solvents were conducted, and the experimental results were analyzed using equilibrium models combined with Murphree efficiencies. The results show that an absorption solvent based on aqueous K2CO3 is compatible with the flue gas derived from biomass combustion, i.e., capture rates ranging from 5 to 13 % were measured. However, the investigated rate promoters (3 wt.% H3BO3 + 1 wt.% V2O5) did not show the expected effect with regards to capture rates and due to time constrain different wt.% of the promoter were not tested within the scope of this thesis. Therefore, no firm conclusion was given with regards to promoters. Based on the Murphree efficiency calculated from the experiment with keeping a constant liquid to gas flow ratio, a column height of 28-35 m is estimated to capture 90% of CO2 from the flue gas.

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.

BECCS (Bioenergy Carbon Capture and Storage) is an important part of measures to achieve zero net emissions globally by 2050, as the technology can create carbon sinks. However, the technology is very energy-intensive and expensive, and affects the existing systems at implementation. The purpose of this study is to investigate the possibility of implementing BECCS at Karlstad Energy's biofuel-fired CHP-plant, Heden 3. The goal is, by simulation in CHEMCAD, to generate energy consumption key figures for two different separation technologies (MEA-MonoEthanolAmine and HPC-HotPotassiumCarbonate) with 90 % separation rate in three different operating cases. In addition, the systemic impact on Heden 3 will be determined by analyzing three different scenarios. In the first scenario fuel consumption is kept unchanged and steam to the carbon capture system is extracted before the turbine. In the second scenario fuel supply increases to meet the district heating needs of the existing system and steam to the carbon capture system is extracted before the turbine. In the third scenario fuel supply is kept unchanged and steam is extracted from the turbine. In addition, the study investigates various transport options for storage of carbon dioxide and finally calculate the total carbon sink Karlstad Energy can contribute to. The results show that production of electricity is reduced by 65-87 % after implementation of MEA and 151-238 % for HPC in the first scenario. Without heat utilization in the carbon capture system, heat production is reduced by 66-86 % with MEA and 54-76% for HPC. In the second scenario, a fuel supply increase by 134 % is required to meet the needs, which corresponds to more than twice the boiler capacity and results in a reduced production of electricity by 247 %. In the third scenario, production of electricity is reduced by 104 % at maximum load with HPC. The HPC system has high-quality heat to utilize, probably enough to meet the district heating needs without increasing the boiler power. But heat optimization opportunities need to be further explored in order to be able to express something to a greater extent. The MEA process does not offer the same opportunities for heat utilization. As the CHP-plant have heat as the main product, HPC would be a more suitable alternative despite the high load on the electricity production. The performance of the carbon dioxide plant seems to vary between different operating cases and it can be concluded that the variation is related to the flue gas composition rather than being load dependent. Transport of carbon dioxide by train has the lowest carbon dioxide emissions and requires the least number of cargoes for transport from Karlstad to storage in Norway. However, this is not relevant at present because of the lack of rail connection to the plant. Total carbon sink is approximately 127 000 tonnes per year if the boiler capacity is assumed to be unchanged. / BECCS (Bioenergy Carbon Capture and Storage) är en viktig del av åtgärder i målet om att nå nollnetto utsläpp år 2050 globalt, då tekniken kan skapa kolsänkor. Tekniken är dock mycket energikrävande och dyr, och påverkar de befintliga systemen vid implementering. Syftet med den här studien är att undersöka möjligheten att implementera BECCS på Karlstad Energis biobränsleeldade kraftvärmeverk, Heden 3. Målet är att, genom simulering i CHEMCAD, ta fram förbrukningsnyckeltal för två olika avskiljningstekniker (MEA-MonoEtanolAmin och HPC-HotPotassiumCarbonate) med 90 % avskiljningsgrad vid tre olika driftfall. Dessutom ska systempåverkan på Heden 3 fastställas genom analys av tre olika scenarier. I första scenariot hålls bränsleförbrukningen oförändrad och ånga till koldioxidavskiljningssystemet tappas av innan turbinen. I det andra scenariot ökar bränsletillförseln för att tillgodose fjärrvärmebehovet i det befintliga systemet och ånga till koldioxidavskiljningssystemet tappas av innan turbinen. I det tredje scenariot hålls bränsletillförseln oförändrad och ånga extraheras från turbinen. Därtill undersöks i studien olika transportmöjligheter till lagringsplats av koldioxiden och slutligen beräknas den totala kolsänkan Karlstad Energi kan bidra med. Resultaten visar att elproduktionen i det första scenariot reduceras med 65-87 % för MEA och för HPC 151-238 %. Utan värmeutnyttjande från koldioxidavskiljningssystemen reduceras värmeproduktionen med 66-86 % med MEA och 54-76 % med HPC. I det andra scenariot krävs att bränsletillförseln ökar med 134 % för att tillgodose behoven vilket motsvarar mer än dubbla panneffekten och innebär en reducerad elproduktion på 247 %. I det tredje scenariot reduceras elproduktionen med 104 % vid maximal last med HPC.  I HPC-systemet finns högvärdig värme att utnyttja, sannolikt tillräckligt mycket för att kunna uppfylla fjärrvärmebehovet utan att öka panneffekten. Men värmeoptimeringsmöjligheter behöver undersökas ytterligare för att kunna uttrycka något i större omfattning. I MEA-processen finns inte samma möjligheter till värmeutnyttjande. Eftersom kraftvärmeverket har värme som främsta produkt skulle således HPC vara ett lämpligare alternativ trots den höga belastningen på elproduktionen. Koldioxidanläggningens prestanda förefaller variera mellan olika driftfall och med en enklare undersökning kunde slutsatsen dras att variationen har ett samband med rökgassammansättningen snarare än att det är ett lastberoende. Transport av koldioxid med tåg har lägst koldioxidutsläpp och kräver minst antal laster för transport från Karlstad till lagring i Norge. Detta är dock inte aktuellt i dagsläget på grund av avsaknaden av räls in till verket. Den totala kolsänkan är cirka 127 000 ton per år om pannan antas köras oförändrat.

In order to study how to reach different climate targets, scientists and policymakers rely on results from computer models known as Integrated Assessment Models (IAMs). These models are used to quantitatively study different ways of achieving warming targets such as the Paris goal of limiting warming to 1.5-2.0 °C, deriving climate mitigation pathways that are optimal in some sense. However, when applied to the Paris goal many IAMs derive pathways that overshoot the temperature target: global temperature temporarily exceeds the warming target for a period of time, before decreasing and stabilizing at the target. Although little is known with certainty about the impacts of overshooting, recent studies indicate that there may be major risks entailed. This thesis explores two different ways of including overshoot risk in a simple IAM by introducing stochastic elements to it. Then, algorithms from Reinforcement Learning (RL) are applied to the model in order to find pathways that take overshoot risk into consideration. In one experiment we apply standard risk-neutral RL to the DICE model extended with a probabilistic damage function and carbon dioxide removal technologies. In the other experiment, the model is further augmented with a probabilistic tipping element model. Using risk-constrained RL we then train an algorithm to optimally control this model, whilst controlling the conditional-value-at-risk of triggering tipping elements below a user-specified threshold. Although some instability and convergence issues are present during training, in both experiments the agents are able to achieve policies that outperform a simple baseline. Furthermore, the risk-constrained agent is also able to (approximately) control the tipping risk metric below a desired threshold in the second experiment. The final policies are analysed for domain insights, indicating that carbon removal via temporal carbon storage solutions could be a sizeable contributor to negative emissions on a time-horizon relevant for overshooting. In the end, recommended next steps for future work are discussed. / För att studera hur globala klimatmål kan nås använder forskare och beslutsfattare resultat från integrerade bedömningsmodeller (IAM:er). Dessa modeller används för att kvantitativt förstå olika vägar till temperaturmål, så som Parisavtalets mål om att begränsa den globala uppvärmningen till 1.5-2.0 °C. Resultaten från dessa modeller är så kallade ”mitigation pathways” som är optimala utifrån något uppsatt kriterium. När sådana modellkörningar görs med Parismålet erhålls dock ofta optimala pathways som överskjuter temperaturmålet tillfälligt: den globala temperaturen överstiger målet i en period innan den sjunker och till slut stabiliseras vid det satta målet. Kunskapen om vilken påverkan en överskjutning har är idag begränsad, men flertalet nyligen gjorda studier indikerar att stora risker potentiellt kan medföras. I denna uppsats utforskas två olika sätt att inkludera överskjutningsrisk i en enkel IAM genom användandet av stokastiska element. Därefter används Förstärkande Inlärning på modellen för att erhålla modellösningar som tar hänsyn till överkjutningsrisk. I ett av experimenten utökas IAM:en med en stokastisk skadefunktion och tekniker för koldioxidinfångning varpå vanlig Förstärkande Inlärning appliceras. I det andra experimentet utökas modellen ytterligare med en stokastisk modell för tröskelpunkter. Med hjälp av risk-begränsad Förstärkande Inlärning tränas därefter en modell för att optimalt kontrollera denna IAM samtidigt som risken att utlösa tröskelpunkter kontrolleras till en nivå satt av användaren. Även om en viss grad av instabilitet och problem med konvergens observeras under inlärningsprocessen så lyckas agenterna i båda experimenten hitta beslutsregler som överträffar en enkel baslinje. Vidare lyckas beslutsregeln som erhålls i det andra experimentet, med den risk-begränsade inlärningen, approximativt kontrollera risken att utlösa tröskelpunkter till det specificerade värdet. Efter träning analyseras de bästa beslutsreglerna i syfte att finna domänmässiga insikter, varav en av dessa insikter är att temporära kollager kan ge betydande bidrag för koldioxidinfångning i en tidshorisont relevant vid överskjutning. Slutligen diskuteras möjliga nästa steg för framtida arbeten inom området.