As the world population keeps increasing, ammonia-based fertilizers like urea are essential to provide food security. However, the current fertilizer industry is based on fossil fuel feedstock (mainly natural gas), making the production process CO2 emission-intensive. More specifically, besides the CO2 emitted during the process, the CO2 captured in urea is also released into the atmosphere after the fertilizer is applied to agricultural soils. Thus, positioning the fertilizer industry among the top four industrial emitters globally. Hence, in order to meet the target of limiting global warming to 1.5 ºC and achieve net-zero emissions by 2050, it is necessary to strengthen the carbon mitigation efforts in the current fertilizer industry. This can be achieved in different ways, such as using renewable biofuels and implementing technologies that can lead to zero/negative CO2 emissions. For that reason, the present study presents pathways to achieve a more environmentally friendly fertilizer production process. An overall analysis is performed if negative emissions can be achieved by replacing different fractions of natural gas (used as both feedstock and fuel) with biogas and biomethane and by capturing and storing the CO2 emitted from the process using chemical solvents as activated MDEA and MEA. The results obtained from the study revealed that negative emissions in fertilizer plant can be achieved by retrofitting an existing ammonia plant with a MEA based CO2 capture system (with a carbon capture rate of 90%) for the SMR burner flue gas, and by introducing 50% of biogas in the feedstock (alongside Natural gas), and 75% of biogas in the SMR burner fuel (alongside Natural gas). This initial approach would result in net negative emissions from urea's production and application and require approximately 0.5 kg of biogas per kg of urea produced in this case. Furthermore, the equivalent energy intensity for the negative emission urea plant would be 0.32% and 3.37% lower compared to the fossil fuel-based case without/with CCS, respectively. Ultimately, it is even possible to produce approximately 6% more urea product by replacing a particular fraction of natural gas with biogas. The reason for this increased production is due to the surplus of carbon dioxide by the introduction of biogas. It can be used along with the ammonia product going to storage in the fossil fuel-based case, where there was not enough CO2 to keep the feedstock molar ratio at the urea plant's inlet.

Kemcyklisk förbränning (CLC) involverar en icke komplex separation av den bildade koldioxiden (CO2) efter förbränningen eftersom syret (O2) överförs till bränslet via en syrebärare som cirkulerar mellan luft- och bränslereaktorn. Eftersom O2 separeras effektivt från kvävgasen (N2) i luftreaktorn, erhålls en produkt gas som till majoriteten består av CO2 och vatten (H2O). Detta resulterar således i mindre komplexa och energi-krävande rökgasreningssystem. Vid förbränning av biomassa inom kemcyklisk förbränning kan negativa CO2 utsläpp erhållas om den producerade CO2 gasen infångas och slutförvaras exempelvis i geologiska formationer. Den infångade CO2 gasen måste för att uppfylla stringenta reningskrav för att undvika diverse konsekvenser relaterade till transportkedjan och slutförvaringen. Förutom CO2 och H2O, kommer den genererade rökgasen från CLC innehålla mindre mängder av biprodukter som kväveoxider (NOx), svaveloxider (SOx) och övriga kontaminanter som behöver att reduceras ned till ppm nivåer för att möta reningskravet på CO2 gasen. På grund av en ofullständig förbränning i CLC erfordras en efterförbränningskammare med en extern tillsats av O2 för att uppnå en fullständig förbränning. Det kan därför förväntas att överskotts-O2 kommer att finnas i den utgående gasen efter post oxidationskammaren, som också behöver att renas ned till ppm koncentrationer. De föreslagna rökgasreningssystemen efter CLC involverar de mest konventionella rökgasreningssystem använda inom industrin idag. Till dessa tillhör bland annat elektrofilter (ESP), våt rökgasavsvavling (WFGD), selektiv katalytisk reduktion (SCR) och selektiv icke-katalytisk reduktion (SNCR) för kväveoxireducering. Två kylnings och CO2 förvätskningstekniker diskuteras i detta arbete: den förkylda Linde Hampson systemet och det kryogena destillationssystemet. Ett rökgasreningssystem har föreslagits för varje förvätskningsteknik. Bland de två föreslagna reningssystemen, enbart scenario 2 uppfyllde Northern Lights kravspecifikationen på CO2, med en reningsgrad på 99.998%. Denna studie anses vara unik då ingen litteratur rörande rökgasrening inom kemcyklisk förbränning var publicerad under skrivtiden av denna masteravhandling. / Chemical looping combustion (CLC) involves an inherent separation of carbon dioxide (CO2), since oxygen (O2) is transferred to the fuel via an oxygen carrier, circulating between the air and fuel reactor. With O2 being removed from nitrogen (N2) in the air reactor, a separate stream containing mostly CO2 and water (H2O) is produced in the fuel reactor, eliminating the need of expensive and energy-demanding gas separation technologies. The use of biomass as fuel in CLC may result in negative CO2 emissions if CO2 is captured and stored. The CO2 product gas must comply to certain purity levels depending on ways of CO2 transportation and where it will be stored. Besides H2O and CO2, the generated flue gas stream in CLC will also contain trace amounts of nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx) and other contaminants, thus requiring a deep removal to ppm levels to comply with the stringent CO2 purity criteria for storage in saline aquifers in this work. Due to an incomplete combustion of fuel gases in CLC, an oxy-polishing step is required for a full conversion to gas products CO2 and H2O. Therefore, pure O2 is required for the oxy-polishing step. Some residual O2 will also be expected in the flue gas stream and needs to be reduced to ppm levels. The downstream treatment in CLC involves the best available gas processing technologies practiced commercially today, such as electrostatic precipitators (ESPs), wet flue gas desulfurization (WFGD), selective catalytic reduction (SCR) and selective non-catalytic reduction (SNCR). Two CO2 processing systems are discussed in this work; the precooled Linde Hampson unit and the Distillation Separation unit. For each CO2 processing unit (CPU), a flue gas treatment is proposed. Amongst the two proposed scenarios, scenario 2, could with highest certainty, produce a liquid CO2 stream with a purity of 99.998%, complying to the CO2 criteria set by the Northern Lights Project in Norway. At the time of writing this thesis, no other literature has been published assessing flue gas treatment and CPU alternatives in in bio-CLC.

On the fourth of November 2016, The Paris Agreement entered into force, stating that nations worldwide should pursue efforts to limit the global temperature increase to 1,5 °C. Since then, the Intergovernmental Panel on Climate Change has specified that carbon dioxide removal, such as biochar sequestration, is necessary to achieve this goal. Biochar is a solid and porous material, rich in carbon, produced when biomass undergoes a process called pyrolysis and can, if buried in soil, sequester carbon for hundreds or even thousands of years while at the same time acting as a soil amendment. When biomass is pyrolyzed to produce biochar, a pyrolysis gas is also produced, which can be used to generate both heat and electricity. This thesis investigates if constructing and operating a plant, called a combined pyrolysis and CHP plant, which combines biochar production with heat and electricity generation, could be economically feasible and thus be an effective method for carbon dioxide removal. The findings show that constructing and operating a combined pyrolysis and CHP plant can be economically feasible. However, the economic feasibility is greatly affected by the price of biochar as a soil amendment product. The biochar market is also an undeveloped market, making price estimates of biochar far from accurate. Another factor that could significantly affect the economic feasibility of the plant is the fraction of carbon in biochar, which can be accounted for as sequestered. A higher fraction means that significantly more governmental support can be given to provide financing of the plant as well as potential revenue from carbon credits could increase. The capital cost of constructing the plant is also a factor with high uncertainty, which has a substantial effect on the economic feasibility. From this thesis, it is concluded that more research regarding the biochar market, as well as the capital costs of constructing the plant, is needed. More research could further ascertain whether or not the plant could be economically feasible and thus, an effective method for carbon dioxide removal. / Den fjärde november 2016 trädde Parisavtalet i kraft vilket uppgav att länder över hela världen ska sträva efter att begränsa den globala temperaturökningen till 1,5 grader Celsius. I enlighet med detta mål har FN:s mellanstatliga klimatpanel, IPCC, specificerat att koldioxidavlägsnande åtgärder, såsom kolinlagring genom produktion av biokol, är nödvändigt. Biokol är ett fast och poröst material, rikt på kol, som produceras när biomassa genomgår en process som kallas pyrolys. Om biokol blandas ner i jord kan det binda kol i hundratals eller tusentals år samtidigt som det fungerar som jordförbättrare. När biomassa pyrolyseras produceras också en pyrolysgas som kan användas för att generera värme och elektricitet. Det här examensarbetet undersöker om det kan vara ekonomiskt genomförbart att bygga och driva en anläggning, benämnd en kombinerad pyrolys- och kraftvärmeanläggning, som kombinerar biokolsproduktion med värme- och elproduktion för att avlägsna koldioxid från atmosfären. Resultaten från arbetet visar att det kan vara ekonomiskt genomförbart att bygga och driva en kombinerad pyrolys- och kraftvärmeanläggning. Den ekonomiska genomförbarheten påverkas dock i hög grad av priset på biokol som jordförbättringsprodukt. Marknaden för biokol är dessutom outvecklad vilket gör att priset för biokol osäkert. En annan faktor som i hög grad skulle kunna påverka den ekonomiska genomförbarheten för anläggningen är andelen kol i biokol som kan anses vara lagrad. En högre andel innebär att betydligt mer statligt stöd kan ges för att finansiera anläggningen samt att potentiella intäkter från kolkrediter kan öka. Kapitalkostnaderna för att bygga anläggningen är också en faktor med hög osäkerhet som har stor effekt på den ekonomiska genomförbarheten. Från detta examensarbete dras slutsatsen att mer forskning kring biokolsmarknaden samt kring kapitalkostnaderna för att bygga anläggningen behövs. Detta behövs för att ytterligare fastställa den ekonomiska genomförbarheten hos en sådan anläggning för att avlägsna koldioxid från atmosfären.

Countries' long-term climate targets are described by different concepts who, over time, have become increasingly dependent on negative emissions technologies (NETs) in order for the targets to be reached. This thesis is a cross country comparison, examining similarities and differences in the concepts used by seven countries to express their long-term climate targets, focusing on their plans for implementing NETs. The empirical material was collected from interviews with experts from each country. Concepts in long-term climate targets can have various interpretations and there are uncertainties about what emissions that are covered within the different concepts. NETs are crucial for achieving any type of net-zero target however they are in nascent stages, except for forest management, and there are several factors affecting the possibilities to implement NETs. It is important not to focus too much on NETs to comply with the long-term climate targets, NETs should function as a complement to emissions reduction and target the unavoidable emissions. We recommend that countries clarify what emissions are included within their concept, set out specific targets for NETs and lastly put a great effort into clarifying policy instruments related to NETs. / Ländernas långsiktiga klimatmål beskrivs av olika begrepp som är beroende av negativa utsläppstekniker för att målen ska nås. Denna avhandling är en jämförelse mellan sju länder där ländernas likheter och skillnader undersöks genom deras val av begrepp och även deras planer för att implementera tekniker för att nå negativa utsläpp. Det empiriska materialet samlades in från intervjuer med experter från varje land. Begrepp i de långsiktiga klimatmålen kan ha olika tolkningar och det råder osäkerhet om vilka utsläpp som täcks upp inom de olika begreppen. Negativa utsläppstekniker är avgörande för att uppnå alla typer av netto-nollmål men de befinner sig i väldigt tidiga faser av utveckling, förutom skog som redan finns på plats och det finns flera faktorer som påverkar möjligheterna att implementera negativa utsläppstekniker. Det är viktigt att inte fokusera för mycket på negativa utsläppstekniker för att uppfylla de långsiktiga klimatmålen, de bör fungera som ett komplement till utsläppsminskning och rikta in sig på de oundvikliga utsläppen. Vi rekommenderar att länder klargör vilka utsläpp som ingår i begreppen, fastställer specifika mål för negativa utsläppstekniker och slutligen satsar mycket på att klargöra policyinstrument relaterade till negativa utsläppstekniker.

Steel is one of the most essential metals in the world, and it plays a vital role in various industries. The growing demand for steel has resulted in increased CO2 emissions, with the steel industry contributing to approximately 7% of global emissions of carbon dioxide. Among the different production methods, the electric arc furnace (EAF) has emerged as a promising option, and its market share is expected to double in the future. While the EAF exhibits high efficiency and a reduced carbon footprint in comparison to alternative production routes, there is still considerable room for improvement. In the EAF, a significant amount of input energy, ranging from 15% to 30%, is wasted through off-gas, along with a substantial amount of CO2. To better understand the current state and ongoing research in off-gas handling, a literature review and a preliminary analysis were conducted which revealed that the waste heat from the off-gas can be effectively recovered using an evaporative cooling system, yielding approximately 105 kg of steam per ton of liquid steel. This emphasizes the importance of waste heat recovery in conjunction with CO2 capture. Calcium looping stands out as a promising carbon capture technology among the available options, primarily because of its lower environmental impacts and energy penalty. Furthermore, with its operation at elevated temperatures and dependence on limestone, calcium looping presents a potential solution to reduce the emissions from steel industry. Therefore, this study focuses on the analysis of a waste heat recovery system integrated with calcium looping technology, aiming to capture CO2 and utilize waste heat from the EAF off-gas. Additionally, the potential of coal substitution with bio-coal in the EAF for achieving negative emissions is also investigated. Through a steady state analysis and by employing semi-empirical mass and energy balance equations, it was determined that capturing 90% of the CO2 emissions from a 145-ton EAF requires 12 MW of heat and 16 kg of fresh limestone per ton of liquid steel. Although the average off-gas temperature is high, it cannot be considered as a reliable heat source. Therefore, the heat demand is met by burning biomass inside the calciner. Despite the increased heat demand, the waste heat recovery system integrated with calcium looping has the potential to generate approximately 11 MW of electricity using a supercritical steam cycle. This significant output can be attributed to the elevated temperature of the off-gas and the exothermic carbonation process. The economic analysis reveals that the levelized cost for capturing and storing CO2 is 1165 SEK per ton of CO2 with a negative Net Present Value (NPV). It was noted that, a higher carbon tax could significantly enhance the economic viability of the system. Moreover, the study found that by introducing bio-coal in the EAF with a fossil coal share below 69%, it has the potential to achieve negative emissions. Furthermore, recent studies have shown an increase in the CO2 content in the off-gas when introducing bio-coal into the EAF which further enhances the efficiency and economic feasibility of carbon capture. / Stål är en av de viktigaske metallerna i världen, och det spelar en avgörande roll i olika branscher. Den ökade efterfrågan på stål har lett till ökade koldikoxidutsläpp, och stålindustrin står för cirka 7% av de globala koldioxidutsläppen. Bland de olika produktionsmetoderna har ljusbågsugnen (EAF) framstått som ett lovande alternativ, och dess marknadsandel förväntas fördubblas i framtiden. Även om EAF uppvisar hög effektivitet och ett minskat koldioxidavtryck jämfört med alternativa produktionsvägar, finns det fortfarande stort utrymme för förbättringar.  I EAF går en betydande mängd tillförd energi, mellan 15 och 30%, till spillo genom avgaserna, tillsammans med en betydande mängd CO2. För att bättre förstå det aktuella läget och pågående forskning inom hantering av avgaserna genomfördes en litteraturstudie och en preliminär analys som visade att spillvärmen från avgaserna effektivt kan återvinnas med hjälp av ett evaporativt kylsystem, vilket ger cirka 105kg ånga per ton flytande stål. Dettta understryker vikten av att återvinna spillvärme i samband med CO2-avskiljning.  Kalciumlooping framstår som en lovande teknik för koldioxidavskiljning bland de tillgängliga alternativen, främst på grund av dess lägre miljöpåverkan och energiåtgång. Eftersom kalciumlooping används vid förhöjda temperaturer och är beroende av kalksten, utgör den dessutom en potentiell lösning för att minska utsläppen från stålindustrin. Därför fokuserar denna studie på analysen av ett system för återvinning av spillvärme integrerat med kalciumlooping-teknik, i syfte att fånga in CO2 och utnyttja spillvärme från EAF-avgaserna. Dessutom undersöks potentialen för att ersätta kol med biokol i EAF för att uppnå negativa utsläpp.  Genom en steady state-analys och med hjälp av semi-empiriska mass- och energibalansekvationer fastställdes att det krävs 12 MW värme och 16 kg färsk kalksten per ton flytande stål för att fånga 90% av CO2-utsläppen från en 145-tons EAF. Även om den genomsnittliga avgastemperaturen är hög kan den inte betraktas som en tillförlitlig värmekälla. Därför tillgodoses värmebehovet genom förbränning av biomassa i kalcinatorn. Trots det ökade värmebehovet har systemet för återvinning av spillvärme integrerat med kalciumlooping potential att generera cirka 11 MW el med hjälp av en superkritisk ångcykel. Denna betydande produktion kan hänföras till den förhöjda temperaturen i avgaserna och den exoterna karbonatiseringsprocessen. Den ekonomiska analysen visar att den nivellerade kostnaden för avskiljning och lagring av CO2 är 1165 SEK per ton CO2 med ett negativt nettonuvärde (NPV). Det konstaterades att en högre koldioxidskatt skulle kunna förbättra systemets ekonomiska lönsamhet avsevärt. Dessutom visade studien att genom att introducera biokol i EAF med en andel fossilt kol under 69%, har det potential att uppnå negativa utsläpp. Nya studier har dessutom visat en ökning av koldioxidhalten i avgaserna när biokol införs i EAF, vilket ytterligare förbättrar effektiviteten och den ekonomiska genomförbarheten för koldioxidavskiljning.