Linköpings universitet | Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling Masteruppsats, 30 hp | Civilingenjör i Energi Miljö Management – Energi- och Miljöteknik Vårterminen 2020 | LIU-IEI-TEK-A--20/03716—SE
Linköpings universitet SE-581 83 Linköping, Sverige 013-28 10 00, www.liu.se
Avskiljning, användning och
lagring av koldioxid från
biogasproduktion
– Lämpliga lösningar för Tekniska verkens
biogasanläggning
Capture, utilization and storage of carbon dioxide from
biogas production
– Suitable solutions for Tekniska verken’s biogas plant
Josefine Harrius
Amanda Larsson
Handledare: Marcus Gustafsson Examinator: Niclas Svensson
i
Förord
Detta examensarbete är det avslutande momentet på en femårig civilingenjörsutbildning inom Energi – Miljö – Management, vilket ger en master inom energi- och miljöteknik. Examensarbetet har genomförts under vårterminen 2020 på avdelningen Industriell Miljöteknik på Linköpings universitet, i samarbete med Tekniska verken.
Vi vill tacka Marcus Gustafsson, Niclas Svensson, Sören Nilsson Påledal och Jan Moestedt som har handlett oss denna vår. Er kunskap och återkoppling har varit väldigt värdefull för oss. Vi vill även rikta ett stort tack till övriga anställda på avdelningen Industriell Miljöteknik på LiU samt anställda på Tekniska verken som har hjälpt oss under processen genom insiktsfulla diskussioner.
Tack till Milian Nelzén och Julia Brunfelt för att ni har varit våra opponenter och bidragit med kloka tankar såväl som pepp!
Josefine Harrius & Amanda Larsson Linköping 2020-06-02
ii
Abstract
Carbon dioxide is released by natural and anthropogenic processes, such as the production and combustion of fossil fuels. Production of biogas also generates carbon dioxide, but of biogenic origin. The global, yearly emissions of greenhouse gases are regularly increasing, although agreements such as the Paris Agreement is signed by parties globally. Sweden has the goal to reach net-zero emissions by 2045, and thereafter to only obtain negative emission levels. To reach these goals the biogenic version of Carbon Capture and Storage (CCS) called Bioenergy with Carbon
Capture and Storage (BECCS) is considered to be an essential strategy. Using carbon dioxide,
through Carbon Capture and Utilization (CCU), in for example products, can complement BECCS since the strategy can increase the value of carbon dioxide. These strategies make it possible to reduce the climate impact of biogas production.
This master thesis aimed to chart different techniques in CCS and CCU to examine how they can be used to utilize or store carbon dioxide from biogas plants. What technical demands different solutions create was explored. The different techniques were assessed through a multi criteria analysis by a technological, environmental, marketable and economical standpoint to investigate which ones were the most suitable for a specific, studied case – Tekniska verken’s biogas plant. One suitable technique within CCU was analyzed through a screening of actors in the region. An environmental assessment of one technique in CCS and one in CCU were compared with the reference case Business as usual, to explore how a simulated biogas plant’s climate impact can change through the implementation of CCS and CCU.
The charting of literature gave findings of 42 different techniques, which were sifted down to 7; algae farming for wastewater treatment, BECCS in saltwater aquifers, carbon dioxide curing of concrete, bulk solutions, production of methanol, production of methane through Power To Gas and crop yield boosting in greenhouses. The multi criteria analysis pointed out carbon dioxide curing of concrete and BECCS in saltwater aquifers as suitable solutions for the studied case. The implementation of these techniques requires a liquefaction plant, infrastructure for transportation as well as business partners.
A life cycle assessment of the studied cases climate impact was given through modelling and simulation of a model plant of the studied case, with the functional unit 1 Nm3 biomethane. The
reference case Business as usual had a climate impact of 0,38 kg CO2 eq, which corresponds to
approximately one eighth of the climate impact of fossil fuels such as gasoline or diesel. By storing the carbon dioxide through BECCS in saltwater aquifers the climate impact decreased to - 0,42 kg CO2 eq. By utilizing the carbon dioxide through curing of concrete the biomethane’s
climate impact decreased to -0,72 kg CO2 eq. The results thereby evince that Swedish biogas
iii
Sammanfattning
Koldioxid släpps ut av såväl naturliga som antropogena processer, exempelvis vid produktion och förbränning av fossila bränslen. Även vid biogasproduktion uppkommer koldioxid, men av biogent ursprung. Årliga globala utsläpp av växthusgaser ökar regelbundet, trots överenskommelser som Parisavtalet som syftar till att begränsa klimatförändringarna. Sverige ska nå nettonollutsläpp senast 2045 och därefter ha negativa utsläppsnivåer. För att uppnå detta mål anses en biogen version av Carbon Capture and Storage (CCS), det vill säga avskiljning och lagring av koldioxid, kallad Bioenergy with Carbon Capture and Storage (BECCS) vara en essentiell strategi. Tillvaratagande av koldioxid, genom Carbon Capture and Utilization (CCU), kan ge ett bra komplement till BECCS eftersom det nyttiggör koldioxid i produkter och kan öka värdet av koldioxid. Tekniker inom CCS och CCU möjliggör minskad klimatpåverkan inom biogasproduktion. Detta examensarbete syftade till att kartlägga olika alternativ inom teknikerna CCS och CCU för att undersöka hur dessa kan användas för att nyttiggöra eller lagra koldioxid från biogasanläggningar, samt att undersöka vilka tekniska krav som ges av lösningarna. Utifrån en multikriterieanalys bedömdes vilka lösningar som var tekniskt, miljömässigt, marknadsmässigt och ekonomiskt motiverade för tillvaratagande av koldioxid. Bedömningen genomfördes genom att studera specifikt fall som var Tekniska verken i Linköpings biogasanläggning. Den lösning som valdes ut som lämplig inom CCU analyserades ur ett marknadsmässigt perspektiv genom en översiktlig kartläggning av aktörer i regionen. Därefter studerades klimatpåverkan från en förenklad modell av Tekniska verkens biogasanläggning för att undersöka hur denna förändras vid implementering av en lämplig lösning inom CCS respektive CCU.
Genom en screening av lösningsförslag identifierades 42 lösningsförslag inom CCS och CCU som sållades ner till sju stycken; algodling vid vattenrening, BECCS i saltvattenakviferer, betong härdad av koldioxid, bulklösning, metanoltillverkning, tillverkning av metan genom Power To Gas samt växthusodling. Multikriterieanalysen visade att koldioxidhärdad betong inom CCU och BECCS i saltvattenakviferer inom CCS var lämpliga lösningar för det studerade fallet. För implementering av förslagen krävdes bland annat en förvätskningsanläggning, infrastruktur för transport och samarbetspartners.
De studerade scenariernas klimatmässiga livscykel erhölls genom modellering och simulering av en modellanläggning av det studerade fallets biogasanläggning i programvaran SimaPro med användning av den funktionella enheten 1 Nm3 fordonsgas. Resultatet visade att fordonsgasen i
referensfallet har en klimatpåverkan på 0,38 kg koldioxidekvivalenter. Fordonsgasens klimatpåverkan var cirka en åttondel av fossila bränslen såsom bensin och diesels klimatpåverkan. Vid lagring av koldioxid genom BECCS i saltvattenakviferer förändrades klimatpåverkan till - 0,42 kg koldioxidekvivalenter. När koldioxid användes till härdning av betong förändrades fordonsgasens klimatpåverkan till -0,72 kg koldioxidekvivalenter. Detta innebär att svenska producenter av biogas kan förbättra sin klimatpåverkan genom såväl lösningar inom CCS som CCU.
iv
Nomenklatur
BECCS: Bioenergy with Carbon Capture and Storage (biobaserad energi med avskiljning och
geologisk lagring av koldioxid)
CDR: Carbon Dioxide Removal (antropogen infångning av koldioxid) CH4: Metan
CO2: Koldioxid
CO2 eq: Koldioxidekvivalenter
CCS: Carbon Capture and Storage (avskiljning och geologisk lagring av koldioxid) CCU: Carbon Capture and Utilization (avskiljning och tillvaratagande av koldioxid) CCUS: Carbon Capture Utilization and Storage (avskiljning, tillvaratagande och lagring av
koldioxid)
DAC: Direct Air Capture (direkt avskiljning av koldioxid från atmosfären) DME: Dimetyleter
EGR: Enhanced Gas Recovery (ökad upptagning av fossil gas genom koldioxid) EOR: Enhanced Oil Recovery (ökad upptagning av fossil olja genom koldioxid) ECBM: Enhanced Coal Bed Methane (ökad upptagning av fossil kol genom koldioxid) Fordonsgas: Uppgraderad rågas som lämpar sig som fordonsbränsle, med 97 % metanhalt Flytande biogas: Förvätskad biogen fordonsgas
GWP: Global Warming Potential (global uppvärmningspotential) Komprimerad biogas: Komprimerad biogen fordonsgas
LBG: Liquefied Biogas (flytande biogas), med 100 % metanhalt LCA: Life Cycle Assessment (livscykelanalys)
MKA: Multi Criteria Analysis (multikriterieanalys)
Nm3: Normalkubikmeter. En normalkubikmeter motsvarar volymen 1 m3 vid atmosfärstryck och
0 °C (Svenskt Gastekniskt Center AB, 2012)
P2G: Power To Gas (omvandling av elenergi till energirik gas)
Rågas: Ett flöde av gas som kommer från en rötningskammare, men som ännu inte har
uppgraderats eller renats
TS: Torrsubstanshalt TV: Tekniska verken
v
Innehållsförteckning
FÖRORD ... I ABSTRACT ... II SAMMANFATTNING ... III NOMENKLATUR ... IV 1. INTRODUKTION ... 11.1. SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 3
1.2. SYSTEMGRÄNSER OCH AVGRÄNSNINGAR ... 4
1.3. DISPOSITION ... 4
2. BAKGRUND ... 5
2.1. BIOGAS ... 5
2.2. CARBON CAPTURE AND STORAGE ... 6
2.2.1. Exempelanläggningar inom CCS ... 7
2.3. CARBON CAPTURE AND UTILIZATION ... 8
2.3.1. Exempelanläggningar inom CCU ... 8
2.4. BEHANDLINGSTEKNIKER FÖR KOLDIOXID ... 10
2.4.1. Avskiljning av koldioxid i biogasprocessen ... 10
2.4.2. Komprimering och förvätskning av koldioxid ... 11
2.4.3. Rening av koldioxid ... 11
2.5. TRANSPORT OCH INFRASTRUKTUR FÖR KOLDIOXID ... 12
2.6. JURIDISKA KRAV FÖR CCS OCH CCU ... 12
2.7. FINANSIERING AV CCS OCH CCU ... 14
2.7.1. Befintliga stöd ... 15
3. TEKNISKA VERKENS BIOGASPRODUKTION ... 16
4. TEORETISKT RAMVERK ... 19
4.1. TIDIGARE FORSKNING INOM CCS OCH CCU ... 19
4.2. MULTIKRITERIEANALYS ... 20 4.3. LIVSCYKELANALYS ... 21 4.4. SIMAPRO... 22 5. METOD ... 23 5.1. STUDIE AV FALL ... 23 5.1.1. Metodkritik ... 24 5.2. SCREENING AV LÖSNINGSFÖRSLAG ... 24 5.2.1. Metodkritik ... 26 5.3. MULTIKRITERIEANALYS ... 27 5.3.1. Metodkritik ... 30 5.4. SCREENING AV AKTÖRER ... 31 5.4.1. Metodkritik ... 31 5.5. LIVSCYKELANALYS ... 31 5.5.1. Metodkritik ... 33 6. SCREENING AV LÖSNINGSFÖRSLAG ... 34
6.1. ALGODLING FÖR VATTENRENING OCH BIOGASSUBSTRAT ... 35
6.2. BECCS I SALTVATTENAKVIFERER ... 35
6.3. BETONG HÄRDAD AV KOLDIOXID ... 35
vi
6.5. METANOL ... 36
6.6. POWER TO GAS (P2G) METAN ... 37
6.7. VÄXTHUSODLING ... 37
7. MULTIKRITERIEANALYS ... 38
7.1. RESULTAT OCH ANALYS ... 38
7.2. VAL AV LÖSNING... 40
8. SCREENING AV AKTÖRER ... 42
8.1. INTERVJU SVENSK BETONG OCH BETONGINDUSTRI AB ... 42
8.2. INTERVJU SWEROCK ... 43
8.3. ANALYS AV INTERVJUER ... 43
9. LIVSCYKELANALYS ... 44
9.1. REFERENSFALL - BUSINESS AS USUAL ... 44
9.2. FALL CCS – BECCS I SALTVATTENAKVIFERER ... 45
9.3. FALL CCU – BETONG HÄRDAD AV KOLDIOXID ... 46
9.4. RESULTAT OCH ANALYS ... 47
9.5. KÄNSLIGHETSANALYSER ... 50 10. DISKUSSION ... 55 10.1. MULTIKRITERIEANALYS ... 55 10.2. LIVSCYKELANALYS ... 57 10.3. KLIMATPÅVERKAN ... 60 10.4. RESULTATENS GENERALISERBARHET ... 61
10.5. HINDER OCH FRAMTIDA MÖJLIGHETER INOM CCS OCH CCU ... 62
11. SLUTSATSER ... 64
12. VIDARE STUDIER ... 65
REFERENSER ... 66
BILAGOR ... 76
BILAGA 1 – ANALYS AV KOLDIOXIDFLÖDE ... 76
BILAGA 2 – SCREENING AV LÖSNINGSFÖRSLAG ... 77
BILAGA 3 – SÅLLNING AV LÖSNINGSFÖRSLAG ... 79
BILAGA 4 – DETALJERADE BESKRIVNINGAR AV LÖSNINGSFÖRSLAG ... 83
BILAGA 5 - KRITERIER TILL MKA ... 92
BILAGA 6 - ANTAGANDEN TILL MKA ... 95
BILAGA 7 – MOTIVERING AV POÄNGSÄTTNING I MKA ... 96
BILAGA 8 – SCREENING AV AKTÖRER INOM CCU ... 98
BILAGA 9 – INTERVJUFRÅGOR SCREENING AV AKTÖRER ... 99
BILAGA 10 – ANTAGANDEN OCH DATA TILL LIVSCYKELANALYSER ... 100
BILAGA 11 - INDATA TILL LCA... 106
1
1. Introduktion
Koldioxid (CO2) är en växthusgas som släpps ut genom mänskliga såväl som naturliga processer
(NASA, 2020). Exempel på processer där koldioxid frigörs till atmosfären inkluderar förbränning av fossila bränslen samt andning. Växthusgaser i atmosfären ökar kontinuerligt, se Figur 1 och Figur 2, vilket driver på klimatförändringar (SMHI, 2019). SMHI menar att den ökande koldioxidhalten främst beror på koldioxidutsläpp genom mänsklig förbränning av fossila bränslen.
Figur 1: Koldioxidhalt i atmosfären, vilket beräknats av National Oceanic Atmospheric Administration i USA, genom att analysera prover av is (NASA, 2020).
Figur 2: Koldioxidhalt i atmosfären mätt i ppm, månadsvis mellan 2005 och 2020 (NASA, 2020). Datan är uppmätt på Mauna Loa Observatory på Hawaii.
Parisavtalet, som undertecknades år 2015 på klimatkonferensen COP21, syftar till att alla länder ska stärka sitt klimatarbete så att den globala temperaturökningen inte överstiger 2 °C, och helst understiger 1,5 °C, över förindustriella nivåer (United Nations, 2015). Trots den globala överenskommelsen slogs ett nytt historiskt rekord vad gäller mängd koldioxidutsläpp år 2018, när de globala utsläppen nådde 33,1 miljarder ton koldioxid (International Energy Agency, 2019a). Denna mängd motsvarar en ökning på 1,7 % sedan året innan, där Kina, Indien och USA stod för 85 % av ökningen. Under samma år nåddes även en halt på 410 ppm koldioxid i atmosfären, se Figur 2 (NASA, 2020). Enligt International Energy Agency (IEA) (2019b) beror ökningen av koldioxidutsläpp på ökad energianvändning till följd av en stark ekonomi som tillåter ökad konsumtion. Vidare fann IEA (2019b) att ökad användning av förnybara energikällor bidrog med att 215 miljoner ton koldioxid hindrades från att släppas ut.
2
För att begränsa den globala temperaturökningen till 1,5 °C till år 2030 bör dagens utsläpp reduceras till 25-30 miljarder ton koldioxid årligen (IPCC, 2018; Rogelj et al., 2018). Genom trendlinjer från 2018 presenterar IPCC en prognos där koldioxidutsläppen 2030 kommer vara kring 52-58 miljarder ton koldioxid årligen (Rogelj et al., 2018). Alla scenarier där temperaturökningen begränsas till 1,5 °C ända fram till 2100 är starkt beroende av att Carbon Dioxide Removal (CDR) tillämpas samt av det sker en dryg halvering av globala koldioxidutsläpp fram till 2030. Vanliga metoder inom CDR är olika varianter av Carbon Capture and Storage (CCS) samt skogsplantering. Genom CCS kan de globala koldioxidutsläppen minska med upp till 8,2 miljarder ton årligen, enligt Blue Map scenario av IEA (Markewitz et al., 2012). Vidare beskriver Europeiska kommissionen (2018) i sin strategiska vision att CCS är en av sju viktiga byggstenar för att uppnå en klimatneutral ekonomi. CCS anses därmed vara det enskilt viktigaste bidraget för att förhindra klimatförändringar och begränsa de globala temperaturhöjningarna.
Figur 3: Sveriges totala växthusgasutsläpp mellan år 1990 och 2018 i miljoner ton CO2 eq. Data erhållen av
Naturvårdsverket (Naturvårdsverket, 2019b).
Sverige hade år 2018 klimatpåverkande utsläpp på cirka 51,8 miljoner ton koldioxidekvivalenter, se Figur 3 (Naturvårdsverket, 2019b). Nationella mål menar att Sverige ska nå nettonollutsläpp senast 2045, och därefter ska utsläppen nå en negativ nivå (Karlsson et al., 2020). Negativa utsläpp sker när växthusgaser avlägsnas från atmosfären genom mänsklig aktivitet. Dessa utsläppsnivåer kan inte nås genom att enbart minska utsläpp från industrier och fossila energikällor, utan även kompletterande åtgärder måste implementeras. Inom CCS-tekniken finns
Bioenergy with Carbon Capture and Storage (BECCS), på svenska vanligen benämnt Bio-CCS, där
enbart biogen koldioxid lagras. Biogen koldioxid uppkommer från en process där enbart förnybar biomassa använts. BECCS innebär ett upptag av biogen koldioxid från atmosfären, det vill säga ett negativt utsläpp. Användningen av BECCS identifieras som en stor möjlighet för att nå det svenska målet. Karlsson et al (2020) menar att Sverige år 2045 bör ha implementerat kompletterande åtgärder som uppnår en reduktion på cirka 11 miljoner ton koldioxid per år, där potentialen för BECCS är minst 10 miljoner ton. Dock ersätter åtgärder genom olika former av CCS inte behovet av övriga samhällsomställningar utan åtgärderna anses enbart vara ett komplement.
Vidare kan även tekniken Carbon Capture and Utilization (CCU) bidra till att avlägsna koldioxid från atmosfären eftersom den binds tillfälligt i produkter (Karlsson et al., 2020). CCU ska enbart betraktas som komplement till den primära strategin BECCS, eftersom CCU inte ger tillräckligt stor potential för minskning av utsläpp (Markewitz et al., 2012; Karlsson et al., 2020; Zhang et al., 2020).
3
CCU innebär ett bra komplement eftersom strategin kan ge ett ökat värde till koldioxid och kan även bidra till att fossil koldioxid ersätts av biogen koldioxid. Koldioxid är en av få kolkällor som kan ersätta fossila resurser inom exempelvis bränslen (International Energy Agency, 2019b). Enbart koldioxid från biogena källor eller koldioxid som ger permanent lagring kan betraktas ge negativa utsläpp inom CCU (Karlsson et al., 2020). Genom en övergång till användning av biobaserad koldioxid kan kolbaserade produkter fortfarande ha en plats i samhällen med nettonollutsläppsmål. Vidare kan koldioxid användas oändligt antal gånger om den fångas från atmosfären eller produceras genom biomassa, vilket innebär att ett hållbart kolkretslopp kan uppnås genom att använda biogena kolkällor inom CCU. Genom att tillvarata den kol som finns i omlopp i atmosfären kan en hållbar kolanvändning i linje med en cirkulär ekonomi uppnås.
Biogas är ett biobränsle bestående av metan som framställs genom att röta biomassa (Klackenberg, 2017b). Biogasproduktion är en resurseffektiv process där avfall hanteras, samtidigt som värdefulla produkter såsom biogen fordonsgas samt biogödsel ges. Biogas kan även användas för produktion av värme och el. Uppgraderad biogas i form av biogen fordonsgas anses vara ett mycket rent, förnybart bränsle för transport (Li et al., 2017). Vid biogasproduktion genereras biogen koldioxid, som i dagsläget ofta frigörs till atmosfären (Lorenzi et al., 2019). Denna koldioxid är biogen eftersom den erhålls från förnybara källor i form av biomassa, exempelvis matavfall eller avloppsslam. Koldioxidflödet har stor potential att användas i olika syften, exempelvis genom olika alternativ inom teknikerna CCS och CCU. Dessa tekniker möjliggör ökade cirkulära flöden av koldioxid, vilket kan bidra till ökad resurseffektivitet och minskad klimatpåverkan. Detta examensarbete syftar därmed till att kartlägga tekniska lösningar inom CCS och CCU för att undersöka hur de kan minska klimatpåverkan inom biogasproduktion.
1.1. Syfte och frågeställningar
Syftet med examensarbetet är att kartlägga vilka lösningar som finns inom CCS och CCU samt att undersöka vilka förutsättningar vid biogasproduktion som påverkar lösningsförslagen. Utifrån en multikriterieanalys bedöms vilka lösningar som är tekniskt, miljömässigt, marknadsmässigt och ekonomiskt motiverade för lagring eller tillvaratagande av koldioxid genom studie av ett specifikt fall. Den lösning inom CCU som väljs ut som lämplig analyseras ur ett marknadsmässigt perspektiv genom en översiktlig kartläggning av aktörer i regionen. Syftet inkluderar även att undersöka hur fordonsgasens livscykel förändras vid implementering av en lämplig lösning inom CCS respektive CCU. Syftet besvaras genom följande frågeställningar:
Vilka lösningsförslag inom CCS och CCU är tekniskt, miljömässigt, marknadsmässigt och ekonomiskt rimliga för lagring eller tillvaratagande av koldioxid från en biogasanläggning? Vilka tekniska förändringar kan krävas på en biogasanläggning för att kunna lagra eller
tillvarata koldioxid genom en lämplig lösning inom CCS respektive CCU?
Vilken effekt kan lagring eller tillvaratagande av koldioxid, genom en lämplig lösning inom CCS respektive CCU, ha på klimatpåverkan för fordonsgas från biogasproduktion?
Vad som anses tekniskt, miljömässigt, marknadsmässigt och ekonomiskt rimligt avgörs genom en multikriterieanalys (MKA) där lösningsförslag bedöms utifrån dess potential att appliceras på ett specifikt fall. Det fall som studeras i examensarbetet är Tekniska verkens biogasanläggning. Vidare definieras vad som är tekniskt, miljömässigt, marknadsmässigt och ekonomiskt rimligt genom de kriterier som skapats för MKAn. Vad som anses lämpligt och rimligt avgörs därmed utifrån MKAn genom att studera om det är realistiskt och praktiskt genomförbart att applicera lösningen på det
4
studerade fallet. Genom att undersöka ett specifikt fall ges förhoppningen att resultatet, det vill säga vilka lösningsförslag som är rimliga att implementera, kan appliceras på liknande anläggningar.
1.2. Systemgränser och avgränsningar
I detta examensarbete undersöks en förenklad modellanläggning med inspiration från Tekniska verkens biogasanläggning, vilket medför att data och modeller syftar till att efterlikna verkligheten. Genom användning av detta perspektiv ges att BECCS används som lösning inom CCS, eftersom det studerade fallets flöde av koldioxid är helt biogent.
Utifrån syftet skall modellanläggningen, det vill säga Business as usual, jämföras med ett fall inom CCU respektive CCS. Därmed har Business as usual betraktas som referensfall för att möjliggöra en jämförelse av fordonsgasens livscykel vid användning av en lämplig lösning inom CCS respektive CCU.
Eftersom modellanläggningen finns i Linköping, Sverige, kommer regionala och nordiska perspektiv användas. Detta används genomgående i examensarbetet för att säkerställa att lösningsförslagen som beaktas är lämpliga för implementation i en regional kontext. Detta motiveras av att en viss typ av lösning inom CCU eller CCS kan vara mycket mer lämpad för ett visst klimat eller närhet till en annan produktionsenhet. Vidare kartläggs enbart aktörer i regionen eftersom syftet är att undersöka den regionala marknaden för det specifika fallet.
CCU- och CCS-lösningar som bidrar till en ökad användning av fossil energi inkluderas inte i den statliga vägplanen för att nå de svenska klimatmålen och kommer därmed sållas bort från funna lösningsförslag (Karlsson et al., 2020).
1.3. Disposition
Denna rapport är indelad i 12 stycken huvudkapitel. Inledningsvis ges en introduktion till ämnet och examensarbetets syfte i kapitel 1. I kapitel 2 ges en bakgrundsbeskrivning av relevanta områden såsom biogas, CCS, CCU och behandlingstekniker för koldioxid. Det specifika fall som används inom arbetet presenteras i kapitel 3. Kapitel 4 ger en djupare inblick i de teorier som används in i arbetet. Därpå presenteras arbetets genomförande inklusive metodkritik i kapitel 5. Kapitel 6 består av resultaten från den screening av lösningsförslag som genomförts, vilket följs av resultatet från multikriterieanalysen i kapitel 7. Resultatet från en screening av aktörer inom det valda området inom CCU presenteras i kapitel 8. Livscykelanalyser av de tre fallen presenteras i kapitel 9. I kapitel 10 sker en avslutande diskussion innan slutsatserna presenteras i kapitel 11. Därpå följer en beskrivning av förslag på vidare studier i kapitel 12.
5
2. Bakgrund
I nedanstående avsnitt kommer relevanta tekniker och områden för examensarbetets syfte att presenteras. Bland dessa områden inkluderas biogas, CCS, CCU, behandlingstekniker för koldioxid samt juridiska krav och finansiering för CCS och CCU.
2.1. Biogas
Biogas är ett biobränsle som skapas genom anaerob, mikrobakteriell nedbrytning av biomassa (Da Costa Gomez, 2013). Bakterierna kräver särskilda näringsämnen för att möjliggöra tillväxt (Gottschalk, 1979). Genom nedbrytning av substrat kan mikroorganismerna producera nya celler samt ett antal intermediär-, slut- och avfallsprodukter, såsom fettsyror, vätgas, koldioxid och metan (Jarvis and Schnürer, 2009). Biogasens huvudsakliga beståndsdel är metan, där halten vanligtvis varierar mellan 50 – 70 % (Da Costa Gomez, 2013). Vidare innehåller biogasen även koldioxid, vanligen mellan 25 – 50 %.
I biogasprocessen, det vill säga rötningen, finns fyra väsentliga nedbrytningssteg, vilka är hydrolys, fermentation, anaerob oxidation och metanbildning (Schnürer, 2016). Under de två första stegen sker nedbrytning av exempelvis kolhydrater, fetter och proteiner till mindre organiska ämnen med högre löslighet. Därpå fermenteras dessa ämnen till bland annat organiska syror, alkoholer, väte och koldioxid. Under den anaeroba oxidationen bryts syror och alkoholer ned till väte, koldioxid och acetat. Därpå konsumerar metanbildarna vätgas, koldioxid och acetat, vilket skapar en produktion av metan och koldioxid. Rågasen från rötkamrarna kan sedan förbrännas eller gå till uppgradering, där rågasen omvandlas till fordonsgas genom att separera olika flöden av gas (Tekniska verken, 2019b). Fordonsgas innehåller cirka 97 % metan.
Figur 4: Översiktlig processbild över hur en biogasanläggning kan vara uppbyggd.
En biogasanläggning är vanligtvis uppbyggd av följande komponenter: Substratlager och förbehandling, rötning, gasförvaring, biogödselförvaring, infrastruktur och eventuell gasuppgradering, se Figur 4 (Bachmann, 2013). Substratet som används för biogasproduktion kan exempelvis komma från restprodukter inom lantbruk, hushållsavfall samt industriella rest- och biprodukter (Da Costa Gomez, 2013). Avloppsslam från reningsverk används ofta till biogasproduktion (Jarvis and Schnürer, 2009). Även jordbrukssektorn är en viktig resurs för Sveriges biogasproduktion. Den kemiska sammansättningen av substratet har stor påverkan på metanavkastningen. Substratets gaspotential beror på komponenterna och energiinnehållet i det organiska materialet, och den teoretiska mängd biogas som kan erhållas från ett substrat kan beräknas (Schnürer, 2016). En blandning av olika näringsämnen i substratet är att föredra eftersom
6
det gynnar mikroorganismerna, varför många anläggningar använder sig av tekniken samrötning där flertalet olika substrat rötas. Från rötkammaren fås, förutom rågas, även en näringsrik rötrest som kan användas som biogödsel (Klackenberg, 2017b).
År 2018 användes cirka 3,7 TWh biogas i Sverige (Energigas Sverige, 2019). Under samma år producerades cirka 2 TWh biogas i Sverige på ungefär 280 anläggningar, vilket innebär att cirka 1,7 TWh biogas importerades. Ungefär 63 % av biogasen uppgraderades till fordonsgas samtidigt som cirka 2,4 miljoner ton biogödsel till jordbruket producerades. Figur 5 visar hur den totala leveransen av fordonsgas från biogasproduktion till svenska tankställen har utvecklats mellan år 2009 och 2019. År 2018 producerades 47 % av den svenska biogasen i samrötningsanläggningar, och 35 % i avloppsreningsverk (Energigas Sverige, 2019). Övriga 18 % består av deponi-, industri-, gård- och förgasningsanläggningar.
Figur 5: Utveckling av svenska leveranser av biogas (fordonsgas) till tankställen mellan år 2009 och 2019 (Statistikmyndigheten SCB, 2020b).
2.2. Carbon Capture and Storage
CCS är ett samlingsnamn av tekniker där koldioxid avskiljs, transporteras och förvaras geologiskt, det vill säga under mark- eller havsytan (Karlsson et al., 2020). Syftet med tekniken är att permanent isolera koldioxid från atmosfären. Den förvaringslösning som främst används i dagsläget är saltvattenakviferer, det vill säga hålrum i berggrunden till land eller havs som innehåller saltvatten (Markewitz et al., 2012). Vidare finns även en förvaringsteknik som innebär att koldioxid lagras i havsbotten (Karlsson et al., 2020). Denna teknik var tidigare förbjuden enligt Osparkonventionen, bland annat på grund av miljökonsekvenserna som tekniken ger upphov till, vilket inkluderar ökad produktion av växtplankton, algblomning, försurning samt påverkan på den biologiska mångfalden.
Vid upptag och förbränning av fossila bränslen adderas en mängd koldioxid till atmosfären som tidigare var permanent bunden i marken (Karlsson et al., 2020). Detta innebär att CCS från fossila källor av koldioxid enbart är en form av utsläppsminskning av antropogent skapade koldioxidutsläpp. Att använda CCS vid exempelvis fossil förbränning kan därmed ses som ett sätt att undvika övergången till förnybara bränslen (Stephens, 2014). Genom BECCS sker istället upptag av koldioxid som ingår i ett naturligt och biogent kretslopp av kol, vilket ger negativa koldioxidutsläpp (Karlsson et al., 2020). Detta beror på att biobränslen är skapade från biomassa, som har absorberat
7
lika mycket koldioxid från atmosfären under tillväxtperioden som den avger vid förbränningen. På så sätt tillsätts ingen ny koldioxid till atmosfären, utan samma mängd cirkulerar i ett hållbart kretslopp, vilket resulterar i att biobränslen ses som utsläppsneutrala bränslen. Om koldioxid från metanisering av biomassa eller förbränning av biobränslen förvaras i en BECCS-lösning blir därmed det totala koldioxidflödet negativt, vilket innebär att koldioxid tas bort från atmosfären. Detta förutsätter dock att inga fossila extraktionsmetoder används vid lagringsplatsen. Exempel på fossila extraktionsmetoder är teknikerna Enhanced Oil Recovery (EOR) samt Enhanced Gas Recovery (EGR) som innebär att koldioxid injiceras i tömda olje- och gasreservoarer för att ge ett ökat uttag av olja och naturgas (IPCC, 2005). Sett till kolets livscykel så minskar inte tekniker inom EOR och EGR globala utsläppsnivåer, eftersom de bidrar till upptag och utsläpp av koldioxid (Zhang et al., 2020).
Oraee-Mirzamani, Cockerill och Makuch (2013) har undersökt risker inom CCS samt aktuella verktyg för att bedöma sannolikhet och betydelse, alltså hur troligt det är att en olycka sker och vilken skada den skulle ge upphov till. Författarna beskriver att det finns stora osäkerheter gällande riskerna, vilket försvårar investeringar, försäkringar och skapandet av policies inom CCS. Även ekonomiska och sociala risker med CCS har undersökt, vilket inkluderar den ekonomiska risk som ges när exempelvis energibolag investerar i CCS (Bradbury, Greenberg and Wade, 2011). Den största risken med CCS bedöms vara läckage av koldioxid, som främst är ett problem vid bristfällig design av förvaringsreservoaren (Chadwick, 2011; Oraee-Mirzamani, Cockerill and Makuch, 2013). Risken för utsläpp varierar mellan cirka 0,00001 % till 1 %, och beror på permeabiliteten och kvaliteten på den geologiska strukturen (Cuéllar-Franca and Azapagic, 2015). Välplanerade förvaringsutrymmen är sannolika att behålla över 99 % av innehållet över en tidsperiod på 1 000 år (IPCC, 2005). Det finns även risker gällande toxikologiska och miljömässiga effekter, ökad seismisk aktivitet samt effekter på klimatet (Oraee-Mirzamani, Cockerill and Makuch, 2013).
2.2.1.
Exempelanläggningar inom CCS
Globalt fanns cirka 18-19 kommersiella CCS-projekt i drift kring åren 2018-2019, med en lagringskapacitet på cirka 40 miljoner ton årligen (Global CCS Institute, 2019; IOGP, 2019; Page et
al., 2019; Karlsson et al., 2020). Den totala installerade lagringskapaciteten för dessa anläggningar
motsvarade mindre än 1 % av Europas årliga utsläpp av koldioxid (IOGP, 2019). 14 av anläggningarna var EOR-lagringsutrymmen. Sex av projekten var BECCS-anläggningar, vilket inkluderade fem nordamerikanska anläggningar för produktion av bioetanol och en avfallsförbränningsanläggning i Storbritannien (Global CCS Institute, 2019; IOGP, 2019). Dessa BECCS-anläggningar har en lagringskapacitet på cirka 1,5 miljoner ton koldioxid årligen (Global CCS Institute, 2019). Dock använder fyra av de fem BECCS-anläggningarna i Nordamerika EOR-teknik vid lagringen, vilket innebär att koldioxiden som förvaras är biogen men att lagringen bidrar till ett ökat upptag av fossila bränslen. De länder som har CCS-anläggningar utan någon form av EOR är Norge och Australien (IOGP, 2019).
Cirka 25-40 nya projekt var under utredning globalt år 2018, vilka motsvarar en kapacitet på cirka 13 miljoner ton årligen (International Energy Agency, 2019a). Under 2019 fanns ett stort antal pilot- och demonstrationsanläggningar under drift, utveckling eller konstruktion i Europa (Page et
al., 2019). Cirka tio stycken var under utveckling med en årlig lagringskapacitet på cirka 20,8
miljoner ton koldioxid. Två norska anläggningar, Sleipner och Snöhvit, har varit i drift sedan 1996 (Eiken et al., 2011). Dessa förvaringsutrymmen är på sådant djup att dess tryck och temperatur ger koldioxiden superkritiskt tillstånd. De två utrymmena har tillsammans en förvaringskapacitet på 1,7 miljoner ton årligen (Page et al., 2019).
8
Ytterligare förvaringslösningar inkluderar tömda olje- och gasreservoarer såväl som kollager (Markewitz et al., 2012). Lösningar inom EOR, EGR och ECBM har historiskt sett varit vanliga i Nordamerika, där den största lagringen har skett i tömda oljefält i Permian Basin, USA, som lagrat cirka 500 miljoner ton koldioxid sedan anläggningen driftsattes 1972. USA bedöms ha de största koldioxidlagren samt den största infrastrukturen för koldioxid globalt, genom deras satsning på EOR (IOGP, 2019). Denna typ av lösning, där koldioxid såväl används som förvaras, kan klassas som
Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) (International Energy Agency, 2020).
2.3. Carbon Capture and Utilization
CCU syftar till nyttiggörande av koldioxid genom avskiljning och tillvaratagande som en råvara eller produkt (Karlsson et al., 2020). Renad koldioxid kan bidra till värdefulla produkter med miljömässiga, ekonomiska och sociala fördelar (Zhang et al., 2020). Koldioxidanvändning är främst en strategi för resurseffektivitet och för att öka resurssäkerhet (Bruhn, Naims and Olfe-Kräutlein, 2016). Cirka 230 miljoner ton koldioxid, vilket motsvarar cirka 8 promille av de globala koldioxidutsläppen, används genom CCU globalt varje år, där gödselindustrin samt olja- och gasproduktion står för den främsta användningen (International Energy Agency, 2019b). Eftersom ny teknik har gjort det möjligt att producera bränslen från koldioxid, har ett ökat marknadsvärde för koldioxid skapats.
Mängden koldioxid som används i en produkt kan inte likställas med mängden utsläpp som undviks, enligt IEA (2019b). För att CCU ska ge en klimatnytta krävs att koldioxiden ersätter en, exempelvis fossilbaserad, råvara som har högre miljöpåverkan genom sin livscykel (Bruhn, Naims and Olfe-Kräutlein, 2016; International Energy Agency, 2019b). Användning av koldioxid innebär inte nödvändigtvis att utsläppen minskar, eftersom koldioxiden ofta binds i en produkt under en begränsad tid (International Energy Agency, 2019b). Ett exempel där koldioxid enbart binds under en kortare tidsperiod är när ett koldioxidbaserat bränsle förbränns. Vid permanent inbindning av koldioxid i en produkt, exempelvis i byggnadsmaterial, minskar utsläppen av koldioxid (Karlsson et
al., 2020). Vid användning eller konsumtion av en produkt, vilket alltså inte är en permanent
inbindning, frigörs koldioxiden till atmosfären igen. Detta medför att produktens livslängd och därmed koldioxidens uppehållstid påverkar hur länge koldioxidutsläppen fördröjs. Genom att binda koldioxid i en produkt med mycket lång livscykel skapas därmed större klimatnytta.
IEA (2019b) och IOGP (2019) menar att omfattande och robusta livscykelanalyser krävs för att bedöma hur miljöpåverkan och klimatnyttan förändras genom användning av koldioxid. Det finns fem viktiga aspekter som bör beaktas vid undersökning av koldioxidanvändningens miljöpåverkan (International Energy Agency, 2019b). Dessa är koldioxidens ursprung, produkten som ersätts, hur mycket och vilken typ av energi som krävs för omvandling av koldioxiden, hur länge koldioxiden binds i produkten samt skalbarheten av lösningen. Konvertering av koldioxid är en energikrävande process vilket ställer krav på att förnybar energi finns tillgänglig, för att säkerställa en positiv miljöpåverkan (Zhang et al., 2020). Den viktigaste faktorn, enligt IEA (2019b), tros vara vad koldioxiden tränger ut, det vill säga vilka produkter som konkurreras ut. Trots att CCU inte nödvändigtvis bidrar till en global minskning av koldioxidutsläpp så är tillvaratagande av koldioxid, som annars hade släppts ut i atmosfären, en resurseffektiv lösning (Wiltenburg, 2020).
2.3.1.
Exempelanläggningar inom CCU
IEA (2019b) har identifierat fem olika marknader där de ser möjligheter för ökad användning av koldioxid. Dessa marknader är bränslen, kemikalier (inklusive plaster), byggnadsmaterial från
9
mineraler, byggnadsmaterial från avfall samt ökad avkastning inom odling. Exempelanläggningar inom dessa områden presenteras översiktligt nedan.
Koldioxid kan exempelvis omvandlas genom kemisk syntes till bränslen såsom dimetyleter och metanol, samt för tillverkning av kemikalier och gödsel (Anwar et al., 2020). Användning av koldioxid för metanolproduktion sker exempelvis på Island på George Olah Renewable Methanol Plant (Carbon Recycling International, no date). Vidare har det tyska företaget Sunfire, som arbetar med att ta fram produktionssystem för förnybara bränslen, tagit fram en testanläggning som producerar bränslen från koldioxid i ett statligt finansierat projekt (Sunfire, 2019). Sunfire använder
Direct air capture (DAC) för att avskilja koldioxid från atmosfären, för att sedan omvandla
koldioxiden till vätgas. Därpå kan vätgasen konverteras till flera olika förnybara bränslen som kan ersätta exempelvis diesel. Testanläggningen producerade år 2019 cirka 10 liter bränsle per dag, men företaget planerar att utveckla anläggningar som kan producera upp till 2 000 liter dagligen.
Företaget Saudi Aramco använder tekniker inom CCU och CCUS när de fångar in koldioxid från sin naturgasproduktion, som sedan används för EOR och för produktion av plast (Saudi Aramco, no date a). Plasten används exempelvis till bindemedel samt förpackningsmaterial och består, sett till massa, av ungefär 40 % koldioxid (Saudi Aramco, no date b). Även företaget Covestro använder koldioxid för produktion av plast i deras anläggning i Dormagen, Tyskland (Covestro, no date). De skapar en produkt som kan innehålla upp till 20 % koldioxid, där koldioxiden tas från rökgaserna från en närliggande kemisk industri. IEA (2019b) presenterar flera andra företag som också producerar polymerer från koldioxid.
Inom byggnadsmaterial producerade från mineraler och koldioxid finns två företag, CarbonCure och Solidia, som använder koldioxid för att producera betong (International Energy Agency, 2019b). Genom att koldioxiden karbonatiseras, vilket benämns koldioxidhärdning av betong, ges en permanent inbindning av koldioxid i produkten. CarbonCure driver cirka 150 anläggningar i USA. Inom byggnadsmaterial från avfall finns det brittiska företaget Carbon8, som producerar kalksten genom att låta avfall, från exempelvis stålverk, karbonatisera med koldioxid (Carbon8, no date). Processen, som tar årtionden i naturen, sker på cirka 20 minuter, varför de har döpt tekniken till Accelerated Carbonation Technology. Tekniken bidrar till att mindre mängd avfall hamnar på deponi samt permanent inbindning av koldioxid i produkten.
Genom att använda koldioxid vid odling kan ökad avkastning ges, eftersom koldioxiden blir till en form av gödning (International Energy Agency, 2019b). Företaget Linde har en lösning för koldioxidgödning som bygger på en förångningsanordning och en koldioxidtank (Linde Gas, 2020d). Omkring 20 producenter använder denna teknik i södra Sverige. Växthusodling med koldioxid sker även i Tönsberg i Norge där biogasanläggningen Den Magiske Fabrikken levererar koldioxid och biogödsel till ett närliggande växthus i pilotskala (Greve Biogass, no date; Reklima, no date). I växthuset odlas tomater som binder koldioxiden.
Vidare finns internationella exempel på biogasanläggningar som tillvaratar koldioxid, bland annat Aben BV i Nederländerna som producerar 20 000 ton biogen koldioxid årligen för industriella användningsområden (ABEN BV, 2020). Två svenska exempel på CCU är vid Agroetanols bioraffinaderi i Norrköping och Nymölla Bruk i Bromölla (Karlsson et al., 2020). Agroetanol producerar etanol genom spannmål där fermenteringsprocessen ger koldioxid, som avskiljs och förvätskas. Denna säljs till Linde varpå den används till exempelvis livsmedelsindustrin. Massa- och pappersbruket Nymölla Bruk, ägt av Stora Enso, levererar rökgaser som innehåller en stor mängd koldioxid, till ett närliggande företag. Företaget producerar utfällt kalciumkarbonat, eller bränd kalk, som används som fyllnadsmedel i papper. Karlsson et al. (2020) beskriver att tillverkningen av
10
kalciumkarbonat absorberar mer koldioxid än vad som släpps ut när Nymölla bruk förbränner fossila bränslen. Koldioxiden återgår till atmosfären när materialet blir till avfall och eldas.
2.4. Behandlingstekniker för koldioxid
För att nyttja koldioxid som produceras vid biogasproduktion krävs avskiljning av gasen, samt potentiell rening, komprimering och förvätskning. Dessa tekniker beskrivs i avsnittet nedan.
2.4.1.
Avskiljning av koldioxid i biogasprocessen
Uppgradering av rågas avlägsnar koldioxid och oönskade orenheter, vilket möjliggör att gasen kan användas som fordonsgas (Li et al., 2017; Lorenzi et al., 2019). Avskiljning av koldioxid vid uppgradering av biogas anses vara ett billigt sätt att fånga in koldioxid, eftersom koldioxidflödet separeras helt vid uppgraderingen (Li et al., 2017). Avskiljning av koldioxid kan klassificeras enligt
post-combustion capture system (system för fångning efter förbränning), pre-combustion capture system (system för fångning före förbränning) samt oxyfuel capture system (system för fångning med
rent syre) (Rahman et al., 2017). Avskiljning av koldioxid vid uppgradering av biogas klassas som
pre-combustion capture eftersom rågasen inte förbränns utan omvandlas till fordonsgas, se Figur 6
(Li et al., 2017).
Figur 6: Biogassystem av typen pre-combustion capture system, där rågasen uppgraderas till fordonsgas samt där koldioxid avskiljs. Processbilden är ritad med inspiration av Li et al. (2017).
Enligt Bauer et al. (2013) anses uppgradering genom en aminbaserad kemisk absorption vara den bäst lämpade tekniken för avskiljning, baserat på renhet av koldioxiden och effektivitet. Aminskrubbern kan avlägsna cirka 99,8 % av koldioxiden från fordonsgasen. Genom att en vätska med vatten och aminer binder till koldioxiden så absorberas koldioxiden, vilket möjliggör att koldioxiden kan avlägsnas (Bauer et al., 2013). Vidare passerar denna lösning en stripper där koldioxiden avlägsnas från aminlösningen. Från detta steg ges en blandning av ånga och koldioxid, som kyls i en kondensator för att fälla ut vatten från gasblandningen. Vid användning av aminskrubber ges en koncentrerad koldioxidström fri från vätesulfid och svavel.
Uppgradering av biogas kan även ske genom en vattenskrubber (Bauer et al., 2013). I denna process används vatten för avlägsna koldioxiden. Detta sker genom att koldioxid löses i vatten under tryck, medan metangasen som har lägre löslighet inte löses. Koldioxiden frigörs från vatten i en desorptionskolumn. Vid användning av såväl aminskrubber som vattenskrubber krävs att flödet av koldioxid torkas eller kondenseras innan användning, eftersom den fortfarande innehåller viss mängd vatten (Bauer et al., 2013). Vid kryogen biogasuppgradering, det vill säga uppgradering som nyttjar låga temperaturer, separeras koldioxid från metan, genom att gasblandningen kyls. Eftersom koldioxid kondenserar vid en högre temperatur än metan fås en ström med flytande koldioxid (Bauer et al., 2013; Tan et al., 2017).
11
2.4.2.
Komprimering och förvätskning av koldioxid
Koldioxid kan distribueras i flytande form med tankbil, alternativ i gasform genom kärl såsom gastuber (Air Liquide, 2020c; Linde Gas, 2020c). När koldioxid transporteras i tankbil används ofta kryogena kärl, där koldioxiden har ett tryck på cirka 17 bar och en temperatur på cirka -30 °C (Zahid
et al., 2014). Om ett lägre tryck används krävs även en lägre temperatur, se Tabell 1, vilket ger en
större energianvändning för kylning. Koldioxid antar fast fas vid -78 °C vid atmosfärstryck och benämns då som torris (Air Liquide, 2020c; Linde Gas, 2020e).
Tabell 1: Tryck och temperatur där koldioxid förvätskas (Zahid et al., 2014).
Tryck [bar] Temperatur [°C]
1 (Atmosfärstryck) -65
7 -50
15 -30
Det finns två primära metoder för komprimering och förvätskning av koldioxid (Zahid et al., 2014). Den första metoden fångar in strömmen av koldioxid som komprimeras i en kompressor med ett inbyggt kylsystem, vilken kondenserar bort eventuellt vatten som finns i strömmen. Koldioxiden passerar därpå en adsorptionstorkningsprocess där resterande mängd vatten torkas bort. Koldioxiden komprimeras till cirka 17 bar och går igenom en lågtrycksprocess med ett externt kylmedium, ofta ammoniak, som kondenserar koldioxiden. Enligt Zahid et al. (2014) är den andra metoden för förvätskning en högtrycksprocess utan externt kylmedium. Koldioxiden komprimeras bortom sin kritiska punkt på 73,8 bar och 31,1 °C, varpå koldioxiden expanderar och kyler sig själv till flytande form. Samma teknik för kondensering av vattenånga i koldioxidströmmen används för båda metoderna. Djupare förklaringar och processcheman ges av (Zahid et al., 2014). Den förstnämnda metoden bedöms ge lägre energianvändning medan den andra tros vara mer lämpad för storskalig förvätskning enligt Zahid et al. (2014). Genom att använda ett system som inte använder ett kylmedium såsom ammoniak ges även miljöfördelar. Oavsett vilken teknik för förvätskning som används krävs tillfälliga förvaringsbehållare för den flytande koldioxiden. En sådan tank bör hålla ett tryck på cirka 6,5 bar och en temperatur på -52 °C menar Zahid et al (2014). Förvätskning av koldioxid ger ett energibehov på mellan 72-115 kWh per ton koldioxid (Aspelund and Jordal, 2007; Yoo et al., 2013; Zahid et al., 2014; Lee, Choi and Lee, 2015). Komprimering av koldioxid kan antas ge samma energibehov som förvätskning eftersom kompressorns elbehov är likvärdigt energibehovet för förvätskningsprocessen (Lee, Choi and Lee, 2015). Komprimering av koldioxid har ett energibehov på cirka 90-120 kWh per ton koldioxid (Jackson and Brodal, 2018).
2.4.3.
Rening av koldioxid
Koldioxid som avskiljs från biogasproduktion ger upphov till ett av de mest koncentrade flödena av koldioxid, vilket minskar reningskostnader (Rajendran, Browne and Murphy, 2019). Vid produktion av biogas uppstår dock, förutom metan och koldioxid, även flyktiga organiska ämnen (Volatile Organic Compounds, VOC) vilka kan påverka närmiljön negativt vid utsläpp (Nilsson Påledal
et al., 2016). Mängden VOC varierar beroende på ingående substrat. Dessa ämnen separeras där en
mängd hamnar i koldioxiden som avskiljs vid uppgradering medan resten finns i processvattnet och i fordonsgasen. Inom vissa användningsområden, exempelvis växthusodling och bränsletillverkning, krävs mycket hög renhet för att produkten inte ska skadas (International Energy Agency, 2019b). För vidare beskrivning av krav på renhet se avsnitt 2.6 Juridiska krav för CCS och CCU.
12
Vilken teknik som används för rening av koldioxid beror på koldioxidens källa (Wiltenburg, 2020). Rening kan exempelvis ske genom biogasuppgraderingsprocesser såsom adsorptionstorkningsprocess, desorption och stripping. En viss rening av metan kan även ske i eventuell förvätskningsprocess av koldioxid. Även katalytisk förbränning, aktivt kol, kolfilter och dammfilter kan användas för rening av koldioxid (Bjelland, Hegg and Kopperud Sörby, 2020; Wiltenburg, 2020). Vidare beskriver Air Liquide att vilken part som ansvarar för reningen beror på om producenten av koldioxid eller leverantören av koldioxid äger anläggningen för rening och förvätskning, där det vanligaste är att leverantören som äger anläggningen (Wiltenburg, 2020). Detta för att leverantören ska kunna säkerställa kvalitet och krav på koldioxiden.
2.5. Transport och infrastruktur för koldioxid
Koldioxid transporteras främst genom marin trafik och rörledningar (Karlsson et al., 2020). Dessa två transportsätt anses mest kostnadseffektiva vid CCS-lösningar eftersom volymerna av gas är mycket stora. Kjärstad et al. menar att kostnaden för transport via rörledning är mycket känslig för storlek på volym, det vill säga att det krävs en viss volym innan transport via rörledning blir billigare än exempelvis fartyg (Kjärstad et al., 2016). När koldioxid lagras genom CCS krävs transport genom sjöfart eftersom lagringsställen ofta är belägna till havs (Zahid et al., 2014). Koldioxid kan trycksättas eller förvätskas för att minska volymen eftersom gaser med fördel transporteras vid hög densitet (Markewitz et al., 2012). Vidare finns fördelar med att förvara koldioxid i nedlagda gas- och oljefält eftersom befintlig infrastruktur för transport av fossila bränslen kan nyttjas till transport av koldioxid vilket således minskar investerings- och hanteringskostnader vid CCS (IOGP, 2019). Produktionsenheter som använder koldioxid bör ligga inom nära avstånd till källan av koldioxid för att minska transportkostnader (Tan et al., 2017).
Transport av gas genom rörledningar är en etablerad teknik, som har använts för transport av koldioxid i Nordamerika under flera decennier (Markewitz et al., 2012; Karlsson et al., 2020). Även i Sverige finns en mindre mängd rörledningar för koldioxidtransport, dock gör det svenska landskapet att byggnation av rörledningsnät skulle vara mycket kostsamt. IOGP (2019) menar att rörledningar, nya eller begagnade, är den främsta infrastrukturlösningen för såväl CCS som CCU. I Nordsjön finns cirka 7 500 km rörledningar som planeras att avvecklas inom det närmsta årtiondet, vilket kan ge möjlighet för återbruk för koldioxidtransporter, om rören tål höga halter av koldioxid.
Vid transport av koldioxid genom marin trafik krävs bland annat förbehandling genom exempelvis förvätskning, tillfällig lagring, pålastning, transport via fartyg samt avlastning (Lee, Choi and Lee, 2015). Ett fartyg anpassat för koldioxidtransport skulle kunna frakta cirka 200 000 ton (Karlsson et al., 2020). Framtidens fartygstransporter av koldioxid skulle gynnas av standardisering av komponenter på fartyget samt gällande förvaringskärl av koldioxid, för att underlätta hantering (IOGP, 2019). Leverantören Air Liquide beskriver att transporter med lastbil i Sverige sker med ekipage som tar cirka 30 ton gods och menar även att de som leverantör ansvarar för och organiserar transporten (Wiltenburg, 2020).
2.6. Juridiska krav för CCS och CCU
År 2014 blev det i Sverige lagligt att lagra koldioxid i geologiska formationer till havs (Sveriges Geologiska Undersökning, 2019b). I flertalet länder, exempelvis Danmark och Lettland, är koldioxidlagring olagligt (Karlsson et al., 2020). Londonprotokollet, Helsingsforskonventionen och CCS-direktivet, har tidigare utgjort hinder för aktörer att genomföra CCS-projekt enligt Karlsson et al. (2020). Exempelvis beskrev artikel 6 i Londonprotokollet tidigare att det ej var tillåtet att
13
exportera avfall till andra länder för förvaring till havs. 2009 kom en omskrivning av Londonprotokollet som innebar att koldioxid undantogs från exportförbudet av avfall. Detta tillägg hade år 2019 enbart godkänts av sex stycken medlemsländer, och godkännande av 34 av 50 medlemsländer krävs för att ett tillägg ska bli giltigt (IOGP, 2019). 2019 kom en omskrivning som möjliggjorde gränsöverskridande transport av koldioxid för offshore-lagring (European Zero Emissions Technology & Innovation Platform, 2020). Vidare var även djuphavslagring av koldioxid tidigare olagligt enligt Osparkonventionen men enligt ett tillägg i Londonprotokollet är det numera är tillåtet (Karlsson et al., 2020). CCS är dock fortfarande förbjudet enligt Helsingforskonventionen, som syftar till att skydda den marina miljön i Östersjön, där såväl EU som Sverige innefattas.
Koldioxid som genom CCU ska användas till produktion av mat och dryck, exempelvis kolsyra eller för konservering, måste uppfylla standarder för renhet (von der Assen et al., 2014). Bland annat gäller EU-direktivet för tillsatser inom livsmedel där koldioxid benämns E290 (European Commission, 2008a, 2012). Standarden ställer krav på koldioxidhalt över 99 % samt krav på andra orenheter. Vidare finns en standard framtagen av European Industrial Gases Association (EIGA) (2020) som ger riktlinjer kring halter av ämnen i koldioxid. Riktlinjerna presenteras i Tabell 2 nedan. Vidare beskrivs riktlinjer kring substrat och animaliska bi-produktsförordningen (ABP-förordningen (EC 1069/2009 och EC 1774/2002)) vid användning av koldioxid från biogasproduktion (European Industrial Gases Association, 2020). För att koldioxid skall kunna användas till livsmedel krävs hög renhet, eftersom livsmedlet inte får kontamineras med bland annat bensen, svavelväten, svaveldioxid och kväveoxider (Zhang et al., 2020). Liknande krav gäller även vid vissa kemiska tillämpningsområden, eftersom svaveloxider och kväveoxider måste avlägsnas (Tapia et al., 2018) samt för medicinteknisk koldioxid (Air Liquide, 2020d).
Tabell 2: Tillåtna halter av ämnen såsom metan, syrgas, vatten och VOCs för koldioxid som ska användas inom livsmedel enligt EIGA (European Industrial Gases Association, 2020).
Ämnen Enhet Referensvärden
Koldioxid Min % -vol 99,9
Syrgas Max ppm v/v 30
Kolmonoxid Max ppm v/v 10
Metan Max ppm v/v 30-50
Vatten Max ppm v/v 50
p-cymen (VOC) Max ppm VOC 20
Svavelväte Max ppm v/v 0,1
Bensen Max ppm v/v 0,02
Det finns ett antal olika leverantörer av koldioxid i Sverige, där Air Liquide (2020c) och Linde (2020c) levererar koldioxid som kan fås med olika renhet och koncentrationer av koldioxid. Air Liquide har en produkt för koldioxid som är märkt som Food Grade, vilket innebär att det kan användas till livsmedel (Air Liquide, 2020b). Denna koldioxid är certifierad enligt HACCP, vilket innebär spårbarhet inom livsmedel. Vidare har anläggningarna som producerar koldioxiden FSSC-märkning, vilket är en certifiering inom livsmedelssäkerhet. Air Liquide anser även att enheter som producerar koldioxid ska designas utifrån kvalitetsstandarden ISBT (Wiltenburg, 2020). Den livsmedelsklassade gasen Aligal2 har en koldioxidhalt på över 99,9 %, samt krav på halter av vatten, syre, koloxid, kolväten, kväveoxider, VOCs och svavel (Air Liquide, 2020a). Gasen uppfyller därmed E290-specifikationer (European Commission, 2012). Air Liquide beskriver att de enbart tar emot koldioxid som garanterar kvaliteten för gasen Aligal2 men att gasen bör ha ännu högre kvalitet än så (Wiltenburg, 2020). Leverantören Linde levererar koldioxid med Food Grade märkning som överensstämmer med det EU direktivet för livsmedelstillsatser (European Commission, 2008a; Linde Gas, 2020b).
14
2.7. Finansiering av CCS och CCU
För att säkra långsiktig finansiering av CCS krävs antingen en naturlig marknad där aktörers efterfrågan av koldioxid skapar ett handelssystem, alternativt att det upprättas finansiella instrument som tvingar fram en marknad (Zetterberg, Källmark and Möllersten, 2019). Eftersom det i dagsläget inte finns någon stor naturlig efterfrågan av koldioxid bör det senare tillvägagångssättet appliceras. Zetterberg, Källmark och Möllersten (2019) presenterar olika förslag för hur sådana styrmedel skulle kunna utformas. Grunden för att ett sådant styrmedel ska kunna byggas av att det finns regelverk för mätning, rapportering och verifiering av projekt inom ramen för BECCS. Vidare ger Zetterberg, Källmark och Möllersten (2019) förslag på fem potentiella styrmedel: statlig upphandling, negativ koldioxidskatt, kvotplikt, BECCS-krediter samt krediter på frivillig basis. Även IOGP (2019) ger förslag på styrmedel som kan implementeras inom områdena marknad, avskiljning, transport, lagring med mera. År 2008 granskades förslag kring utsläppsrätter inom EU, där installationer gällande CCS skulle täckas men förslaget har ännu inte blivit verklighet (European Commission, 2008b). EU har flertalet gånger försökt initiera program som ska ge ekonomiskt stöd för forskning och demonstrationsanläggningar inom CCS, men programmen har lagts ned och inga anläggningar, varken demonstration eller fullskaliga, har hittills byggt inom EU (Karlsson et al., 2020).
För att bedöma kostnadseffektivitet inom CCS anser Markewitz et al. (2012) att en bedömning av kostnader för elproduktion och kostnader för undvikna koldioxidutsläpp krävs. En av de största ekonomiska barriärerna för CCS är de stora kapitalkostnaderna och investeringarna som krävs (Cuéllar-Franca and Azapagic, 2015). Vidare blir anläggningar inom CCS lönsamma ifall koldioxidskatten överstiger kostnaden för lagring av koldioxid (Karlsson et al., 2020). Ett förslag för att minska investeringsrisken för företag är att staten garanterar ett pris per ton infångad koldioxid (Torvanger, 2019).
Kostnaden för Fortums CCS-projekt i Norge bedöms vara cirka 13,1 miljarder NOK (12 miljarder SEK), inklusive investeringar och 5 års drift (Fortum, 2020). Denna anläggning ska kunna fånga in 400 000 ton koldioxid årligen. Studier visar att kostnaden för BECCS kan variera mellan 75-250€ (790-2 630 SEK) per ton lagrad koldioxid, inklusive investering, drift, lagring och transport (Zetterberg, Källmark and Möllersten, 2019). Vidare uppskattas kostnaden för koldioxidlagring, inklusive övervakningskostnad, vara 100-200 SEK per ton koldioxid (Karlsson et al., 2020), respektive 7-20€ (70-210 SEK) per ton koldioxid i akviferer (Sveriges Geologiska Undersökning, 2019a). En kostnad på cirka 30-76 US$ (290-740 SEK) respektive 27-67€ (280-680 SEK) per ton koldioxid som undviks att släppas ut, genom att tillämpa BECCS vid produktion av gas genom biomassa (Global CCS Institute, 2019; IOGP, 2019). SGU (2019a) uppskattar att avskiljning av koldioxid är den mest kostsamma delen av CCS. Priset för en utsläppsrätt var under år 2019 cirka 25€ (210 SEK), vilket motsvarar utsläpp av 1 ton koldioxidekvivalenter (Miljödepartementet, 2020). CCU kan ses som en marknadsstrategi som kan sänka kostnaderna för CCS-teknik, genom att kommersialisera tekniker för koldioxidinfångning eller rening (Karlsson et al., 2020). För att biobaserad CCU ska vara en lönsam marknadsstrategi krävs att biogent producerad koldioxid är billigare än den fossila kolkällan som annars hade använts. Priset på koldioxiden speglas bland annat av kostnaden för rening av gasen. Leverantören Air Liquide menar att det finns intresse för att använda biogen koldioxid men att det i dagsläget inte finns någon betalningsvilja för att få en biogen produkt (Wiltenburg, 2020). Wiltenburg beskriver att marknaden för biogen koldioxid kommer öka först när biogen koldioxid har samma pris som fossil koldioxid. Zhang et al (2020) menar att priset på förnybar energi behöver sjunka för att öka lönsamheten för CCU och konvertering av koldioxid.
15
Priset för koldioxid till CCU avgörs främst genom förhandlingar mellan leverantörer och konsumenter av koldioxid, och priserna varierar mycket beroende på geografisk region och bransch (International Energy Agency, 2019b).
2.7.1.
Befintliga stöd
Det finns ett antal stöd som innefattar CCS och CCU som går att söka redan i dagsläget, både i Sverige och inom EU. Nedan följer en kort förklaring av ett urval av stöd. Naturvårdsverket har skapat investeringsstödet Klimatklivet som ska stötta lokala och regionala utsläppsminskningar, vilket tillhör statsbudgeten (Sedin, 2020). Stödet är relativt brett och kan ges till alla förutom privatpersoner, där tidigare stöd getts till exempelvis biogassatsningar, utveckling av bostäder och stadsbyggnad. Storleken för stödet varierar per år, och år 2020 är anslaget 2,4 miljarder SEK.
Energimyndigheten har en rad olika statliga stöd som är möjliga att söka. En av dessa är Industriklivet där projekt som bidrar till negativa utsläpp kan få stöd (Thorsell et al., 2020). Dessa projekt ska bidra till målet om nettonollutsläpp 2045, vilket innefattar projekt såsom investeringsprojekt, pilot- och demonstrationsprojekt samt genomförbarhetsstudier. Finansiering ges till projekt som möjliggör avskiljning, transport och lagring av växthusgaser (CCS) samt som minskar industrins utsläpp, men inte för användning av koldioxid (CCU). Satsningen möjliggör stöd om 600 respektive 300 miljoner SEK fram till 2022 och 2027.
Inom ramen för EU:s klimatarbete finns sedan 2018 en innovationsfond som möjliggör investeringsstöd inom bland annat CCS och CCU (European Commission, no date). Fonden, som finansieras av handel av utsläppsrätter, ska gynna innovation och syftar till att ge ekonomiska incitament för att möjliggöra övergången till en klimateffektiv och konkurrenskraftig region. Innovationsprojekt som godkänns får upp till 60 % av kostnaderna täckta. Första möjligheten att söka pengar från fonden är under andra halvan av 2020.
16
3. Tekniska verkens biogasproduktion
Tekniska verken i Linköping är ett kommunalägt bolag för energi och ledningsbunden infrastruktur (Tekniska verken, 2018a). Tekniska verken producerar bland annat el, fjärrvärme och biogas, samt tillhandahåller tjänster inom avfall, vatten, avlopp och fiber. Företaget har som vision att bygga världens mest resurseffektiva region. För att nå denna vision bör all slags produktion sträva efter att nyttja andra aktörers restprodukter för att på så sätt nå en cirkulär ekonomi där konsumtion och välfärd frånkopplas.
Figur 7: Processbild av Tekniska verkens biogasproduktion.
Tekniska verken har två anläggningar som producerar biogas – samrötningsanläggningen Åby samt avloppsreningsverket Nykvarn, se Figur 7. Samrötningsanläggningen Åby tar huvudsakligen emot mat-, slakteri- och livsmedelsavfall (Tekniska verken, 2019b). Matavfallet som ankommer till Åby förbehandlas genom krossning och rensning, varpå spädvätska (dricksvatten samt restprodukter) tillsätts för att skapa en pumpbar slurry (Nilsson Påledal, 2020). Matavfallet hygieniseras sedan i en separat hygieniseringstank, se Figur 7. Därefter förbehandlas allt substrat genom hygienisering, vilket sker i en gemensam tank och sedan tre parallella hygieniseringstankar satsvis i minst en timme i 70 °C. Det behandlade substratet når sedan tre syrefria rötkammare med temperatur på cirka 42 °C. Vid rötning tillförs spårämnet järndiklorid som bland annat är bra för mikroorganismerna och gaskvaliteten (Moestedt, 2020). Uppehållstiden i de tre parallella rötkamrarna är cirka 35-40 dygn (Nilsson Påledal, 2020). Från de tre rötkamrarna pumpas materialet in i en större efterrötkammare med en uppehållstid på cirka 15-20 dagar. Den totala uppehållstiden i rötkammarna blir därmed drygt 50 dygn. Biogasanläggningen Åby behandlar knappt 300 kubikmeter substrat per dygn. När rågasen har avskilts från slurryn i rötkamrarna går rötresten vidare till en gödselbrunn medan rågasen går till uppgradering.
I avloppsreningsverket Nykvarn försedimenteras och avvattnas avloppsvatten för att bilda ett slam som förs in i tre stycken parallella rötkammare (Tekniska verken, 2017b, 2019a).
17
Temperaturen i rötkamrarna är cirka 38 °C och slammet har en uppehållstid på cirka 20 dagar (Nilsson Påledal, 2020). Det slam som kommer ut från rötkamrarna behandlas genom avvattning och lagras i minst sex månader, varpå det används som jordförbättring och gödsel på åkermark.
Figur 8: Processbild över gasuppgraderingen i Åby.
Från de olika rötningsprocesserna ges en rågasblandning där cirka 65 % är metan och 35 % är koldioxid (Nilsson Påledal, 2020). Flödet av rågas från samrötningsanläggningen Åby och avloppsreningsverket Nykvarn går samman och uppgraderas till fordonsgas vid en uppgraderingsanläggning på Åby, se Figur 8 (Tekniska verken, 2019a). Uppgraderingen sker främst genom en aminskrubber som använder kemisk absorption, men systemet kan även avlastas genom uppgradering med vattenskrubberteknik (Tekniska verken, 2017a; Nilsson Påledal, 2020). Vid uppgraderingen avlägsnas nästan all koldioxid från rågasen, vilket ger ett flöde av fordonsgas med cirka 97 % metanhalt (Tekniska verken, 2019b). Vidare ges även flöden av stripperluft, skrubbervatten och koldioxid. Fordonsgasen komprimeras, transporteras till ett gaslager och skickas till tankstationer medan koldioxidflödet släpps ut i atmosfären (Tekniska verken, 2019a). Även biogödsel produceras genom biogasprocessen, vilket säljs till lantbrukare i regionen (Tekniska verken, 2018a, 2019b). År 2020 började Tekniska verken även producera flytande biogas, vilket är fordonsgas som kylts till -162 °C för att nå fasomvandling och därmed minska i volym (Tekniska verken, 2019b; Nilsson Påledal, 2020).
Tekniska verkens biogasanläggning har tillstånd att behandla 125 000 ton organiskt material per år och år 2018 behandlade de 96 900 ton (Tekniska verken, 2018b). Kring åren 2015-2017 producerades cirka 16,4 miljoner Nm3 rågas per år, vilket gav 11,5 miljoner Nm3 fordonsgas (Feiz
Aghaei, 2020). Vid uppgradering avskiljs därmed ett flöde på 4,9 miljoner m3 gas. Av detta är 97,2 %
koldioxid, vilket innebär att ett flöde på cirka 4,8 miljoner m3 eller 9 450 ton biogen koldioxid släpps
ut i atmosfären genom Tekniska verkens biogasproduktion.
En provtagning på koldioxidströmmen genomfördes i mars 2020 och analyserades av RISE med avseende på halt av koldioxid, syrgas, kvävgas, kolmonoxid, VOC, svavelväte och alkaner med en till fem kolatomer (Nilsson Påledal, 2020). Resultaten presenteras i Tabell 3 nedan, där halterna benämns i volymprocent eller volym ppm. I den högra kolumnen av tabellen presenteras riktvärden från EIGA (European Industrial Gases Association, 2020), som förklaras i avsnitt 2.6 Juridiska krav för CCS och CCU.
18
Tabell 3: Halter av bland annat koldioxid, syrgas och kvävgas från strömmen av koldioxid ut från uppgraderingen. Halterna är uppmätta den 2 mars 2020 på Tekniska verkens biogasanläggning (Nilsson Påledal, 2020).
Ämnen Enhet TV provtagning Enhet Referensvärden från EIGA
Koldioxid %-vol 97,2 ± 1 Min % -vol 99,9
Syrgas %-vol 0,2 ± 0,1 Max ppm v/v 30
Kvävgas %-vol 0,7 ± 0,3
Vätgas %-vol <0,1
Kolmonoxid ppm-vol <10 Max ppm v/v 10
Metan ppm-vol 800 Max ppm v/v 30-50
Vatten %-vol 1,8 ± 0,2 Max ppm v/v 50
Kolväten Se Bilaga 1 – Analys av koldioxidflöde
p-cymen (VOC) ppm-vol 120-130 Max ppm VOC 20
Svavelväte ppm-vol <0,1 Max ppm v/v 0,1
Bensen ppb-vol <30 Max ppm v/v 0,02
Analysen av koldioxidflödet från biogasanläggningen visar att halten av koldioxid är för låg, samtidigt som halterna av bland annat syrgas, metan, VOCs och bensen är för höga för användning av koldioxid i livsmedel vilket indikerar att rening är nödvändig för dessa ändamål.
