Linköpings universitet SE–581 83 Linköping
Linköpings universitet | Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling
Examensarbete på avancerad nivå, 30hp | Teknisk Biologi
2020 | LIU-IEI-A--20/03678--SE
Värdeskapande av koldioxid från
biogasproduktion
–
En kartläggning över lämpliga CCU-tekniker för implementering
på biogasanläggningar i Sverige
Value creation of carbon dioxide from biogas production
–
A survey of suitable CCU techniques for implementation at
bio-gas plants in Sweden
Nils-Jakob Broman
Handledare : Marcus Gustafsson Examinator : Karin Tonderski
Upphovsrätt
Detta dokument hålls tillgängligt på Internet - eller dess framtida ersättare - under 25 år från publice-ringsdatum under förutsättning att inga extraordinära omständigheter uppstår.
Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner, skriva ut enstaka kopi-or för enskilt bruk och att använda det oförändrat för ickekommersiell fkopi-orskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan använd-ning av dokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten, säkerheten och tillgängligheten finns lösningar av teknisk och administrativ art.
Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan beskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsman-nens litterära eller konstnärliga anseende eller egenart.
För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se förlagets hemsida http://www.ep.liu.se/.
Copyright
The publishers will keep this document online on the Internet - or its possible replacement - for a period of 25 years starting from the date of publication barring exceptional circumstances.
The online availability of the document implies permanent permission for anyone to read, to down-load, or to print out single copies for his/hers own use and to use it unchanged for non-commercial research and educational purpose. Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses of the document are conditional upon the consent of the copyright owner. The publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity, security and accessibility.
According to intellectual property law the author has the right to be mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected against infringement.
For additional information about the Linköping University Electronic Press and its procedu-res for publication and for assurance of document integrity, please refer to its www home page: http://www.ep.liu.se/.
Förord
Detta examensarbete har agerat som en inledande studie till ett större forskningsprojekt in-om Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS). Forskningsprojektet planeras att utföras i nära anslutning till Biogas Research Center (BRC) som samarbetar med företag inom biogas-branschen. Detta examensarbete har fokuserat på att undersöka de tekniska förutsättningar och möjligheter som finns för värdeskapande av koldioxid med Carbon Capture Utilization (CCU). Detta är i dagsläget ett relevant forskningsområde då koldioxid från biogasproduk-tion inte nyttjas till fullt den grad den skulle kunnas. Parallellt med detta arbete har andra projekt funnits som har fokuserat på andra aspekter som också kan vara intressanta för sam-ma forskningsfält, bland annat carbon capture and storage (CCS).
Sammanfattning
Koldioxid från biogasproduktion betraktas i dagsläget som utan värde och släpps ut i atmo-sfären vid uppgradering av biogas. Restgasen är en potentiell kolkälla och kan vara värdeska-pande för biogasprocessen. Genom att finna en lämplig värdeskavärdeska-pande process som utnyttjar koldioxid går det att ge både ekonomiska och miljömässiga incitament till företag att utveck-la sin verksamhet. I detta projekt undersöktes möjligheten att skapa värde av denna CO2.
Genom en utvärdering av den tekniska mognadsgraden hos CCU-tekniker kunde en rekom-mendation ges vid projektets slut. En analys av tekniska hinder, såsom föroreningar i gassam-mansättningen, såväl som hinder i form av kompetens och företagskultur undersöktes för att kunna ge en motiverad rekommendation. I projektet kartlades vilka värdeskapande system som skulle passa för biogasproducenter i en svensk kontext. Detta inkluderade etablerade uppgraderingstekniker för metan- och koldioxid som används i dagsläget. I projektet under-söktes även lämpliga CCU-tekniker som kan samverka med de valda uppgraderingsproces-serna och och agera värdeskapande. Utifrån denna kartläggning kunde det sedan anges vilka gemensamma, kritiska variabler som finns för dessa system. Därefter kunde en rekommen-dation av lämplig CCU-teknik ges beroende på den producerade CO2sammansättningen. En
slutsats i projektet var att koldioxid från restgasen ofta var av hög koncentration (ca. 97-98 %) och ej innehöll några korrosiva eller toxiska komponenter, och att detta till stor del beror på hur rötkammaren är hanterad i produktionsprocessen. Således väcktes frågor kring vilka de faktiska begränsningarna för CCU är, då de inte torde vara tekniska. CCU-tekniker som vi-sade sig vara av särskilt intresse var pH-reglering av avloppsverk, CO2som näringssubstrat
för odling av mikroalger, samt tillverkning av kolsyreis för kyltransporter. Samtliga dessa tekniker har tillräckligt hög teknisk mognadsgrad för att kunna installeras i dagsläget. And-ra CCU-tekniker, såsom ”Power to gas”, kräver en hög CO2-koncentration och avfärdades då
litteraturstudien inte talade för den ekonomiska potentialen i dessa eftersom de kräver yt-terligare uppgraderingssteg för CO2. Således valdes istället CCU-tekniker som skulle gå att
implementera direkt med den befintliga CO2kvalitén. Vidare drogs slutsatsen att en
anled-ning till att CCU-tekniker inte har blivit vida implementerade till stor del är interna hinder mellan distributörer och tillverkare (eller utnyttjare) av CCU-tekniker. Således kan använ-dandet av koldioxid från biogasproduktion och implementering av CCU-tekniker främjas genom att eliminera hinder hos företag. I projektet yttrade sig detta som bristande ekonomis-ka incitament och okunsekonomis-kap. Ett öekonomis-kat användande av CCU-tekniker ekonomis-kan också uppnås genom att införa lagar och regler som begränsar användandet av föråldrade tekniker som drivs av fossila bränslen, och som kan ersättas av klimatvänliga CCU-tekniker.
Abstract
Carbon dioxide from biogas production is currently considered to be without value and is because of this released into the atmosphere in the biogas upgrading process. The residual gas is a potential carbon source and can create value in the biogas manufacturing process. By finding a suitable value-creating process that utilizes carbon dioxide, it can be possib-le to provide both economic and environmental incentives for companies to develop their operations. This project explored the possibility to create value from this CO2. Through an
evaluation of the technical maturity of CCU technologies, a recommendation could be given at the end of the project. An analysis of technical barriers, such as pollutants in the gas, as well as barriers in the form of competence and corporate culture were examined in order to provide a reasoned recommendation. The project mapped which value-creating systems would be suitable for biogas producers in a Swedish context. This included established met-hane and carbon dioxide upgrading techniques currently in use and suitable CCU techniques that can interact with the selected upgrading processes and serve as value creators. Based on this survey, it was then possible to identify common, critical variables for these systems. The-reafter, a recommendation of an appropriate CCU technology could be given depending on the CO2composition produced. One conclusion from the study was that carbon dioxide
con-centrations from the residual gas was often high (approx. 97-98 %) and did not contain any corrosive or toxic components, and that this largely depends on how the digestion reactor is handled in the production process. Thus, questions were raised about what the actual limita-tions of the CCU are, as they did not seem to be technical. CCU techniques that proved to be of particular interest were pH regulation of sewage plants, CO2as a nutrient substrate for the
cultivation of microalgae, and manufacturing of dry-ice for refrigerated transports. All of the-se technologies currently have a sufficiently high degree of technical maturity to be installed already today. Other CCU techniques, such as "’Power to gas”, require a high CO2
concent-ration and were discarded as the literature review did not suggest the economic potential for them as they require additional CO2upgrading steps. Instead, CCU techniques were chosen
that could be implemented directly with the existing CO2 quality. Furthermore, it was
con-cluded that one reason why CCU technologies have not been widely implemented is internal barriers between distributors and manufacturers (or users) of CCU technologies. Thus, the use of carbon dioxide from biogas production and implementation of CCU technologies can be promoted by eliminating barriers in companies, such as a lack of both knowledge and financial incentives.
Increased use of CCU technologies can also be achieved by introducing laws and regula-tions that restrict the use of outdated technologies that run on fossil fuels, and which can be replaced by climate-friendly CCU technologies.
Författarens tack
Ett särskilt tack till min handledare Marcus Gustafsson på IEI och min examinator Karin Ton-derski på IFM/IEI som har hjälpt mig genom projektet. Jag vill även tacka min opponent Fabian Johnsson samt alla de företag som har hjälpt mig med information om deras verk-samheter under det senaste halvåret.
Innehåll
Förord iii
Sammanfattning vi
Författarens tack vii
Innehåll viii Figurer xi Tabeller xii Förkortningar xiii 1 Introduktion 1 1.1 Syfte . . . 3 1.2 Frågeställningar . . . 4 1.3 Avgränsningar . . . 4 1.4 Arbetsprocess . . . 5 2 Teknisk Bakgrund 6 2.1 Vad är biogas . . . 6 2.2 Typer av biogasanläggningar . . . 7 2.2.1 Samrötning . . . 7 2.2.2 Reningsverk . . . 8 2.2.3 Industri . . . 8 2.2.4 Gårdsanläggning . . . 8 2.2.5 Deponi . . . 8 2.3 Uppgradering av biogas . . . 9 2.3.1 Vattenskrubber . . . 9 2.3.2 Aminskrubber . . . 9
2.3.3 PSA - Pressure swing absorption . . . 10
2.3.4 Membranfilter . . . 10
2.3.6 Uppgraderingstekniker för biogas i Sverige . . . 11
2.4 Teknisk beskrivning av begreppet CCU . . . 11
2.5 Teknisk mognadsgrad för CCU . . . 12
3 Teoretisk referensram 14 3.1 Potential för CCU bland svenska biogasanläggningar . . . 14
3.2 Potentialen för CCU i den ”gröna ekonomin” . . . 17
3.3 Drivkrafter och hinder för implementering av CCU . . . 17
3.4 Metoder för att i fält analysera gaskvalitet . . . 19
3.4.1 IR-spektroskopi . . . 19
3.4.2 Fotojoniserande detektion . . . 20
4 Metod 21 4.1 Litteraturstudie . . . 22
4.2 Val av utvärderingskriterier . . . 23
4.2.1 Kriterier för val av biogasanläggningar . . . 23
4.2.2 Kriterier för val av CCU . . . 24
4.2.3 Urvalskriterie för analys av restgas . . . 24
4.3 Intervjuer med biogasproducenter . . . 24
4.4 Intervjuer med koldioxiddistributörer och -användare . . . 25
4.5 Provtagning och analysmetodik . . . 25
4.5.1 Provtagning . . . 25
4.5.2 Mätmetodik för gas-sammansättning . . . 26
4.5.3 Uträkningar . . . 27
5 Resultat 28 5.1 Val av CCU-tekniker . . . 28
5.2 Vilka CCU-tekniker har en hög teknisk mognadsgrad och kan vara lämpliga inom den svenska kontexten? . . . 29
5.2.1 Koldioxidneutrala Bränslen . . . 29
5.2.1.1 Metanisering ”Power to gas” (P2G) . . . 29
5.2.2 Råmaterial för odling . . . 30
5.2.2.1 Odling i växthus . . . 30
5.2.2.2 Algodling . . . 30
5.2.3 Flytande CO2för kyltransport . . . 32
5.2.4 pH-reglering vid reningsverk . . . 33
5.2.5 Bulk-försäljning av CO2 . . . 33
5.3 Är olika CCU tekniker olika känsliga för föroreningar? . . . 33
5.3.1 Power to gas (P2G) . . . 33
5.3.2 Odling med mikroalger . . . 34
5.3.3 Odling i växthus . . . 34
5.3.4 Produktion av kolsyreis för kyltransport . . . 35
5.3.5 pH-reglering för avloppsverk . . . 35
5.3.6 Bulkförsäljning . . . 35
5.4 Är det olika kontaminerande ämnen beroende på substratkälla? . . . 36
5.5 Ger olika uppgraderingstekniker för biogas olika föroreningar i restgasen? . . . 36
5.5.1 Resultat från fältmätningar . . . 37
5.6 Vilka CCU tekniker går att tillämpa på biogasanläggningar utifrån den gas-kvalité och sammansättning som återfinns? . . . 37
5.6.1 Resultat från e-mail- och telefonintervjuer . . . 37
5.7 Kan den ekonomiska vinningen från CCU-tekniker ökas genom att tillföra yt-terligare reningssteg av koldioxid från biogasproduktion? . . . 39
5.9 Projektets genomförande . . . 39
6 Diskussion 40 6.1 Vilka CCU-tekniker går att tillämpa på biogasanläggningar i Sverige utifrån den gaskvalité och sammansättning som återfinns? . . . 40
6.1.1 Odling av mikroalger . . . 40
6.1.2 pH-reglering . . . 40
6.2 Kan den ekonomiska vinningen från CCU-tekniker ökas genom att tillföra yt-terligare reningssteg av koldioxid från biogasproduktion? . . . 41
6.3 Vilka hinder finns för CCU? . . . 41
6.3.1 Ursprungskälla . . . 41
6.3.2 Kompetensutveckling och hjälpmedel . . . 41
6.3.3 Incitament . . . 42
6.4 Metodik . . . 42
7 Slutsats och fortsatta studier 44 7.1 Fortsatta studier . . . 45
Litteraturförteckning 46 A Appendix - Intervjuer med biogasproducenter 50 A.1 Frågeformulär till biogasproducenter . . . 50
A.2 Sammanställning kontaktade parter . . . 52
A.3 Tekniska verken, Linköping . . . 53
A.4 Gasum . . . 54
A.5 HZI Biogas Operations AB . . . 56
B Appendix - Intervjuer med koldioxiddistributörer och -användare 57 B.1 Linde Gas (tidigare AGA gas) . . . 57
B.2 Thermoking . . . 58
B.3 Air-Liquide . . . 60
C Appendix - Process för projektet 61 C.1 Planering . . . 61
C.2 Tidsplanering och Gantt-schema . . . 61
C.2.1 Gantt-schema . . . 62
C.2.2 Specifikationer för delmål . . . 62
C.3 Arbetsmetod för projektet . . . 63
C.3.1 Informationssökning . . . 63
C.3.2 Informationshantering och mjukvara . . . 63
C.3.3 Praktiskt experimentell del . . . 63
C.3.4 Handledning . . . 64 C.4 Genomförandeprocess . . . 64 C.4.1 Processanalys . . . 64 C.4.1.1 Milstolpe 1 . . . 64 C.4.1.2 Milstolpe 2 . . . 64 C.4.1.3 Milstolpe 3 . . . 64 C.4.1.4 Milstolpe 4 . . . 65
Figurer
2.1 Molkeylstruktur för (F.V) metan, koldioxid, vatten och syrgas . . . 7
2.2 Reaktionsformel för förbränning av metangas. . . 7
2.3 Schematisk bild över de processvägar koldioxidgas kan genomgå efter att den separerats från metangas. (Blått = Processtart. Rött = Processtop.) . . . 12
3.1 Andelen producerad biogas från olika anläggningastyper i Sverige från år 2005 till 2018. Datakälla: [1] . . . 15
3.2 Användningsområden för biogas producerad i Sverige från år 2005 till 2018. Egen figur, datakälla: [1] . . . 16
3.3 Lokaliseringen av biogasanläggningar i Sverige. [2] . . . 16
3.4 Principen för analys av gaser med en dubbelvågig IR fotospektrometer . . . 19
3.5 Principen för hur en VOC-mätare fungerar. . . 20
4.1 Den generella arbetsgången för projektet, samt syftet med varje delmoment. . . 22
4.2 Schematisk vy som visar tre olika utflöden från biogasuppgradering, och vad ut-flödet från respektive process består av. 1) Rå biogas (uppgraderas i ca. 63 % av fallen [1]); 2) CO2utan separation av föroreningar; 3) Vidare separation av förore-ningar från CO2. . . 23
4.3 Provtagning av gas, analys av gasens sammansättning och analys av VOC-ämnen. Foto av Nils Broman. . . 27
5.1 Elektrolys av vatten för produktion av väte och syre, med ∆ H0 = ´802, 4 kJ˚mol´1, [3] . . . 30
5.2 Metanisering av koldioxid . . . 30
5.3 Möjliga processvägar för algodling, [4, 5] . . . 31
A.1 Tekniska verkens amin-skrubber som används för uppgradering av metangas. Fo-to: Nils Broman. . . 54
Tabeller
2.1 Användning av uppgraderingsmetod för biogas i Sverige, 2018. . . 11 4.1 Ämnen som kan analyseras med fältinstrumentet ”Biogas 5000 Geotech” samt
re-spektive mätintervall och analysmetod.[6] . . . 26 5.1 Riktlinjer för förekomst av ämnen i växthus. [7] . . . 34 5.2 Förväntade föroreningar i biogas beroende på substratkälla. [8, 9] . . . 36 5.3 Halter av gaser i restgas från uppgaderingsanläggning vid Tekniska Verken i
Lin-köping, mätt vid fältmätning (1) med mätosäkerhet i procentenheter (2), analyse-rat vid RISE laboanalyse-ratorium (3) med mätosäkerhet i procent av analysresultat (4), samt förväntade värdet baserat på litteratur (5). **Se appendix, summavärden ej utfört 37 5.4 Sammansättningen av rå biogas för kontaktade anläggningar [10] [11] [12] . . . 38 5.5 Komposition på uppgraderad biogas från PSA. [12] . . . 38 5.6 Sammanfattning över de tekniker som undersökts i projektet och dess lämplighet
att kombinera med funnen gaskvalité. **Möjligt att implementera . . . 38 A.1 Sammanställing över kontaktade parter . . . 52 A.2 Tabell för den substratblandning som anläggningen använder, [13] . . . 56
Förkortningar
• C2H4- Etylengas
• CCS - Carbon capture and storage (Sv. Infångning och förvaring av koldioxid) • CCU - Carbon capture and utilization (Sv. Infångning och användning av koldioxid) • CCUS - Carbon capture, utilization and storage (Sv. infångning, användning och
för-varing av koldioxid)
• CDU - Carbon dioxide Utilization (Sv. Koldioxidanvändning) • CH4- Metan
• CO2- Koldioxid
• GHG - Green house gas (Sv. Växthusgas) • H2S - Vätesulfid
• NH3- Ammoniak
• NO - Kväveoxid • NO2- Kvävedioxid
• P2G - Power to gas (Sv: Elektricitet till gas-omvandling) • Si-X - Siloxaner
1
Introduktion
Klimatförändringar är en av vår generations största miljöutmaningar och är även ett hot mot vår framtid på jorden [14]. På grund av den allt mer ökande mängden växthusgaser som släpps ut i vår atmosfär så sker det en global uppvärmning som direkt följd av den växt-huseffekt som gaserna bidrar med. En fluktuerande temperatur på jorden på grund av kon-centrationsförändringar av växthusgaser har funnits de senaste 850 000 åren på jorden. Några växthusgaser som ligger i fokus för forskningen är bland annat koldioxid (CO2), kväveoxider
(NO2) och metan (CH4). Dessa gaser är mycket effektiva i sin förmåga att skapa
uppvärm-ningsobalans i atmosfären och koncentrationen av dem är en viktig variabel att mäta för att följa utsläppen av växthusgaser. CO2, som är den störst bidragande faktorn till
uppvärm-ningsobalansen i atmosfären har likt de andra växthusgaserna fluktuerat i koncentration, men har aldrig under de senaste 850 000 åren överstigit 300 ppm [15]. Men, sedan den indust-riella revolutionen som skedde på mitten av 1700-talet, och med de höjda koldioxidutsläpp som följde på grund av detta [16], så har halten växthusgaser i atmosfären ökat lavinartat. Den senaste data som finns tillgänglig visar en koncentration på 411 ppm CO2[17, 18], och
den fortsätter att stiga med en allt mer eskalerande utsläppsstakt. Exempelvis har man obser-verat en 43 % ökning av växthusgaser i atmosfären från år 1990 till 2018 [15], en ökning som är olik någon annan under människosläktets levnadshistoria. En vida förekommande källa av koldioxidutsläpp är användningen av fossila bränslen. Dessa kolkällor har varit exklude-rade från kolcykeln under så pass lång tid att natur och liv på jorden har anpassat sig till en atmosfär där detta kol inte är inräknat. På grund av utnyttjandet av fossila bränslen har dock halten GHG ökat på jorden. Detta är en konsekvens av att hela samhällen och infrastrukturer är djupt beroende av fossila bränslen som energikälla.
De digra konsekvenser som blir följden av klimatförändringar har lett till att många av världens utvecklade länder tillsammans har skrivit avtal om minskade utsläpp av växthusga-ser [14]. Under 1990-talet gick många av världens länder ihop och skrev ett avtal som listade de mål som de tillsammans skulle arbeta mot. Avtalet kallades i folkmun för ”Kyotoproto-kollet” och har sedan dess uppdaterats och förnyats via nya avtal, som ”Parisavtalet” [19]. FN’s klimatkonvention (UNFCCC) har tagit fram ett beskrivande protokoll samt avtal där man tillsammans med sina medlemsländer vill arbeta för att uppnå en gemensam målbild för hur klimatarbetet ska ske. EU står för ca 10% av de globala GHG-utsläppen och med Parisavtalet som underlag har Europakommissionen gjort vidare utredningar om hur de ska tackla problemet med utsläppen av GHG [20]. I detta arbete beskriver de hur CCU kan
användas för att möta klimatmålet om 40 % reducerade GHG-utsläpp till 2030 [21], och i sin tur möta klimatmålet med maximalt 2 graders uppvärming till slutet av århundradet. Avta-let beskriver de riktmärken som deltagarna ska arbeta mot. I avtaAvta-let kan man läsa exempelvis: ”Recognizing the need for an effective and progressive response to the urgent threat of climate change on the basis of the best available scientific knowledge... ”
”Recognizing the importance of the conservation and enhancement, as appropriate, of sinks and reser-voirs of the greenhouse gases referred to in the Convention... ” [19]
För att klara av denna utmaning så krävs det vidare forskning och nya innovativa tekniska lösningar för att minska andelen GHG i atmosfären. Då koldioxid (CO2) en är stor del av de
GHG som släpps ut, behöver man alltså ta fram tekniker som inte bara minskar dessa ut-släpp, utan som även kan binda in redan utsläppt CO2genom att bevara och vidareutveckla
kolsänkor. En lösning på detta problem är att ersätta fossila kolkällor med en rad olika al-ternativa kolkällor som inte kommer från fossil olja, gas och kol. Detta kan vara energi från vind, vatten, sol eller kolvätekällor från den nuvarande kolcykeln (som då exkluderar fos-sila bränslen). En av dessa alternativa bränslekällor är biogen metangas, eller kort: Biogas. Denna gas produceras av mikroorganismer vid anaeroba förhållanden och innebär att kolri-ka näringsämnen bryts ner och netto omvandlas till metan som har en högre energipotential än CO2. Eftersom dessa kolkällor huvudsakligen kommer från källor som ingår i biosfärens
kolcykel, såsom växter och djur, så blir nettoutsläppet av CO2noll ur klimatsynpunkt. Alltså
kan man genom att ersätta fossila bränslen med biogas minska andelen GHG som släpps ut. CO2är även en vanlig restprodukt vid många andra produktionsanläggningar såsom för
bränsle, material och tillverkningsindustri. CO2 är relativt inert vid standardförhållanden,
och är ofta betraktad som en gas utan värde. På grund av detta släpps CO2ofta ut i
atmo-sfären utan vidare hantering eller förädling. Att nyttja CO2för tillverkning skulle innebära
behov av ytterligare energitillförsel eftersom kolet är maximalt oxiderat och inte har någon energipotential. Det skulle först behöva en omvandling med hjälp av en katalysator för att skapa mer energirika kolföreningar. Det finns även andra användningsområden där den po-tentiella energin inte behöver höjas innan användning, t.ex. som källa till substrat för grödor där värdeökningen sker via fotosyntes. CO2är en mycket vanligt förekommande molekyl
vilket gör att värdet för ämnet i sig är mycket lågt.
Metoder som kan utnyttja CO2 för olika användingsområden kallas för "Carbon
captu-re and utilization-tekniker (CCU). Om dessa tekniker appliceras korcaptu-rekt kan de minska den mängd CO2som släpps ut till atmosfären, då de kan ersätta CO2från fossila källor. Det finns
utmaningar med att utnyttja atmosfäriskt CO2till CCU eftersom CO2-koncentrationen i
luf-ten är väldigt låg, vilket gör att det krävs stora volymer av luft för att utvinna en liluf-ten del CO2. Problemet skulle kunna lösas genom att titta på produktionsanläggningar som har en
högkoncentrerad ström av CO2som biprodukt och istället utnyttja denna till olika processer.
Exempel på sådana processer kan vara produktion av polymerer eller som gödselsubstrat, för att nämna ett fåtal. Detta kan öka värdet på CO2 från biogasprocessen, och i sin tur bli
värdeskapande för biogasproducenten.
Men att utnyttja koldioxid från dessa källor ställer även krav på dess sammansättning och kvalité. Olika CCU-tekniker kan vara olika känsliga för förorenande ämnen i kolkällan. Detta innebär att CO2gasen noggrannt behöver analyseras och utvärderas för hitta en CCU metod
som kan appliceras utan att stöta på hinder. Eftersom CO2från biogasproduktion är en
rest-produkt och kommer i en högkoncentrerad ström så kan den vara en optimal kolkällla, men det kräver en hel del forskning för att matcha lämpliga CCU-tekniker med CO2 från olika
ursprungskällor. Exempelvis finns det stränga krav och regler gällande renhetsgraden i CO2
för livsmedelsproduktion [22], och det finns även krav om gasen ska användas som substrat vid växthusodling, vilket idag är ett stort område för CO2försäljning [23, 7]. Dessa
1.1. Syfte
med den allt mer växande klimatkrisen som världen befinner sig i så har intresset för ”Car-bon capture, utilization and storage” (CCUS) ökat då dessa tekniker kan ses som en pusselbit i arbetet för minskade GHG, och därmed även en minskning av den globala uppvärmningen. Även Sverige har börjat att undersöka möjligheter med CCU tekniker lokalt för att arbeta i riktning med Parisavtalets mål. I den statliga utredningen ”Vägen till en klimatpositiv fram-tid, SOU 2020:4” undersöks olika tekniker för att Sverige ska kunna nå negativa netto-utsläpp av CO2till år 2045. Där kan man bland annat läsa att CCU och CCS tekniker anses som en
viktig pusselbit i detta arbete. Detta är viktigt för att motarbeta den fortsatta etableringen av en infrastruktur som är beroende av fossila bränslen för att fungera. Ett arbete som kan dri-vas framåt genom att hitta alternativa bränslen och produkter som är ”koldioxidneutrala”, alternativt ”koldioxidnegativa” och därmed en hållbar framtid [21]. I dagsläget är Sverige en bit ifrån att kunna nå dessa mål. År 2018 släpptes här ut totalt 51,8 miljoner ton CO2[24], och
i kontrast till detta anser utredningen (SOU 2020:4) att Sverige inte enbart ska ha negativa utsläpp till år 2045, utan utöver detta även ha en kompletterande åtgärd på 3,7 miljoner ton CO2per år, vilket ska arbeta i riktning mot koldioxidnegativa utsläpp och därmed följa de
punkter som UNFCCC har listat. Därför är utveckling och implementering av CCU-tekniker viktiga för att Sverige ska lyckas möta dessa klimatmål.
Biogas som produceras kommer ofta från anläggningar som utnyttjar avloppsslam och överblivet livsmedel som substrat. Detta är kolkällor som ingår i den nuvarande kolcykeln och det innebär att den CO2 som produceras vid dessa anläggningar är biogen. Om
den-na CO2kan utnyttjas tillsammans med CCU-tekniker så kan det hjälpa till i arbetet mot en
minskad mängd CO2i atmosfären samtidigt som det kan skapas ett ekonomiskt incitament
för företag.
1.1
Syfte
Syftet med detta projekt var att undersöka CCU-tekniker med hög teknologisk mognadsgrad och med hög etablering i Sverige som kan kombineras med befintliga uppgraderingssystem för biogas och/eller redan separerade CO2-strömmar från svenska biogasproducenter.
Pro-jektet ämnade även kunna ge konkreta förslag på förändring eller tillägg i uppgraderings-processen så att möjligheten till vidare värdeskapande ska kunna utvecklas bland de aktörer som implementerar förändringarna. Genom att kartlägga och undersöka värdeskapande pro-cesser, kunde kritiska variabler för CO2fastställas och därmed blev det även möjligt att finna
de optimala kombinationerna av system för ett ökat värdeskapande. Utifrån denna kartlägg-ning kunde sedan potentiella hinder för CCU implementering uppmärksammas. Även om ett av syftena var att undersöka vilka ekonomiska incitament det finns för företag att införa CCU, så fanns det även ett bakomliggande miljömässigt syfte med arbetet. Minskade GHG-utsläpp blir konsekvensen av en korrekt tillämpad CCU-teknik eftersom den i sin tur leder till att koldioxid från fossila bränslen kan ersättas. Som konsekvens av dessa värdeskapande incitament kommer därmed produktionen få möjlighet att bli koldioxidnetrual, alternativt koldioxidnegativ om den kombineras med CCS tekniker [20]. Detta har lett till att industri-er med dessa utsläpp börjat undindustri-ersöka möjligheten att tillvarata CO2och antingen använda
denna för vidare produktion (CCU), eller för vidare förvaring (CCS). Genom att titta på vilka värdeskapande incitament som finns för företag att implementera ytterligare hantering av biogasproducenters kvarblivna CO2och därmed kunna ge konkreta förslag på
värdeskapan-de av CO2, eller genom att hitta alternativa marknader som kan vara intresserade av denna
1.2. Frågeställningar
1.2
Frågeställningar
Utifrån den problembeskrivning som har målats upp kan en frågeställning formuleras. Ge-nom att besvara dessa frågor kan lämpligheten av respektive CCU teknik, sett utifrån biogas-producentens perspektiv, utvärderas och sedan rekommenderas.
• Vilka CCU-tekniker går att tillämpa på biogasanläggningar i Sverige utifrån den gas-kvalité och sammansättning som återfinns?
– Vilka CCU-tekniker har en hög teknisk mognadsgrad och kan vara lämpliga inom den svenska kontexten?
– Är olika CCU tekniker olika känsliga för föroreningar?
Ex. Kan algodling hantera föroreningar som inte får finnas vid metanisering?
– Är förekomsten av olika kontaminerande ämnen beroende på substratkälla? Ex. Slaktavfall och avloppsslam kan ha högre koncentration av N och P-föreningar.
– Ger olika uppgraderingstekniker för biogas olika föroreningar i restgasen? Ex. Är det olika restprodukter från en vattenscrubber än från en aminoscrubber?
• Kan den ekonomiska vinningen från CCU-tekniker ökas genom att tillföra ytterligare reningssteg av koldioxid från biogasproduktion?
• Vilka icke-tekniska hinder finns för implementering av CCU i biogasbranchen?
1.3
Avgränsningar
CCU är ett brett forskningsområde som går att applicera på flera olika processer och indu-strier som har CO2utsläpp. Detta projekt kommer att fokusera på möjligheterna för CCU
inom ett specifikt område, nämligen CO2 i restgasen från biogasproduktion. Mer specifikt
kommer arbetet utgå ifrån följande kriterier:
• Undersökningen ska utgå ifrån en svensk kontext.
• Enbart CCU tekniker ska undersökas och inte carbon capture and storage (CCS). • Möjligheter för CCU ska undersökas utifrån ett tekniskt och ett ekonomiskt perspektiv,
sett ifrån biogasproducentens synvinkel.
• Projektet ämnar att enbart ge förslag på värdeskapande tekniker som bidrar till mins-kade eller neutrala GHG-utsläpp.
Då ett primärt fokus i detta projekt ligger på vilka möjligheter för CCU som är tillgängli-ga, så är det värt att uppmärksamma att vissa av dessa metoder inte är lämpliga sett utifrån det miljöperspektiv som ligger som grund för motivationen till projektet. Alltså kommer det-ta arbete inte undersöka möjligheter för CCU tekniker som inte ligger i linje med detdet-ta syfte. De värdeskapande processer som anges kommer att ligga inom de begränsningar som be-skrivs i EU-kommisionen arbete för att möta FN:s klimatmål. Exempel på tekniker som inte kommer att undersökas är ”Enhanced Oil Recovery” (EOR), där CO2pumpas ner i
oljere-servoarer för att kunna göra ytterligare utvinning, något som skulle bidra till en försämrad klimatpåverkan. Ett annat område som kommer exkluderas från projektet är termisk förgas-ning som även går att definiera som biogas, men var tillverkförgas-ningsprocess inte har en restgas innehållande en betydande mängd CO2.
1.4. Arbetsprocess
1.4
Arbetsprocess
Inför projektets start gjordes en planeringsrapport som strukturerade projektets arbetspro-cess samt vilken tidsåtgång som var planerat för respektive delmoment. Denna planerings-rapport samt en slutgiltig utvärdering över hur denna följdes går att hitta i appendix C.
2
Teknisk Bakgrund
I denna tekniska bakgrund beskrivs de områden som läsaren behöver förstå för att kunna ta sig an de slutgiltiga CCU tekniker som föreslås.
2.1
Vad är biogas
Biogas skapas genom anaerob nedbrytning av kolrika substratmassor, dessa inkluderar olika fetter, kolhydrater och proteiner. Det vill säga rester som kan komma från jordbrukskällor, såsom spannmål och slaktrester. Det kan även komma ifrån hushållsavfall innehållande livs-medelsrester, men även ifrån mindre rena källor såsom avloppsslam och gödsel, som är några av de största substratkällorna i Sverige [25]. Avfall som kommer ifrån hushåll är lämpliga då en del av matsvinnet kan återvinnas genom ytterligare användning. Det är även enklare för biogasproducenter att använda mat från hushåll då denna redan anses vara fri från farliga smittor och bakterier (ex. salmonella), då maten redan innan den blev substrat för biogas har testats från ett livsmedelsperspektiv [26]. De biogasanläggningar som använder avloppsslam och slaktrester samt liknande substratkällor som inte anses lika säkra som livsmedelsrester, måste tillämpa hygenisering, provtagning samt analys av substratet, för att säkerställa att det inte innehåller farliga smittor som kan kontaminera rötmassan [26]. Detta är viktigt då den kvarstående rötmassan innehåller många nyttiga näringämnen såsom kväve-och fosforföre-ningar, som ofta återanvänds och sprids på åkermark. De olika kolkällorna bryts sedan ner i en av mikroorganismer i en anaerob process och omvandlas då huvudsakligen till metang-as och koldioxid. Det är denna metangmetang-as som anses värdefull då den har egenskaper som lämpar sig för bland annat transportbränslen eller för uppvärmning av hus och lokaler. Den är lämplig för detta då den har ett högt värmevärde och är möjlig att tanka i gasfordon eller transportera i ledningar i gasform för användande som energigas.
Då biogas är ett resultat av fermenterade substratmassor från olika mikroorganisamer så bildas det ofta biprodukter i form av föroreningar. De huvudsakliga beståndsdelarna i rå bi-ogas är metan (CH4) och koldioxid (CO2), men gasen innehåller även oönskade föroreningar
som t.ex. ammoniak (NH3), vattenånga (H2O), vätesulfid (H2S), siloxaner (Si-X), kväve (N2),
syre (O2) och flyktiga organiska föreningar (VOC) [8].
På grund av att substratet till biogasproduktionen kommmer från olika källor så kommer även kompositionen på biogasen att se olika ut beroende på vilket substrat som har använts för just den processen. Vissa komponenter dominerar dock i alla biogasprocesser (figur 2.1).
2.2. Typer av biogasanläggningar C H H H H C O O O H H O O
Figur 2.1: Molkeylstruktur för (F.V) metan, koldioxid, vatten och syrgas
Den förväntade kompositionen av dessa huvudsakliga komponenter är CH4(55-70 %),
CO2(30-45 %), H2O (1-5%) ,O2(0-3 %) och resterande föroreningar på ”parts per
million”-nivå (ppm-million”-nivå), det vill säga på den ungefärliga storleksordningen 0.0001 % [8].
Metangas kan användas för förbränning, antingen i motorer eller till hushåll för uppvärm-ning eller som spisgas. Restprodukterna efter sådan förbränuppvärm-ning är harmlösa och består av CO2 och vatten (figur 2.1). Energin som frigörs vid denna förbränning är∆ H0 = ´802, 4
kJ˚mol´1[3].
Biogas mäts ofta i enheten ”Normalkubikmeter” (Nm3) vilket innebär en kubikmeter gas
vid 0 °C och normalt atmosfäriskt tryck, 1 atm [26]. Efter uppgradering till en standardnivå på « 97 % CH4innehåll har biogasen ett energiinnehåll på 9.67 kWh/Nm3 eller 12.9 kWh/kg
[25].
CH4+ 2 O2 ∆ H 0
CO2+ 2 H2O
Figur 2.2: Reaktionsformel för förbränning av metangas.
2.2
Typer av biogasanläggningar
Under 2018 producerade Sverige biogas motsvarande ett totalt energivärde av 2044 GWh. Biogasen producerades vid olika typer av anläggningar som använder olika substratkällor för biogas tillverkningen [25].
2.2.1
Samrötning
Den största andelen gas som produceras i Sverige vid biogasproduktion kommer från sam-rötning, vilket innebär att olika kolkällor blandas, exempelvis från hushållsavfall där olika andelar av fett, kolhydrater, proteiner blandas från överblivet avfall. Det kan innebära att substratkällan skiftar över tid på produktionsanläggningen då man tar överproducerade livs-medel och restprodukter, från exempelvis mejerier. En annan substratkälla som används vid samrötning är avloppsslam från avloppsverk. Generellt sett brukar det förekomma krav på hygenisering av substratet innan produktion; undantag från detta är substratkällor som kom-mer från spannmål och liknande ”rena” källor. Andra källor såsom slaktavfall och avloppss-lam behöver hygieniseras enligt den så kallade ”Animaliska biprodukt-förordningen”. Det innebär att det organiska materialet behöver hettas upp till minst 70 grader °Ci minst en timme innan det går in i rötkammaren [26].
Som ett exempel hade Tekniska verken i Linköping genomsnittlig samrötning med följan-de innehåll år 2018 [27]: matavfall: 55 %, livsmeföljan-del: 18%, slakteri: 26 %, övriga vegetabiliska substrat: 1 %.
2.2. Typer av biogasanläggningar
År 2018 fanns det 36 samrötningsanläggningar i Sverige som tillsammans stod för 963 GWh av den producerade biogasen, alltså 47 % av den totala produktionen [25].
2.2.2
Reningsverk
Denna typ av biogasanläggning innebär ett användande av avloppsslam från grått och svart avloppssvatten som substrat till biogasproduktionen. Substrat från avloppsverk har ofta en högre kväve och fosforhalt jämfört med andra kategorier av substratkälla på grund av sitt ursprung, något som kan påverka effektiviteten av metanproduktionen i rötprocessen nega-tivt. Restprodukten från en biogasanläggning kan användas som födsel och för detta syfte är substratmassa från reningsverk särskilt rikt på kväve och fosforämnen. Detta blir eftertrakta-de göeftertrakta-deselämen som går att återvinna tillbaka till eftertrakta-de lokala böneftertrakta-derna som ett klimatvänligt gödselalternativ [26].
År 2018 fanns det 138 reningsverksanläggningar i Sverige som tillsammans stod för 727 GWh av den producerade biogasen, alltså 35 % av den totala produktionen [25].
2.2.3
Industri
Kategorin Industri är en generell beteckning som inkluderar alla industriella verk som har biogasproduktion med deras egna avfall och processvatten som substratkälla. Detta innebär att substratkällor som även används under andra anläggningstyper förekommer, men det är svårt att finna mätdata på vilka typer av substrat detta är då anläggningarna hämtar substra-tet från den interna tillverkningsprocessen oc därför kan skilja sig vitt.
År 2018 fanns det 6 industrianläggningar i Sverige som tillsammans stod för 143 GWh av den producerade biogasen, alltså 7 % av den totala produktionen [25].
2.2.4
Gårdsanläggning
Gårdsanläggningar använder till största delen rötbart material från den egna gården, detta innebär mestadels gödsel men kan även inkludera andra kolrika substrat såsom rester från odlingar. Det finns i dagsläget inget krav på hygenisering på substratmassorna som används, vilket potentiellt kan påverka de kontmainerande ämnen som finns i rågasen.
År 2018 fanns det 44 gårdsanläggningar i Sverige som tillsammans stod för 56 GWh av den producerade biogasen, alltså 3 % av den totala produktionen [25].
2.2.5
Deponi
Då mycket avfall med kolrikt substrat går till deponier så kommer en naturlig nedbrytning av organiskt material ske och därmed producera biogas, denna gas kan med fördel tillvaratas för att utnyttjas. Metangas är även en mer kraftfull växthusgas än CO2vilket gör det ytterligare
önskvärt fånga upp denna gas för förbränning.
År 2018 fanns det 55 deponianläggningar i Sverige som tillsammans stod för 141 GWh av den producerade biogasen, alltså 7 % av den totala produktionen [25].
2.3. Uppgradering av biogas
2.3
Uppgradering av biogas
För att höja värmevärdet i biogas separeras CO2från den mer värdefulla metangasen; vid
en optimal uppgradering kommer metangasen vara ren från övriga biprodukter samtidigt som tekniken har en låg energiåtgång. För att åstadkomma detta finns det olika uppgrade-ringstekniker för metangas som alla har ett liknande syfte, att höja koncentrationen av CH4.
Samtliga tekniker har gemensamt att de utnyttjar de olika fysikaliska egenskaperna för kom-ponenterna i gasen för att separera olika beståndsdelar. Exempelvis används egenskapen att olika ämnen har olika smält- och kokpunkter och olika absorptionsförmågor i olika lösnings-vätskor. Dessa olika uppgraderingstekniker har varierande fördelar och nackdelar gällande medföljande föroreningar och effektivitet på uppgraderingen. För uppgradering av CO2så
används samma tekniker som för uppgradering av biogas. En vanligt förekommande teknik i Sverige är aminskrubbern som kan leverera en helt ren CO2-ström efter vidare uppgradering
(Se appendix B.1).
2.3.1
Vattenskrubber
En vanlig separationsmetod för CO2från biogasprocessen är via en vattenskrubber. Denna
teknik har 41% av den globala marknaden på grund av dess robusthet och tålighet mot oli-ka föroreningar [8]. Genom att utnyttja olioli-ka gasers löslighet i ett lösningsmedel, i detta fall vatten, kan en separation av gaskomponenterna ske. Då CH4har 26 gånger lägre löslighet
än CO2i vatten kan denna egenskap utnyttjas för att lösa CO2i vätska medan metangasen
får passera genom systemet. Fördelarna med detta system är att potentiellt kvarbliven H2S
kan separeras tillsammans med CO2då de båda delar polära egenskaper och därmed har
liknande lösningsförmåga, även om H2S är något mer löslig. Det innebär att i de fall som H2S
kan förväntas i restgasen, måste även denna tas hänsyn till vid vidare hantering av restgasen. Denna inbindning av CO2sker i en absorptionskolumn packad med ett material som skapar
mycket kontaktyta mellan gas och vätska. Vattnet som används i systemet går sedan att åter-använda efter att det har passerat genom en desorptionskolumn där CO2och föroreningar
separeras. Med hjälp av en värmeväxlare kan även en del av den energi som tillförs i systemet återanvändas då regenerationen av vattnet till vattenskrubbern kräver hög temperatur för att fungera. Det är även viktigt att byta ut vattnet ofta för att undvika höga halter av H2S i det.
CH4-koncentrationen som kan utvinnas håller en relativt hög nivå på∼96 ´ 98.5% [8].
2.3.2
Aminskrubber
Likt vattenskrubbern utnyttjar aminskrubbern de olika löslighetsförmågorna för de gaser som ska separeras. I detta fall finns även en tillsats av aminoalkohol såsom etanolamin (MEA) eller dimetylamin (DMEA) för att öka upptagningsförmågan av CO2i lösningsmedlet. Det
finns även en tillsats av olika mineraler med inbudna hydroxidgrupper vilket gör att de kan binda in CO2som karbonat. Dessa mineraler som löses i vattnet är alkaliska vilket medför
att absorptionskolumnen får en högre affinitet för CO2, vilket gör den till en effektiv
uppgra-deringmetod för biogas. På grund av tillsatserna av de affinitetsökande alkohol och alkali-lösningar håller sig pH halten i absorptionskolumnen högre än pH 7 vilket minimerar risken för tillväxt av biomassa i denna vätska. Detta är en fördel som denna teknik har över en vattenskrubber.
Aminskrubbern har en något högre effektivitet av CH4 separation jämfört med en
vat-tenskrubber och ger ∼ 99% renhet och en mycket god förmåga att separera koldioxid. Nackdelen för systemet är att de lösningsmedel som behövs, samt den stora energitillgång-en som krävs för att värma upp och driva systemet, gör denergitillgång-en dyr att använda, något som en renare CH4 och CO2-ström kan göra ekonomiskt lönsamt. I de fall som CO2 ska säljas
vidare via återförsäljare brukar denna normalt uppgraderas till en hög kvalité genom ett andra reningssteg. I dessa fall används en aminskrubber då denna teknik är pålitlig och kan
2.3. Uppgradering av biogas
producera en koldioxidström av mycket hög kvalité (se appendix B.1).
2.3.3
PSA - Pressure swing absorption
”Pressure Swing absorption” (Svenska: adsorption via tryckförändring, kort: PSA) utnyttjar fyra olika faser för att separera gaskomponenterna i biogas: tryckökning, adsorption, tryck-sänkning och regenerering. Metoden går ut på att utnyttja så kallade ”molekylsiktar”, vilket förekommer i vissa material såsom aktivt kol, zeoliter med flera. För att kunna utnyttja den-na siktande struktur krävs det att materialet sätts under högt tryck, under dessa förhållanden adsorberar CO2in mot fasta ytor och binds alltså in i siktstrukturen, medan CH4, som har en
större molekylstruktur passerar. Då andra förorenande ämnen utöver CO2ofta förekommer
i biogas innebär också detta att de oftast binds in till molekylsikten tillsammans med CO2.
Det innebär att ytterligare uppgraderingssteg kan krävas för att höja koldioxidkoncentration på restgasen om denna ska utnyttjas för vidare användning. Med fördel kan två stycken PSA användas i nära anslutning till varandra; energibesparing är i det fallet möjligt genom att låta trycksänkningsfasen verka tryckökande på det andra systemet och därmed kan en energibe-sparing göras. Molekylsikten går sedan att återanvända via regenerering då CO2släpper ifrån
strukturen. Nackdelen med systemet är att det är känslig för föroreningar såsom H2S som
ir-reversibelt binder in till kolumnen och därmed sänker effektiviteten över tid, på grund av detta är det viktigt att införa svavelsänkande processsteg innan en separationsfas med PSA. Fördelar med detta system är att det kan fungera vid rumstemperatur och inte kräver värme-tillförsel, vilket krävs för både vattenskrubbning och aminskrubbning. CH4-koncentrationen
som kan utvinnas håller en relativt hög nivå på∼ 96 ´ 98% vilket gör att den inte är lika effektiv som en aminskrubber, men likvärdig med en vattenskrubber [8].
2.3.4
Membranfilter
Membranfiltrering utnyttjar selektiv permeabilitet av membran för separation av olika kom-ponenter. Dessa kan bestå av antingen gas blandning som ska separeras, eller av gas-vätska kombination som ska separeras. Membranet utnyttjar diffusion och i fallet för upp-gradering av biogas används aminoalkoholer i vätskefasen för att binda upp ämnen såsom CO2och H2S. Fördelen med detta system är att det, till skillnad från andra metoder såsom
PSA, kan arbeta under lågt tryck. Membranet som används är poröst och hydrofobiskt, vil-ket innebär att gaser och vätskor (aminoalkohol som nu har bundit in CO2och H2S) nu kan
vandra över membranet och separeras från den kvarvarande gasen, CH4. Genom att sedan
utnyttja regeneration kan CO2utvinnas ur absorbtionsvätskan, då kommer även eventuellt
inbundna förorenande ämnen såsom H2S att släppa. Detta innebär återigen , likt för PSA
me-toden, att svavelsänkade processteg lämpligen borde införas innan uppgradering av gasen. CH4 utvinningen som är möjlig utan stor metanförlust ligger runt∼ 92 ´ 97%, vilket inte är tillräckligt högt för att kunna utnyttjas som fordonsgas. Därför rekommenderas ytterliga-re uppgraderingssteg att tillföras. Alternativt kan ett högytterliga-re metangasutbyte uppnås genom större metanförlust vid uppgradering [8, 28]. Risken för metankontaminering i restgasen in-nebär att den måste gå genom förbränning och passera genom en ”Regenerative Thermal Oxidizer” eller liknande för att öka CO2innehållet om detta är önskvärt.
2.3.5
Kryogen separation av CO
2Kryogen separation av CO2 är en teknik som inte är vanligt förekommande i Sverige, men
som på grund av sina fördelaktiga egenskaper kan bli vanligare i framtiden. I Europa finns det i dagsläget 9 stycken biogasanläggningar som använder kryoteknik för uppgradering [9]. Denna teknik kan effektivt separera beståndsdelarna i biogas samtidigt som dessa håller låg
2.4. Teknisk beskrivning av begreppet CCU
temperatur, något som skulle innebära att lägre energitillförsel för nedkylning av flytande biogas (En: Liquid Biogas, LBG ) skulle vara möjligt. Kryogen separation av CO2utnyttjar
de olika kokpunkterna för gaserna i en biogasblandning. CO2har en kokpunkt på ca -78 °C
medan CH4 har en kokpunkt på ca -160 °C vilket går att utnyttja tillsammans med en hög
trycksättning samt nedkylning av gasen. Det innebär att en destillation kan göras och de olika gaserna kan separeras [8]. Det innebär också att andra gaser såsom N2, O2och siloxaner
går att separera mycket effektivt då samtliga komponenter har egna fysikaliska egenskaper. Detta innebär att det går att skapa en mycket ren CH4-ström, men även en mycket ren CO2
ström, vilket skulle minska behovet av ytterligare uppgradering av denna i ett senare skede för CCU-tekniker som kräver mycket hög CO2koncentration. Nackdelen med kryogeniska
tekniken är att trycksättande och kraftig nedkylning av gasen kan bli mycket energikrävande, att finna en lämplig CCU teknik som kräver denna nedkylning och renhetsgrad kan alltså skapa ekonomiskt incitament att använda denna uppgraderingsmetod.
2.3.6
Uppgraderingstekniker för biogas i Sverige
De vanligaste uppgraderingteknikerna i Sverige är vattenskrubber, PSA, aminoskrubber och membranfiltrering. En sammanställning från branschorganisatonen Energigas Sverige från 2018 kan ses i tabell 2.1 [25].
Tabell 2.1: Användning av uppgraderingsmetod för biogas i Sverige, 2018. Uppgraderingsteknik Antal anläggningar
Vattenskrubber 45
PSA 7
Kemisk absorption 13
Membran 4
Summa 69
2.4
Teknisk beskrivning av begreppet CCU
CCU tekniker, även kallade Carbon Dioxide Utilization (CDU) eller ”CO2återvinning”
om-fattar tekniken att utnyttja koldioxid, antingen från atmosfären eller från produktionsproces-ser för vidare användning. Med hjälp av CCU-tekniker kan en värdeskapande process som utnyttjar denna annars bortsedda kolkälla implementeras tillsammans med produktionsan-läggningar. Definitionen av CCU inkluderar ett brett fält av tekniker. Det omfattar t.ex. pro-duktion av syntetiska material, något som skulle långtidslagra kolet från CO2då det inte
skul-le bli atmosfäriskt igen förrän de producerade varorna bränns, t.ex. som sopor i värmeverk. Här ingår även tekniker som möjliggör lagring av energi, såsom metanisering och metanol-produktion, en teknik som är användbar i de fall som ett överskott av el kan produceras men inte utnyttjas eller lagras. Då begreppet CCU är väldigt brett så innebär det också att olika tekniker som har olika fördelar och nackdelar kan inkluderas. Det går att välja CCU tekniker som är mindre känsliga för förorenande ämnen, och som kan fungera under en varierande koldioxidkoncentration. Det finns även tekniker som har kapacitet till större värdeskapande men som samtidigt kan behöva en högre renhetsgrad och en högre koncentrationsnivå av koldioxid.
I figur 2.4 beskrivs var i en CO2-producerande process en lämplig CCU metod kan
imple-menteras. Genom att undersöka vilken kvalité på CO2som behövs för en viss värdeskapande
metod går det att bestämma vilken väg i flödesprocessen som blir nödvändig. Genom att und-vika onödiga steg, såsom ett andra uppgraderings steg (”tvättning”), kan energi besparas.
2.5. Teknisk mognadsgrad för CCU CO2-källa Utsläpp Uppfångning Tvättning CCU CCS Power to gas Odlingssubstrat pH-reglering Bulkförsäljning med fler... Uppgradering ej nödvändig Vidare uppgra-dering innan CCU tillämpas Transport till lämplig CCS-metod
Figur 2.3: Schematisk bild över de processvägar koldioxidgas kan genomgå efter att den se-parerats från metangas. (Blått = Processtart. Rött = Processtop.)
2.5
Teknisk mognadsgrad för CCU
Ett brett urval av CCU-metoder finns tillgängliga för marknaden, men dock i olika mognads-grad. Exempel på en spännande ny sådan CCU-teknik är utnyttjandet av simpla och billiga katalysatorer för omvandling av CO2till föreningar med högre värmevärde som etanol.
Ge-nom utnyttjande av dopade grafen-elektroder tillsammans med nanopartiklar innehållande koppar har forskare på The Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS)"vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL), USA, lyckats omvandla CO2till etanol med ett enda
process-2.5. Teknisk mognadsgrad för CCU
steg (en katalysator) och en Faraday effektivitet på 63% [29]. Då etanol har högt värmevärde och är enkelt att lagra och hantera jämför med el och gas så är detta ett absolut intressant forskningsområde som framtida CCU teknik. Tyvärr är denna teknik fortfarande på forsk-ningsnivå och har än så länge aldrig utförts storskaligt, vilket gör att det blir svårt att veta hur många år tekniken är från att kunna användas tillsammans med biogasanläggningar. Mer lämpliga och klassiskt beprövade metoder är användandet av koldioxid som substrat vid olika odlingar, eller som kolkälla vid vidare bränsleproduktion [30].
3
Teoretisk referensram
I detta kapitel kommer potentialen för CCU i Sverige att beskrivas både utifrån ett ekono-miskt perspektiv och utifrån tillgången på användbar CO2. Det är också intressant att se om
Sveriges utsläpp kan påverkas genom att ta i beaktande ersättandet av CO2 utsläpp med
CCU. Kapitlet kommer även att redovisa teori för arbetsmetoder och analysverktyg som har använts i projektet. Till sist kommer även hinder och drivkrafter som kan finnas inom företag och kan påverka användandet av CCU att beskrivas.
3.1
Potential för CCU bland svenska biogasanläggningar
Bland svenska biogasproducenter har mängden biogas som produceras ökat det senaste de-cenniet (figur 3.1). Denna ökning innebär teoretiskt sett en större potential för CCU som kan kombineras tillsammans med biogasanläggningarna. Denna ökning beror bland annat på att en ökande mängd biogas används som ersättning för fossila bränslen som används för olika transporter, såsom lastbilar, bussar och personbilar med mera, vilket innebär att gasen upp-graderas innan vidare användning [1]. En betydande mängd biogas går även till uppvärm-ning av hus och lokaler, vilket inte innebär en vidare uppgradering. Då CCU-tekniker med fördel kan kombineras med uppgraderingssteget av CO2, innebär detta även att andelen CO2
som kan användas för CCU ökar i takt med att andelen uppgraderad biogas ökar (figur 3.2). Denna ökning av tillgänglig CO2visar att potentialen för klimatvänliga CCU-metoder ökar i
takt med en ökad produktion av biogas och därmed en ökad produktion av biogen CO2. För
att klimatvänliga CCU-metoder ska ha potential för att vara lönsamma, måste tillgången till biogent CO2vara god, men även efterfrågan på denna. Genom att skapa ekonomiska
inci-tament för företag att implementera en CCU-teknik kan efterfrågan för dessa tekniker, samt den biogena CO2som produceras, höjas förutsatt att de valda CCU-teknikerna inte riskerar
att bli överflödiga i framtiden [31].
Det område som har bidragit mest till den ökade biogasproduktionen är anläggningar med samrötning. Detta område har gått från 163 ton producerat år 2005 till 963 ton biogas år 2018 [1], vilket pekar på en uppåtgående trend allt eftersom kommuner börjat införa sam-rötning av livsmedelsavfall från hushåll och företag inom kommunen. Detta indikerar att biogasproduktionen i Sverige kommer att öka och att det potentiellt finns goda möjligheter för CCU metoder bland dessa producenter.
3.1. Potential för CCU bland svenska biogasanläggningar
Figur 3.1: Andelen producerad biogas från olika anläggningastyper i Sverige från år 2005 till 2018. Datakälla: [1]
Biogasproducenter i Sverige är en stor källa till utsläpp av biogent CO2. Genom korrekt
tillvaratagande av CO2kan det skapas ”koldioxidnegativa utsläpp”, med det menas andelen
inbundet (förädlat) CO2 blir större än den fria del som fanns i atmosfären innan förädling.
Detta är något som skulle ligga i linje med det klimatarbete som Parisavtalet förespråkar [19]. Exempel på industrier som har dessa ”koldioxidnegativa utsläpp” är de industrier som kan långtidslagra kolet i CO2i andra produkter, och som samtidigt kan utnyttja klimatneutrala
bränslen för att driva produktionen. I fallet för bränsletillverkning av biogas så kommer kolet i CO2inte att långtidslagras, utan istället förädlas till metan för att sedan släppas ut som CO2
igen i atmosfären; i dessa fall kallas processen ”koldioxidneutral”. Detta är därför att den ingår i ett omlopp med kort omsättningstid mellan upptag och utsläpp av koldioxiden. Ur ett makropespektiv kan man alltså se det som att ingen ytterligare CO2tillförs eller försvinner
i systemet över tid och det blir inget nettotillskott av växthusgaser till atmosfären, till skillnad från CO2från fossila bränslen som har en betydligt längre omsättningstid [32].
I Sverige finns god potential att utnyttja CO2från biogasanläggningar. Distributionen av
biogasanläggningar i landet kan ses i figur 3.3. Detta skulle kunna ske efter uppgradering av biogasen till renare metangas om den resterande gasen, som består av CO2samt oönskade
restprodukter (föroreningar), fångas upp för vidare användning. Genom att undersöka de olika applikationsområdena för CO2och därefter ta reda på vilka krav som ställs utifrån de
tekniska förutsättningarna för detta, så går det att se om en värdeökning av annars oanvänd CO2är möjlig.
Sverige har en förhållandevis stor produktion av biogas jämfört med andra EU-länder. Med våra 280 biogasanläggningar hamnar vi på 8:e plats i Europa. Detta gör att möjligheten att använda CCU tekniker kopplade till den befintliga biogasproduktionen är intressant då den kan bidra med en ekonomisk värdeökning inom denna sektor [33]. Enligt
Energimyndig-3.1. Potential för CCU bland svenska biogasanläggningar
Figur 3.2: Användningsområden för biogas producerad i Sverige från år 2005 till 2018. Egen figur, datakälla: [1]
Figur 3.3: Lokaliseringen av biogasanläggningar i Sverige. [2]
hetens statistisk för 2018 [1] producerades totalt 2044 GWh biogas; av denna uppgraderades 1296 GWh. Om det antas att energivärdet i 97% metan är 9,67 kWh per 1 Nm3 [34]
inne-3.2. Potentialen för CCU i den ”gröna ekonomin”
bär detta att 1296 GWh uppgraderad gas motsvarar 1, 34 ˚ 108Nm3i 97% gasform. Med ett räkneexempel på koldioxid från enbart denna gasvolym (som är direkt tillgänglig) och ett antagande att rågasen innehåller mellan 30-40% koldioxid så hamnar den totala mängden koldioxid som går att utnyttja på mellan 5,7˚107Nm3och 8,9˚107Nm3, om den går att fånga upp helt effektivt. Detta är ytterligare en indikation på potentialen för implementering av CCU-tekniker i Sverige.
3.2
Potentialen för CCU i den ”gröna ekonomin”
Att nyttja CCU tekniker är ett viktigt område som kan bidra till minskade utsläpp av GHG, men det är även en viktig del när man talar om "Kol-ekonomi"[33]. Detta område omfattar den marknadspotential som finns i att utnyttja atmosfäriskt CO2för vidare produktion.
Ge-nom att utveckla CCU-metoder som är direkt värdeskapande kan ekoGe-nomiska incitament skapas för industrier med koldioxidutsläpp, inte minst för biogasproducenter då dessa of-ta har en högkoncentrerad koldioxidström som restgas från sina produktionsanläggningar. CCU teknikerna ska också kunna bidra till att tillverkningsindustrier kan jobba för en cirkulär ekonomi i den meningen att de kan utnyttja framställda förnyelsebara kolväten (syntetiska produkter, växter med mera.) istället för att behöva använda fossila kolväten. En förutsätt-ning är att det fortfarande ska finnas en ekonomisk potential i detta byte, det vill säga att företag inte ska bli ekonomisk lidande av ett skifte till kolväten producerade med hjälp av CCU-tekniker [33]. Det finns många intressanta potentiella CCU tekniker som bidrar till en grön ekonomi. Detta inkluderar tillverkning av polymerer, kemikalier, bränslen, växter, livs-medel och foder med flera. Genom att skapa produkter baserade på en biogen kolkälla, och sedan ersätta befintliga produkter med fossil kolkälla, så kan denna marknad utökas. Det finns ett intresse för denna marknad då gröna alternativ kan anses etiskt och moraliskt för-delaktiga och därmed ha potential att nå en ny marknadsandel [33]. Detta samtidigt som det bidrar i arbetet mot till de klimatmål som UNFCCC har satt upp för Europa [19] [33].
3.3
Drivkrafter och hinder för implementering av CCU
Europakommissionen har tagit fram en avgränsningrapport både för hur forskning kring CCU teknologier bör ske för att bidra till ett arbete mot en bättre miljö, och hur förbättrings-förslagen som kommer ur denna forskning, ska vara utformade [21]. Detta för att länder inom EU ska kunna arbeta mot en klimatneutral ekonomi och struktur. EU, som står för 10 % av de globala utsläppen av GHG, är en av de ledande krafterna inom övergången till klimatneutra-la GHG-utsläpp [21]. Som en del i detta arbete förespråkar EU-kommissionen en öppen kon-kurrensbaserad företagsmarknad där respektive industri genom utveckling av sina processer går mot en cirkulär ekonomi. Därför måste de kunna räkna med en privatiserad finansiering för att undvika inlåsning till ekonomiska bidrag i det långa loppet. Men för att gynna den-na utveckling kommer EU-kommissionen till en början att ta fram ekonomiska incitament i form av bidrag som kan ges till de företag som arbetar med och utvecklar utsläppsneutrala tillverkningsprocesser, såsom CCU. Men även genom höjd beskattning av CO2-utsläpp för
de industrier som inte övergår till detta arbete [21]. EU-kommissionen talar även om vikten av forskning och utveckling kring CCU- och CCS-tekniker[21].
Vikten av denna forskning talar även EU-kommissionens vetenskapliga råd (Scientific Advice Mechanism - ”SAM”) om i rapporten ”Novel carbon capture and utlisation techno-logies: Scientific Opinion 4/2018” [35]. De har tagit fram fem kriterier som de utgår ifrån för att kunna göra en opartisk bedömning av vilka forskningsfält som ska kunna ta del av dessa bidrag:
3.3. Drivkrafter och hinder för implementering av CCU
2. Carbon fluxes, with reference to CO2 emissions first, as well as to consumption of fossil-carbon resources and to occupation of sub-surface CO2 storage space;
3. Environmental impact, on top of those considered within criterion 2; 4. Costs, including operational and capital costs, as well as financing schemes; 5. Societal perception and political feasibility.
Utöver dessa incitament från EU-kommissionen så finns det även drivkrafter som påver-kar användandet av nya tekniker (inklusive CCU) inom företag. Avsaknaden av dessa driv-krafter skapar "icke-tekniska"hinder som innebär att CCU-teknikerna inte implementeras i den grad de skulle kunna göras.
Det är viktigt att kunna tydliggöra och definiera dessa drivkrafter för att effektivt kunna driva förändringsarbeten inom företag, och för att dessutom kunna få företagen att annam-ma nya grönare teknologier. Energieffektiva industrier är en prioritering för att kunna skapa konkurrenskraftiga företag inom Europa. Drivkrafterna för att kunna skapa dessa industrier listades bland annat i en rapport av Trianni et al. [36]. Där framgår det att dessa drivkrafter, eller avsaknaden av dessa, drastiskt kan påverka beslut om huruvida nya teknologier kom-mer att användas inom företag. Ett vanligt misstag är att tro att det enbart är ekonomiska drivkrafter som påverkar, när det i verkligheten är många fler. För att nämna några av dessa drivkrafter:
• Effektivitet på grund av juridiska påtryckningar
- Exempel på detta kan vara begränsningar av ljudnivåer från industrier och företag som i sin tur tvingar företagen att gå över till modernare alternativ och teknologier. • Kostnadsreduceringar genom att gå över till modernare tekologier
- Exempel på detta kan vara att gå över från dieselaggregat för kyltransport till moder-nare kryogeniska kylsystem som är mer energi- och kostnadseffektiva.
• Investeringsmöjligheter
- Exempel på detta kan vara möjlighet till lån för övergång till gröna teknologier. • Utbildningsprogram riktade mot brukare av nya teknologier
- Exempel på detta kan vara praktiska utbildningsprogram där användare av nya CCU tekniker får lära sig hur dessa ska användas korrekt, för att inte falla tillbaka till tidigare tekniker som de har mer erfarenhet av.
• Externa samarbeten
- Exempel på detta kan vara att säkra upp infrastrukturen kring CCU-tekniker som är nödvändiga för att motivera och underlätta arbetet med dessa tekniker. Det kan vara smidiga betallösningar eller handelsavtal mellan företag.
3.4. Metoder för att i fält analysera gaskvalitet
3.4
Metoder för att i fält analysera gaskvalitet
En av de möjliga begränsningarna för implementering av CCU tekniker vid biogasanlägg-ningar är vilken sammansättning gasen har efter uppgraderingen. Utrustning för att provta och analysera gasens sammansättning på plats i industriella anläggningar har utvecklats och två detektionsmetoder som används är IR-spektroskopi och fotojoniserande detektion.
3.4.1
IR-spektroskopi
IR-spektroskopi med dubbel våglängd och referenskanal (Dual wavelength IR spectroscopy with reference channel) använder en ljuskälla med infrarött ljus för att mäta hur mycket ljus av en specifik våglängd som absorberas av ett prov. IR-ljus leds genom provet som ska ana-lyseras samt genom ett referensprov som finns i en annan kanal som belyses med samma ljuskälla. När ljuset träffar de båda proven så absorberas en del energi. Efter det att ljuset har passerat genom proven så kan energinivån för de båda analyseras separat. För att lyckas med detta används en roterande disk som selektivt kan släppa genom ljus. Ljuset leds sedan vi-dare till en detektor där energinivån kan mätas och sedan lagras som data (figur 3.4). Genom att jämföra energinivån mellan det kända referensprovet och det okända provet kan koncent-rationen uppmätas. I verktyget Biogas 5000 som används för analys av t.ex. biogas i fält finns det referenskanaler för CH4och CO2och således kan dessa komponenter uppmätas.
3.4. Metoder för att i fält analysera gaskvalitet
3.4.2
Fotojoniserande detektion
VOC är ett samlingsnamn för lättflyktiga organiska föreningar, vilket innebär att en mängd olika flyktiga organiska föreningar inkluderas i benämningen. Prover med samma koncent-ration av VOC kan därför skilja sig åt avsevärt med avseende på de ingående ämnenas mo-lekylstorlek och konfiguration. För att mäta VOC används fotojoniserande detektion (”Photo Ionizing Detection, ”PID”). Den bakomliggande tekniken är en joniserande UV lampa, som har en kapacitet att jonisera på 10,6 eV [37]. Den joniserande strålen kan i detta fall ge in-kommande organiska molekyler en positiv laddning samtidigt som en elektron avges. Efter att lampan har joniserat ämnena kan en ström mätas från detektorns anod (figur 3.5)[38]. Ju högre koncentration av VOC-ämnen som finns i det inkommande gasprovet, desto större ström kan uppmätas. Den uppmätta strömmen beräknas och omvandlas till en motsvarande koncentration i enhet ppb.
Figur 3.5: Principen för hur en VOC-mätare fungerar.
Den joniserande strålen kommer inte att påverka övriga molekyler i gasen (O2, CO2, N2)
i samma grad då dessa har en betydligt lägre molekylvikt. Detta innebär också att lågvikti-ga VOC-föreninlågvikti-gar kan vara problematiska att mäta. På grund av olika ämnens varierande konfigurationer och molekylstorlek kommer den joniserande energin att påverka olika före-ningar i olika utsträckning, men energin har en joniseringsförmåga för samtliga VOC under 10,6 eV. Detta innebär att varje ämne som undersöks har en egen korrektionsfaktor (K.F) som måste användas om man vill veta koncentrationen av respektive ämne. Då flera olika molekyler med olika uppbyggnad mäts samtidigt, så kan inte ett exakt värde på VOC-koncentrationen uppges, utan enbart ett samlingsvärde som utgår ifrån korrektionsfaktorn =1, vilket motsvarar diethylamine för just denna joniserande lampa.
För att kunna använda fältverktyget för att mäta en mix av VOC ämnen (som är fallet i detta projekt), behöver följande formel användas:
K.Fmix =
1
X1/K.F1+...+Xi/K.Fi (3.1)
Där Xi är den procentuella andel VOC-ämne som förväntas i gasen och K.Fi är
korrek-tionsfaktorn för samma ämne [39]. De olika korrektionsfaktorerna för den joniserande lam-pa som används i fältverktyget går att hitta i den manualen för verktyget [39]. Dessa olika korrektionsfaktorer för olika VOC-ämnen innebär att om kompositionen på gassammansätt-ningen är okänd så går det inte att veta den exakta koncentrationen av respektive komponent. Därför kan verktyget i dessa fall enbart fungera som en grov uppskattning av den samlade mängden flyktiga organiska föreningar i provet.
