Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

To mitigate the human-induced climate change, Sweden has adopted a climate policy framework that states a net-zero emissions of greenhouse gases by the year of 2045 and thereafter negative emissions. To achieve this goal extensive emission mitigation alongside supplementary measures are required. Carbon Capture and Storage (CCS) is a concept that collects carbon dioxide with the purpose to store it permanently. When CCS is applied to streams of carbon dioxide (CO2) with biogenic origin, it is called bio-CCS. Bio-CCS is an example of such a supplementary measure. Another concept is bio-CCU, Carbon Capture and Utilization. It means that CO2 with biogenic origin is used in products. One example of bio-CCU is Power to Gas (P2G), where carbon dioxide and hydrogen through methanation produces biomethane, via biological or catalytic processes. By upgrading biogas, amounts of CO2 are separated which make it easily accessible for bio-CCS and bio-CCU.
This study aims to determine the Global Warming Potential (GWP) and primary energy use for bio-CCS and bio-CCU (P2G) from biogas plants via Life Cycle Assessment (LCA) and compare it to the fossil fuel alternative. This will be in accordance with the LCA methods used in the Renewable Energy Directive (RED) and the International Organization for Standardization (ISO). Moreover, the study examines a total of six different scenarios, including a reference scenario. One scenario with bio-CCS for permanent storage of CO2 and four scenarios with P2G, either through biological methanation or catalytic methanation. The methanation takes place either at a centralized plant or at the biogas plant where it replaces the traditional upgrade of biogas. The biogas production assumes a 50 GWh/year Swedish co-digestion plant.
Bio-CCS is the alternative with the biggest positive climate impact of the studied scenarios for produced biomethane. LCA shows that by storing CO2 through bio-CCS in saltwater aquifers, GWP is -39.2 g CO2eq/MJ biomethane according to ISO and -26.5 g CO2eq/MJ biomethane according to RED. It is proved that the transportation of CO2 by ship from Sweden to Norway for permanent storage affects the calculation of greenhouse emissions the most. By utilizing CO2 through P2G the GWP is between 4.0–6.4 g CO2eq/MJ biomethane according to ISO and 14.0–14.9 g CO2eq/MJ according to RED.
Primary energy use for bio-CCS is 0.24 MJ/MJ biomethane according to ISO and 0.28 MJ/MJ biomethane according to RED. Primary energy use for bio-CCU is 1.45–1.57 MJ/MJ according to ISO and 1.57–1.67 according to RED. This can be compared to a reference scenario where CO2 is released into the atmosphere with the primary energy use is 0.21 MJ/MJ according to ISO and 0.26 MJ/MJ according to RED.
In the scenarios that include bio-CCU, the differences are relatively small and the best solution is dependent on local conditions. Biomethane from bio-CCU leads to greenhouse gas savings of 84–85 % compared to the fossil fuel comparators (94 g CO2eq/MJ). Therefore bio-CCU meets the criteria for sustainability in RED. The sensitivity analysis shows that the electricity generation source has a large influence on the GWP for bio-CCU. Changing from the Swedish electricity mix to wind power decreases the GWP by 49–51 %. Apart from being used to phase out fossil fuels, biomethane can also be used for energy storage if produced when there is a surplus of electricity, which helps balancing the electric grid.
In conclusion, there is big potential for future bio-CCS and bio-CCU from biogas plants due to the localized source of easily available biogenic CO2. Bio-CCS and bio-CCU can be seen as important tools to reach the climate goals by reducing greenhouse gas emissions and phasing out fossil fuels.

Klimatförändringar är vår tids största utmaning och att minska utsläppen av växthusgaser är viktigare än någonsin. Mänsklig aktivitet ger upphov till att halten växthusgaser i atmosfären ökar vilket har som följd att jordens medeltemperatur stiger, något som kan få allvarliga konsekvenser för klimatsystemet.
Enligt det klimatpolitiska ramverket ska Sverige uppnå netto-noll utsläpp av växthusgaser senast år 2045, för att därefter uppnå negativa utsläpp. Baserat på dagens teknik och kunskap krävs utöver stora utsläppsminskningar även kompletterande åtgärder för att uppnå målen. Ett exempel på en kompletterande åtgärd är bio-CCS, Carbon Capture and Storage från förnybar energi. Konceptet CCS innebär att koldioxid (CO2) infångas och lagras permanent. Bio-CCS betyder att CO2 är av biogent ursprung, det vill säga härstammar från biomassa. Ett annat koncept är bio-CCU, Carbon Capture and Utilization, som innebär att biogen CO2 används till att producera andra produkter. Ett exempel på bio-CCU är Power to Gas (P2G) där infångad biogen CO2 och vätgas producerar biometan genom metanisering, en process som antingen kan ske biologiskt eller katalytiskt. Den biometan som produceras kan ersätta fossil metan som fordonsgas. Vid uppgradering av biogas separeras biogen CO2 som idag släpps ut i atmosfären. Den biogena CO2 kan tillvaratas och genom enklare modifiering användas till bio-CCS och bio-CCU.
Denna studie syftar till att ur ett livscykelperspektiv beräkna klimatpåverkan och energianvändning för bio-CCS och bio-CCU, i det senare fallet P2G, från biogasanläggningar. I studien jämförs två olika vedertagna metoder för beräkning av livscykelanalys för att iaktta eventuella skillnader: dels den internationella standarden (ISO) och dels den metod som EU rekommenderar i EU-lagstiftningen för förnybar energi – förnybartdirektivet (Renewable Energy Directive (RED)).
I studien genomförs livscykelanalyser för sex olika scenarier, där beräkningarna utförs med båda metoderna. De sex scenarierna omfattar också ett referensscenario där CO2 släpps ut i atmosfären. Studien undersöker ett scenario med bio-CCS för permanent lagring av CO2 under Nordsjön utanför Norges kust och fyra scenarion med bio-CCU i form av P2G. Biometanproduktionen vid P2G sker antingen genom biologisk metanisering eller katalytisk metanisering. Biogasproduktionen utgår från en genomsnittlig svensk anläggning på 50 GWh/år. För att göra de undersökta scenarierna jämförbara krävs en gemensam nämnare som vid livscykelanalys kallas för funktionell enhet. Den funktionella enheten är baserad på bränslets energiinnehåll och uttrycks i MJ biometan.
Bio-CCS är det alternativ bland de studerade scenarier som ger störst klimatnytta för producerad biometan. I och med den stora mängden permanent lagrad CO2 vid bio-CCS får biometanen betydligt lägre klimatpåverkan än vid referensscenariot. I studien konstateras att en viktig parameter för den klimatpåverkan som orsakas vid bio-CCS är utsläpp knutna till fartygstransport av CO2 från Sverige till plats för lagring under Nordsjön. Klimatpåverkan beräknas till -39,2 g CO2eq/MJ biometan enligt ISO-standarden. Görs inställt beräkningar enligt riktlinjerna i RED fås att klimatpåverkan är -26,5 g CO2eq/MJ biometan.
För tillämpning av bio-CCU från biogasanläggningar visar resultatet att klimatpåverkan för biometan är mellan 4,0–14,9 g CO2eq/MJ biometan och skiljer sig beroende på om beräkningar görs enligt ISO-standarden eller enligt riktlinjerna i RED. Det kan jämföras med fordonsgasens genomsnittliga klimatpåverkan år 2019 som var 15,8 g CO2eq/MJ. Den fordonsgas som det refereras till utgörs till största delen biometan. Jämfört med användning av fossila bränslen (94 g CO2eq/MJ) ger biometan producerad vid P2G en utsläppsreduktion på 84–85%. Det innebär att biometanen därmed uppfyller kraven för att anses som ett hållbart transportbränsle enligt hållbarhetskriterierna i RED.
I studien beräknas energianvändningen för bio-CCS till 0,24 MJ/MJ biometan enligt ISO-standarden och 0,28 MJ/MJ biometan enligt riktlinjerna i RED. Det är något högre än vid referensscenariot där CO2 släpps ut i atmosfären. Energianvändningen ökar betydligt för den biometan som produceras vid tillämpning av bio-CCU. Vid bio-CCU beräknas den till mellan 1,45–1,67 MJ/MJ biometan och skiljer sig beroende på om beräkningar görs enligt ISO-standarden eller enligt riktlinjerna i RED.
Vid bio-CCU har elens ursprung stor inverkan på beräknad klimatpåverkan och energianvändning. Genom att använda förnybar el vid processen finns stor potential att minska klimatpåverkan. Studien visar att klimatpåverkan för bio-CCU reduceras med 49–51 % vid byte från svensk elmix till att elen i stället producerats från enbart vindkraft. Om biometan produceras när det finns överskott på el kan den även fungera som energilager och därmed bidra till att upprätthålla balansen på elnätet.
För att nå klimatmålen och begränsa belastningen på klimatsystemet finns inte en entydig väg framåt utan det krävs åtgärder som kompletterar varandra. Bland de studerade scenarierna för bio-CCU är skillnaderna förhållandevis små och det är lokala förutsättningar som kommer avgöra vilken den bästa lösningen är. Sammanfattningsvis finns det stor framtida potential för bio-CCS och bio-CCU från biogasanläggningar med anledning av punktutsläppen med lättillgänglig biogen CO2. Bio-CCS och bio-CCU bör ses som viktiga delar i arbetet mot att nå klimatmålen genom att reducera utsläppen av växthusgaser och fasa ut fossila bränslen.