Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Carbon dioxide (CO2) concentrations in the atmosphere are increasing and are now higher than they have ever been, mostly because of CO2 released from burning fossil fuels for energy. Global energy demand will continue to rise in the future, resulting in increased carbon emissions. Hydrogen (H2) could potentially decarbonize energy systems and replace fossil fuels. Climate impact from H2 production varies but can be considered carbon-neutral if production is replaced with biomethane as feedstock instead of natural gas. Then it is referred to as biogenic hydrogen (bioH2). If carbon capture and storage (CCS) is applied to bioH2 production, it can result in negative emissions. Carbon mineralization is a CCS method where CO2 is injected into underground basaltic reservoirs to rapidly convert into carbonate minerals, providing permanent CO2 storage.

This study used a life cycle assessment (LCA) method to identify greenhouse gas (GHG) emissions and climate impact from bioH2 production coupled with carbon storage mineralization. The chosen climate metric for the study is the global warming potential (GWP). This study used a hypothetical biogas plant where the bioH2 is produced with biomethane as feedstock via the steam methane reforming (SMR) method. The hypothetical carbon mineralization storage site is located right outside of Uppsala where the CO2 emissions are injected and long-term stored each day.

The results show that implementing CO2 mineralization to bioH2 production reduces climate impact and leads to carbon removal. The climate impact can be reduced or increased depending on different factors such as electricity source, CH4 leakage rate from biogas, CO2 capture efficiency from bioH2 production, the scope of CO2 capture, and different GWP time horizon. The biggest improvement is when the bioH2 production is operated with renewable energy and the CO2 capture is increased both in scope and efficiency. Mineralization of CO2 emissions from bioH2 production results in significantly reduced climate impact. By integrating the two technologies, it is possible to contribute, to meet the Paris Agreement targets of keeping global warming below 1.5°C to 2°C.

Koncentrationen koldioxid (CO2) i atmosfären ökar och är idag högre än någonsin, framför allt på grund av CO2-utsläppen från förbränningen av fossila bränslen till energi. Den globala efterfrågan på energi kommer fortsätta stiga i framtiden vilket resulterar i ökade CO2-utsläpp. Vätgas (H2) kan potentiellt de-karbonisera energisystem och ersätta fossila bränslen. Vätgasproduktionens klimatpåverkan varierar men kan betraktas som CO2-neutral om produktionen ersätter naturgas med biometan som råmaterial, då kallas det för biogent väte (bioH2). Om kolavskiljning och lagring (CCS) appliceras på BioH2-produktionen kan det resultera i negativa utsläpp. Kolmineralisering är en CCS-metod där CO2 injiceras i underjordiska basaltreservoarer i syfte att snabbt omvandlas till karbonatmineraler, vilket skapar permanent CO2-förvaring.

I den här studien har en livscykelanalysmetod (LCA) använts för att undersöka växthusgasutsläppen (GHG) och miljöpåverkan från produktion av bioH2 i kombination med kolmineraliseringsförvaring. Som mätsystem i studien används uppvärmningspotential (GWP). Studien utgår från en hypotetisk biogasanläggning i Sverige och produktionen av bioH2 använder biometan som råvara genom metoden ångmetanreformering (SMR). Anläggningen för den hypotetiska kolmineraliseringsförvaringen är belägen precis utanför Uppsala och injicerar samt långsiktigt förvarar CO2- utsläpp per dag.

Resultaten visar att implementering av CO2 mineralisering till bioH2 produktion reducerar klimatpåverkan och leder till kolavlägsning. Klimatpåverkan kan minska eller öka beroende på faktorer som elkälla, CH4 läckagehastighet från biogas, CO2-avskiljningseffektivitet och omfattningen från bioH2-produktion, och olika GWP-tidshorisonter. Den största förbättringen som kan göras för en bioH2 - produktion är genom att driva det med förnybar energi och utöka CO2-avskiljningen både i omfattning och effektivitet. Kolmineralisering av CO2-utsläpp från bioH2-produktion resulterade i betydande reducering av GHG-utsläpp. Genom att integrera de två teknologierna är det möjligt att, i en begränsad skala, bidra till att uppfylla Parisavtalets mål att hålla den globala uppvärmningen under 1.5-2°C.