Practical implementation of Bio-CCS in Uppsala : A techno-economic assessment

To decrease global warming, bioenergy with carbon capture and storage (Bio-CCS) has been proposed as an effective and necessary tool. Combusting biomass and capturing carbon dioxide (CO2) from the same process results in net negative emissions, hence, reducing the concentration of CO2 in the atmosphere. The infrastructure around heat and power generation in Sweden has transformed to make use of biomass and waste. Bio-CCS has the potential to be a key factor in making the heat sector carbon negative and the Swedish energy system more sustainable. This study has assessed how Bio-CCS can practically be implemented in the Uppsala heat and power plant. In the assessment, three chemical absorption post-combustion carbon capture (CC) technologies were evaluated based on energy requirement, potential to reduce emissions and economics. They are the amine process, the chilled ammonia process (CAP) and the hot potassium carbonate process (HPC). The process of each technology was modelled by performing mass and energy balance calculations when implementing CC on the flue gas streams of the production units using biomass-based fuel at the plant. The modelling enabled finding specific heating, cooling and electricity requirements of the technologies. With this data it was possible to assess the potential emission reduction and CC cost for the different configurations assessed. A solution was proposed in how a CC technology can be integrated into the system of the Uppsala plant regarding land footprint, available heat supply to the process and possibilities for waste heat recovery. If heat recovery is not utilized the results show that the amine process is the most cost-effective technology when implemented on the flue gas stream of the waste blocks. When utilizing heat recovery to use waste heat to heat the district heating water, CAP becomes more cost-effective than the amine process. Further improvements can be achieved by combining flue gas streams of the waste blocks to increase the number of hours per year CC can be performed. The plant in Uppsala can then capture 200 000 tonne CO2 annually. The total cost of Bio-CCS will be approximately 900 SEK per tonne CO2 captured.För att minska den globala uppvärmningen har infångning och lagring av koldioxid från förbränning av biomassa (Bio-CCS) föreslagits som ett effektivt och nödvändigt verktyg. Förbränning av biomassa och infångande av koldioxid från samma process leder till negativa nettoutsläpp, vilket minskar koncentrationen av koldioxid (CO2) i atmosfären. Infrastrukturen kring värme- och kraftproduktion i Sverige har omvandlats till att använda biomassa och avfall. Bio-CCS har potential att vara en nyckelfaktor för att göra värmesektorn koldioxidnegativ och det svenska energisystemet mer hållbart. Denna studie har analyserat hur Bio-CCS praktiskt kan implementeras i Uppsalas kraftvärmeverk. I analysen utvärderades tre infångningstekniker av typen kemisk absorption baserat på energibehov, potential att minska utsläpp och ekonomi. Teknikerna är aminprocessen, chilled ammonia process (CAP) och hot potassium carbonate process (HPC). Processen för varje teknik modellerades genom att utföra mass- och energibalansberäkningar vid infångning av CO2 från rökgasströmmarna producerade av produktionsenheterna som förbränner biomassa. Modelleringen gjorde det möjligt att hitta specifika värme-, kyl- och elbehov för teknikerna. Med dessa data var det möjligt att bedöma den potentiella utsläppsminskningen och kostnaden för infångning för de olika konfigurationer som har analyserats. En lösning föreslogs i hur en infångningsanläggning kan integreras i kraftvärmeverkets system när det gäller markanvändning, tillgänglig värmeförsörjning till processen och möjligheter till återvinning av spillvärme. Om värmeåtervinning inte utnyttjas visar resultaten att aminprocessen är den mest kostnadseffektiva tekniken när den implementeras på rökgasströmmen från avfallsblocken. När man använder värmeåtervinning för att använda spillvärme för att värma fjärrvärmevattnet blir CAP mer kostnadseffektivt än aminprocessen. Ytterligare förbättringar kan uppnås genom att kombinera rökgasströmmar från avfallsblocken för att öka antalet timmar per år infångning kan utföras. Anläggningen i Uppsala kan då årligen fånga 200 000 ton CO2. Den totala kostnaden för Bio-CCS kommer att vara cirka 900 SEK per ton infångad CO2