Environmental and economic assessment of carbon mineralization for biogas upgrading

• Main Author: Starr, Katherine
• Other Authors: Villalba Méndez, Gara
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universitat Autònoma de Barcelona 2013
• Subjects: Ciències Experimentals; 504 - Ciències del medi ambient
• Online Access: http://hdl.handle.net/10803/129920; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9788449040993

Durante los últimos años, la investigación y el desarrollo de tecnologías para la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en nuestro planeta ha incrementado. Varias soluciones se han propuesto, incluyendo la captura y secuestro de carbono (CCS en inglés). La aplicación de CCS se ha focalizado en las tecnologías de producción de energía a gran escala que utilizan combustibles fósiles. Recientemente, se ha trabajado en el uso de CCS en tecnologías de enriquecimiento de biogás. Esta práctica consiste en la eliminación del CO2 del biogás emitido por digestores anaeróbicos y vertederos con el fin de incrementar la concentración de CH4 en el biogás, generando así un potencial sustituto de gas natural. Dos innovadoras tecnologías en desarrollo almacén además el CO2 eliminado en una forma sólida, a través de un proceso llamado mineralización de carbono. Este proceso utiliza óxido cálcico de los residuos industriales para fijar el CO2 en forma de carbonato cálcico. Idealmente estas tecnologías innovadoras de enriquecimiento deberían mostrar mayores beneficios ambientales en comparación con las tecnologías convencionales ya que almacenan inmediatamente el CO2. La primera tecnología analizada es la regeneración de alcalino (AwR) que consiste en el uso de una solución alcalina para eliminar el CO2 y que es regenerada mediante su exposición a un residuo industrial rico en CaO. La segunda tecnología es enriquecimiento de biogás con cenizas (BABIU), basada en la interacción directa del biogás con las cenizas resultantes de incineradores de residuos municipales. Esta tesis pretende determinar si estas tecnologías innovadoras muestran beneficios ambientales respecto a las tecnologías convencionales de enriquecimiento de biogás, mediante la aplicación de herramientas de la ecología industrial. El análisis de ciclo de vida, el análisis de flujos materiales y el análisis de exergía son aplicadas para el análisis ambiental y de recursos. Asimismo, la viabilidad a largo plazo de las tecnologías es examinada desde el punto de vista económico y material. En general, los resultados indican que las tecnologías innovadoras no muestran un perfil ambiental notablemente mejor que las convencionales, especialmente para AwR donde el uso de la solución alcalina da lugar a un elevado impacto ambiental. Aún así, ambas tecnologías consiguen un significante ahorro de CO2 respecto a las tecnologías convencionales. Asimismo, dado que las dos tecnologías analizadas se encuentran en un período de prueba piloto, se identifican las potenciales mejoras para optimizar el perfil ambiental y económico, como incrementar la eficiencia de la regeneración de la solución alcalina en la tecnología AwR. El análisis económico realizado para AwR resaltó que reducir sus costes operacionales incrementaría la oportunidad de su implementación como negocio. Los resultados pueden ser usados tanto por promotores de estas innovadoras tecnologías para mejorar su viabilidad económica y ambiental a largo plazo, como por promotores y fabricantes de tecnologías similares, como aplicaciones de CCS o enriquecimiento de biogás. === Our world has been increasingly looking for solutions to reduce the greenhouse gas (GHG) emissions of our planet. Various solutions have been proposed, including carbon capture and sequestration (CCS). Focus for application of CCS has normally centered on large scale energy production that burns fossil fuel. Recently, developers have been working on applying CCS to biogas upgrading technology. This entails removing CO2 from biogas emitted from anaerobic digestors and landfills while also increasing the CH4 concentration to render the biogas suitable as natural gas substitute. Two novel technologies under review also stores the removed CO2 in a solid form, through a process called carbon mineralization. This process uses calcium oxides found in industrial waste to fix CO2 by forming calcium carbonate. Ideally these novel upgrading technologies should have more environmental benefit over conventional ones based on the fact that they immediately store CO2, while conventional ones do not. The first technology is called alkaline with regeneration (AwR) and consists of using an alkaline solution to strip the CO2. The alkaline solution is then regenerated by exposing it to a waste rich in CaO. The second is called bottom ash for biogas upgrading (BABIU) which relies on a direct gas-solid phase interaction with bottom ash from municipal solid waste incinerators. This thesis examines whether or not these two novel technologies have an environmental benefit over conventional upgrading technologies, based on industrial ecology tools. Life cycle assessment, material flow analysis, and exergy analysis were applied for the environmental and resource assessments. The thesis also examines the long term feasibility of applying these technologies, both from a material and economic point of view. Overall it was determined that the novel technologies generally do not have a better environmental performance over conventional technologies, especially AwR which was found to have a higher impact due to the use of the alkaline solution. Despite this, both novel technologies had significant CO2 savings over conventional technologies. As well since both novel processes are in the pilot plant stage it is possible to pinpoint what can be improved in order to increase the all around environmental benefit, for example by increasing the regeneration rate of the alkaline solution in AwR. The economic assessment was conducted on AwR and it was found that improving its operational costs would help create a business case for potential application. The results not only help the developers of the novel technologies to improve their long term environmental and economic viability but also can be used by developers and manufactures of similar technologies, such as other biogas upgrading or CCS technologies.