A Techno-Economic Evaluation of Solvents in Biogas Upgrading

Abstract

Antropogene klimagassutslipp er anerkjent som hoved ̊arsaken til globale klimaendringer. For å begrense virkningene av klimaendringer er integrasjonen av fornybare energikilder i energisammensetningen avgjørende. Biometan har vist seg å være en lovende erstatning for naturgass, men rensing av biogass st ̊ar ovenfor utfordringer knyttet til kostnad og energiforbruk, og er en flaskehals for økt produksjon av biometan.

Det finnes ulike prosesser for fjerning av karbondioksid (CO2) fra biogass, inkludert kjemisk absorpsjon. Løsningsmidlene for kjemisk absorpsjon m ̊a innfri en rekke krav, inkludert lav nedbrytningsrate, høy CO2-kapasitet og lave energibehov ved regenerering. Aminer, til tross for sin effektivitet, utfordres med hensyn til kostnader og potensielle miljøpåvirkninger knyttet til utslipp og nedbrytning. Aminosyre-salter er foresl ̊att som en løsning for å redusere problemer knyttet til aminer, på grunn av deres ioniske egenskaper og høye nedbrytbarhet, som tilbyr potensielle fordeler sammenlignet med aminer.

Denne mastergradsavhandlingen vurderer to løsningsmidler, nemlig aminosyre-saltet natriumglycinat (NaGly) og aminbladingen piperazin-aktivert metyldietanolamin (aMDEA), forkjemisk skrubbing i forhold til energibehov ved regenerering. Ulike prosessmodifikasjoner, inkludert kjølt absorber ble evaluert. En sammenligning blir gjort med forfatterens tidligere arbeid med piperazin-aktivert aminometylpropanol, kjent som CESAR1, og monoetanolamin (MEA). Simuleringer ved hjelp av programvareverktøyet ProTreat®, sammen med eksperimentelle data, ble utført for ̊a undersøke ytelsen til løsningsmidlene. Validering av modeller viste høye avvik mellom datasettene og NaGly-modellen. Eksperimenter ble utført med 45 wt% og 35 wt% NaGly og viste at utfelling skjedde ved lave CO2-konsentrasjoner. Simuleringsresultatene viste et minimum energibehov p ̊a 2.83 MJ/kg CO2, som er sammenlignbart med MEAs(2.77 MJ/kg CO2). Aktivert MDEA viste de laveste energibehovene på 1.716 MJ/kg CO2, foran CESAR1 (2.06 MJ/kg CO2).

En økonomisk analyse ble utført av to studier med aMDEA, ved atmosfærisk trykk og åtte bars trykk. Muligheten for salg av CO2 kvoter, samt subsidier som dekket inntil 45% av investringskostnader, ble vurdert. Til tross for at studiet med åtte bars trykk hadde lavere energibehov, indikerte den økonomiske analysen kortere tilbakebetalingstid for studiet med 1.05 bars trykk. Avhengig av subsidiegrad og kvotesalg varierte tilbakebetalingstiden fra tre til ni år.

Anthropogenic greenhouse gas emissions are widely recognized as the primary contributor to global climate change. To address this issue, the integration of renewable energy sources into the energy mix is essential. Biomethane has emerged as a possible substitute for natural gas, with potential use as clean vehicle fuel and injection into the gas grid. However, the cleaning and upgrading process of biogas to biomethane can be costly and energy-intensive.

Various carbon dioxide (CO2) removal processes, including chemical scrubbing, are available for biogas treatment. The solvent for chemical scrubbing has to meet a number of requirements, including low degradation rate, high CO2 capacity, and low regeneration energy demand. Amines, despite being effective, pose challenges in terms of cost and potential environmental impacts associated with emissions and degradation. Amino acid salts have been proposed as a solution to mitigate amine-related issues due to their ionic nature and high biodegradability, which offers potential benefits compared to amines.

This thesis evaluates two solvents, namely sodium glycinate (NaGly) and piperazine-promoted methyl diethanolamine, known as aMDEA, for chemical scrubbing in terms of regeneration energy requirements. Process modifications including intercooled absorber were implemented. A comparison was made with previous work on piperazine-promoted aminomethyl propanol, known as CESAR1, and monoethanolamine (MEA). Simulations using the ProTreat® software tool, along with experimental data, were conducted to investigate the performance of the solvents. The validation of the models revealed large deviations between datasets and the NaGly model. Precipitation experiments were conducted with 45 wt% and 35 wt% NaGly, demonstrating precipitation occurrence at low loadings. Simulation results showed a minimum specific reboiler duty of 2.83 MJ/kg CO2 for NaGly, comparable to that obtained with MEA (2.77 MJ/kg CO2). Activated MDEA exhibited the lowest energy requirements at 1.716 MJ/kg CO2 before CESAR1 (2.06 MJ/kg CO2).

Furthermore, an economic analysis was performed for two aMDEA cases at atmospheric and 8 bar pressures. Subsidies covering up to 45% of CAPEX, and the potential for selling carbon credits were evaluated. Although the 8 bar case had lower regeneration energy requirements, the economic analysis indicated a shorter payback period for the 1.05 bar case. Depending on subsidy levels and carbon credit sales, the payback time ranged from three to nine years.