Features of Biogenic CO2 and where it is already being used

Carbon dioxide can come from different sources:

• Slow domain of the carbon cycle (typically fossil fuels). Here, according to the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) we’re talking turnover times of more than 10 000 years.
• Fast domain of the carbon cycle (typically from biomass) with turnover times less than 500 years.

---

Bioethanol plants

Bioethanol production plants have large amounts of biogenic CO2 emissions because they use natural biological processes to convert plant materials (such as corn, wheat, sugar beet or sugar cane) into ethanol fuel. During the production process, the plant materials are first fermented with yeast, which produces bioethanol as a byproduct. The bioethanol is then separated from the fermented mixture and purified for use as a fuel.

Biogenic CO2 emissions are also produced as a byproduct during fermentation. As a rule, 1 kg of bioethanol produced from corn gives 1 kg of biogenic CO2 from fermentation process and 0,5 kg of CO2 from the rest of production (could be a combination of fossil and biogenic, but is typically fossil). Therefore, bioethanol plants often have CO2 emissions with approximately 70% biogenic CO2.

The number of plants:

• North-America — 168;
• Europe — 15.

Annual emissions:

• Fossil CO2 — 21.8 million tons;
• Biogenic CO2 — approximately 44 million tons..

CO2 concentration:

Biogenic CO2 from fermentation has the highest concentration, with around 80-90%. This makes it a very promising source of CO2 for Bio-CCS concept. The fossil part of emissions often comes from power generation on site, with a much lower concentration, typically 2-5% CO2.

Examples:

Bioethanol plant in South Bend (USA), as well as Navigator CO2 Heartland Greenway and Summit Carbon Solution (two large projects for pipelines collecting CO2 from ethanol plants).

---

Biomass power plants

Biomass power plants use various types of bio-based fuels as input to produce power and/or heat. Many of these plants were originally designed and built to use biomass, while some other are converted from other fuels (typically coal). Moreover, some plants also use a mix of various fuel types (including both biomass and fossil fuels), therefore the share of biogenic CO2 at power plants can vary greatly, anywhere from 0 to 100%.

The number of plants (where 50% of the emissions consist of biogenic CO2):

• North-America — 26;
• Europe — 111.

Annual emissions:

• Biogenic СО2 — approximately 52.8 million tons (46 million in Europe and 6.8 million in the USA).

CO2 concentration:

The concentration varies between 5% and 15%, depending on the type of fuel used and the combustion process employed. It is theoretically possible to capture about 90% of the emitted CO2. Thus, significant amounts of biogenic CO2 can be captured from biomass power plants worldwide, offering substantial potential for the Bio-CCS concept.

Examples:

Several biomass power plants have Bio-CCS project including: the Ørsted Avedøre and Asnæs power stations (Denmark), the Drax power station (UK), ENSO and Carburos Metalicos (Spain).

---

Waste to energy plants (WtE)

WtE burn waste to produce heat and electricity. It is often municipal waste with a mix of various fractions, including plastics, food, paper, and other types of materials. On average, about half of the waste contains carbon of biological origin (e.g. from food and paper), and therefore about 50% of the CO2 emitted from the WtE plants is biogenic. Based on reporting data from 112 different WtE plants in Europe and USA, the average biogenic share in their CO2 emissions is 59%, with variations from facility to facility.

The number of plants (Europe and North-America):

• 112 (biogenic CO2 share of 59% or more);
• 489 (biogenic CO2 share of less than 59%).

Annual emissions:

• Biogenic CO2 — 52 million tons (Europe and North America).

CO2 concentration:

The CO2 concentration typically varies from 5% to 15%. Most plants have one to a few stacks in the vicinity of one another, simplifying the capture. Capture projects on WtE plants has shown that capture rates of 90%, or more, are achievable, providing great opportunities for Bio-CCS projects.

Examples:

Bio-CCS is being implemented at: Twence Hengelo (Netherlands), Hafslund Oslo Celsio Klemetsrud (Norway, project on hold at the time of this writing), KVA Linth (Switzerland) і Viridor Runcore (UK), among others.

---

Cement plants

It often comes as a surprise that cement plants emit biogenic CO2. After all, almost 60% of the cement emissions come from the production process, which involves limestone, a substance literally made of fossils. These process emissions are generated during the chemical reaction that occurs when limestone and other materials are heated in the cement kiln to create clinker, the main ingredient in cement. This reaction releases CO2 as a byproduct.

Energy-related emissions, on the other hand, are primarily generated by the combustion of fuels in the cement kiln to provide the high temperatures. Cement plants use of many different types of fuels, mostly of fossil origin, but also sewage sludge, wood waste, animal waste and many other types of biomass-based fuels. As a result, the CO2 emissions from many plants contain 5% to 15% biogenic emissions.

The number of plants:

• North-America — 21;
• Europe — 93.

Annual emissions:

• Biogenic CO2 — approximately 6.2 million tons (5.4 million in Europe and 0.8 million in the USA).

CO2 concentration:

In the exhaust fumes varies from 15 to 30%, depending on the fuel used and the share of emissions from process. Each facility may have one to multiple emission points, depending on the plant’s construction. Some cement plants have waste heat available, which can help reduce the capture costs. As a result, capture rates of up to 70 to 90% of the CO2 are achievable.

Examples:

Several cement plants have capture projects in the making, with some share of bio-CCS: Norcem Brevik (Norway), CBR Antoing (Belgium), Lehigh Redding (USA), Cementa Slite (Швеція) і Holcim Obourg (Бельгія) та інші.

Виробництво паперу і целюлози

Виробничий процес полягає в переробці деревини або інших рослинних матеріалів для виробництва паперу, картону та інших паперових виробів. Біогенні викиди CO2 продукується під час процесу виготовлення целюлози — розкладання рослинного матеріалу для вилучення целюлозних волокон. До того ж, інші етапи також можуть збільшувати викиди біогенного CO2 (наприклад, енергія, яка використовується для забезпечення виробничого процесу, може надходити від спалювання біомаси).

Целюлозно-паперові установки з біогенними викидами в Європі та Північній Америці. Джерело: CaptureMap від Endrava

Кількість установок:

• Північна Америка — 156;
• Європа — 130.

Щорічні викиди:

• Біогенний СО2 — 181 млн тонн (80 млн тонн в Європі та 101 млнтонн  у Північній Америці).

Концентрація CO2:

На котли відновлення часто припадає дві третини викидів CO2, а димові гази містять від 10% до 15 % CO2. Теплові (енергетичні) котли зазвичай відповідають за 20% викидів, і в їхніх димових газах також міститься 10-15% CO2. Решта викидів походить від виробництва вапна на місці, яке має концентрацію CO2 приблизно 15-30 % у димових газах.

Приблизно 70-90% загальних викидів CO2 можна вловити, що дає можливість працювати з великими обсягами біогенного CO2 для проєктів Bio-CCS.

Приклади:

Tanjungenim Lestari Pulp & Paper (Індонезія) — проєкт Bio-CCS на целюлозно-паперовому виробництві.

Виробництво спирту та цукру

Під час виробництва алкоголю біогенний CO2 виділяється в результаті бродіння органічних матеріалів (кукурудза, ячмінь і цукрова тростина). До нього додають дріжджі, щоб перетворити цукор на спирт. Окрім процесу бродіння, інші етапи виробництва харчового алкоголю також можуть викидати біогенний CO2. Наприклад, енергія, яка використовується для забезпечення виробничого процесу, може надходити від спалювання біомаси або іншого органічного палива.

Біомаса також використовується як джерело енергії в цукровій промисловості. Крім того, під час виробництва цукру може відбуватися певна ферментація (залежно від процесу), що призводить до біогенних викидів CO2.

Кількість установок:

• Європа та Північна Америка — 47.

Щорічні викиди:

• Біогенний СО2 — 4,5 млн тонн (Європа та Північна Америка. Викиди можуть бути заниженими, якщо CO2 від бродіння не враховується).

Концентрація СО2:

Виробництво електроенергії на цих станціях зазвичай має концентрацію CO2 від 2% до 5 %. Концентрація CO2 в результаті бродіння набагато вища й може сягати 80-90 %. Деякі цукрові заводи також мають на місці піч для випалювання вапна. Так, вона продукує 10-20 % викидів із концентрацією CO2 приблизно 15-30 % у димових газах. У результаті можна вловити до 90% викидів CO2 від спиртових і цукрових заводів.

Приклади:

На пивоварні Austin Beerworks (США) здійснюється уловлювання CO2 з використанням Bio-CCS, хоч і в невеликих масштабах.

---

Як там з біогазовими установками?

Біогаз, який у Північній Америці також називають відновлюваним природним газом (RNG), виробляється шляхом ферментації в метан харчових відходів та інших ресурсів на основі біомаси. Цей метан є чудовим відновлюваним джерелом енергії, яке використовується в енергетиці, транспорті та серед інших секторів.

Після процесу бродіння частка метану зазвичай становить 65%, а СО2 — 35%. Однак для більшості виробничих установок тільки частка метану комерційно цінна. Це призводить до відокремлення та викиду CO2 на місці. Такий потік CO2 має високу концентрацію, як правило, понад 98%, що робить його хорошою можливістю для збору біогенного CO2 за низьких витрат.

Недоліком є ​​те, що більшість біогазових заводів викидають обмежену кількість CO2. Вона коливається від 10 000 тонн на рік для середніх установок та до 40 000 тонн на рік або більше — для великих. Крім того, у більшості країн викиди CO2 часто не обліковуються, що ускладнює моніторинг наявності біогенних обсягів CO2.

---

Джерело: CaptureMap.