Review of Direct Air Capture (DAC) technologies and techno-economic assessment of a TVSA system with different upstream air-drying alternatives

This thesis investigates Direct Air Capture (DAC) in two parts: a literature review of main DAC technologies and a techno-economic assessment (TEA) of a temperature vacuum swing adsorption (TVSA) system using solid sorbents. The review compares aqueous amine scrubbing, alkali scrubbing, and solid adsorption, focusing on operating principles, energy requirements, size and technological maturity, productivity, CO2 purity, air contactor design, total costs, and the most relevant challenges. For the TEA it was proposed a high-level model of a TVSA process, comparing two configurations: (A) amine-functionalized sorbents operating directly on humid air, and (B) zeolite adsorption coupled with an upstream air-drying system. A technical evaluation was made, covering mass and energy balances, optimizing operational parameters, determining power consumption of the main equipment, and sizing the overall plant. The economic evaluation covered capital and operating costs, sorbent replacement, and levelized cost of CO2, with a sensitivity analysis on a few important economic parameters that were assumed during the calculations. A comparison between different drying technologies was also made: packed desiccant bed, and membrane-based dehydration. Key findings show a trade off: amine sorbents offer higher CO2 uptake in humid conditions but suffer accelerated degradation, greater water handling needs, and an unprepared and expensive material supply chain; the zeolite+dryer option yields more stable cyclic performance and reduced humidity penalties, but incurs additional energy and capital costs for air-drying. Dominant cost drivers identified are regeneration and drying energy, sorbent costs, and inefficient air contactor design. It concludes by highlighting research priorities: development of durable humidity stable sorbents, low energy air drying methods, and gathering of enough experimental data to model isotherms and validate cyclic system-level performance.

Questa tesi analizza la cattura diretta dell’anidride carbonica (Direct Air Capture, DAC) in due parti: una revisione della letteratura sulle principali tecnologie DAC e una valutazione tecnico-economica (TEA) di un sistema di adsorbimento con swing termico e sottovuoto (TVSA) basato su sorbenti solidi. La revisione confronta il lavaggio con ammine in soluzione, il lavaggio con alcali e l’adsorbimento su solidi, focalizzandosi su principi operativi, requisiti energetici, dimensioni e maturità tecnologica, produttività, purezza della CO2, design dei contattori d’aria, costi totali e principali sfide. La TEA propone un modello ad alto livello di un processo TVSA, confrontando due configurazioni: (A) sorbenti funzionalizzati con ammine operanti direttamente su aria umida, e (B) adsorbimento su zeoliti accoppiato a un sistema di essiccazione dell’aria. La valutazione tecnica include bilanci di massa ed energia, ottimizzazione dei parametri operativi, determinazione dei consumi energetici delle apparecchiature principali e dimensionamento dell’impianto. La valutazione economica considera costi di capitale e operativi, sostituzione dei sorbenti e costo livellato della CO2, con analisi di sensibilità su parametri economici chiavi. È stato inoltre effettuato un confronto tra diverse tecnologie di essiccazione: letto di essiccante impaccato e disidratazione a membrana. I risultati evidenziano un compromesso: i sorbenti amminici offrono una maggiore capacità di cattura in condizioni umide, ma subiscono una degradazione accelerata, maggiori esigenze di gestione dell’acqua e una filiera di materiali costosa e poco sviluppata; la configurazione zeolite+essiccatore garantisce prestazioni cicliche più stabili e minori penalizzazioni dovute all’umidità, ma comporta costi energetici e di capitale aggiuntivi per l’essiccazione. I principali fattori di costo identificati sono l’energia per la rigenerazione e l’essiccazione, il costo dei sorbenti e l’inefficienza del design dei contattori d’aria. La tesi si conclude con raccomandazioni progettuali per ridurre i costi dei sistemi TVSA e con l’indicazione delle priorità di ricerca: sviluppo di sorbenti stabili all’umidità, metodi di essiccazione a basso consumo energetico e raccolta di dati sperimentali sufficienti per modellare le isoterme e validare le prestazioni cicliche a livello di sistema.