Modelling and performance assessment of solvent-based technologies for deep decarbonization via direct air capture

Agricultural systems are under serious threat due to climate change, while simultaneously acting as a major contributor to global greenhouse gas emissions. To be compliant with the Net Zero pathways, there is the need to implement strategies of creating carbon negative emissions. One option to do so is Direct Air Capture (DAC), a technology to remove CO₂ from ambient air. This work explores the state of the art of available and emerging options to operate liquid scrubbing DAC as it comes to solvent and regeneration method choice. Then, the focus is shifted towards the modelling of an industrial scale plant, able to capture 1 Mt CO₂/year and that does so using aqueous solution of L-Arginine (17% by weight) as a novel and more sustainable solvent compared to established ones and Bipolar Membrane Electrodialysis (BPMED) as a regeneration method, which enables a fully electric solvent regeneration, that can also be powered by renewables. The model integrates a literature-based regeneration modelling and an absorber column modelling based on the McCabe-Thiele approach resulting in the need of 1450 absorption columns with a diameter of 5.62 m and a 90% capture efficiency and a regeneration electric consumption of 6.65 GJ/t CO₂ to fulfil the yearly 1 Mt capture goal. These findings are in line with other DAC systems present in the literature and demonstrate the feasibility of a fully electrified industrial-scale DAC system, which is crucial in order to scale-up such carbon removal technologies with the goal of mitigating hard-to-abate CO₂ emissions and achieving global deep decarbonization.

L’agricoltura odierna è posta in grande scacco dal cambiamento climatico, essendone però allo stesso tempo una delle principali cause. Per rispettare gli obiettivi di neutralità climatica (Net Zero) è necessario implementare anche delle strategie per rimuovere CO₂ dall’atmosfera, creando così delle emissioni negative. Un’opzione per farlo è la cattura diretta dall’aria (DAC), una tecnologia che permette di catturare e rimuovere la CO₂ dall’aria. Questo lavoro di tesi esplora lo stato dell’arte delle tecnologie disponibili ed emergenti per i sistemi ad assorbimento con solvente, concentrandosi sulle opzioni di scelta dei solventi e del corrispondente metodo di rigenerazione. Successivamente, è stato modellizzato un sistema di cattura su scala industriale, in grado di catturare 1 Mt CO₂/anno impiegando una soluzione acquosa di L-Arginina al 17% in peso come solvente innovativo e più sostenibile rispetto ad altri consolidati. Il sistema di rigenerazione impiegato è stata l’Elettrodialisi a Membrane Bipolari (BPMED), che consente una rigenerazione totalmente elettrificata, alimentabile anche con fonti rinnovabili. Il modello integra un modello di rigenerazione basato sulla letteratura con una modellazione dell’assorbitore basata sull’approccio di McCabe-Thiele e il dimensionamento indica la necessità di 1450 colonne di assorbimento operanti con un’efficienza di cattura del 90% e aventi diametro 5.62 m. La rigenerazione invece necessita di 6.65 GJ/t CO₂. Questi risultati sono in linea con altri sistemi citati in letteratura e dimostrano l’attuabilità di un impianto totalmente elettrificato su scala industriale, il che è un aspetto necessario per lo scale-up di tali tecnologie di rimozione del carbonio, al fine di mitigare le emissioni di CO₂ difficili da abbattere (hard-to-abate) e raggiungere una profonda decarbonizzazione globale.