Environmental issues stemming from the rapid growth in global energy demand and carbon dioxide emissions require urgent resolutions. Biomass represents a viable alternative for displacing fossil fuels, as its energy can be converted into electricity, heat, fuels, and chemical precursors, thus substituting petrochemicals. It is also the only carbon-containing renewable resource with substantial potential to mitigate environmental degradation, attain carbon-negative emissions, and drive sustainable development. Syngas production from biomass pyrolysis and in-line catalytic upgrading has attracted an increased attention, since it is a promising approach for further generating renewable bio-fuels, bio-chemicals, and bio-materials. Hydrogen isolated from bio-syngas is a clean and promising secondary energy source and carrier, capable of advancing a carbon-free energy system across technological, economic, and societal dimensions. 

This dissertation aims to realize a full valorization of biomass into renewable and affordable hydrogen-rich syngas and carbon-based battery anodes (hard carbons) through pyrolysis and in-line catalytic upgrading using biochar as the core of the catalyst strategy. Biochar, a carbon-enriched solid material with a carbon-neutral nature, emerges as a promising catalyst for promoting volatile upgrading owing to its extensively functionalized surface, porous structure, and resistance to coke deactivation.

Optimization of the catalyst strategy using biochar-based catalysts in the catalytic upgrading process to enhance syngas quality is critical for scaling up the proposed process. This dissertation first investigated the effect of Ni-based, biochar, cascaded biochar+Ni-based, and engineered biochar catalysts on the catalytic performance in terms of the syngas yield, hydrogen yield, and gas energy conversion efficiency (GECE). Among them, the cascaded biochar+Ni-based catalyst and the Ni-doped biochar (NiBC) catalyst showed the most excellent catalytic performance. Using NiBC as a reforming catalyst introduced 78.2 wt. % of syngas consisting of an H2+CO proportion of 94.6 vol. % while applying cascaded biochar + NiAlO catalyst strategy resulted in 71 wt. % of syngas with a total H2+CO proportion of 89.5 vol. %. However, after a three-time test repetition, the Ni-doped biochar catalyst showed a slightly decreasing catalytic performance. In contrast, the cascaded biochar+NiAlO catalyst showed a stable promoting performance in terms of syngas and H2 yields after 15 feeding cycles. In addition, plastic waste, being a carbonaceous resource, was also applied in the pyrolysis and in-line catalytic upgrading process for hydrogen and high-value-added carbon production by using biochar as a cracking catalyst. 

In order to evaluate the techno-economic viability of the proposed process, a novel biorefinery concept was simulated and assessed based on the above results, aiming to produce affordable hydrogen and high-quality hard carbons from biomass and to realize negative carbon emissions. The proposed biorefinery was estimated to produce 75 kg of H2, 169 kg of hard carbon, and 891 kg of captured CO2 (95% purity) per metric ton of biomass while realizing a payback period (PBP) within two years at reference prices of 13.7 €/kg and 5 €/kg for HCs and H2. At the same time, a negative emission of the proposed biorefinery could be achieved with -0.89 kg CO2-eq/kg-biomass based on Sweden’s wind electricity, considering the captured CO2.

A pilot-scale system using a continuous pyrolysis reactor was deployed to scale up the capacity of the proposed process. The catalytic performance of biochar was examined in terms of products’ distribution, gas composition and gas properties. Critical parameters, such as the weight hourly space velocity (WHSV), particle size and the morphology of the catalysts, and pressure drop of the catalyst bed, were evaluated. The results showed that a lower WHSV favours a higher syngas yield, a higher H2+CO proportion, and a higher hydrogen yield due to a longer residence time for volatiles-char contacts. Smaller catalyst particle sizes correspond to higher bed pressure drop, which resulted in a higher syngas and hydrogen yield. In addition, biochar particles with larger bulk density and more spherical and rounded shape introduced higher syngas yield, H2 +CO proportion, and H2 yield compared to the particles with elongated and angular shape. The stability of using biochar as a catalyst in a continuous feeding system was also examined and verified in this dissertation, which indicated its great anti-coking performance.

Miljöproblem som uppkommer från den snabba tillväxten av den global energiefterfrågan och koldioxidutsläpp kräver brådskande lösningar. Biomassa representerar ett hållbart alternativ för att ersätta fossila bränslen, eftersom dess energi kan omvandlas till elektricitet, värme, bränslen och kemiska prekursorer och därigenom ersätta petrokemikalier. Det är också den enda existernade kolbaserade förnybara resursen och som har en betydande potential att mildra miljöförstöring, uppnå koldioxidnegativa utsläpp och driva hållbar utveckling. En syngasproduktion från en kombinerad pyrolys av biomassa och en katalytisk uppgradering har attraherat ökad uppmärksamhet, eftersom det är ett övertygande tillvägagångssätt för att generera förnybara biodrivmedel, biokemikalier och biomaterial. Vätgas som isolerats från bio-syngas utgör en ren och lovande sekundär energikälla och bärare som kan främja ett kolfritt energisystem med avseende på teknologiska, ekonomiska och samhälleliga dimensioner.

Denna avhandling syftar till att förverkliga en fullständig värdering av biomassa till förnybart och prisvärt väte-rik syngas och kolbaserade batterianoder (hårdkol) genom att använda pyrolys i kombnination med en katalytisk uppgradering  där biokol används som kärnan i katalysstrategin. Biokol, som är ett kolberikat fast material med en koldioxidneutral natur, framstår som en lovande katalysator för att främja en uppgradering av flyktiga komponenter på grund av dess omfattande funktionaliserade yta, porösa struktur och motståndskraft mot kokning.

En optimering av katalysatorstrategin med biokolbaserade katalysatorer i den katalytiska uppgraderingsprocessen för att förbättra syngaskvaliteten är avgörande och grundläggande för att skala upp den föreslagna processen. Denna avhandling undersökte först effekten av användandet av Ni-baserade, biokol, kaskad biokol+Ni-baserad och ingenjörskonstruerade biokolkatalysatorer på den katalytiska prestandan med avseende på syngasutbyte, väteutbyte och effektivitet för gasenergikonvertering (GECE). Bland dessa så var prestandan med användande av kaskad biokol+Ni-baserad och Ni-tillsatt biokolkatalysatorer de bästa. Användning av NiBC som en reformeringskatalysator introducerade 78,2 viktprocent av syngas bestående av en H₂+CO-andel på 94,6 volymprocent, medan tillämpning av kaskadbiokol + NiAlO katalysatorstrategi resulterade i 71 viktprocent av syngas med en total H₂+CO-andel på 89,5 volymprocent. Dock visade försöken med en Ni-tillsatt biokolkatalysator en något minskad katalytisk prestanda efter tre upprepningar, medan försöken med en kaskad biokol+NiAlO-katalysatorn visade en stabil prestanda med avseende på syngas- och H₂-utbyten efter använding under 15 cykler. Försök med plastavfall, som är en kolbaserad resurs, gjordes också med den kombinerade pyrolysen följt av en katalytisk uppgraderingsprocess för produktion av väte och värdefulla kolprodukter med hjälp av biokol som kracknings katalysator.

Dessutom så utvärderades genomförbarheten av den föreslagna processen genom framtagande och simuleringar av ett ny bioraffinaderikoncept baserad på ovanstående resultat, med målet att producera väte och högkvalitativa hårda kol till på ett ekonomiskt gångbart sätt från biomassaavfall under en samtida generering av negativa koldioxidutsläpp. Den föreslagna bioraffinaderikonceptet beräknades producera 75 kg H₂, 169 kg HCs och 891 kg CO₂ (95% renhet) per metrisk ton biomassaavfall. Dessutom så beräknades återbetalningstiden (PBP) till upp till två år vid referenspriser på 13,7 €/kg och 5 €/kg för HCs och H₂. Samtidigt uppnåddes en negativ emission för den föreslagna bioraffinaderikonceptet motsvarande -0,89 CO₂-ekv/kg biomassa baserat på svensk vindkraftsel, med hänsyn till koldioxidinfångning.

Slutligen implementerades ett pilotskaligt system med en kontinuerlig pyrolys reaktor för att skala upp kapaciteten hos den föreslagna processen. Den katalytiska prestandan undersöktes i termer av produktfördelning, gassammansättning och gasegenskaper. Följande kritiska parametrar utvärderades: viktig per timme rymdhastighet (WHSV), partikelstorlek och katalysatorernas morfologi, tryckfall i katalysatorbädden. Resultaten visade att ett lägre WHSV värde gynnar ett högre syngasutbyte, en högre H₂+CO-andel och ett högre vätgasutbyte på grund av en längre uppehållstid för kontakter mellan flyktiga ämnen och kol. Mindre katalysatorpartikelstorlekar innebär högre tryckfall i bädden, vilket resulterade i högre syngas- och väteutbyten. Dessutom introducerade biokolpartiklar med högre bulkdensitet och mer sfärisk och rundad form ett högre syngasutbyte, H₂+CO-andel och vätgasutbyte, jämfört med partiklar med en osfärsik formjämfört med partiklarna med långsträckt och kantig form. Stabiliteten vid användning av biokol som katalysator i ett kontinuerligt matningssystem undersöktes också och verifierades i denna avhandling, dess utmärkta anti-koksningsprestanda.

Nyckelord:  Pyrolys, Katalytisk uppgradering, Biomassa, Biokol, Syngas, Vätgas