Biogas solutions offer many benefits for the environment and society, including organic waste treatment as well as being an enabler for energy and nutrient recovery. The products of anaerobic digestion are a biogas, which contains a share of 30 to 50% carbon dioxide (CO₂) and 50 to 70% methane, and a liquid remanent, rich in nutrients. The biogas can be upgraded by removing the CO₂ to increase the energy content, producing biomethane. At present, CO₂ is considered a waste in biomethane production systems, and hence it is emitted into the atmosphere. Nevertheless, biogas upgrading technologies separate a pure-grade CO₂ and, likewise, carbon capture processes, providing a pure CO₂ flow that can be stored or utilized. Compared to storage, carbon capture and utilization (CCU) technologies deliver valuable carbon-based products required to sustain human activities. The valorization of green CO₂ could aid the transition towards defossilization of the economy. Indeed, several CO₂ utilization technologies could be incorporated into biomethane production systems, but there is still a limited understanding of the available alternatives and their potential impacts on biomethane systems.

This thesis aims to investigate the integration of CO₂ utilization technologies in biomethane production systems by revealing its potential, identifying alternatives, and assessing the impacts of the integration. Using Sweden as an example, scenarios of future biomethane production were employed to estimate the potential CO₂ available for utilization. To complement the analysis, a qualitative approach made possible the identification of aspects that could affect CO₂ utilization in biomethane production. Moreover, a multi-criteria analysis (MCA) framework was developed to identify relevant indicators for assessment and available alternatives for CO₂ utilization. The research also includes a life cycle assessment (LCA) to evaluate the climate performance of relevant CCU alternatives in the biomethane production system.

Results show that 160 kt of CO₂ could be obtained from biomethane production in Sweden, which could potentially increase threefold from 2020 to 2030. The evaluation of alternatives for CO₂ utilization includes environmental, technical, economic, and social criteria with sound indicators within an MCA framework. Indicators to evaluate each criterion provide valuable information to identify feasible and sustainable alternatives that can be integrated into biomethane plants. The identified alternatives with a high readiness level are additional methane through methanation, horticulture, mineral carbonates, fuels, pH control, bulk chemicals, and liquefied CO₂ for direct use. The results provide information to decision-makers in relation to considerations to take before implementation, like energy requirements, the existence of regulations and standards, and uncertainty. In terms of the climate performance of biomethane with the inclusion of CCU alternatives, the results show a possible reduction of CO₂ emissions that depends on the possibility of substituting fossil-based products. The investigated alternatives all result in lower emissions, but concrete curing and methanation using renewable hydrogen produce the best results.

To conclude, the potential future increase of green CO₂ from biomethane in Sweden creates opportunities to substitute fossil carbon in current applications and mature conversion pathways. Moreover, the inclusion of CCU in biomethane production contributes to reducing biomethane system emissions and diversifying its products. Possible alternatives of CCU that can be integrated into biomethane production systems in the short term include methanation and concrete curing. Other alternatives could be possible but present lower performance and higher uncertainties at the moment.

Biogaslösningar kan ge en mängd positiva miljömässiga och samhällsviktiga effekter, inklusive behandling av organiskt avfall och framställning av energi och näringsämnen. Produkterna från anaerob rötning är dels biogas, som består från 30 till 50% av koldioxid (CO₂) och 50 till 70% av metan, dels en flytande rötrest med högt näringsinnehåll. Biogasen kan uppgraderas genom att ta bort CO₂ för att öka energiinnehållet, och på så vis framställs biometan. CO₂ ses för närvarande som en restprodukt i produktionssystemet och släpps därför vanligtvis ut i atmosfären. Tekniker för uppgradering av biogas liknar dock processer för infångning av CO₂, där högkoncentrerade flöden av CO₂ lagras (CCS) eller används (CCU). Till skillnad från lagring bidrar tekniken för CCU till att skapa produkter som behövs för att upprätthålla samhällsviktiga funktioner. Dessa valoriseringar av grön CO₂ skulle kunna stödja övergången mot ett fossilfritt ekonomiskt system. Faktum är att det finns ett flertal tekniker som skulle kunna integreras i produktionssystem för biometan, men kunskapen om dessa tekniker och deras inverkan på biometansystemet är begränsad.

Denna avhandling syftar till att undersöka integrationen av tekniska lösningar för nyttiggörande av CO₂ vid framställning av biometan genom att påvisa dess potential, identifiera alternativa tekniska lösningar, och utvärdera integrationens följder. Med Sverige som exempel skapades scenarier för framtida biometanproduktion för att uppskatta mängden CO₂ som skulle kunna tas om hand. Som ett komplement till dessa uppskattningar tillämpades ett kvalitativt tillvägagångssätt som identifierade aspekter som skulle kunna påverka CO₂-användningen vid biometanproduktion. Dessutom utvecklades ett multikriterieanalytiskt (MCA) ramverk för att identifiera relevanta indikatorer för utvärdering och möjliga alternativ för CO₂-användning. En livscykelanalys (LCA) tillämpades även för att utvärdera klimatprestandan för relevanta CCU-alternativ inom produktionssystem för biometan.

Forskningsresultaten visar att 160 kt skulle kunna erhållas från biometanproduktion i Sverige. För Sveriges del finns det en potential att öka den insamlade mängden CO₂ från biometan upp till tre gånger under perioden 2020 till 2030. I utvärderingen av de tekniska lösningarna inkluderas miljömässiga, tekniska, ekonomiska och regulatoriska kriterier för indikatorer inom ett MCA-ramverk. Dessa indikatorer användes för att utvärdera hur respektive kriterium bidrar till att identifiera realiserbara tekniska lösningar som kan integreras i biometananläggningar. De identifierade teknikerna med hög mognadsgrad är framställning av ytterligare metan genom metanisering, biomassa, karbonatmineral, bränslen, pH-värdesreglering, baskemikalier och flytande CO₂ för direkt användning. Varje alternativ har dock faktorer som skulle kunna hindra implementering, såsom höga energikrav, lagstiftningar och standarder samt hög osäkerhet. När det gäller klimatprestandan för biometan med olika CCU-alternativ visar resultaten på en möjlig minskning av CO₂-utsläpp som beror på möjligheten att substituera fossilbaserade produkter. Alla de undersökta alternativen resulterar i lägre utsläpp, men härdning av betong och metanisering med förnybar vätgas ger bäst resultat.

Slutsatsen som dras är att det finns en stor potential i Sverige att framställa grön CO₂ från biometan vilken skulle skapa flera möjligheter att byta fossilbaserade produkter i nuvarande tillämpningar. Införandet av CCU i biometanproduktion kan dessutom bidra till att minska biogassystemets utsläpp och diversifiera produktutbudet. Möjliga alternativ för CCU som kan integreras med biometanproduktionssystem på kort sikt inkluderar metanisering och betonghärdning. Andra alternativ kan också vara aktuella, men uppvisar för närvarande lägre prestanda och högre osäkerhet.

Biomethane production is expected to expand to meet the growing demand for renewable, secure, and locally available energy sources. Among available production technologies, anaerobic digestion (AD) plays a key role by supporting sustainable development through resource recovery, organic waste management, and biofertilizer production. However, carbon management within AD-based systems can be further improved. During biogas upgrading,biogenic CO₂, which accounts for around 30–50% of the biogas composition, is typically separated and emitted to the atmosphere. Integrating CO₂ utilization alternatives could enhance the system and support defossilization by enabling its direct use or conversion into value-added carbon-based products. Despite this potential, knowledge regarding the feasibility and performance of such alternatives remains limited.

This thesis evaluates viable CO₂ utilization alternatives in AD-based biomethane production systems to support decision making, using Sweden as an example. A multi-criteria analysis framework was developed and applied to identify and compare relevant alternatives. Moreover, contextual factors influencing the deployment of CO₂ utilization were examined. In addition, a lifecycle perspective was used to assess the environmental and economic performance of integrating CO₂ utilization alternatives in AD-based biomethane production.

The results indicate that methanation, liquefied CO₂, horticulture, and mineral carbonates are the most viable alternatives in the short term comparedto other chemicals and fuels. Nevertheless, low certainty and diverse factors likesensitivity to impurities, energy requirements, potential regulations, andstandards to meet hinder their implementation.Although CO₂ utilization is technically compatible with AD systems,uncertainties related to plant scale, dispersion, and overall system configuration hinder deployment and complicate cost estimations. Favorable market conditions, improved environmental performance, and resource efficiency act as drivers for implementation, whereas uncertain policy landscape, high costs, pricing, market uncertainty, and infrastructure constraints remain key barriers.

Compared to carbon capture and storage, feasible CO₂ utilization alternatives can potentially reduce the climate impact while also improving performance in other environmental categories. Among the alternatives, methanation significantly improves climate performance by increasing the biomethane yield but requires low-carbon-intensity electricity for hydrogen production. Furthermore, liquefied CO₂ reduces climate impact mainly by replacing fossil-based CO₂ and does not impose a significant economic burden on biomethane plants. However, it requires additional purification and faces market size constraints.

The high concentration of biogenic CO₂ from AD-based biomethane production makes it an attractive resource for utilization. Nevertheless, a systems perspective is essential when assessing its integration. While several utilization alternatives are technically feasible and can potentially improve environmental performance, their implementation depends strongly on technical conditions and broader contextual factors. Clear policy frameworks and targeted market incentives are crucial to accelerate CO₂ utilization deployment.

Produktionen av biometan förväntas öka i takt med den växande efterfrågan på förnybara, säkra och lokalt tillgängliga energikällor. Bland tillgängliga produktionstekniker spelar anaerob nedbrytning (anaerobic digestion, AD) en central roll genom att bidra till hållbar utveckling via resursåtervinning, hantering av organiskt avfall och produktion av biogödsel. Kolförvaltningen inom AD-baserade system kan dock förbättras ytterligare. Vid uppgradering av biogas separeras biogen CO₂, som utgör cirka 30–50 % av biogasenssammansättning, och ventileras vanligtvis ut i atmosfären. Integrering av alternativ för CO₂-användning kan bidra till ökad defossilisering genom direktanvändning eller omvandling till värdefulla koldioxidbaserade produkter. Trots denna potential är kunskapen om genomförbarhet och prestanda för sådana alternativ fortfarande begränsad.

Denna avhandling utvärderar genomförbara alternativ för CO₂-användning i AD-baserade biometansystem för att stödja beslutsfattande, med Sverige som exempel. Ett ramverk för multikriterieanalys utvecklades och tillämpades för att identifiera och jämföra relevanta alternativ. Därutöver analyserades kontextuella faktorer som påverkar implementeringen av CO₂-användning. Ett livscykelperspektiv användes även för att bedöma den miljömässiga och ekonomiska prestandan vid integrering av CO₂-användningsalternativ i AD-baserad biometanproduktion.

Resultaten visar att metanisering, flytande CO₂, hortikulturell användning och mineralisering mineralkarbonater är de mest genomförbara alternativen. Deras implementering kräver dock beaktande av ekonomiska, miljömässiga och sociala dimensioner. Även om alternativen är tekniskt kompatibla med AD-system försvåras implementeringen av osäkerheter kopplade till anläggningsskala, geografisk spridning och övergripande systemkonfiguration,vilket även komplicerar kostnadsuppskattningar. Gynnsamma marknadsförhållanden, förbättrad miljöprestanda och resurseffektivitet fungerar som drivkrafter, medan en osäker politisk kontext, höga kostnader, prisosäkerhet, marknadsosäkerhet och infrastrukturella begränsningar utgör centrala hinder.

Jämfört med koldioxidavskiljning och lagring kan CO₂-användning potentiellt minska klimatpåverkan och samtidigt förbättra prestandan i andra miljöpåverkanskategorier. I jämförelse med övriga alternativ ger metaniseringen betydande förbättring av klimatprestandan genom att öka produktionen av biometan, men kräver el med låg koldioxidintensitet för vätgasproduktion. Flytande CO₂ förbättrar klimatprestandan främst genom att ersätta fossilbaserad CO₂ och innebär generellt inte en betydande ekonomisk belastning förbiometananläggningar. Den kräver dock ytterligare rening och begränsas av marknadsstorlek och kvalitetskrav.

Den höga koncentrationen av biogen CO₂ från AD-baserad biometanproduktion gör den till en attraktiv resurs för användning. Ett systemperspektiv är dock avgörande vid bedömning av dess integration. Även om flera användningsalternativ är tekniskt genomförbara och kan förbättra miljöprestandan, beror deras implementering i hög grad på tekniska förutsättningar och bredare kontextuella faktorer. Tydliga politiska ramverk och riktade marknadsincitament är avgörande för att påskynda utvecklingen av CO₂-användning.