CO2 Capture and Storage – Crucial to COP21? (EN/PT)

December 12th of 2015 was a historical day for global environmental policy and for the sustainable future of the planet. In this day, 195 countries gathered in Paris, for the Climate Conference of the United Nations (COP21), agreed in reducing the Greenhouse Gas Emissions (GHG) to settle the global warming at 1.5 degrees above the planet’s temperature prior de industrial era.

Being the carbon dioxide (CO2), one of the gases that have contributed for the present scenario, it is necessary to invest and implement solutions that can mitigate the expansion and the presence of this gas in the atmosphere.

The CO2 Capture and Storage (called CCS from now on) presents itself as the most feasible solution to solve this situation. Its process consists in transferring the CO2 emitted by electric power plants or industries to geological formations perfectly isolated. These geological formations can be oil or gas depleted fields or salty aquifers situated deep under the sea level, inland or offshore. The transport which is part of the process, when necessary, can be made through pipelines or by artificial reservoirs (like tanks) that carry the compressed CO2until the large storage reservoirs. Depending on the final destination, the CO2 can be stored forever as carbon dioxide or it can be turned in other products such as carbonates, being this last solution better than the first one in case of leakage.

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Figure 1 – CAC Process. Source: World Coal Institute

CO2 emissions result mainly from the burn of fossil fuels, used to generate electricity, or as fuel for transports, in housing needs or in industries. It also can be associated to natural resources extraction industries and from deforestation. Furthermore, according to the annual report from the European Commission, 64% of the 46 billion of tones of GHG emitted in 2010 are carbon dioxide arising from industrial processes and energy production.

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Figure 2 – GEE emissions proportion by source, in 2010. / European Comission

Geographically, there are countries like China and United States that, due to their size and industrial capacity, have the same CO2 emissions’ amount that all European Union. Along with India, these 4 entities are responsible of 61% of the world overall CO2 emissions.

CCS technologies have an efficiency set between 90-95% due to their high maturity level in terms of technology, most because the standard-methods applied are already being used in oil and gas industries, as well as in other raw material extraction, so CCS can be replicated in large scale with a high level of success guaranteed.

Nowadays there are 15 large-scale projects operating around the world (see map) with the capacity to extract 28 millions of tons per year of CO2 from the Atmosphere. According to the Global CCS Institute, it’s expected that in 2017, other 7 projects start running, contributing for an additional extraction capacity of 12 million tons per year, which makes a total of 40 million tons that will be extracted from the Atmosphere every year. Those projects are proliferating globally, mainly in North America, Europe, Middle East, Australia and South Africa.

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Figure 3 – CAC Projects running or almost finished (2016). Source: Global CCS Institute

With all the information gathered until now and all the R&D around this area, it is possible to affirm that CCS technologies will see their operation costs reducing up to 30% in 2030. This will result in a lower energy consumption that is necessary for the extraction process from the power plants or industrial plants.

In Europe there are two operational CCS plants, both located at the Norwegian Coast and both with the purpose of avoiding emissions during the Natural Gas pre-combustion process. The oldest, the Spleiner,started operating in 1996 and is capable of extract yearly, almost 1 million tons of CO2. The other one, theSnøhvit, begun working in 2008 and captures around 0.7 million tons of CO2 per year. Aside of those, there are 5 more projects under development.

The techniques used in CCS plants are post-combustion, pre-combustion and oxifuel combustion. Among those known methods, the post-combustion is the most applied and is also the most feasible. The capture of CO2 during the pre-combustion of gas is largely used in the fertilizer industry and in hydrogen production. This method is also the one with the best efficiency.

The major constraints of CCS technologies rely on:

1.The consumption of extra primary energy that is necessary for capturing and transporting when associated to a power plant or an industrial plant. This increase of consumption, around 10 – 40%, according to the type of reservoir used and the distance between it and the plant, results in an increase of carbon dioxide emission and because of that, the CCS will never be able to capture the totality of the emissions produced. However, this technology can reduce the local CO2 emissions by 80 to 90%.

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Figure 5 – CAC efficiency | WMO and UNEP Carbon Dioxide and Storage

2. The choice of the storage reservoir. According to recent studies, the storage capacity is larger than the quantity of emissions to be captured; however, choosing the most suitable places involves a lot of tests and investigations, which results in extra costs, in order to dismiss any risk of leakage. This guarantee is extremely important to avoid environmental catastrophes that can occur from a sudden leakage of a high amount of concentrated CO2.

Given the current global situation, it would be important to integrate this tool in developing countries (non OCDE) that have their economy growing in order to avoid the major impacts that can arise from their industrial sector and need for consuming more energy.

Not being the perfect solution, CCS is an important (I even dare say crucial) step to achieve the goals set in Paris, so the legislation about this area must be revised and restructured in order to allow a fast and significant entry of this technology everywhere, even more, in countries with high levels of GHG emissions.

Author: Jorge Seabra Sousa  | Energy Procurement Consultant.

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[Versao em Portugues]

12 de Dezembro 2015 foi um dia histórico para a política ambiental mundial e para o futuro sustentável do planeta. Neste dia, 195 países reunidos em Paris, na Conferência das Nações Unidas para o Clima (COP 21), concordaram em reduzir as emissões de gases com efeitos de estufa (GEE) para limitar a subida da temperatura do globo acima de 1.5 graus, em relação à era pré-industrial.

Sendo o dióxido de carbono (CO2), um dos gases que mais contribuíram para o panorama atual, é necessário investir e implementar soluções que mitiguem a proliferação e presença deste gás na atmosfera.

A captura e armazenamento de CO2 (denominado em diante por CAC) apresenta-se como a solução mais viável para resolver esta situação. O processo consiste em transferir o CO2 proveniente de centrais elétricas ou de instalações industriais para formações geológicas perfeitamente isoladas. Estas formações geológicas podem ser campos petrolíferos ou de gás esgotados, ou ainda aquíferos salinos situados bastante abaixo do nível do mar. O transporte que também é parte integrante deste tema, quando necessário, poderá ser efetuado mediante pipelines ou por transporte em reservatórios artificiais (como tanques) de menor escala até aos locais de armazenamento final. Consoante o destino final do CO2, este pode ser armazenado indefinidamente na sua forma original ou poderá transformar-se em outros componentes como carbonatos, sendo esta última uma solução mais favorável que a primeira em caso de fugas.

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Figure 1 – CAC Process. Source: World Coal Institute

As emissões de CO2 resultam principalmente da queima de combustíveis fósseis utilizados, quer na geração de eletricidade, quer nos motores de automóveis ou a nível residencial, ou ainda associada à exploração industrial. O dióxido de carbono também resulta da exploração de recursos naturais e da desflorestação.

De acordo com o relatório anual da Comissão Europeia, 64% das 46 biliões de toneladas de gases com efeito de estufa emitidos em 2010 corresponderam ao dióxido de carbono proveniente de processos industriais e geração de energia.

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Figure 2 – GEE emissions proportion by source, in 2010. / European Comission

A nível geográfico, temos países como a China e o Estados Unidos que, devido às suas dimensões e capacidade industrial, emitem a mesma quantidade de CO2 que a União Europeia. Juntamente com a Índia, estas 4 potências são responsáveis por 61% das emissões de CO2 em todo o mundo.

As tecnologias de CAC apresentam-se com um grau de eficiência na ordem dos 90-95% devido ao seu elevado grau de maturação a nível tecnológico, muito porque o método base aplicado já é utilizado na exploração petrolífera, de gás natural e de outras matérias-primas há muito tempo, estando preparado para ser replicado em larga escala com um elevado grau de sucesso garantido.

Atualmente existem 15 projetos de larga-escala operacionais em todo o mundo (ver mapa), com uma capacidade de extração de 28 milhões de toneladas por ano de CO2 da atmosfera. Segundo o Global CCS Institute, prevê-se que até 2017 outros 7 projetos estejam finalizados contribuindo para uma extração adicional de 12 milhões de toneladas por ano, perfazendo um total de 40 milhões de toneladas a serem extraídas da Atmosfera todos os anos. Geograficamente, a sua proliferação será global, principalmente na América do Norte, Europa, Médio, Austrália e África do Sul.

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Figure 3 – CAC Projects running or almost finished (2016). Source: Global CCS Institute

Com a informação recolhida até ao momento e com toda a I&D em torno desta área é possível afirmar que as tecnologias de CAC verão os seus custos de operação reduzidos até 30% em 2030, o que se traduzirá num menor consumo de energia necessária para o processo de extração por parte das centrais de geração de energia ou de exploração industrial.

Na Europa existem dois centros de CAC em funcionamento, ambos ao largo da Noruega e ambos com o propósito de evitar emissões durante a pré-combustão de Gás Natural. O mais antigo, o Sleipner, iniciou o seu funcionamento em 1996 e retira anualmente, perto de 1 milhão de toneladas de CO2, enquanto que a Snøhvitiniciou o seu processo de extração em 2008 e retira anualmente 0.7 milhões de toneladas por ano.

Como método de abordagem, existem métodos de captura pós-combustão, pré-combustão e de combustãooxifuel. Dos métodos existentes, o de pós-combustão é o mais utilizado e é também o mais viável. A captura de CO2 antes da combustão do gás é muito utilizado no setor dos fertilizantes e na produção de hidrogénio, sendo o método com melhores resultados.

Os grandes constrangimentos desta tecnologia residem:

1.No consumo extraordinário de energia primária necessária para o processo de captura e transporte. Este aumento de consumo, situado entre os 10% e os 40%, mediante o tipo de reservatório e a distância entre o local de captura e de armazenamento, traduz-se, logicamente, num aumento na emissão de dióxido de carbono e como tal, o processo de CAC nunca conseguirá captar a totalidade de emissões existente. No entanto, esta tecnologia consegue reduzir as emissões de CO2 do local em questão entre os 80%-90%.

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Figure 5 – CAC efficiency | WMO and UNEP Carbon Dioxide and Storage

2.Na escolha do reservatório de armazenamento. Segundo estudos recentes, existe maior capacidade de armazenamento do que quantidade de emissões a capturar, no entanto a escolha correta desses reservatórios envolve vários testes e estudos, resultando em custos adicionais, por forma a assegurar que não existe risco eminente de fugas. Esta certeza é importantíssima para evitar desastres ambientais que possam advir da libertação repentina de uma grande concentração de CO2.

Dado a situação global atual, seria importante integrar esta ferramenta nos países em desenvolvimento (não OCDE) de forma a evitar impactos maiores provenientes da sua explosão no setor industrial e consequente necessidade de consumir mais energia.

Não sendo esta a solução perfeita, a implementação destas tecnologias é um passo importante, diria até crucial, para atingir os objetivos definidos em Paris, por isto, a legislação sobre este tema deve ser revista e restruturada, o quanto antes, de forma a permitir uma entrada rápida e impactante destas tecnologias, principalmente, nos países com elevadas quotas de emissões de gases de efeito de estufa.

Author: Jorge Seabra Sousa  | Energy Procurement Consultant.

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