An Analysis of Basin-Scale CO 2 Emissions Management for Oil - - PowerPoint PPT Presentation

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An Analysis of Basin-Scale CO 2 Emissions Management for Oil - - PowerPoint PPT Presentation

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An Analysis of Basin-Scale CO 2 Emissions Management for Oil Shale Development Gordon N. KeaIng*, Richard S. Middleton, Donatella Pasqualini, Rajesh Pawar,

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An ¡Analysis ¡of ¡Basin-­‑Scale ¡CO2 ¡Emissions ¡ Management ¡for ¡Oil ¡Shale ¡Development ¡

30th ¡Oil ¡Shale ¡Symposium, ¡Golden, ¡CO ¡ October ¡19, ¡2010 ¡

Gordon ¡N. ¡KeaIng*, ¡Richard ¡S. ¡Middleton, ¡Donatella ¡Pasqualini, ¡ ¡ Rajesh ¡Pawar, ¡Philip ¡H. ¡Stauffer, ¡Hari ¡Viswanathan, ¡and ¡ ¡ Andrew ¡V. ¡Wolfsberg ¡

Earth ¡and ¡Environmental ¡Sciences, ¡Los ¡Alamos ¡NaIonal ¡Laboratory ¡

¡ Funded ¡by ¡DOE ¡NPOSR ¡and ¡Office ¡of ¡Fossil ¡Energy ¡/ ¡NETL ¡Carbon ¡Program ¡ ¡ ¡

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OS ¡Integrated ¡Assessment ¡

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Carbon ¡Management ¡for ¡OS ¡Development ¡

  • Oil ¡shale ¡in ¡the ¡Piceance ¡Basin ¡

– 1.5 ¡Tbbl ¡of ¡oil ¡in ¡place ¡(Saudi ¡Arabia: ¡0.267 ¡ Tbbl) ¡ – very ¡energy ¡intensive ¡→ ¡CO2 ¡management ¡ – CO2 ¡per ¡barrel: ¡110 ¡to ¡496 ¡kg/bbl ¡ ¡ ¡→ ¡1.5 ¡MMbbl/d: ¡ ¡60 ¡to ¡243 ¡MtCO2/yr ¡ ¡ Focus: ¡

  • Shell ¡ICP ¡
  • CO2 ¡from ¡electricity ¡

generaIon, ¡retort ¡gas ¡ cleanup ¡

  • Carbonuff ¡ ¡≈ ¡ ¡Carbonconv ¡
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Modeling ¡Approach ¡

CO2 ¡source ¡term: ¡

  • CLEARuff ¡ ¡dynamical ¡assessment ¡model ¡
  • ICP ¡producIon ¡process, ¡electricity ¡

generaIon, ¡CO2 ¡emissions ¡/capture ¡ CO2 ¡TransportaIon: ¡

  • SimCCS ¡infrastructure ¡opImizaIon ¡
  • Pipeline ¡network ¡design ¡and ¡costs ¡

CO2 ¡SequestraIon: ¡

  • CO2-­‑PENS ¡ ¡geologic ¡

sequestraIon ¡performance ¡and ¡ assessment ¡model ¡

  • Reservoir ¡capacity ¡and ¡on-­‑site ¡

costs ¡

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  • 1. SequestraIon ¡basin ¡
  • 2. Geologic ¡formaIons ¡
  • 3. Land ¡access ¡
  • 4. Site ¡locaIons ¡
  • 5. Reservoir ¡capacity, ¡injecIvity ¡
  • 6. Infrastructure ¡
  • 7. Safety ¡and ¡risk ¡

¡

Site ¡Screening ¡

SequestraIon ¡ Basin ¡ Oil ¡Shale ¡ Development ¡ Castlegate Entrada

Candidate ¡ formaIons ¡are ¡ screened ¡by ¡ reservoir ¡ depth, ¡ targeIng ¡1-­‑4 ¡ km ¡(ca. ¡ 3300-­‑13100’) ¡

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  • 1. SequestraIon ¡basin ¡
  • 2. Geologic ¡formaIons ¡
  • 3. Land ¡access ¡
  • 4. Site ¡locaIons ¡
  • 5. Reservoir ¡capacity, ¡injecIvity ¡
  • 6. Infrastructure ¡
  • 7. Safety ¡and ¡risk ¡

¡

Site ¡Screening ¡

States, ¡roads, ¡rail ¡ Terrain ¡ Land ¡Use ¡ Land ¡Ownership ¡/ ¡ protecIon ¡

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Reservoir ¡Capacity, ¡InjecIvity ¡

Increasing depth

Results: ¡

  • 9 ¡sites: ¡6.5 ¡GtCO2 ¡capacity ¡

à à131 ¡MtCO2/yr ¡for ¡50 ¡yr ¡

  • Capacity ¡controlled ¡by ¡

¡thickness ¡& ¡porosity ¡ ¡(reservoir ¡volume) ¡

  • Increasing ¡depth ¡–> ¡increasing ¡

capacity ¡ CO2-­‑PENS ¡

  • Uncertain ¡inputs: ¡ ¡reservoir ¡

permeability, ¡porosity, ¡thickness; ¡ distribuIon ¡piping ¡costs ¡ ¡

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Reservoir ¡Capacity, ¡InjecIvity ¡

Increasing depth

Results: ¡

  • Costs ¡are ¡funcIon ¡of ¡injec3vity ¡– ¡

controlled ¡by ¡permeability ¡

  • Drilling ¡cost ¡(94%) ¡and ¡piping ¡(6%) ¡
  • Deeper ¡sites ¡require ¡fewer ¡wells ¡and ¡

are ¡cheaper ¡

CO2-­‑PENS ¡

Site ¡ID ¡ Forma3on ¡ Site ¡ Area ¡ (km2) ¡

  • Repres. ¡

Deptha ¡ (m) ¡ Reservoir ¡ Capacity ¡(Mt) ¡ Injec3on ¡ Capacity ¡(Mt/yr) ¡ Onsite ¡Costsb ¡ ($/t) ¡ Mean ¡

  • Std. ¡
  • Dev. ¡

Mean ¡

  • Std. ¡
  • Dev. ¡

Mean ¡

  • Std. ¡
  • Dev. ¡

1 ¡ Castlegate ¡ 900 ¡ 2000 ¡ 817 ¡ 242 ¡ 16.3 ¡ 4.8 ¡ 0.69 ¡ 0.27 ¡ 2 ¡ Castlegate ¡ 486 ¡ 3500 ¡ 722 ¡ 214 ¡ 14.4 ¡ 4.3 ¡ 0.40 ¡ 0.16 ¡ 3 ¡ Castlegate ¡ 594 ¡ 2500 ¡ 650 ¡ 193 ¡ 13.0 ¡ 4.0 ¡ 0.55 ¡ 0.22 ¡ 4 ¡ Castlegate ¡ 660 ¡ 2000 ¡ 599 ¡ 178 ¡ 12.0 ¡ 3.6 ¡ 0.70 ¡ 0.27 ¡ 5 ¡ Castlegate ¡ 750 ¡ 1500 ¡ 546 ¡ 162 ¡ 10.9 ¡ 3.2 ¡ 1.20 ¡ 0.47 ¡ 6 ¡ Entrada ¡ 812 ¡ 3000 ¡ 1550 ¡ 394 ¡ 31.0 ¡ 7.9 ¡ 0.47 ¡ 0.18 ¡ 7 ¡ Entrada ¡ 504 ¡ 2000 ¡ 677 ¡ 173 ¡ 13.5 ¡ 3.5 ¡ 0.71 ¡ 0.27 ¡ 8 ¡ Entrada ¡ 289 ¡ 1800 ¡ 357 ¡ 91 ¡ 7.1 ¡ 1.8 ¡ 0.85 ¡ 0.32 ¡ 9 ¡ Entrada ¡ 576 ¡ 1500 ¡ 620 ¡ 158 ¡ 12.4 ¡ 3.2 ¡ 1.21 ¡ 0.46 ¡ Total: ¡ 6538 ¡ 131 ¡ ¡Notes: ¡

aRepresentaIve ¡depth ¡reflects ¡the ¡depth ¡to ¡the ¡top ¡of ¡the ¡reservoir ¡near ¡the ¡center ¡of ¡the ¡site. ¡The ¡

reservoir ¡depth ¡typically ¡varies ¡across ¡the ¡site ¡due ¡to ¡regional ¡formaIon ¡dip. ¡

bOn-­‑site ¡costs ¡include ¡costs ¡for ¡drilling ¡new ¡injector ¡wells, ¡refurbishing ¡exisIng ¡wells ¡for ¡use ¡as ¡injectors, ¡

and ¡distribuIon ¡piping ¡to ¡the ¡wellheads; ¡calculated ¡by ¡CO2-­‑PENS. ¡

SimCCS ¡

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Source ¡Term ¡

Data ¡from ¡ Rubin ¡et ¡al. ¡2005 ¡ Brandt ¡2008 ¡ DOE ¡2006 ¡ Dooley ¡et ¡al. ¡2009 ¡

Production Level (MMbbl/day) Carbon Captured (MtCO2/yr)

  • 1. NGCC

Carbon Captured (MtCO2/yr)

  • 2. NGCC + IGCC

0.1 (single company) 6 10 0.5 (group of companies) 32 47 1.3 (1/4 U.S. domestic

production)

83 127 CO2 ¡Source ¡term ¡(from ¡CLEARuff) ¡ ¡ Two ¡Scenarios ¡for ¡electricity ¡generaIon ¡ from ¡co-­‑generated ¡NG ¡+ ¡addiIonal ¡fuel: ¡

  • 1. 100% ¡NGCC ¡ ¡
  • 2. NGCC ¡+ ¡IGCC ¡

9-­‑site ¡capacity ¡ 131 ¡MtCO2/yr ¡

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Infrastructure ¡OpImizaIon ¡

SimCCS ¡

  • Cost ¡Surface ¡built ¡on ¡land ¡use/

cover, ¡slope, ¡aspect, ¡populaIon ¡ density, ¡river ¡crossings, ¡ROWs… ¡ ¡

  • One ¡aggregated ¡CO2 ¡source ¡

including ¡power ¡plants ¡and ¡ retort ¡cleanup ¡

  • Nine ¡sinks ¡of ¡variable ¡area ¡(289 ¡

– ¡900 ¡km2), ¡target ¡formaIon ¡ (CASTLEGATE ¡or ¡ENTRADA ¡ Sandstone), ¡depth ¡to ¡the ¡top ¡of ¡ the ¡reservoir ¡(average ¡1500 ¡– ¡ 3500 ¡m), ¡and ¡distance ¡from ¡the ¡ presumed ¡CO2 ¡source. ¡ ¡

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CO2 ¡Transport: ¡Infrastructure ¡OpImizaIon ¡

Pipeline ¡size ¡(capacity) ¡ Sink ¡capacity ¡and ¡cost ¡ Sink ¡proximity ¡to ¡source ¡ Network ¡topology ¡ Network ¡cost ¡ Vary ¡as ¡the ¡CO2 ¡source ¡ rate ¡increases ¡

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CO2 ¡Transport: ¡Infrastructure ¡OpImizaIon ¡

Economic ¡Results: ¡

  • IniIal ¡decline ¡in ¡pipeline ¡costs ¡
  • Storage ¡costs ¡iniIally ¡constant, ¡

rise ¡with ¡increasing ¡uIlity ¡

  • Window ¡of ¡minimum ¡costs: ¡30 ¡

to ¡80 ¡MtCO2/yr ¡

Compare ¡to ¡$0.5/tCO2 ¡ ¡($0.40 ¡-­‑ ¡$4.5/tCO2) ¡ IPCC ¡(2005), ¡ ¡U.S. ¡onshore ¡storage ¡in ¡saline ¡aquifer ¡

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CO2 ¡Transport: ¡Infrastructure ¡OpImizaIon ¡

Results: ¡non-­‑linear ¡relaIonship ¡ between ¡spaIal ¡deployment ¡of ¡ CCS ¡infrastructure ¡and ¡oil-­‑shale ¡ producIon ¡rate ¡

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Effect ¡of ¡Reservoir ¡Uncertainty ¡

Carbon ¡management ¡scenario ¡(MtCO2/yr) ¡ Carbon ¡management ¡scenario ¡(MtCO2/yr) ¡

70 ¡MtCO2/yr ¡carbon ¡ management ¡scenario, ¡ ¡ ¡ 100 ¡solu3ons ¡

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Conclusions ¡

  • Nine ¡example ¡sites ¡in ¡a ¡13,300 ¡km2 ¡area ¡have ¡the ¡

capacity ¡to ¡store ¡6.5 ¡GtCO2 ¡ ¡ ¡(131 ¡MtCO2/yr), ¡ corresponding ¡to ¡shale-­‑oil ¡producIon ¡of ¡1.3 ¡MMbbl/ day ¡for ¡50 ¡years ¡(about ¡1/4 ¡of ¡U.S. ¡crude ¡oil ¡ producIon) ¡

  • The ¡interplay ¡among ¡pipeline ¡size, ¡sink ¡capacity ¡and ¡

cost, ¡and ¡sink ¡locaIon ¡produce ¡non-­‑intuiIve ¡variaIons ¡ in ¡the ¡network ¡topology ¡and ¡cost ¡as ¡the ¡CO2 ¡source ¡ rate ¡increases. ¡

Kea3ng ¡et ¡al. ¡(2010). ¡Meso-­‑scale ¡carbon ¡sequestraIon ¡site ¡screening ¡and ¡CCS ¡ infrastructure ¡analysis, ¡Environmental ¡Science ¡& ¡Technology, ¡(Online) ¡ArScles ¡ ASAP, ¡DOI: ¡10.1021/es101470m. ¡

  • Reservoir ¡uncertainty ¡has ¡a ¡significant ¡impact ¡
  • n ¡CCS ¡infrastructure ¡