Oil shale as an energy resource in a CO 2 constrained - - PowerPoint PPT Presentation

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Oil shale as an energy resource in a CO 2 constrained world: Electricity produc8on with in-situ carbon capture (EPICC) Hiren Mulchandani , Adam Brandt * ,

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Oil ¡shale ¡as ¡an ¡energy ¡resource ¡in ¡a ¡CO2 ¡constrained ¡ world: ¡Electricity ¡produc8on ¡with ¡in-­‑situ ¡carbon ¡ capture ¡(EPICC) ¡

Hiren ¡Mulchandani, ¡Adam ¡Brandt*, ¡Jerry ¡Boak ¡ 30th ¡Oil ¡Shale ¡Symposium ¡– ¡Oct. ¡20th ¡2010 ¡ ¡ *abrandt@stanford.edu ¡

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De Description o n of proble lem m

  • Slo

low p progress to to comme mmerciali lize

  • il s

l sha hale le

  • Potent

ntial C l CO2 cons nstraint nt i in n future future

De Description o n of solu lution n

  • Sche

hema matic di diag agram ram

  • Case

Case descriptions ns

Result lts

  • Te

Temperature plo lot

  • Mass b

bala lanc nce plo lots

  • Ene

nergy y bala lanc nce p plo lots

Di Discussion

  • Operation o

n of a a GF GFC

  • Separation o

n of gas a and nd li liquid compone nent nts o

  • f

the he o

  • il
  • High p

h pressure

  • Leaving

ng c cha har behi hind nd

Conc nclu lusions ns

  • Key r

y ratios

2 ¡

Outline ¡

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  • Current ¡rate ¡of ¡oil ¡shale ¡development ¡slow ¡ ¡
  • In-­‑situ ¡oil ¡shale ¡development ¡sIll ¡at ¡RD&D ¡stage ¡
  • New ¡ideas ¡needed ¡to ¡jolt ¡industry ¡(need ¡to ¡get ¡

no8ced!) ¡

  • PotenIal ¡for ¡CO2 ¡limitaIons ¡in ¡future ¡very ¡high ¡

The ¡problem.. ¡

3 ¡

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  • EPICC ¡= ¡Electricity ¡ProducIon ¡with ¡In-­‑Situ ¡Carbon ¡Capture ¡
  • Rearranging ¡chemical ¡processes ¡to ¡opImize ¡the ¡system ¡

(turn ¡it ¡“inside ¡out”) ¡

– QuesIon: ¡What ¡is ¡the ¡best ¡way ¡to ¡turn ¡chemical ¡energy ¡from ¡ shale ¡into ¡rota5onal ¡mo5on ¡of ¡vehicle ¡wheels? ¡

One ¡proposed ¡soluIon ¡-­‑ ¡EPICC ¡

4 ¡ Re Resource Heat s source Ene nergy y carri carrier er Conversion t n to work k Waste he heat from m conversion n Li Liqui uids ds production n Chemical energy in shale Thermal or electrical energy from fuels Liquid fuel Automobile engine To atmosphere EPIC ICC Chemical energy in shale Waste heat Electricity In situ fuel cell To shale formation

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EPICC ¡system ¡diagram ¡

5 ¡

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  • In ¡situ ¡electricity ¡generaIon ¡converts ¡chemical ¡energy ¡

to ¡work ¡(electricity) ¡where ¡waste ¡heat ¡is ¡useful ¡ ¡

– System ¡could ¡be ¡similar ¡to ¡“geothermic ¡fuel ¡cells” ¡proposed ¡ by ¡Independent ¡Energy ¡Partners, ¡Inc. ¡

  • Product ¡gases ¡are ¡high ¡value, ¡low ¡carbon ¡stream ¡

– H2, ¡CH4, ¡CO, ¡CO2 ¡ – Most ¡carbon ¡is ¡leY ¡in ¡ground ¡as ¡char ¡

  • SeparaIon ¡could ¡occur ¡in ¡subsurface ¡

– In ¡situ ¡“bathtub ¡ring” ¡of ¡condensaIon ¡products ¡could ¡work ¡ in ¡favor ¡ – If ¡not, ¡surface ¡separaIon ¡and ¡reinjecIon ¡of ¡liquids ¡unIl ¡ coked ¡

Key ¡aspects ¡of ¡system ¡

6 ¡

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  • Three ¡types ¡of ¡species ¡– ¡iniIal ¡reactants, ¡

intermediate ¡species ¡and ¡final ¡products ¡

  • First ¡order ¡kineIc ¡model ¡based ¡on ¡literature ¡

– Burnham ¡and ¡Braun ¡(1985) ¡ – Carbonate ¡decomposiIon ¡from ¡Campbell ¡(1978) ¡ – Mineral ¡dehydraIon ¡from ¡Camp ¡(1987) ¡

  • “Stock ¡and ¡flow” ¡model ¡
  • Oil ¡cracking ¡included ¡
  • Oil ¡boiling ¡not ¡accounted ¡for ¡(pressure ¡effects ¡not ¡in ¡

model) ¡

STAN/DOS ¡Modeling ¡Method ¡

7 ¡

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ReacIons ¡included ¡

8 ¡

Spe Specie ies ¡ Re Reaction ¡ ¡ ¡ Nahc hcoli lite ¡ 2NaHCO3 →Na2CO3 + H2O + CO2

¡

Calc lcite ¡ CaCO3 → CaO + CO2 ¡ Do Dolo lomi mite ¡ CaMg(CO3)2 → MgO + CaCO3 + CO2 ¡ Bitume men/ n/ Ke Kerogen ¡ 100 CH1.50N0.025O0.05 → 5.3 CH1.56N0.021O0.01 + 74.2 CH1.56N0.021O0.021 + 14.7 CH0.63N0.056O0.02 + 0.3 CO + 1.0 H2 + 4.2 CH4 + 1.0 H2 + 1.3 CO2

¡

Prima mary d y decomposition r n reactions ns Second ndary r y reactions ns

Spe Specie ies ¡ Re Reaction ¡ Prima mary c y cha har ¡ 100 CH0.63N0.05O0.02 → 94.5 CH0.23N0.03O0.02 + 5.5 CH4 + 6.4 H2 + 2.2 NH3 ¡ Second ndary c y cha har ¡ 100 CH0.23N0.03O0.02 → 100 CH0.1N0.03O0.02 + 8.0 H2 ¡ Oil c l cracki king ng ¡ Oili → Oil j < i + Primary char + CH4 + CO +H2

¡

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STAN/DOS ¡Modeling ¡scheme ¡

9 ¡

Energy input (externally purchased natural gas) Is the Temperature 393 K? Energy is absorbed to boil the free water Energy is used to cause the reactions Energy is used to heat the rock Temperature of the rock is updated YES NO

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  • 1000 ¡kg ¡of ¡shale ¡
  • Base ¡case: ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Uniform ¡temperature ¡(no ¡heat ¡transfer ¡limitaIon) ¡ ¡

STAN/DOS ¡details ¡

10 ¡

Ine Inert mi mine neral ( l (%) ¡ Nahc hcoli lite (%) (%) ¡ Calc lcite (%) (%) ¡ Do Dolo lomi mite (%) (%) ¡ Bitume men n (%) (%) ¡ Kerogen n (%) (%) ¡ Bound nd water ( (%) ¡ Fr Free water ( (%) ¡ Total l (%) (%) ¡ Stand ndard case case ¡

47.1 ¡ 2 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 0.9 ¡ 18 ¡ 0.25 ¡ 4.75 ¡ 100 ¡

High h kerogen n cont ntent nt ¡

39.75 ¡ 2 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 1.25 ¡ 25 25 ¡ 0.25 ¡ 4.75 ¡ 100 ¡

Lo Low w kerogen n cont ntent nt ¡

55.5 ¡ 2 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 0.5 ¡ 10 10 ¡ 0.25 ¡ 4.75 ¡ 100 ¡

High h wa water cont ntent nt ¡

42.1 ¡ 2 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 0.9 ¡ 18 ¡ 0.5 .5 ¡ 9.5 ¡ 100 ¡

Low w water cont ntent nt ¡

49.6 ¡ 2 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 0.9 ¡ 18 ¡ 0. 0.125 125 ¡ 2.375 ¡ 100 ¡

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Results ¡– ¡non-­‑bounding ¡case ¡

11 ¡

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Results ¡– ¡non-­‑bounding ¡case ¡

12 ¡

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Energy ¡RaIos ¡ ¡

13 ¡

3 2

NER NER ¡ (3)/(1+2) (3)/(1+2) ¡ EER EER ¡ (3)/(2) (3)/(2) ¡

1

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Results ¡– ¡Energy ¡contents ¡

14 ¡

Case Case ¡ Ini Initial e l ene nergy y cont ntent nt ( (MJ) ¡ Extract Extracted ed ene nergy ( y (MJ) ¡ Ene nergy le y left behi hind nd ( (MJ) ¡ Extraction e n efficienc ncy ( y (%) ¡ Stand ndard ¡ 7806 ¡ 3109 ¡ 4697 ¡ 39.8 ¡ High k h kerogen ¡ 10841 ¡ 3353 ¡ 7488 ¡ 30.9 ¡ Low k kerogen ¡ 4337 ¡ 1922 ¡ 2415 ¡ 44.3 ¡ High w h water ¡ 7806 ¡ 2723 ¡ 5080 ¡ 34.9 ¡ Low w water ¡ 7806 ¡ 3274 ¡ 4532 ¡ 41.9 ¡

Extraction e n efficienc ncy y ≈ 4 40 % % i in s n stand ndard c case

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Case Case ¡ EER EER ¡ NER NER ¡ CO CO2 i int ntens nsity y (g C CO2/MJ e ele lectricity) y) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Stand ndard ¡ 1.12 ¡ 0.49 ¡ 52.4 ¡ High k h kerogen ¡ 1.17 ¡ 0.49 ¡ 49.1 ¡ Low k kerogen ¡ 0.87 ¡ 0.48 ¡ 89.8 ¡ High w h water ¡ 1.04 ¡ 0.49 ¡ 54.9 ¡ Low w water ¡ 1.15 ¡ 0.49 ¡ 52.0 ¡

Results ¡– ¡Energy ¡raIos ¡

15 ¡

CO CO2 i int ntens nsity o y of e ele lectricity y ≈ ½ C CCGT i in s n stand ndard c case

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  • Unclear ¡if ¡model ¡(Burnham ¡and ¡Braun) ¡can ¡be ¡

extended ¡to ¡this ¡regime ¡

  • Reliable ¡operaIon ¡of ¡a ¡GFC ¡unknown ¡
  • EffecIve ¡separaIon ¡of ¡liquids ¡and ¡gases ¡in ¡sub-­‑

surface ¡un-­‑tested ¡

  • Fracturing ¡of ¡rock ¡possible ¡due ¡to ¡pressure ¡buildup ¡

(pressure ¡not ¡modeled) ¡

  • Opportunity ¡cost ¡of ¡leaving ¡char ¡underground ¡

PotenIal ¡difficulIes ¡

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Conclusions ¡

  • Shown ¡proof-­‑of-­‑concept ¡for ¡EPICC ¡through ¡STAN/

DOS ¡

  • Can ¡yield ¡extracIon ¡efficiency ¡of ¡31 ¡– ¡45 ¡% ¡
  • Can ¡yield ¡NER’s ¡between ¡ ¡0.44 ¡– ¡0.88 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
  • Can ¡yield ¡EER’s ¡between ¡0.8 ¡– ¡1.37 ¡
  • Can ¡reduce ¡CO2-­‑intensity ¡from ¡~ ¡120 ¡g ¡CO2/MJ ¡e ¡(gas ¡

turbine) ¡to ¡between ¡52-­‑90 ¡g ¡CO2/MJ ¡e ¡ ¡(EPICC) ¡

  • Concept ¡is ¡worthy ¡of ¡addiIonal ¡modeling ¡(heat ¡

transfer ¡and ¡fluid ¡flow) ¡

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  • Amendees ¡of ¡30th ¡Oil ¡Shale ¡Symposium ¡
  • Co-­‑author: ¡Adam ¡Brandt ¡
  • Sponsor: ¡Jerry ¡Boak ¡ ¡

¡ ¡

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Thanks: ¡

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Results ¡-­‑ ¡bounding ¡case ¡ ¡ ¡

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Results ¡– ¡bounding ¡case ¡(cont.) ¡

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