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

Oil ¡shale ¡as ¡an ¡energy ¡resource ¡in ¡a ¡CO 2 ¡constrained ¡ world: ¡Electricity ¡produc8on ¡with ¡in-­‑situ ¡carbon ¡ capture ¡(EPICC) ¡ Hiren ¡Mulchandani , ¡Adam ¡Brandt * , ¡Jerry ¡Boak ¡ 30 th ¡Oil ¡Shale ¡Symposium ¡– ¡Oct. ¡20 th ¡2010 ¡ ¡ *abrandt@stanford.edu ¡

Outline ¡ De Description o n of Result lts Description o De n of Discussion Di Conc nclu lusions ns solu lution n proble lem m • Te Temperature • Operation o n of a a • Key r y ratios plo lot • Sche hema matic GF GFC • Slo low p progress di diag agram ram to to • Mass b bala lanc nce • Separation o n of comme mmerciali lize plo lots gas a and nd li liquid • Case Case oil s l sha hale le descriptions ns compone nent nts o of • Ene nergy y the he o oil • Potent ntial C l CO 2 bala lanc nce p plo lots cons nstraint nt i in n • High p h pressure future future • Leaving ng c cha har behi hind nd 2 ¡

The ¡problem.. ¡ • 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 ¡CO 2 ¡limitaIons ¡in ¡future ¡very ¡high ¡ 3 ¡

One ¡proposed ¡soluIon ¡-­‑ ¡EPICC ¡ • EPICC ¡= ¡E lectricity ¡ P roducIon ¡with ¡ I n-­‑Situ ¡ C arbon ¡ C apture ¡ • 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? ¡ Re Resource Heat s source Ene nergy y Conversion t n to Waste he heat carri carrier er work k from m conversion n Liqui Li uids ds Chemical Thermal or Liquid fuel Automobile To production n energy in electrical energy engine atmosphere shale from fuels EPIC ICC Chemical Waste heat Electricity In situ fuel To shale energy in cell formation shale 4 ¡

EPICC ¡system ¡diagram ¡ 5 ¡

Key ¡aspects ¡of ¡system ¡ • 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 ¡ – H 2 , ¡CH 4 , ¡CO, ¡CO 2 ¡ – 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 ¡ 6 ¡

STAN/DOS ¡Modeling ¡Method ¡ • 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) ¡ 7 ¡

ReacIons ¡included ¡ Prima mary d y decomposition r n reactions ns ies ¡ Reaction ¡ Spe Specie Re ¡ ¡ lite ¡ ¡ Nahc hcoli 2NaHCO 3 → Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 Calc lcite ¡ CaCO 3 → CaO + CO 2 ¡ Dolo Do lomi mite ¡ CaMg(CO 3 ) 2 → MgO + CaCO 3 + CO 2 ¡ Bitume men/ n/ 100 CH 1.50 N 0.025 O 0.05 → 5.3 CH 1.56 N 0.021 O 0.01 + 74.2 CH 1.56 N 0.021 O 0.021 + 14.7 Ke Kerogen ¡ CH 0.63 N 0.056 O 0.02 + 0.3 CO + 1.0 H 2 + 4.2 CH 4 + 1.0 H 2 + 1.3 CO 2 ¡ Second ndary r y reactions ns ies ¡ Spe Specie Reaction ¡ Re Prima mary c y cha har ¡ 100 CH 0.63 N 0.05 O 0.02 → 94.5 CH 0.23 N 0.03 O 0.02 + 5.5 CH 4 + 6.4 H 2 + 2.2 NH 3 ¡ Second ndary c y cha har ¡ 100 CH 0.23 N 0.03 O 0.02 → 100 CH 0.1 N 0.03 O 0.02 + 8.0 H 2 ¡ ng ¡ ¡ Oil c l cracki king Oil i → Oil j < i + Primary char + CH 4 + CO +H 2 8 ¡

STAN/DOS ¡Modeling ¡scheme ¡ Energy input (externally purchased natural gas) NO Is the Temperature 393 K? YES 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 9 ¡

STAN/DOS ¡details ¡ • 1000 ¡kg ¡of ¡shale ¡ • Base ¡case: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ -­‑ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Uniform ¡temperature ¡(no ¡heat ¡transfer ¡limitaIon) ¡ ¡ Ine Inert Nahc hcoli lite Calc lcite Do Dolo lomi mite Bitume men n Kerogen n Bound nd Free Fr Total l l (%) ¡ (%) ¡ (%) ¡ (%) ¡ (%) ¡ (%) ¡ (%) ¡ (%) ¡ (%) ¡ mi mine neral ( (%) (%) (%) (%) (%) water ( water ( (%) 47.1 ¡ 2 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 0.9 ¡ 18 ¡ 0.25 ¡ 4.75 ¡ 100 ¡ Stand ndard case ¡ case High h 39.75 ¡ 2 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 1.25 ¡ 25 25 ¡ 0.25 ¡ 4.75 ¡ 100 ¡ kerogen n nt ¡ cont ntent Lo Low w 55.5 ¡ 2 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 0.5 ¡ 10 10 ¡ 0.25 ¡ 4.75 ¡ 100 ¡ kerogen n nt ¡ cont ntent 42.1 ¡ 2 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 0.9 ¡ 18 ¡ .5 ¡ 9.5 ¡ 100 ¡ High h 0.5 water wa nt ¡ cont ntent 49.6 ¡ 2 ¡ 12 ¡ 15 ¡ 0.9 ¡ 18 ¡ 125 ¡ 2.375 ¡ 100 ¡ Low w water 0. 0.125 nt ¡ cont ntent 10 ¡

Results ¡– ¡non-­‑bounding ¡case ¡ 11 ¡

Results ¡– ¡non-­‑bounding ¡case ¡ 12 ¡

Energy ¡RaIos ¡ ¡ 3 2 1 (3)/(1+2) ¡ NER NER ¡ (3)/(1+2) EER EER ¡ (3)/(2) (3)/(2) ¡ 13 ¡

Results ¡– ¡Energy ¡contents ¡ Case ¡ y (%) ¡ Case Ini Initial e l ene nergy y Extract Extracted ed Ene nergy le y left Extraction e n efficienc ncy ( (MJ) ¡ y (MJ) ¡ (MJ) ¡ cont ntent nt ( ene nergy ( behi hind nd ( ndard ¡ 7806 ¡ 3109 ¡ 4697 ¡ 39.8 ¡ Stand h kerogen ¡ 10841 ¡ 3353 ¡ 7488 ¡ 30.9 ¡ High k kerogen ¡ 4337 ¡ 1922 ¡ 2415 ¡ 44.3 ¡ Low k h water ¡ 7806 ¡ 2723 ¡ 5080 ¡ 34.9 ¡ High w water ¡ 7806 ¡ 3274 ¡ 4532 ¡ 41.9 ¡ Low w Extraction e n efficienc ncy y ≈ 4 40 % % i in s n stand ndard c case 14 ¡

Results ¡– ¡Energy ¡raIos ¡ Case ¡ EER ¡ NER ¡ Case EER NER CO CO 2 i int ntens nsity y y) ¡ (g C CO 2 /MJ e ele lectricity) ¡ ¡ ¡ ¡ Stand ndard ¡ 1.12 ¡ 0.49 ¡ 52.4 ¡ h kerogen ¡ 1.17 ¡ 0.49 ¡ 49.1 ¡ High k Low k kerogen ¡ 0.87 ¡ 0.48 ¡ 89.8 ¡ h water ¡ 1.04 ¡ 0.49 ¡ 54.9 ¡ High w water ¡ 1.15 ¡ 0.49 ¡ 52.0 ¡ Low w CO 2 i CO int ntens nsity o y of e ele lectricity y ≈ ½ C CCGT i in s n stand ndard c case 15 ¡

PotenIal ¡difficulIes ¡ • 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 ¡ 16 ¡

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 ¡CO 2 -­‑intensity ¡from ¡~ ¡120 ¡g ¡CO 2 /MJ ¡e ¡(gas ¡ turbine) ¡to ¡between ¡52-­‑90 ¡g ¡CO 2 /MJ ¡e ¡ ¡(EPICC) ¡ • Concept ¡is ¡worthy ¡of ¡addiIonal ¡modeling ¡(heat ¡ transfer ¡and ¡fluid ¡flow) ¡ 17 ¡

Thanks: ¡ • Amendees ¡of ¡30 th ¡Oil ¡Shale ¡Symposium ¡ • Co-­‑author: ¡Adam ¡Brandt ¡ • Sponsor: ¡Jerry ¡Boak ¡ ¡ ¡ ¡ 18 ¡

Results ¡-­‑ ¡bounding ¡case ¡ ¡ ¡ Block 1 Block 4 19 ¡

Results ¡– ¡bounding ¡case ¡(cont.) ¡ Block 4 Block 1 20 ¡