Estrategias de monitorización de CO2 y otros gases en los estudios de análogos naturales

La Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y la Università degli Studi di Firenze (UniFi), bajo la coordinación técnica de AMPHOS21, participan desde 2009 en el proyecto de investigación “Estrategias de Monitorización de CO2 y otros gases en el estudio de Análogos Naturales”, financiado por la Fundación Ciudad de la Energía (CIUDEN) en el marco del Proyecto Compostilla OXYCFB300 (http://www.compostillaproject.eu), del Programa “European Energy Program for Recovery - EEPR”. El objetivo principal del proyecto fue el desarrollo y puesta a punto de metodologías de monitorización superficiales para su aplicación en el seguimiento y control de los emplazamientos donde se realice el almacenamiento geológico de CO2, analizando técnicas que permitan detectar y cuantificar las posibles fugas de CO2 a la atmósfera. Los trabajos se realizaron tanto en análogos naturales (españoles e italianos) como en la Planta de Desarrollo Tecnológico de Almacenamiento de CO2 de Hontomín. Las técnicas analizadas se centran en la medición de gases y aguas superficiales (de escorrentía y manantiales). En cuanto a la medición de gases se analizó el flujo de CO2 que emana desde el suelo a la atmósfera y la aplicabilidad de trazadores naturales (como el radón) para la detección e identificación de las fugas de CO2. En cuanto al análisis químico de las aguas se analizaron los datos geoquímicos e isotópicos y los gases disueltos en las aguas de los alrededores de la PDT de Hontomín, con objeto de determinar qué parámetros son los más apropiados para la detección de una posible migración del CO2 inyectado, o de la salmuera, a los ambientes superficiales. Las medidas de flujo de CO2 se realizaron con la técnica de la cámara de acúmulo. A pesar de ser una técnica desarrollada y aplicada en diferentes ámbitos científicos se estimó necesario adaptar un protocolo de medida y de análisis de datos a las características específicas de los proyectos de captura y almacenamiento de CO2 (CAC). Donde los flujos de CO2 esperados son bajos y en caso de producirse una fuga habrá que detectar pequeñas variaciones en los valores flujo con un “ruido” en la señal alto, debido a actividad biológica en el suelo. La medida de flujo de CO2 mediante la técnica de la cámara de acúmulo se puede realizar sin limpiar la superficie donde se coloca la cámara o limpiando y esperando al reequilibrio del flujo después de la distorsión al sistema. Sin embargo, los resultados obtenidos después de limpiar y esperar muestran menor dispersión, lo que nos indica que este procedimiento es el mejor para la monitorización de los complejos de almacenamiento geológico de CO2. El protocolo de medida resultante, utilizado para la obtención de la línea base de flujo de CO2 en Hontomín, sigue los siguiente pasos: a) con una espátula se prepara el punto de medición limpiando y retirando el recubrimiento vegetal o la primera capa compacta de suelo, b) se espera un tiempo para la realización de la medida de flujo, facilitando el reequilibrio del flujo del gas tras la alteración provocada en el suelo y c) se realiza la medida de flujo de CO2. Una vez realizada la medición de flujo de CO2, y detectada si existen zonas de anomalías, se debe estimar la cantidad de CO2 que se está escapando a la atmósfera (emanación total), con el objetivo de cuantificar la posible fuga. Existen un amplio rango de metodologías para realizar dicha estimación, siendo necesario entender cuáles son las más apropiadas para obtener el valor más representativo del sistema. En esta tesis se comparan seis técnicas estadísticas: media aritmética, estimador insegado de la media (aplicando la función de Sichel), remuestreo con reemplazamiento (bootstrap), separación en diferentes poblaciones mediante métodos gráficos y métodos basados en criterios de máxima verosimilitud, y la simulación Gaussiana secuencial. Para este análisis se realizaron ocho campañas de muestreo, tanto en la Planta de Desarrollo Tecnológico de Hontomón como en análogos naturales (italianos y españoles). Los resultados muestran que la simulación Gaussiana secuencial suele ser el método más preciso para realizar el cálculo, sin embargo, existen ocasiones donde otros métodos son más apropiados. Como consecuencia, se desarrolla un procedimiento de actuación para seleccionar el método que proporcione el mejor estimador. Este procedimiento consiste, en primer lugar, en realizar un análisis variográfico. Si existe una autocorrelación entre los datos, modelizada mediante el variograma, la mejor técnica para calcular la emanación total y su intervalo de confianza es la simulación Gaussiana secuencial (sGs). Si los datos son independientes se debe comprobar la distribución muestral, aplicando la media aritmética o el estimador insesgado de la media (Sichel) para datos normales o lognormales respectivamente. Cuando los datos no son normales o corresponden a una mezcla de poblaciones la mejor técnica de estimación es la de remuestreo con reemplazamiento (bootstrap). Siguiendo este procedimiento el máximo valor del intervalo de confianza estuvo en el orden del ±20/25%, con la mayoría de valores comprendidos entre ±3,5% y ±8%. La identificación de las diferentes poblaciones muestrales en los datos de flujo de CO2 puede ayudar a interpretar los resultados obtenidos, toda vez que esta distribución se ve afectada por la presencia de varios procesos geoquímicos como, por ejemplo, una fuente geológica o biológica del CO2. Así pues, este análisis puede ser una herramienta útil en el programa de monitorización, donde el principal objetivo es demostrar que no hay fugas desde el reservorio a la atmósfera y, si ocurren, detectarlas y cuantificarlas. Los resultados obtenidos muestran que el mejor proceso para realizar la separación de poblaciones está basado en criterios de máxima verosimilitud. Los procedimientos gráficos, aunque existen pautas para realizarlos, tienen un cierto grado de subjetividad en la interpretación de manera que los resultados son menos reproducibles. Durante el desarrollo de la tesis se analizó, en análogos naturales, la relación existente entre el CO2 y los isótopos del radón (222Rn y 220Rn), detectándose en todas las zonas de emisión de CO2 una relación positiva entre los valores de concentración de 222Rn en aire del suelo y el flujo de CO2. Comparando la concentración de 220Rn con el flujo de CO2 la relación no es tan clara, mientras que en algunos casos aumenta en otros se detecta una disminución, hecho que parece estar relacionado con la profundidad de origen del radón. Estos resultados confirmarían la posible aplicación de los isótopos del radón como trazadores del origen de los gases y su aplicación en la detección de fugas. Con respecto a la determinación de la línea base de flujo CO2 en la PDT de Hontomín, se realizaron mediciones con la cámara de acúmulo en las proximidades de los sondeos petrolíferos, perforados en los ochenta y denominados H-1, H-2, H-3 y H-4, en la zona donde se instalarán el sondeo de inyección (H-I) y el de monitorización (H-A) y en las proximidades de la falla sur. Desde noviembre de 2009 a abril de 2011 se realizaron siete campañas de muestreo, adquiriéndose más de 4.000 registros de flujo de CO2 con los que se determinó la línea base y su variación estacional. Los valores obtenidos fueron bajos (valores medios entre 5 y 13 g•m-2•d-1), detectándose pocos valores anómalos, principalmente en las proximidades del sondeo H-2. Sin embargo, estos valores no se pudieron asociar a una fuente profunda del CO2 y seguramente estuvieran más relacionados con procesos biológicos, como la respiración del suelo. No se detectaron valores anómalos cerca del sistema de fracturación (falla Ubierna), toda vez que en esta zona los valores de flujo son tan bajos como en el resto de puntos de muestreo. En este sentido, los valores de flujo de CO2 aparentemente están controlados por la actividad biológica, corroborado al obtenerse los menores valores durante los meses de otoño-invierno e ir aumentando en los periodos cálidos. Se calcularon dos grupos de valores de referencia, el primer grupo (UCL50) es 5 g•m-2•d-1 en las zonas no aradas en los meses de otoño-invierno y 3,5 y 12 g•m-2•d-1 en primavera-verano para zonas aradas y no aradas, respectivamente. El segundo grupo (UCL99) corresponde a 26 g•m-2•d- 1 durante los meses de otoño-invierno en las zonas no aradas y 34 y 42 g•m-2•d-1 para los meses de primavera-verano en zonas aradas y no aradas, respectivamente. Flujos mayores a estos valores de referencia podrían ser indicativos de una posible fuga durante la inyección y posterior a la misma. Los primeros datos geoquímicos e isotópicos de las aguas superficiales (de escorrentía y de manantiales) en el área de Hontomín–Huermeces fueron analizados. Los datos sugieren que las aguas estudiadas están relacionadas con aguas meteóricas con un circuito hidrogeológico superficial, caracterizadas por valores de TDS relativamente bajos (menor a 800 mg/L) y una fácie hidrogeoquímica de Ca2+(Mg2+)-HCO3 −. Algunas aguas de manantiales se caracterizan por concentraciones elevadas de NO3 − (concentraciones de hasta 123 mg/l), lo que sugiere una contaminación antropogénica. Se obtuvieron concentraciones anómalas de of Cl−, SO4 2−, As, B y Ba en dos manantiales cercanos a los sondeos petrolíferos y en el rio Ubierna, estos componentes son probablemente indicadores de una posible mezcla entre los acuíferos profundos y superficiales. El estudio de los gases disueltos en las aguas también evidencia el circuito superficial de las aguas. Estando, por lo general, dominado por la componente atmosférica (N2, O2 y Ar). Sin embargo, en algunos casos el gas predominante fue el CO2 (con concentraciones que llegan al 63% v/v), aunque los valores isotópicos del carbono (<-17,7 ‰) muestran que lo más probable es que esté relacionado con un origen biológico. Los datos geoquímicos e isotópicos de las aguas superficiales obtenidos en la zona de Hontomín se pueden considerar como el valor de fondo con el que comparar durante la fase operacional, la clausura y posterior a la clausura. En este sentido, la composición de los elementos mayoritarios y traza, la composición isotópica del carbono del CO2 disuelto y del TDIC (Carbono inorgánico disuelto) y algunos elementos traza se pueden considerar como parámetros adecuados para detectar la migración del CO2 a los ambientes superficiales. ABSTRACT Since 2009, a group made up of Universidad Politécnica de Madrid (UPM; Spain) and Università degli Studi Firenze (UniFi; Italy) has been taking part in a joint project called “Strategies for Monitoring CO2 and other Gases in Natural analogues”. The group was coordinated by AMPHOS XXI, a private company established in Barcelona. The Project was financially supported by Fundación Ciudad de la Energía (CIUDEN; Spain) as a part of the EC-funded OXYCFB300 project (European Energy Program for Recovery -EEPR-; www.compostillaproject.eu). The main objectives of the project were aimed to develop and optimize analytical methodologies to be applied at the surface to Monitor and Verify the feasibility of geologically stored carbon dioxide. These techniques were oriented to detect and quantify possible CO2 leakages to the atmosphere. Several investigations were made in natural analogues from Spain and Italy and in the Tecnchnological Development Plant for CO2 injection al Hontomín (Burgos, Spain). The studying techniques were mainly focused on the measurements of diffuse soil gases and surface and shallow waters. The soil-gas measurements included the determination of CO2 flux and the application to natural trace gases (e.g. radon) that may help to detect any CO2 leakage. As far as the water chemistry is concerned, geochemical and isotopic data related to surface and spring waters and dissolved gases in the area of the PDT of Hontomín were analyzed to determine the most suitable parameters to trace the migration of the injected CO2 into the near-surface environments. The accumulation chamber method was used to measure the diffuse emission of CO2 at the soil-atmosphere interface. Although this technique has widely been applied in different scientific areas, it was considered of the utmost importance to adapt the optimum methodology for measuring the CO2 soil flux and estimating the total CO2 output to the specific features of the site where CO2 is to be stored shortly. During the pre-injection phase CO2 fluxes are expected to be relatively low where in the intra- and post-injection phases, if leakages are to be occurring, small variation in CO2 flux might be detected when the CO2 “noise” is overcoming the biological activity of the soil (soil respiration). CO2 flux measurements by the accumulation chamber method could be performed without vegetation clearance or after vegetation clearance. However, the results obtained after clearance show less dispersion and this suggests that this procedure appears to be more suitable for monitoring CO2 Storage sites. The measurement protocol, applied for the determination of the CO2 flux baseline at Hontomín, has included the following steps: a) cleaning and removal of both the vegetal cover and top 2 cm of soil, b) waiting to reduce flux perturbation due to the soil removal and c) measuring the CO2 flux. Once completing the CO2 flux measurements and detected whether there were anomalies zones, the total CO2 output was estimated to quantify the amount of CO2 released to the atmosphere in each of the studied areas. There is a wide range of methodologies for the estimation of the CO2 output, which were applied to understand which one was the most representative. In this study six statistical methods are presented: arithmetic mean, minimum variances unbiased estimator, bootstrap resample, partitioning of data into different populations with a graphical and a maximum likelihood procedures, and sequential Gaussian simulation. Eight campaigns were carried out in the Hontomín CO2 Storage Technology Development Plant and in natural CO2 analogues. The results show that sequential Gaussian simulation is the most accurate method to estimate the total CO2 output and the confidential interval. Nevertheless, a variety of statistic methods were also used. As a consequence, an application procedure for selecting the most realistic method was developed. The first step to estimate the total emanation rate was the variogram analysis. If the relation among the data can be explained with the variogram, the best technique to calculate the total CO2 output and its confidence interval is the sequential Gaussian simulation method (sGs). If the data are independent, their distribution is to be analyzed. For normal and log-normal distribution the proper methods are the arithmetic mean and minimum variances unbiased estimator, respectively. If the data are not normal (log-normal) or are a mixture of different populations the best approach is the bootstrap resampling. According to these steps, the maximum confidence interval was about ±20/25%, with most of values between ±3.5% and ±8%. Partitioning of CO2 flux data into different populations may help to interpret the data as their distribution can be affected by different geochemical processes, e.g. geological or biological sources of CO2. Consequently, it may be an important tool in a monitoring CCS program, where the main goal is to demonstrate that there are not leakages from the reservoir to the atmosphere and, if occurring, to be able to detect and quantify it. Results show that the partitioning of populations is better performed by maximum likelihood criteria, since graphical procedures have a degree of subjectivity in the interpretation and results may not be reproducible. The relationship between CO2 flux and radon isotopes (222Rn and 220Rn) was studied in natural analogues. In all emissions zones, a positive relation between 222Rn and CO2 was observed. However, the relationship between activity of 220Rn and CO2 flux is not clear. In some cases the 220Rn activity indeed increased with the CO2 flux in other measurements a decrease was recognized. We can speculate that this effect was possibly related to the route (deep or shallow) of the radon source. These results may confirm the possible use of the radon isotopes as tracers for the gas origin and their application in the detection of leakages. With respect to the CO2 flux baseline at the TDP of Hontomín, soil flux measurements in the vicinity of oil boreholes, drilled in the eighties and named H-1 to H-4, and injection and monitoring wells were performed using an accumulation chamber. Seven surveys were carried out from November 2009 to summer 2011. More than 4,000 measurements were used to determine the baseline flux of CO2 and its seasonal variations. The measured values were relatively low (from 5 to 13 g•m-2•day-1) and few outliers were identified, mainly located close to the H-2 oil well. Nevertheless, these values cannot be associated to a deep source of CO2, being more likely related to biological processes, i.e. soil respiration. No anomalies were recognized close to the deep fault system (Ubierna Fault) detected by geophysical investigations. There, the CO2 flux is indeed as low as other measurement stations. CO2 fluxes appear to be controlled by the biological activity since the lowest values were recorded during autumn-winter seasons and they tend to increase in warm periods. Two reference CO2 flux values (UCL50 of 5 g•m-2•d-1 for non-ploughed areas in autumn-winter seasons and 3.5 and 12 g•m-2•d-1 for in ploughed and non-ploughed areas, respectively, in spring-summer time, and UCL99 of 26 g•m-2•d-1 for autumn-winter in not-ploughed areas and 34 and 42 g•m-2•d-1 for spring-summer in ploughed and not-ploughed areas, respectively, were calculated. Fluxes higher than these reference values could be indicative of possible leakage during the operational and post-closure stages of the storage project. The first geochemical and isotopic data related to surface and spring waters and dissolved gases in the area of Hontomín–Huermeces (Burgos, Spain) are presented and discussed. The chemical and features of the spring waters suggest that they are related to a shallow hydrogeological system as the concentration of the Total Dissolved Solids approaches 800 mg/L with a Ca2+(Mg2+)-HCO3 − composition, similar to that of the surface waters. Some spring waters are characterized by relatively high concentrations of NO3 − (up to 123 mg/L), unequivocally suggesting an anthropogenic source. Anomalous concentrations of Cl−, SO4 2−, As, B and Ba were measured in two springs, discharging a few hundred meters from the oil wells, and in the Rio Ubierna. These contents are possibly indicative of mixing processes between deep and shallow aquifers. The chemistry of the dissolved gases also evidences the shallow circuits of the Hontomín– Huermeces, mainly characterized by an atmospheric source as highlighted by the contents of N2, O2, Ar and their relative ratios. Nevertheless, significant concentrations (up to 63% by vol.) of isotopically negative CO2 (<−17.7‰ V-PDB) were found in some water samples, likely related to a biogenic source. The geochemical and isotopic data of the surface and spring waters in the surroundings of Hontomín can be considered as background values when intra- and post-injection monitoring programs will be carried out. In this respect, main and minor solutes, the isotopic carbon of dissolved CO2 and TDIC (Total Dissolved Inorganic Carbon) and selected trace elements can be considered as useful parameters to trace the migration of the injected CO2 into near-surface environments.

Diffuse soil CO2 flux to assess the reliability of CO2 storage the reliability of CO2 storage in the Mazarrón-Gañuelas Tertiary Basin (Spain)

In the framework of a global investigation of the Spanish natural analogues of CO2 storage and leakage, four selected sites from the Mazarrón?Gañuelas Tertiary Basin (Murcia, Spain) were studied for computing the diffuse soil CO2 flux, by using the accumulation chamber method. The Basin is characterized by the presence of a deep, saline, thermal (?47 ?C) CO2-rich aquifer intersected by two deep geothermal exploration wells named ?El Saladillo? (535 m) and ?El Reventón? (710 m). The CO2 flux data were processed by means of a graphical?statistical method, kriging estimation and sequential Gaussian simulation algorithms. The results have allowed concluding that the Tertiary marly cap-rock of this CO2-rich aquifer acts as a very effective sealing, preventing any CO2 leak from this natural CO2 storage site, being therefore an excellent scenario to guarantee, by analogy, the safety of a CO2 storage.

Residuos orgánicos como fuentes de fósforo

En este trabajo, se han llevado a cabo distintos experimentos en laboratorio, con el objetivo de estudiar el efecto de la aplicación de residuos orgánicos como fuentes de P en las pérdidas de este elemento, que se producen en suelo, tanto por escorrentía superficial como por lixiviación. El interés por evaluar las pérdidas de P se debe a la necesidad de conocer mejor los factores que influyen en los procesos de pérdidas de este elemento y así, poder reducir los problemas de eutrofización de aguas, tanto superficiales como subterráneas, provocadas por un exceso de este nutriente, junto con otros como el nitrógeno. Los trabajos experimentales que se han llevado a cabo se detallan a continuación: Se ha realizado el estudio de las formas de P contenidas en una serie de 14 residuos orgánicos, de distinto origen y tratamiento (compost, lodos, purines y digestato), comparando la información aportada por tres protocolos de fraccionamientos de P diferentes, seleccionados entre los principales métodos utilizados: protocolo de fraccionamiento de Ruttemberg (1992), protocolo de Normas, medidas y ensayos (Ruban et al., 2001a) y protocolo de Huang et al. (2008). Todos los métodos de fraccionamiento empleados aportaron información útil para conocer las formas de P de los residuos, a pesar de que alguno de ellos fue descrito para sedimentos o suelos. Sin embargo, resulta difícil comparar los resultados entre unos y otros, ya que cada uno emplea extractantes y tiempos de ensayos diferentes. Las cantidades de P total determinadas por cada método mantienen una relación lineal, aunque el método SMT, por ser más directo, obtiene las cantidades más elevadas para todos los residuos. Los métodos secuenciales (métodos de Huang y Ruttemberg), a pesar de ser más largos y tediosos, aportan información más detallada de la disponibilidad de las formas de P, y con ello, permiten obtener una mejor estimación de las pérdidas potenciales de este elemento tras su aplicación en suelo. Se han encontrado relaciones positivas entre las fracciones determinadas por estos dos métodos. Así mismo, se encuentra una correlación entre las formas solubles de P y la concentración de los iones [Ca + Fe + Al] de los residuos, útiles como indicadores de la disponibilidad de este elemento. Sin embargo, el protocolo SMT, no obtiene información de la solubilidad o disponibilidad de las formas de P contenidas, ni las formas determinadas mantienen relaciones directas con las de los otros métodos, con excepción del P total. Para el estudio del comportamiento de los residuos aplicados en suelos, se pusieron a punto sistemas de lluvia simulada, con el objetivo de caracterizar las pérdidas de P en la escorrentía superficial generada. Por otra parte, se emplearon columnas de suelos enmendados con residuos orgánicos, para el estudio de las pérdidas de P por lixiviación. Los ensayos de simulación de lluvia se llevaron a cabo de acuerdo al “National Phosphorus Research proyect“ (2001), que consigue simular eventos sucesivos de lluvia en unas condiciones semejantes a la realidad, empleando cajas llenas de suelo del horizonte superficial, con residuos aplicados tanto superficialmente como mediante mezcla con el propio suelo. Los ensayos se realizaron con seis residuos de diferente naturaleza y sometidos a distintos tratamientos. Se encontraron diferencias significativas en las pérdidas de las formas de P analizadas, tanto disueltas como particuladas, en las aguas de escorrentía generadas. En general, las pérdidas en el primer evento de lluvia tras la aplicación de los residuos fueron mayores a las generadas en el segundo evento, predominando las formas de P particuladas respecto a las disueltas en ambos. Se encontró una relación positiva entre las pérdidas de P en las aguas de escorrentía generadas en cada ensayo, con los contenidos de P soluble en agua y fácilmente disponible de los residuos empleados, determinados por los protocolos de fraccionamientos secuenciales. Además, se emplearon los modelos matemáticos desarrollados por Vadas et al. (2005, 2007), de evaluación de las pérdidas de P por escorrentía para fertilizantes y estiércoles. La predicción de estos modelos no se cumple en el caso de todos los residuos. Las distintas propiedades físicas de los residuos pueden afectar a las diferencias entre las pérdidas experimentales y las esperadas. Los ensayos de simulación del proceso de lixiviación se llevaron a cabo en columnas de percolación, con suelos enmendados con residuos orgánicos, de acuerdo a la norma “CEN/TS 14405–2004: Caracterización de los residuos – Test de comportamiento de lixiviación – Test de flujo ascendente”. Las pérdidas de P por procesos de lixiviación de agua, han sido despreciadas durante mucho tiempo respecto a las pérdidas por escorrentía. Sin embargo, se ha demostrado que deben tenerse en consideración, principalmente en algunos tipos de suelos o zonas cercanas a acuíferos. Se utilizaron tres suelos de distinta procedencia para los ensayos, de manera que se pudo estudiar la influencia del tipo de suelo en las pérdidas de P para cada tipo de residuo (purín, compost, digestato y lodo de EDAR). Los índices de adsorción de P determinados para cada suelo permiten evaluar aquellos que presentarán más riesgo de producir pérdidas de este elemento al aplicarse fuentes externas de P, encontrando una relación positiva entre ambos. Las pérdidas de P en los lixiviados varían en función tanto del residuo como del suelo empleado. Para el compost, el purín y el lodo, se encontró una relación entre las pérdidas generadas en el agua lixiviada de las columnas y las formas de P soluble contenidas en los residuos. Sin embargo, en el caso del digestato, no existía esta correlación. Las pérdidas para este residuo fueron en todos los casos menores a las estimadas, considerando las formas de P contenido. El estudio de la mojabilidad, propiedad física del residuo que evalúa la capacidad de interacción residuo-agua, permitió explicar el comportamiento anómalo de este residuo, con una mayor resistencia a que el agua entrara en su estructura y por tanto, una mayor dificultad de solubilizar el P contenido en el propio residuo, que en el caso de otros residuos. En general, podemos considerar que el estudio de las formas de P más disponibles o solubles en agua, aporta información útil de las pérdidas potenciales de P. Sin embargo, es necesario estudiar las propiedades físicas de los residuos orgánicos aplicados y la capacidad de adsorción de P de los suelos, para estimar las pérdidas de P y con ello, colaborar a controlar los procesos de eutrofización en aguas. ABSTRACT This dissertation explores the effect of organic wastes application as sources of P in losses of this element that occur by both surface runoff and leaching in soil. To do so, diverse laboratory experiments are conducted and presented here. Evaluating P losses is necessary to better understand the factors that influence the processes behind the loss of this element. Reducing P losses reduces eutrophication problems of both surface water and groundwater caused by an excess of this nutrient, along with other as nitrogen. Details of the experiments are presented below: The first experiment studies the forms of P contained in a series of 14 organic wastes of different origin and treatment (compost, sludge, slurry and digestate), comparing the information provided by three methods of P fractionation. The methods selected were: Ruttemberg protocol (1992); Standards, Measurements and Testing protocol (Ruban et al., 2001a); and Huang protocol (Huang et al., 2008). All fractionation methods employed successfully contribute to our knowledge of P forms in wastes, even though one of them was originally described for sediments or soils information. However, it is difficult to compare results among each other, as each protocol employs different extractants and time in the trials. Total amounts of P obtained by each method show a linear relationship, although the SMT method, which is more direct, obtains the highest amounts for all residues. Sequential methods (Huang and Ruttemberg’s protocols), despite being longer and more tedious, provide more detailed information on the availability of the forms of P. Therefore, allow the estimation of the potential losses of P after application in soil. Furthermore, positive relationships have been found among fractions obtained by these methods. Positive relationship has been found also among soluble forms of P and the concentration of ions Fe + Ca + Al, which is useful as an indicator of the availability of this element. However, the SMT protocol does not collect information about solubility or availability of forms of P contained; neither do certain forms maintain direct relations with the forms from other methods, with the exception of total P methods. To study the behavior of wastes applied to soils two experiments were conducted. Simulated rain systems were prepared to characterize P losses in the surface runoff generated. In addition, columns of soils amended with organic waste were developed for the study of P leaching losses. Simulated rain systems were carried out according to the ’National Phosphorus Research Project’ (2001), which manages to simulate successive rainfall events in conditions resembling reality. The experiment uses boxes filled with soil from the surface horizon amended with residues, both superficially and by mixing with the soil. Tests were conducted with six residues of different type and subjected to diverse treatments. Findings show significant differences in losses of the P forms analyzed in the generated runoff water, in both solution and particulate forms. In general, losses in the first rainfall event after application of waste were higher than the losses generated in the second event, predominating particulate forms of P over dissolved forms in both events. In all trials, a positive relationship was found between various P forms determined by sequential fractionation protocols (water soluble P and readily available P forms) and P losses in runoff. Furthermore, results from Vadas´s mathematical models (Vadas et al., 2005; 2007) to assess P losses by runoff fertilizers and manures indicate that the prediction of this model is not fulfilled in the case of all residues. The diverse physical properties of wastes may affect the differences between experimental and expected losses. Finally, leaching simulation processes were carried out in percolation columns, filled with soils amended with organic wastes, following the ‘CEN/TS 14405-2004 standard: Characterization of waste - Leaching behavior test - Test Flow ascending ’. P losses by leaching have been neglected for a long time with respect to runoff losses. However, findings corroborate previous studies showing that these P losses have to be taken into account, especially in certain types of soils and in zones near aquifers. To study the influence of soil type on P losses, experiments were carried out with three different soils and for each type of waste (manure, compost, digestate and sludge WWTP). Each soil’s P adsorption rates allow assessing which soils imply a higher risk of P losses when external sources of P are applied. P losses in leachate vary according to the type of soil employed and according to the specific residue. In the case of compost, manure and sludge, there is a relationship between leaching losses and residues’ soluble forms of P. The exception being the digestate, where there was no such correlation. Digestate P losses by leaching were lower than expected in all cases considering the forms of P contained. Moreover, examining digestate wettability -- that is, the physical property of the residue that assesses the capacity of waste-water interaction -- allowed explaining the anomalous behavior of this residue. Digestate has a high resistance to water entering its structure and thus higher difficulty to solubilize the P contained. Overall, studying the more available or soluble P forms provides useful information about the potential loss of P. However, this dissertation shows that it is necessary to examine the physical properties of organic residues applied as well as the P adsorption capacity of soils to estimate P losses, and thus to control eutrophication in water.

Sistema de simulación de escenarios de ciclos avanzados de combustible nuclear en transición = Simulation system for advanced fuel cycle transition scenarios

El estudio de los ciclos del combustible nuclear requieren de herramientas computacionales o "códigos" versátiles para dar respuestas al problema multicriterio de evaluar los actuales ciclos o las capacidades de las diferentes estrategias y escenarios con potencial de desarrollo en a nivel nacional, regional o mundial. Por otra parte, la introducción de nuevas tecnologías para reactores y procesos industriales hace que los códigos existentes requieran nuevas capacidades para evaluar la transición del estado actual del ciclo del combustible hacia otros más avanzados y sostenibles. Brevemente, esta tesis se centra en dar respuesta a las principales preguntas, en términos económicos y de recursos, al análisis de escenarios de ciclos de combustible, en particular, para el análisis de los diferentes escenarios del ciclo del combustible de relativa importancia para España y Europa. Para alcanzar este objetivo ha sido necesaria la actualización y el desarrollo de nuevas capacidades del código TR_EVOL (Transition Evolution code). Este trabajo ha sido desarrollado en el Programa de Innovación Nuclear del CIEMAT desde el año 2010. Esta tesis se divide en 6 capítulos. El primer capítulo ofrece una visión general del ciclo de combustible nuclear, sus principales etapas y los diferentes tipos utilizados en la actualidad o en desarrollo para el futuro. Además, se describen las fuentes de material nuclear que podrían ser utilizadas como combustible (uranio y otros). También se puntualizan brevemente una serie de herramientas desarrolladas para el estudio de estos ciclos de combustible nuclear. El capítulo 2 está dirigido a dar una idea básica acerca de los costes involucrados en la generación de electricidad mediante energía nuclear. Aquí se presentan una clasificación de estos costos y sus estimaciones, obtenidas en la bibliografía, y que han sido evaluadas y utilizadas en esta tesis. Se ha incluido también una breve descripción del principal indicador económico utilizado en esta tesis, el “coste nivelado de la electricidad”. El capítulo 3 se centra en la descripción del código de simulación desarrollado para el estudio del ciclo del combustible nuclear, TR_EVOL, que ha sido diseñado para evaluar diferentes opciones de ciclos de combustibles. En particular, pueden ser evaluados las diversos reactores con, posiblemente, diferentes tipos de combustibles y sus instalaciones del ciclo asociadas. El módulo de evaluaciones económica de TR_EVOL ofrece el coste nivelado de la electricidad haciendo uso de las cuatro fuentes principales de información económica y de la salida del balance de masas obtenido de la simulación del ciclo en TR_EVOL. Por otra parte, la estimación de las incertidumbres en los costes también puede ser efectuada por el código. Se ha efectuado un proceso de comprobación cruzada de las funcionalidades del código y se descrine en el Capítulo 4. El proceso se ha aplicado en cuatro etapas de acuerdo con las características más importantes de TR_EVOL, balance de masas, composición isotópica y análisis económico. Así, la primera etapa ha consistido en el balance masas del ciclo de combustible nuclear actual de España. La segunda etapa se ha centrado en la comprobación de la composición isotópica del flujo de masas mediante el la simulación del ciclo del combustible definido en el proyecto CP-ESFR UE. Las dos últimas etapas han tenido como objetivo validar el módulo económico. De este modo, en la tercera etapa han sido evaluados los tres principales costes (financieros, operación y mantenimiento y de combustible) y comparados con los obtenidos por el proyecto ARCAS, omitiendo los costes del fin del ciclo o Back-end, los que han sido evaluado solo en la cuarta etapa, haciendo uso de costes unitarios y parámetros obtenidos a partir de la bibliografía. En el capítulo 5 se analizan dos grupos de opciones del ciclo del combustible nuclear de relevante importancia, en términos económicos y de recursos, para España y Europa. Para el caso español, se han simulado dos grupos de escenarios del ciclo del combustible, incluyendo estrategias de reproceso y extensión de vida de los reactores. Este análisis se ha centrado en explorar las ventajas y desventajas de reprocesado de combustible irradiado en un país con una “relativa” pequeña cantidad de reactores nucleares. Para el grupo de Europa se han tratado cuatro escenarios, incluyendo opciones de transmutación. Los escenarios incluyen los reactores actuales utilizando la tecnología reactor de agua ligera y ciclo abierto, un reemplazo total de los reactores actuales con reactores rápidos que queman combustible U-Pu MOX y dos escenarios del ciclo del combustible con transmutación de actínidos minoritarios en una parte de los reactores rápidos o en sistemas impulsados por aceleradores dedicados a transmutación. Finalmente, el capítulo 6 da las principales conclusiones obtenidas de esta tesis y los trabajos futuros previstos en el campo del análisis de ciclos de combustible nuclear. ABSTRACT The study of the nuclear fuel cycle requires versatile computational tools or “codes” to provide answers to the multicriteria problem of assessing current nuclear fuel cycles or the capabilities of different strategies and scenarios with potential development in a country, region or at world level. Moreover, the introduction of new technologies for reactors and industrial processes makes the existing codes to require new capabilities to assess the transition from current status of the fuel cycle to the more advanced and sustainable ones. Briefly, this thesis is focused in providing answers to the main questions about resources and economics in fuel cycle scenario analyses, in particular for the analysis of different fuel cycle scenarios with relative importance for Spain and Europe. The upgrade and development of new capabilities of the TR_EVOL code (Transition Evolution code) has been necessary to achieve this goal. This work has been developed in the Nuclear Innovation Program at CIEMAT since year 2010. This thesis is divided in 6 chapters. The first one gives an overview of the nuclear fuel cycle, its main stages and types currently used or in development for the future. Besides the sources of nuclear material that could be used as fuel (uranium and others) are also viewed here. A number of tools developed for the study of these nuclear fuel cycles are also briefly described in this chapter. Chapter 2 is aimed to give a basic idea about the cost involved in the electricity generation by means of the nuclear energy. The main classification of these costs and their estimations given by bibliography, which have been evaluated in this thesis, are presented. A brief description of the Levelized Cost of Electricity, the principal economic indicator used in this thesis, has been also included. Chapter 3 is focused on the description of the simulation tool TR_EVOL developed for the study of the nuclear fuel cycle. TR_EVOL has been designed to evaluate different options for the fuel cycle scenario. In particular, diverse nuclear power plants, having possibly different types of fuels and the associated fuel cycle facilities can be assessed. The TR_EVOL module for economic assessments provides the Levelized Cost of Electricity making use of the TR_EVOL mass balance output and four main sources of economic information. Furthermore, uncertainties assessment can be also carried out by the code. A cross checking process of the performance of the code has been accomplished and it is shown in Chapter 4. The process has been applied in four stages according to the most important features of TR_EVOL. Thus, the first stage has involved the mass balance of the current Spanish nuclear fuel cycle. The second stage has been focused in the isotopic composition of the mass flow using the fuel cycle defined in the EU project CP-ESFR. The last two stages have been aimed to validate the economic module. In the third stage, the main three generation costs (financial cost, O&M and fuel cost) have been assessed and compared to those obtained by ARCAS project, omitting the back-end costs. This last cost has been evaluated alone in the fourth stage, making use of some unit cost and parameters obtained from the bibliography. In Chapter 5 two groups of nuclear fuel cycle options with relevant importance for Spain and Europe are analyzed in economic and resources terms. For the Spanish case, two groups of fuel cycle scenarios have been simulated including reprocessing strategies and life extension of the current reactor fleet. This analysis has been focused on exploring the advantages and disadvantages of spent fuel reprocessing in a country with relatively small amount of nuclear power plants. For the European group, four fuel cycle scenarios involving transmutation options have been addressed. Scenarios include the current fleet using Light Water Reactor technology and open fuel cycle, a full replacement of the initial fleet with Fast Reactors burning U-Pu MOX fuel and two fuel cycle scenarios with Minor Actinide transmutation in a fraction of the FR fleet or in dedicated Accelerator Driven Systems. Finally, Chapter 6 gives the main conclusions obtained from this thesis and the future work foreseen in the field of nuclear fuel cycle analysis.