A framework for the environmental risk assessment of offshore carbon storage in CCS systems

Carbon capture and storage (CCS) represents an interesting climate mitigation option, however, as for any other human activity, there is the impelling need to assess and manage the associated risks. This study specifically addresses the marine environmental risk posed by CO2 leakages associated to CCS subsea engineering system, meant as offshore pipelines and injection / plugged and abandoned wells. The aim of this thesis work is to start approaching the development of a complete and standardized practical procedure to perform a quantified environmental risk assessment for CCS, with reference to the specific activities mentioned above. Such an effort would be of extreme relevance not only for companies willing to implement CCS, as a methodological guidance, but also, by uniformizing the ERA procedure, to begin changing people’s perception about CCS, that happens to be often discredited due to the evident lack of comprehensive and systematic methods to assess the impacts on the marine environment. The backbone structure of the framework developed consists on the integration of ERA’s main steps and those belonging to the quantified risk assessment (QRA), in the aim of quantitatively characterizing risk and describing it as a combination of magnitude of the consequences and their frequency. The framework developed by this work is, however, at a high level, as not every single aspect has been dealt with in the required detail. Thus, several alternative options are presented to be considered for use depending on the situation. Further specific studies should address their accuracy and efficiency and solve the knowledge gaps emerged, in order to establish and validate a final and complete procedure. Regardless of the knowledge gaps and uncertainties, that surely need to be addressed, this preliminary framework already finds some relevance in on field applications, as a non-stringent guidance to perform CCS ERA, and it constitutes the foundation of the final framework.

Mitigazione sequestro e stoccaggio di diossido di carbonio

The main objective of my thesis was the technical-economic feasibility of a system of electricity generation integrated with CCS. The policy framework for development processing is part of the recent attention that at the political level has been directed towards the use of CCS technologies with the aim of addressing the problems of actual climate change. Several technological options have been proposed to stabilize and reduce the atmospheric concentrations of carbon dioxide (CO2) among which, the most promising for IPPC (Intergovernmental Panel on Climate Change)are the CCS technologies (Carbon Capture and Storage & Carbon Capture and Sequestration). The remedy proposed for large stationary CO2 sources as thermoelectric power plants is to separate the flue gas capturing CO2 and to store it into deep subsurface geological formations (more than 800 meters of depth). In order to support the identification of potential CO2 storage reservoirs in Italy and in Europe by Geo Capacity(an European database) new studies are developing. From the various literature data analyzed shows that most of the CO2 emitted from large stationary sources comes from the processes of electricity generation (78% of total emissions) and from (about 60%) those using coal especially. The CCS have the objective of return "to the sender" , the ground, the carbon in oxidized form (CO2) after it has been burned by man starting from its reduced form (CH4, oil and coal), then the carbon dioxide is not a "pollutant" if injected into the subsurface, CO2 is an acid reagent that interacts with the rock, with underground fluid and the characteristics of the host rock. The results showed that the CCS technology are very urgent, because unfortunately there are too many industrial sources of CO2 in assets (power plants, refineries, cement plants, steel mills) in the world who are carrying too quickly the CO2 atmospheric concentration levels to values that aren't acceptable for our dear planet.

Studio di membrane a base di liquidi ionici per il trasporto facilitato di CO2

In questo lavoro viene effettuata un’analisi di membrane per la separazione di CO2 basate sul meccanismo di trasporto facilitato. Queste membrane sono caratterizzate da un supporto poroso impregnato di una fase liquida le cui proprietà chimico-fisiche vengono presentate in relazione alle performance di separazione fornite: si tratta di liquidi ionici che presentano gruppi funzionali in grado di reagire con la CO2 consentendo il trasporto facilitato del gas acido attraverso la membrana. Le prestazioni in termini di separazione di CO2 da miscele gas fornite da questa tecnologia vengono analizzate e confrontate con quelle offerte da altre tipologie di membrane: alcune basate sul meccanismo di solution-diffusion (membrane polimeriche e membrane impregnate di liquidi ionici room-temperature) ed altre caratterizzate da permeazione di CO2 con presenza di reazione chimica ottenuta mediante facilitatori (mobili o legati allo scheletro carbonioso del polimero costituente la membrana). I risultati ottenuti sono analizzati in merito alla possibile implementazione di tale sistema di separazione a membrana in processi di cattura di CO2 nell'ambito della tecnologia di Carbon Capture and Storage.

Analisi delle caratteristiche e delle performance di membrane polimeriche a microporosità intrinseca (PIM) per la cattura di CO2

In questo lavoro viene condotta un’analisi critica delle caratteristiche materiali e delle performance di una classe di polimeri recentemente sviluppata, i “Polimeri a Microporosità Intrinseca”, di grande interesse per lo sviluppo di membrane per la separazione di gas, specialmente nella Carbon Capture. Partendo dall’analisi del meccanismo di separazione di gas in membrane polimeriche dense si fornisce una overview sulle tecnologie assodate e innovative per la separazione di gas e per la CC. Le caratteristiche e le proprietà strutturali di rilievo dei polimeri vetrosi sono poi brevemente illustrate e le correlazioni empiriche note tra le suddette e le proprietà di trasporto di materia. Vengono quindi descritti i PIMs analizzando in primis la loro tipica struttura chimica, i processi di sintesi e le caratteristiche principali. Per il PIM-1, capostipite della categoria, il trasporto di gas viene approfondito con lo studio della variabilità delle proprietà quali la permeabilità, la diffusività e la solubilità di penetranti gassosi con i parametri operativi (p, T, composizione dei feed), considerando anche fenomeni tipici dei polimeri vetrosi quali l’aging e l’effetto dei solventi. Sono poi analizzate le proprietà di trasporto nei diversi PIMs, e confrontate con quelle di polimeri di comune utilizzo nelle separazioni in esame. La rielaborazione dei dati raccolti permette di confrontare le performance di una varietà di polimeri nella separazione di gas. In particolare l’analisi critica dei diagrammi permeabilità/selettività induce ad una valutazione approssimativa ma significativa delle possibili soluzioni tra cui optare per una data separazione di gas, considerando anche i parametri operativi tipici della stessa. Infine, vengono riportati e commentati dati di permeazione di miscele gassose in due diversi PIMs e nel polimero PTMSP, ponendo l’attenzione sulle reali condizioni operative con cui la tecnologia a membrane si deve confrontare in applicazioni reali.

Adsorbimento dinamico di CO2 in compositi innovativi a base geopolimerica

Fra le alternative proposte per la riduzione delle emissioni di CO2, le tecniche di Carbon Capture si presentano come un’efficace soluzione per il breve e medio termine. Fra queste, l’adsorbimento su fase solida per la rimozione di CO2 da correnti gassose si prospetta come una valida alternativa rispetto al convenzionale assorbimento ad umido. Questo lavoro di tesi si è occupato della sintesi di un composito a base geopolimerica presso l’ISTEC/CNR di Faenza, da impiegare per l’adsorbimento di CO2 a bassa temperatura, e dell’analisi del suo comportamento in regime di adsorbimento dinamico. Tale materiale è stato sintetizzato tramite attivazione con soluzione alcalina di metacaolino 1200S addizionato con polveri di zeolite Na13X. Esso costituisce una opzione interessante per la cattura di CO2, mostrando capacità di adsorbimento superiori a 1 mmol/g per concentrazioni di CO2 del 14% (a pressione atmosferica), simili a quelle presenti in molti processi industriali. Le prestazioni in regime dinamico risultano inoltre simili a quelle registrate nel regime statico. Le prove sperimentali hanno evidenziato la criticità della rigenerazione del materiale, in particolare riguardo all’eliminazione dell’acqua. Una temperatura di 130°C si mostra adatta per ottenere un’elevata rigenerazione del materiale, con rimozione sia di CO2 che dell’umidità adsorbita. Dalle prove svolte è risultato evidente come non sia conveniente operare con desorbimenti a temperatura ambiente e pressione atmosferica, ma sia necessario operare combinando swing di pressione e temperatura. È stato inoltre valutato l’effetto di una più bassa temperatura di adsorbimento (2°C), che porta ad un aumento della capacità del materiale. Sviluppi futuri in questo campo potrebbero essere la produzione di monoliti geopolimerici a porosità strutturate tramite tecniche innovative quali il freeze-casting e l’utilizzo di compositi integrati con additivi che ne migliorino le performance in termini di conducibilità termica.

Evaluation of most promising options for the C1 to C2-coupling: alternative formate coupling

This thesis work contains an overview of potential alternative options to couple formate produced from CO2 with other coupling partners than formate itself. Ultimately, the intent is to produce high value chemicals from CO2 at a high selectivity and conversion, whilst keeping the required utility of electrons in the electrochemical CO2 conversion at a minimum. To select and find new coupling partners, a framework was developed upon which a broad variety of candidates were assessed and ranked. A multi-stage process was used to select first potential classes of molecules. For each class, a variety of commercially available compounds was analysed in depth for its potential suitability in the reaction with the active carbonite intermediate. This analysis has shown that a wide variety of factors come into play and especially the reactivity of the hydride catalyst poses a mayor challenge. The three major potential classes of compounds suitable for the coupling are carbon oxides (CO2 & CO), and aldehydes. As a second step the remaining options were ranked to identify which compound to test first. In this ranking the reactants sustainability, ease of commercial operation and commercial attractiveness of the compound were considered. The highest-ranking compounds that proposed the highest potential are CO2, benzaldehyde and para-formaldehyde. In proof-of-principle experiments CO2 could successfully be incorporated in the form of carbonate, oxalate and potentially formate. The overall incorporation efficiency based on the hydride consumption was shown to be 50%. It is suggested to continue this work with mechanistic studies to understand the reaction in detail as, based on further gained knowledge, the reaction can then be optimized towards optimal CO2 incorporation in the form of oxalate.

Experimental characterization of hydrogen containing flames

The current environmental and socio-economic situation promotes the development of carbon-neutral and sustainable solutions for energy supply. In this framework, the use of hydrogen has been largely indicated as a promising alternative. However, safety aspects are of concern for storage and transportation technologies. Indeed, the current know-how promotes its transportation via pipeline as compressed gas. However, the peculiar properties of hydrogen make the selection of suitable materials challenging. For these reasons, dilution with less reactive species has been considered a short and medium solution. As a way of example, methane-hydrogen mixtures are currently transported via pipelines. In this case, the hydrogen content is limited to 20% in volume, thus keeping the dependence on natural gas sources. On the contrary, hydrogen can be conveniently transported by mixing it with carbon dioxide deriving from carbon capture and storage technologies. In this sense, the interactions between hydrogen and carbon dioxide have been poorly studied. In particular, the effects of composition and operative conditions in the case of accidental release or for direct use in the energy supply chain are unknown. For these reasons, the present work was devoted to the characterization of the chemical phenomena ruling the system. To this aim, laminar flames containing hydrogen and carbon dioxide in the air were investigated experimentally and numerically. Different detailed kinetic mechanisms largely validated were considered at this stage. Significant discrepancies were observed among numerical and experimental data, especially once a fuel consisting of 40%v of hydrogen was studied. This deviation was attributed to the formation of a cellular flame increasing the overall reactivity. Hence, this observation suggests the need for combined models accounting for peculiar physical phenomena and detailed kinetic mechanisms characterizing the hydrogen-containing flames.

Studio della permeabilità di CO2 e N2 in membrane composite di Aquivion e PVAm

Per mitigare il notevole aumento di emissioni di gas serra, molti studi si stanno focalizzando sulle membrane a trasporto facilitato per la separazione e la cattura di CO2. In particolare, le tecnologie di Carbon Capture and Storage (CCS) hanno ridestato interesse basandosi principalmente sulla cattura dell’anidride carbonica. L’obiettivo di questo studio è stato di migliorare le prestazioni di selettività nell’Aquivion, membrana ionomerica dell’acido perfluorosolfonico. Gli ottimi valori di permeabilità che raggiunge hanno portato quindi a focalizzare le ricerche sul miglioramento della capacità selettiva tra CO2 e N2. Infatti, la permeabilità e la selettività sono considerati parametri di trade-off, all’aumento di uno corrisponde la diminuzione dell’altro. Inoltre, le buone prestazioni delle membrane a trasporto facilitato in presenza di gruppi amminici hanno portato al tentativo di associare ad un materiale come l’Aquivion, dalla buona conduttività protonica, la Polivinilammina. Le ammine in membrane a trasporto facilitato sono infatti in grado di legare selettivamente l’anidride carbonica. Il presente lavoro si è inizialmente focalizzato sulla purificazione della Polivinilammina e sull’accoppiamento delle due membrane. In seguito alla realizzazione, i film sono stati caratterizzati mediante spettroscopia FTIR-ATR e infine testati in condizioni di umidità con l’utilizzo di un permeometro. È infatti ampiamente studiato come migliorare la permeabilità dell’Aquivion all’aumentare dell’umidità. In conclusione, in condizioni di alta adesione della Polivinilammina all’Aquivion la selettività ad alte umidità è aumentata rispetto ai valori di letteratura in articoli condizioni.

Experimental and numerical characterization of flame instability in hydrogen-containing flames

In the framework of the energy transition, the acquisition of proper knowledge of fundamental aspects characterizing the use of alternative fuels is paramount as well as the development of optimized know-how and technologies. In this sense, the use of hydrogen has been indicated as a promising route for decarbonization at the end-users stage in the energy supply chain. However, the elevated reactivity and the low-density at atmospheric conditions of hydrogen pose new challenges. Among the others, the dilution of hydrogen with carbon dioxide from carbon capture and storage systems represents a possible route. However, the interactions between these species have been poorly studied so far. For these reasons, this thesis, in collaboration between the University of Bologna and Technische Universität Bergakademie of Freiberg in Saxony (Germany), investigates the laminar flame of hydrogen-based premixed gas with the dilution of carbon dioxide. An experimental system, called a heat flux burner, was adopted ad different operating conditions. The presence of the cellularity phenomenon, forming the so-called cellular flame, was observed and analysed. Theoretical and visual methods have allowed for the characterization of the investigated flames, opening new alternatives for sustainable energy production via hydrogen transformation.

Analisi delle conseguenze dei rilasci accidentali di CO2 dagli impianti di cattura e stoccaggio

Oggi si sta assistendo sempre più ad un consumo maggiore di energia, proveniente soprattutto da fonti fossili. Tuttavia, occorre evidenziare l’aspetto negativo correlato a tutto questo: l’incremento del rilascio di gas ad effetto serra, responsabili del fenomeno del surriscaldamento globale. La Carbon Capture, Utilisation and Storage (CCUS) è stata riconosciuta come tecnologia strategica per raggiungere l’obiettivo dell’azzeramento delle emissioni entro il 2050. Lo scopo della tesi è effettuare la valutazione delle conseguenze dei rilasci accidentali di CO2 dagli impianti di cattura, esprimendole in termini di distanze di danno per l’uomo e per le apparecchiature. Dopo il Capitolo 1, dal carattere introduttivo e in cui si spiega il perché si renda necessaria la cattura della CO2, il Capitolo 2 fornisce i valori di pericolosità della CO2 relativi agli effetti tossici e termici, in termini di concentrazioni e temperature soglia; inoltre, illustra i codici DNV PHAST, NIST FDS e Ansys FLUENT, utilizzati per effettuare la valutazione delle conseguenze. A seguire, il Capitolo 3 presenta un impianto di cattura della CO2 assunto come caso di studio, fornendo la descrizione del funzionamento dell’impianto e riportandone i documenti principali, quali il PFD e la mappa del layout. Inoltre, vengono individuati gli scenari di rilascio e sono specificate le condizioni ambientali considerate ai fini della modellazione della dispersione. Il Capitolo 4 riporta i risultati ottenuti dalle simulazioni effettuate con i software di modellazione illustrati nel Capitolo 2, effettuando un’analisi comparativa delle distanze di danno, corredata di un’ampia discussione. Il Capitolo 5, infine, riporta le considerazioni conclusive del lavoro di tesi e delinea alcuni possibili sviluppi futuri delle indagini.