Análise de propostas de sequestro mineral de carbono para usinas termoelétricas no Brasil

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Un piano territoriale per la riduzione della concentrazione di CO2 nell'atmosfera e la produzione energetica da fonti rinnovabili per mezzo della filiera delle biomasse

Il progetto propone uno studio per verificare la fattibilita' di un piano territoriale (ideato per il bacino del Po ma di fatto estendibile a tutti i bacini fluviali) per la creazione di una filiera di colture bioenergetiche (biomasse) che, trasportate per mezzo della navigazione fluviale (uno dei mezzi di trasporto a minore emissione di CO2), alimentino una o piu' centrali a nuova tecnologia che associno alla produzione di calore (teleriscaldamento e raffreddamento) e di energia la separazione dei fumi. La CO2 catturata dalla crescita delle biomasse e recuperata dalla combustione, puo' quindi essere segregata nel sottosuolo di aree costiere subsidenti contrastando il fenomeno dell’abbassamento del suolo. Ricavando benefici in tutti i passaggi di attuazione del piano territoriale (lancio dell'agricoltura bioenergetica, rilancio della navigazione a corrente libera, avvio di una economia legata alla logistica del trasporto e dello stoccaggio delle biomasse, generazione di energia pulita, lotta alla subsidenza) il progetto, di fatto, consente di catturare ingenti quantitativi di CO2 dall'atmosfera e di segregarli nel sottosuolo, riducendo l'effetto serra. Nel corso del Dottorato e' stata sviluppata una metodologia di valutazione della sostenibilita' economica ed ambientale del progetto ad un bacino fluviale, che consta di una modulistica di raccolta dei dati di base e di una procedura informatizzata di analisi.

Studio del metodo dell'assorbimento diretto della CO2 per l'analisi del radiocarbonio

L’attuale rilevanza rappresentata dalla stretta relazione tra cambiamenti climatici e influenza antropogenica ha da tempo posto l’attenzione sull’effetto serra e sul surriscaldamento planetario così come sull’aumento delle concentrazioni atmosferiche dei gas climaticamente attivi, in primo luogo la CO2. Il radiocarbonio è attualmente il tracciante ambientale per eccellenza in grado di fornire mediante un approccio “top-down” un valido strumento di controllo per discriminare e quantificare il diossido di carbonio presente in atmosfera di provenienza fossile o biogenica. Ecco allora che ai settori applicativi tradizionali del 14C, quali le datazioni archeometriche, si affiancano nuovi ambiti legati da un lato al settore energetico per quanto riguarda le problematiche associate alle emissioni di impianti, ai combustibili, allo stoccaggio geologico della CO2, dall’altro al mercato in forte crescita dei cosiddetti prodotti biobased costituiti da materie prime rinnovabili. Nell’ambito del presente lavoro di tesi è stato quindi esplorato il mondo del radiocarbonio sia dal punto di vista strettamente tecnico e metodologico che dal punto di vista applicativo relativamente ai molteplici e diversificati campi d’indagine. E’ stato realizzato e validato un impianto di analisi basato sul metodo radiometrico mediante assorbimento diretto della CO2 ed analisi in scintillazione liquida apportando miglioramenti tecnologici ed accorgimenti procedurali volti a migliorare le performance del metodo in termini di semplicità, sensibilità e riproducibilità. Il metodo, pur rappresentando generalmente un buon compromesso rispetto alle metodologie tradizionalmente usate per l’analisi del 14C, risulta allo stato attuale ancora inadeguato a quei settori applicativi laddove è richiesta una precisione molto puntuale, ma competitivo per l’analisi di campioni moderni ad elevata concentrazione di 14C. La sperimentazione condotta su alcuni liquidi ionici, seppur preliminare e non conclusiva, apre infine nuove linee di ricerca sulla possibilità di utilizzare questa nuova classe di composti come mezzi per la cattura della CO2 e l’analisi del 14C in LSC.

Studio sulla distribuzione dell'inquinamento da idrocarburi clorurati nelle falde della Provincia di Ferrara.

La Provincia di Ferrara ha avuto (ed ha tuttora) sul suo territorio, insediamenti produttivi di varia natura, che nel tempo hanno fatto uso di idrocarburi alifatici clorurati, per scopi diversi: solventi, sgrassanti, refrigeranti, supporti chimici e farmaceutici, ecc. Soprattutto nei decenni passati, a causa di normative poco restringenti sull’uso e sullo smaltimento di questi composti, si sono verificate le condizioni per provocare l’inquinamento delle falde del territorio provinciale. Nel corso degli anni, si sono svolti studi di diverso carattere, finalizzati ad individuare e caratterizzare siti (o raggruppamenti di siti) contaminati da idrocarburi clorurati. In questo lavoro si è allargata l’attenzione a tutti i siti presenti nel territorio definito dai limiti amministrativi della Provincia di Ferrara, che, nell‘arco temporale 2000 – 2015, hanno evidenziato contaminazioni da CAHs nell’acquifero superficiale A0 e/o nell’acquifero confinato A1. Si sono create, quindi, carte di distribuzione dei siti inquinati su scala provinciale, analizzandone principalmente caratteristiche idrogeologiche e variazioni di distribuzione chimica nello spazio e nel tempo, in relazione agli studi di caratterizzazione ed a eventuali messe in sicurezza e/o bonifiche. I dati necessari sono stati reperiti dagli atti amministrativi e dai relativi documenti tecnici, messi a disposizione dalla Provincia di Ferrara. L’attenzione è ricaduta in particolare sul cloruro di vinile (Vinyl Chloride, VC) ritrovato in alte concentrazioni e in un alto numero di siti. Il suo non utilizzo diretto nei processi produttivi in esame, ne esclude la presenza in qualità di contaminante primario, classificandolo come prodotto della degradazione di altri idrocarburi clorurati più complessi, in larga parte etileni clorurati. Si è inoltre appurato, come la presenza di VC non sia solo attribuibile a siti operanti nel settore metallurgico o chimico, ma riguardi in alcuni casi inquinamenti provocati da commercio o stoccaggio di carburanti, a cui, in passato, furono aggiunti solventi clorurati per migliorarne le caratteristiche chimico-fisiche. Si è concluso infine, come nel territorio della Provincia di Ferrara siano frequenti condizioni particolari, che favoriscono la degradazione di composti organo-clorurati complessi, ed agevolano l’accumulo di cloruro di vinile. Tali caratteristiche, sono state principalmente individuate nella diffusa presenza di livelli fini, anche torbosi, e nella altrettanto diffusa presenza di ambienti riducenti, non solo nel caso dell’acquifero confinato A1 ma anche nel caso dell’acquifero superficiale A0.

Clean Coal Technologies Scenario and Evaluation of Present CO2 Dwindling Initiatives to Approach Zero Emission Power Stations By Coal Combustion. Deployment Situation and Evaluation Study

In the present uncertain global context of reaching an equal social stability and steady thriving economy, power demand expected to grow and global electricity generation could nearly double from 2005 to 2030. Fossil fuels will remain a significant contribution on this energy mix up to 2050, with an expected part of around 70% of global and ca. 60% of European electricity generation. Coal will remain a key player. Hence, a direct effect on the considered CO2 emissions business-as-usual scenario is expected, forecasting three times the present CO2 concentration values up to 1,200ppm by the end of this century. Kyoto protocol was the first approach to take global responsibility onto CO2 emissions monitoring and cap targets by 2012 with reference to 1990. Some of principal CO2emitters did not ratify the reduction targets. Although USA and China spur are taking its own actions and parallel reduction measures. More efficient combustion processes comprising less fuel consuming, a significant contribution from the electricity generation sector to a CO2 dwindling concentration levels, might not be sufficient. Carbon Capture and Storage (CCS) technologies have started to gain more importance from the beginning of the decade, with research and funds coming out to drive its come in useful. After first researching projects and initial scale testing, three principal capture processes came out available today with first figures showing up to 90% CO2 removal by its standard applications in coal fired power stations. Regarding last part of CO2 reduction chain, two options could be considered worthy, reusing (EOR & EGR) and storage. The study evaluates the state of the CO2 capture technology development, availability and investment cost of the different technologies, with few operation cost analysis possible at the time. Main findings and the abatement potential for coal applications are presented. DOE, NETL, MIT, European universities and research institutions, key technology enterprises and utilities, and key technology suppliers are the main sources of this study. A vision of the technology deployment is presented.

Escenario de potenciales tecnologías limpias de carbón y evaluación de las iniciativas dereducción de CO2 en su aproximación a centrales de generación eléctrica de emisiones cero

Dentro del objetivo común que persigue alcanzar una estabilidad social y una economía de éxito sostenible en el actual e incierto contexto mundial, el pronóstico es que la demanda de energía siga aumentando y que la generación mundial de electricidad se duplique entre los años 2005 y 2030. En este escenario, los combustibles fósiles podrían mantener una contribución muy significativa al mix energético posiblemente hasta el año 2050, participando del mercado de generación de energía eléctrica mundial en aproximadamente un 70% y siendo base de la generación de energía eléctrica europea en un 60%. El carbón sin duda seguirá teniendo una contribución clave. Este incremento en la demanda energética y energía eléctrica, en el consumo de carbón y de combustibles fósiles en general, sin duda tendrá impacto sobre los niveles de concentración de CO2 a nivel global en los diferentes escenarios evaluados, con un fatal pronóstico de triplicar, si no se contiene de alguna manera su emisión, los niveles actuales de concentración de CO2 hasta valores próximos a 1.200 ppm para finales de este siglo XXI. El Protocolo de Kyoto, adoptado en 1997, fue el primer tratado de responsabilidad a nivel mundial para el monitoreo y limitación de las emisiones de CO2, realizando una primera aproximación hasta el año 2012 y tomando como valores de referencia los referidos a los niveles de concentración de gases de efecto invernadero registrados en 1990. Algunos de los principales países emisores de CO2 como USA y China no ratificaron los objetivos de límite de emisión y niveles de reducción de CO2, y sin embargo están tomando sus propias acciones y medidas en paralelo para reducir sus emisiones. Los procesos de combustión más eficientes y con menor consumo de combustible, proporcionan una significativa contribución del sector de generación eléctrica a la reducción de los niveles de concentración de CO2, pero podría no ser suficiente. Tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CCS, del inglés Carbon Capture and Storage) han comenzado a ganar más importancia desde principios de esta década, se ha intensificado la investigación y proliferado la creación de fondos que impulsen su desarrollo y estimulen su despliegue. Tras los primeros proyectos de investigación básica y ensayos a pequeña escala, casi embrionaria, tres procesos de captura se posicionan como los más viables actualmente, con potencial para alcanzar niveles de reducción de CO2 del 90%, mediante su aplicación en centrales de carbón para generación eléctrica. En referencia al último paso del esquema CCS en el proceso de reducción de las ingentes cantidades de CO2 que habría que eliminar de la atmósfera, dos opciones deberían ser consideradas: la reutilización (EOR y EGR) y el almacenamiento. El presente artículo evalúa el estado de las diferentes tecnologías de captura de CO2, su disponibilidad, su desarrollo y su coste de instalación estimado. Se incorpora un pequeño análisis de los costes de operación y varias extrapolaciones, dado que solo están disponibles algunos de estos datos hasta la fecha. Además este artículo muestra los principales hallazgos y los potenciales de reducción de emisiones de CO2 en la utilización del carbón para generar electricidad y proporciona una visión del desarrollo y despliegue actual de la tecnología. Se realiza una revisión de las iniciativas existentes a nivel mundial mediante proyectos de demostración orientados a la viabilidad comercial del esquema CCS para el período 2020 ? 2030. Se evalúan los diferentes programas en curso y sus avances, como el programa de UK, el EEPR (European Energy Program for Recovery), etc. Las principales fuentes empleadas en la elaboración de este artículo son el DOE, NETL, MIT, EPRI, Centros e Institutos de Investigación, Universidades Europeas, Administraciones Públicas y Agencias Internacionales, suministradores de tecnología crítica, compañías eléctricas (utilities) y empresas tecnológicas.

Estudo da injeção de CO2 em reservatórios carbonáticos de dupla-porosidade

As rochas carbonáticas ocupam, numa visão global, um expressivo volume da crosta terrestre. De maneira geral, pode-se dizer que essas rochas estão presentes nas diversas unidades litoestatigráficas da Terra. Os reservatórios carbonáticos são reservas naturalmente fraturadas que exigem uma abordagem diferenciada na modelagem em programas de simulação numérica. Os modelos de dupla porosidade são descritos por funções de tranferências que modelam o fluxo de óleo entre matriz e fraturas. Em um reservatório carbonático naturalmente fraturado o sistema de fraturas é determinante no escoamento de fluidos dentro da reserva. Os maiores reservatórios carbonáticos do mundo estão situados no Oriente Médio e na América do Norte. As maiores reservas de óleo brasileiras encontradas neste tipo de reservatório estão localizadas nos campos do Pré-Sal. No Pré-Sal, um volume significativo de dióxido de carbono é produzido juntamente com o óleo. A disponibilidade de um volume consideravél de dióxido de carbono derivado da produção de óleo no Pré-Sal favorece a utilização dos processos de EOR (Enhanced Oil Recovery) por injeção de gás. O processo de injeção de dióxido de carbono vem sendo utilizado em uma grande quantidade de projetos pelo mundo. A afinidade existente entre o óleo e o dióxido de carbono causa uma frente miscível entre as duas fases causando inchamento e vaporização do óleo dentro do reservatório. Para o estudo, foi utilizado um modelo base de reservatório de dupla-porosidade, desenvolvido pela CMG para o 6° Projeto de Soluções Comparativas da SPE, que modela sistemas de fraturas e de matriz e a tranferência de massa fluida entre elas, características de reservatórios naturalmente fraturados. Foi feita uma análise da injeção de diferentes vazões de dióxido de carbono no modelo base e em modelos semelhantes, com aumento e redução de 5 e 0.5 pontos nas propriedades de porosidade e permeabilidade da matriz, respectivamente, tendo a produção de óleo como resultado. A injeção de 25 milhões de pés cúbicos por dia de CO2 foi a vazão que obteve a melhor fator de recuperação

Protocolo para avaliar o potencial de sistemas agrícolas no sequestro de C e acúmulo de N no solo

A preocupação com o aumento da concentração de gases de efeito estufa (GEE - CO2, CH4 e N2O) na atmosfera fez com que a comunidade científica quantificasse a emissão destes pelas diversas atividades antrópicas, para melhor entendimento do impacto de cada uma neste processo. Nesses levantamentos, a atividade agropecuária mundial é considerada como responsável por 25% dos GEE emitidos no planeta (IPCC, 2001), e esta percentagem também é a mesma observada no setor agropecuário brasileiro. Os solos representam o terceiro maior compartimento de carbono (C) terrestre, por isso são crescentes os esforços em identificar práticas agropecuárias que promovam o acúmulo ou a manutenção da matéria orgânica do solo (MOS). No entanto, estudos sobre a dinâmica deste elemento são realizados, geralmente, sem levar em consideração a sua interação com outros nutrientes. Deve-se considerar que no solo, o C encontra-se em forma orgânica, formando compostos de natureza variável.

A study of environmental and management drivers of non-co2 greenhouse gas emissions in Australian agro-ecosystems

Australian climate, soils and agricultural management practices are significantly different from those of the northern hemisphere nations. Consequently, experimental data on greenhouse gas production from European and North American agricultural soils and its interpretation are unlikely to be directly applicable to Australian systems.

Quantifying N2O and CO2 emissions from subtropical pasture

Greenhouse gas emissions from a well established, unfertilized tropical grass-legume pasture were monitored over two consecutive years using high resolution automatic sampling. Nitrous oxide emissions were highest during the summer months and were highly episodic, related more to the size and distribution of rain events than WFPS alone. Mean annual emissions were significantly higher during 2008 (5.7 ± 1.0 g N2O-N/ha/day) than 2007 (3.9 ± 0.4 and g N2O-N/ha/day) despite receiving nearly 500 mm less rain. Mean CO2 (28.2 ± 1.5 kg CO2 C/ha/day) was not significantly different (P < 0.01) between measurement years, emissions being highly dependent on temperature. A negative correlation between CO2 and WFPS at >70% indicated a threshold for soil conditions favouring denitrification. The use of automatic chambers for high resolution greenhouse gas sampling can greatly reduce emission estimation errors associated with temperature and WFPS changes.

Raman spectroscopy of hydrogene-arsenate group (AsO3OH) in solid-state compounds: cobalt mineral phase burgessite Co2(H2O)4[AsO3OH]2•H2O

Raman spectrum of burgessite, Co2(H2O)4[AsO3OH]2.H2O was studied, interpreted and compared with its infrared spectrum. The stretching and bending vibrations of (AsO3) and As-OH units together with the stretching, bending and libration modes of water molecules and hydroxyl ions were assigned. The range of O-H...O hydrogen bond lengths was inferred from the Raman and infrared spectra of burgessite. The presence of (AsO3OH)2- units in the crystal structure of burgessite was proved in agreement with its recently solved crystal structure. Raman and infrared spectra of erythrite inferred from the RRUFF database are used for comparison.

How can soil monitoring networks be used to improve predictions of organic carbon pool dynamics and CO2 fluxes in agricultural soils?

Abstract As regional and continental carbon balances of terrestrial ecosystems become available, it becomes clear that the soils are the largest source of uncertainty. Repeated inventories of soil organic carbon (SOC) organized in soil monitoring networks (SMN) are being implemented in a number of countries. This paper reviews the concepts and design of SMNs in ten countries, and discusses the contribution of such networks to reducing the uncertainty of soil carbon balances. Some SMNs are designed to estimate country-specific land use or management effects on SOC stocks, while others collect soil carbon and ancillary data to provide a nationally consistent assessment of soil carbon condition across the major land-use/soil type combinations. The former use a single sampling campaign of paired sites, while for the latter both systematic (usually grid based) and stratified repeated sampling campaigns (5–10 years interval) are used with densities of one site per 10–1,040 km². For paired sites, multiple samples at each site are taken in order to allow statistical analysis, while for the single sites, composite samples are taken. In both cases, fixed depth increments together with samples for bulk density and stone content are recommended. Samples should be archived to allow for re-measurement purposes using updated techniques. Information on land management, and where possible, land use history should be systematically recorded for each site. A case study of the agricultural frontier in Brazil is presented in which land use effect factors are calculated in order to quantify the CO2 fluxes from national land use/management conversion matrices. Process-based SOC models can be run for the individual points of the SMN, provided detailed land management records are available. These studies are still rare, as most SMNs have been implemented recently or are in progress. Examples from the USA and Belgium show that uncertainties in SOC change range from 1.6–6.5 Mg C ha−1 for the prediction of SOC stock changes on individual sites to 11.72 Mg C ha−1 or 34% of the median SOC change for soil/land use/climate units. For national SOC monitoring, stratified sampling sites appears to be the most straightforward attribution of SOC values to units with similar soil/land use/climate conditions (i.e. a spatially implicit upscaling approach). Keywords Soil monitoring networks - Soil organic carbon - Modeling - Sampling design