An Analysis of Basin-Scale CO 2 Emissions Management for Oil - PowerPoint PPT Presentation

An ¡Analysis ¡of ¡Basin-­‑Scale ¡CO 2 ¡Emissions ¡ Management ¡for ¡Oil ¡Shale ¡Development ¡ Gordon ¡N. ¡KeaIng*, ¡Richard ¡S. ¡Middleton, ¡Donatella ¡Pasqualini, ¡ ¡ Rajesh ¡Pawar, ¡Philip ¡H. ¡Stauffer, ¡Hari ¡Viswanathan, ¡and ¡ ¡ Andrew ¡V. ¡Wolfsberg ¡ Earth ¡and ¡Environmental ¡Sciences, ¡Los ¡Alamos ¡NaIonal ¡Laboratory ¡ ¡ Funded ¡by ¡DOE ¡NPOSR ¡and ¡Office ¡of ¡Fossil ¡Energy ¡/ ¡NETL ¡Carbon ¡Program ¡ ¡ ¡ 30 th ¡Oil ¡Shale ¡Symposium, ¡Golden, ¡CO ¡ October ¡19, ¡2010 ¡

OS ¡Integrated ¡Assessment ¡ LA-UR-10-03053

Carbon ¡Management ¡for ¡OS ¡Development ¡ Focus: ¡ • Oil ¡shale ¡in ¡the ¡Piceance ¡Basin ¡ • Shell ¡ICP ¡ – 1.5 ¡Tbbl ¡ of ¡oil ¡in ¡place ¡(Saudi ¡Arabia: ¡0.267 ¡ • CO 2 ¡from ¡electricity ¡ Tbbl) ¡ generaIon, ¡retort ¡gas ¡ – very ¡ energy ¡intensive ¡ → ¡CO 2 ¡management ¡ cleanup ¡ – CO 2 ¡per ¡barrel: ¡ 110 ¡ to ¡ 496 ¡kg/bbl ¡ • Carbon uff ¡ ¡≈ ¡ ¡Carbon conv ¡ ¡ ¡→ ¡1.5 ¡MMbbl/d: ¡ ¡ 60 ¡ to ¡ 243 ¡MtCO 2 /yr ¡ ¡ LA-UR-10-03053

Modeling ¡Approach ¡ CO 2 ¡SequestraIon: ¡ • CO 2 -­‑PENS ¡ ¡geologic ¡ sequestraIon ¡performance ¡and ¡ assessment ¡model ¡ • Reservoir ¡capacity ¡and ¡on-­‑site ¡ costs ¡ CO 2 ¡TransportaIon: ¡ • SimCCS ¡infrastructure ¡opImizaIon ¡ • Pipeline ¡network ¡design ¡and ¡costs ¡ CO 2 ¡source ¡term: ¡ • CLEAR uff ¡ ¡dynamical ¡assessment ¡model ¡ • ICP ¡producIon ¡process, ¡electricity ¡ generaIon, ¡CO 2 ¡emissions ¡/capture ¡ LA-UR-10-03053

Site ¡Screening ¡ Oil ¡Shale ¡ Development ¡ 1. SequestraIon ¡basin ¡ 2. Geologic ¡formaIons ¡ SequestraIon ¡ 3. Land ¡access ¡ Basin ¡ 4. Site ¡locaIons ¡ 5. Reservoir ¡capacity, ¡injecIvity ¡ 6. Infrastructure ¡ 7. Safety ¡and ¡risk ¡ ¡ Castlegate Candidate ¡ formaIons ¡are ¡ screened ¡by ¡ reservoir ¡ depth, ¡ targeIng ¡1-­‑4 ¡ Entrada km ¡(ca. ¡ 3300-­‑13100’) ¡ LA-UR-10-03053

Site ¡Screening ¡ Land ¡Ownership ¡/ ¡ 1. SequestraIon ¡basin ¡ protecIon ¡ 2. Geologic ¡formaIons ¡ 3. Land ¡access ¡ 4. Site ¡locaIons ¡ Land ¡Use ¡ 5. Reservoir ¡capacity, ¡injecIvity ¡ 6. Infrastructure ¡ Terrain ¡ 7. Safety ¡and ¡risk ¡ ¡ States, ¡roads, ¡rail ¡ LA-UR-10-03053

Reservoir ¡Capacity, ¡InjecIvity ¡ CO 2 -­‑PENS ¡ • Uncertain ¡inputs: ¡ ¡reservoir ¡ permeability , ¡ porosity , ¡ thickness ; ¡ Increasing depth distribuIon ¡piping ¡costs ¡ ¡ Results: ¡ • 9 ¡sites: ¡6.5 ¡GtCO 2 ¡capacity ¡ à 131 ¡MtCO 2 /yr ¡ for ¡50 ¡yr ¡ à • Capacity ¡controlled ¡by ¡ ¡ thickness ¡& ¡porosity ¡ ¡(reservoir ¡volume) ¡ • Increasing ¡depth ¡–> ¡increasing ¡ capacity ¡ LA-UR-10-03053

Reservoir ¡Capacity, ¡InjecIvity ¡ CO 2 -­‑PENS ¡ Results: ¡ Increasing depth • Costs ¡are ¡funcIon ¡of ¡ injec3vity ¡– ¡ controlled ¡by ¡permeability ¡ • Drilling ¡cost ¡(94%) ¡and ¡piping ¡(6%) ¡ • Deeper ¡sites ¡require ¡fewer ¡wells ¡and ¡ are ¡cheaper ¡ Site ¡ID ¡ Forma3on ¡ Site ¡ Onsite ¡Costs b ¡ Repres. ¡ Reservoir ¡ Injec3on ¡ Capacity ¡(Mt) ¡ Capacity ¡(Mt/yr) ¡ ($/t) ¡ Area ¡ Depth a ¡ (km 2 ) ¡ (m) ¡ Mean ¡ Mean ¡ Mean ¡ Std. ¡ Std. ¡ Std. ¡ Dev. ¡ Dev. ¡ Dev. ¡ 1 ¡ Castlegate ¡ 900 ¡ 2000 ¡ 817 ¡ 242 ¡ 16.3 ¡ 4.8 ¡ 0.69 ¡ 0.27 ¡ 2 ¡ Castlegate ¡ 486 ¡ 3500 ¡ 722 ¡ 214 ¡ 14.4 ¡ 4.3 ¡ 0.40 ¡ 0.16 ¡ 3 ¡ Castlegate ¡ 594 ¡ 2500 ¡ 650 ¡ 193 ¡ 13.0 ¡ 4.0 ¡ 0.55 ¡ 0.22 ¡ 4 ¡ Castlegate ¡ 660 ¡ 2000 ¡ 599 ¡ 178 ¡ 12.0 ¡ 3.6 ¡ 0.70 ¡ 0.27 ¡ 5 ¡ Castlegate ¡ 750 ¡ 1500 ¡ 546 ¡ 162 ¡ 10.9 ¡ 3.2 ¡ 1.20 ¡ 0.47 ¡ 6 ¡ Entrada ¡ 812 ¡ 3000 ¡ 1550 ¡ 394 ¡ 31.0 ¡ 7.9 ¡ 0.47 ¡ 0.18 ¡ 7 ¡ Entrada ¡ 504 ¡ 2000 ¡ 677 ¡ 173 ¡ 13.5 ¡ 3.5 ¡ 0.71 ¡ 0.27 ¡ 8 ¡ Entrada ¡ 289 ¡ 1800 ¡ 357 ¡ 91 ¡ 7.1 ¡ 1.8 ¡ 0.85 ¡ 0.32 ¡ 9 ¡ Entrada ¡ 576 ¡ 1500 ¡ 620 ¡ 158 ¡ 12.4 ¡ 3.2 ¡ 1.21 ¡ 0.46 ¡ Total: ¡ 6538 ¡ 131 ¡ ¡Notes: ¡ a RepresentaIve ¡depth ¡reflects ¡the ¡depth ¡to ¡the ¡top ¡of ¡the ¡reservoir ¡near ¡the ¡center ¡of ¡the ¡site. ¡The ¡ reservoir ¡depth ¡typically ¡varies ¡across ¡the ¡site ¡due ¡to ¡regional ¡formaIon ¡dip. ¡ SimCCS ¡ b On-­‑site ¡costs ¡include ¡costs ¡for ¡drilling ¡new ¡injector ¡wells, ¡refurbishing ¡exisIng ¡wells ¡for ¡use ¡as ¡injectors, ¡ and ¡distribuIon ¡piping ¡to ¡the ¡wellheads; ¡calculated ¡by ¡ CO2-­‑PENS . ¡ LA-UR-10-03053

Source ¡Term ¡ Carbon Captured Carbon Captured Production Level (MtCO 2 /yr) (MtCO 2 /yr) (MMbbl/day) 1. NGCC 2. NGCC + IGCC 0.1 (single company) 6 10 0.5 (group of companies) 32 47 9-­‑site ¡capacity ¡ 1.3 (1/4 U.S. domestic 83 127 131 ¡MtCO 2 /yr ¡ production) CO 2 ¡Source ¡term ¡(from ¡ CLEAR uff ) ¡ ¡ Two ¡Scenarios ¡for ¡electricity ¡generaIon ¡ from ¡co-­‑generated ¡NG ¡+ ¡addiIonal ¡fuel: ¡ Data ¡from ¡ 1. 100% ¡NGCC ¡ ¡ Rubin ¡et ¡al. ¡2005 ¡ Brandt ¡2008 ¡ 2. NGCC ¡+ ¡IGCC ¡ DOE ¡2006 ¡ Dooley ¡et ¡al. ¡2009 ¡ LA-UR-10-03053

Infrastructure ¡OpImizaIon ¡ SimCCS ¡ • Cost ¡Surface ¡ built ¡on ¡land ¡use/ cover, ¡slope, ¡aspect, ¡populaIon ¡ density, ¡river ¡crossings, ¡ROWs… ¡ ¡ • One ¡aggregated ¡CO 2 ¡source ¡ including ¡power ¡plants ¡and ¡ retort ¡cleanup ¡ • Nine ¡sinks ¡ of ¡variable ¡ area ¡(289 ¡ – ¡900 ¡km 2 ), ¡target ¡formaIon ¡ ( CASTLEGATE ¡or ¡ ENTRADA ¡ Sandstone), ¡ depth ¡to ¡the ¡top ¡of ¡ the ¡reservoir ¡(average ¡1500 ¡– ¡ 3500 ¡m), ¡and ¡ distance ¡from ¡the ¡ presumed ¡CO 2 ¡source. ¡ ¡ LA-UR-10-03053

CO 2 ¡Transport: ¡Infrastructure ¡OpImizaIon ¡ Pipeline ¡size ¡(capacity) ¡ Network ¡topology ¡ Sink ¡capacity ¡and ¡cost ¡ Network ¡cost ¡ Sink ¡proximity ¡to ¡source ¡ Vary ¡as ¡the ¡CO 2 ¡source ¡ rate ¡increases ¡

CO 2 ¡Transport: ¡Infrastructure ¡OpImizaIon ¡ Economic ¡Results: ¡ • IniIal ¡decline ¡in ¡pipeline ¡costs ¡ • Storage ¡costs ¡iniIally ¡constant, ¡ rise ¡with ¡increasing ¡uIlity ¡ • Window ¡of ¡minimum ¡costs: ¡30 ¡ to ¡80 ¡MtCO 2 /yr ¡ Compare ¡to ¡ $0.5/tCO 2 ¡ ¡ ($0.40 ¡-­‑ ¡$4.5/tCO 2 ) ¡ IPCC ¡(2005), ¡ ¡U.S. ¡onshore ¡storage ¡in ¡saline ¡aquifer ¡

CO 2 ¡Transport: ¡Infrastructure ¡OpImizaIon ¡ Results: ¡non-­‑linear ¡relaIonship ¡ between ¡spaIal ¡deployment ¡of ¡ CCS ¡infrastructure ¡and ¡oil-­‑shale ¡ producIon ¡rate ¡

Effect ¡of ¡Reservoir ¡Uncertainty ¡ 70 ¡MtCO 2 /yr ¡carbon ¡ management ¡scenario, ¡ ¡ ¡ 100 ¡solu3ons ¡ Carbon ¡management ¡scenario ¡(MtCO 2 /yr) ¡ Carbon ¡management ¡scenario ¡(MtCO 2 /yr) ¡ LA-UR-10-03053

Conclusions ¡ • Nine ¡example ¡sites ¡in ¡a ¡13,300 ¡km 2 ¡area ¡have ¡the ¡ capacity ¡to ¡store ¡6.5 ¡GtCO 2 ¡ ¡ ¡ (131 ¡MtCO 2 /yr), ¡ corresponding ¡to ¡shale-­‑oil ¡producIon ¡of ¡1.3 ¡MMbbl/ day ¡for ¡50 ¡years ¡(about ¡1/4 ¡of ¡U.S. ¡crude ¡oil ¡ producIon) ¡ • The ¡interplay ¡among ¡pipeline ¡size, ¡sink ¡capacity ¡and ¡ cost, ¡and ¡sink ¡locaIon ¡produce ¡non-­‑intuiIve ¡variaIons ¡ in ¡the ¡network ¡topology ¡and ¡cost ¡as ¡the ¡CO 2 ¡source ¡ rate ¡increases. ¡ • Reservoir ¡uncertainty ¡has ¡a ¡significant ¡impact ¡ on ¡CCS ¡infrastructure ¡ Kea3ng ¡et ¡al. ¡ (2010). ¡Meso-­‑scale ¡carbon ¡sequestraIon ¡site ¡screening ¡and ¡CCS ¡ infrastructure ¡analysis, ¡ Environmental ¡Science ¡& ¡Technology, ¡(Online) ¡ArScles ¡ ASAP, ¡DOI: ¡10.1021/es101470m. ¡ LA-UR-10-03053