Modeling the energy infrastructure for Alberta's oil sands industry : current technology vs petcoke gasification

The exploitation of the Canadian oil sands is extremely expensive in terms of energy and cost. Alberta’s oil sands companies extract bitumen and upgrade most of it to synthetic crude oil. During the upgrading, a large amount of petroleum coke is produced. Currently, this waste product is stockpiled, causing concerns on the possible effects for public health. In this work, petroleum coke gasification is evaluated as a source of energy for the processes. Steam assisted gravity drainage (SAGD) method was selected for bitumen extraction. The technology considered for primary conversion of bitumen is thermal cracking and specifically delayed coking. Once the streams energy demand is estimated, an energy infrastructure is created. In particular, a reference case (RC) and a gasification case (GC) are modeled with Aspen Plus. For both RC and GC the external fuel required and the CO2 emissions are calculated. Additionally, a net energy analysis (NEA) was performed for each case. The RC represents the current energy infrastructure of the oil sands industry. The results of the RC are then compared with the results obtained in similar studies. In the GC, a gasification plant has been integrated in the energy infrastructure. The gasifier uses Shell’s technology and is fueled with the petroleum coke generated from the bitumen upgrading. This plant produces electricity, steam and hydrogen for the processes. The GC is modeled both in CO2 venting and carbon capture and storage (CCS) scenarios. Upon modeling these two different systems, a comparative analysis is conducted which compares their performance and the emissions.

Lo sfruttamento delle sabbie bituminose canadesi risulta essere estremamente dispendioso dal punto di vista energetico ed economico. Le compagnie operanti nel settore estraggono il bitume dal sottosuolo e ne raffinano la maggior parte ad olio sintetico. Durante la raffinazione, viene prodotta una grande quantità di coke di petrolio. Attualmente, questo prodotto di scarto viene accatastato, causando preoccupazione per i possibili effetti negativi sulla salute delle persone. In questo studio, la gassificazione del coke di petrolio per la produzione dì energia viene valutata come possibile alternativa al sistema attuale. Sono stati considerati la tecnologia SAGD per l’estrazione del bitume dal sottosuolo ed il coking ritardato come metodo di conversione primaria del bitume. Dopo aver calcolato la domanda di energia, è stato costruito un modello in grado di soddisfarla. In particolare, tramite l’utilizzo del software Aspen Plus, sono stati creati un caso base (RC) e un caso con gassificazione (GC). Per entrambi i modelli, sono state calcolate le emissioni di CO2. Sia per il RC sia per il GC inoltre, è stata effettuata un’analisi energetica chiamata Net energy analysis (NEA). Il RC è rappresentativo dell’attuale situazione nell’industria delle sabbie bituminose. I risultati ottenuti per il caso base sono stati confrontati con i risultati disponibili in letteratura da altri studi simili. Nel GC, è stato integrato un impianto a gassificazione all’interno della struttura del RC, sostituendo parte delle tecnologie adottate precedentemente. Il gassificatore usa la tecnologia Shell ed è alimentato con il coke petrolifero generato dalla raffineria. Questo impianto produce elettricità, vapore e idrogeno per i vari processi. Per quanto riguarda il GC, è stato simulato anche uno scenario con cattura della CO2 che riduce notevolmente le emissioni generate dall’impianto. Infine, le prestazioni e le emissioni generate dai due scenari RC e GC sono state confrontate tra di loro e analizzate.