Post-combustion carbon capture in integrated oil refineries : the effect of CO2 capture rate on the cost of CO2 avoided

Climate change due to global warming is one of the biggest challenges of our time. Uncontrolled CO2 emissions from all human activities, such as power generation, transport, industry, residential, agriculture, etc., are the driving force behind this phenomenon. Carbon capture is an important solution to mitigate this problem. This study analyses the costs and possibilities of applying CO2 capture to one of the most impactful industrial sectors in terms of CO2 emissions: oil refineries. CO2 capture process from refinery flow gases results to be an expensive practice with a high level of complexity, mainly because oil refineries are characterized by several emission points with varying CO2 concentrations, differently from other energy-intensive industrial plants (e.g., power sector). This work proposes a model for estimating the costs of retrofitting a complex refinery with a MEA-based post-combustion CO2 capture technology. Six plant layouts are investigated in order to study different levels of capture integration. The energy demand of the capture section, in terms of steam and electricity, is assumed to be provided by a stand-alone natural gas combined heat and power plant, built from scratch. Resulting potential costs are in the range between 139 and 186 €/tCO2,a if the combined heat and power plant is not subject to capture, and in the range between 99 and 117 €/tCO2,a if the combined heat and power plant is subject to capture. Subsequently, the model is set up for different scenarios of interest, in particular, the case in which the natural gas combined heat and power plant is replaced by electric steam generators, such as high temperature heat pumps, with potential costs range between 76 and 130 €/tCO2,a, and electrode boilers, with potential costs between 93 and 137 €/tCO2,a, are also analysed. Sensitivity analyses complete the assessment, studying the variation of the main input values, such as heat pumps Coefficient of Performance, natural gas cost, CO2 capture ratio, specific reboiler duty for the regeneration section, electricity price, and more. It was also analysed a possible future scenario in which the electricity is totally supplied by renewable sources.

Il cambiamento climatico dovuto al riscaldamento globale è una delle più grandi sfide del nostro tempo. Le emissioni incontrollate di CO2 da tutte le attività umane, come la produzione di energia, i trasporti, l'industria, le abitazioni, l'agricoltura, ecc. sono la forza motrice di questo fenomeno. La cattura della CO2 è una soluzione importante per mitigare questo problema. Lo studio in questione analizza i costi e le possibilità di applicazione della cattura di CO2 a uno dei settori industriali più impattanti in termini di emissioni di CO2: le raffinerie del petrolio. Il processo di cattura della CO2 dai gas delle raffinerie è risultato essere una pratica costosa con un elevato grado di complessità, principalmente a causa del fatto che le raffinerie sono caratterizzate da molti punti di emissione con concentrazione di CO2 variabile, il che differisce dalla maggior parte degli altri impianti industriali ad alta intensità energetica (ad esempio, il settore per la produzione energetica). Questo lavoro propone un modello per stimare i costi per il retrofitting di una raffineria ad alta complessità con una tecnologia di cattura della CO2 post-combustione basata su MEA. Sei layouts d’impianto sono stati esaminati per studiare diversi livelli d’integrazione dell’unità di cattura. È stato ipotizzato che la domanda energetica della sezione di cattura, in termini di vapore ed elettricità, sia soddisfatta da un impianto cogenerativo a gas naturale per la produzione di calore ed energia. I costi potenziali risultanti sono compresi tra 139 e 186 €/tCO2,a se l'impianto cogenerativo non è soggetto a cattura, e tra 99 e 117 €/tCO2,a se l'impianto cogenerativo è soggetto a cattura. Successivamente, il modello viene configurato per diversi scenari di interesse, in particolare, è analizzato il caso in cui l'impianto di cogenerazione a gas naturale viene sostituito da generatori di vapore elettrici, come pompe di calore ad alta temperatura, dove il costo potenziale risulta compreso tra 76 e 130 €/tCO2,a, o boiler a elettrodi, costo potenziale risultante tra 93 e 137 €/tCO2,a. Le analisi di sensibilità completano la valutazione, studiando la variazione dei principali valori di input, come il Coefficient of Performance delle pompe di calore, il costo del gas naturale, l’efficienza di cattura della CO2, il consumo specifico del reboiler nella sezione di rigenerazione, il prezzo dell'elettricità e altro, analizzando anche lo scenario futuro in cui l'elettricità è totalmente fornita da fonti rinnovabili.