Economic optimisation of European and Mediterranean infrastructures for carbon dioxide capture, transport, and geological storage.

The emissions of carbon dioxide (CO2) from stationary sources (power, steel, cement and refinery plants) are identified as one of the main responsible for climate change. Carbon capture and storage is considered a key option to achieve a remarkable decarbonisation of power and industry sector. Carbon capture and storage consists in a chain of technologies to capture, transport and finally store the CO2 in safe geological formations. This work studies the technical and economic feasibility of a large-scale CO2 infrastructure applied to the hard-to-decarbonise industries in the European and Mediterranean Sea area, North Africa and West Asia. A carbon capture and storage supply chain is here optimised via mixed integer linear programming framework. The study includes the possibility to capture the CO2 from industrial emitters, comprising 42 steel mills, 236 cement plant and 82 oil refineries. A detailed analysis is provided on capture section based on the evaluation of capital and operative expenditures considering the full electrification of the utilities by means of heat pumps and electric boilers. Transport can be here operated through pipelines and both onshore and offshore sequestration is taken into account. Different case studies are considered to identify the optimal configurations in terms of costs, technology options and network complexity. The minimum CO2 avoidance cost is found equal to 57.4 €/t of CO2 which increases by around 20% (72.3 €/t of CO2) if offshore storage is preferred to onshore, to transport and sequester a total amount of 292.9 Mt of CO2/year (carbon reduction target of 50%). Additional considerations are provided following the results of sensitivity analyses on key parameters, such as the carbon reduction target, or the electricity price.

Le emissioni di anidride carbonica (CO2) prodotte da impianti stazionari (come centrali elettriche, raffinerie, acciaierie e cementifici) sono identificate come uno dei principali responsabili del cambiamento climatico. La cattura e il sequestro della CO2 è considerato come un’opzione chiave per raggiungere una notevole decarbonizzazione del settore energetico e industriale. La cattura e stoccaggio del carbonio consiste in una serie di tecnologie di cattura, trasporto ed infine deposito della CO2 in una formazione geologica sicura. Questo lavoro valuta la fattibilità tecnica ed economica di una infrastruttura di cattura, trasporto e sequestro della CO2 su grande scala applicata ad industrie hard-to-decarbonise nella zona Europea e del Mar Mediterraneo, in particolare Nord Africa e Asia Occidentale. La rete di cattura e stoccaggio è ottimizzata tramite una programmazione lineare intera mista. Lo studio include la possibilità di catturare la CO2 da industrie emettitrici, che comprendono 42 acciaierie, 236 cementifici e 82 raffinerie. Un’analisi più dettagliata è stata svolta riguardo la sezione di cattura con una valutazione dei capitali e i costi operativi in uno scenario di completa elettrificazione delle utenze attraverso l’utilizzo di pompe di calore o caldaia elettrica. Il trasporto viene effettuato tramite tubature e vengono considerati sia i siti di sequestro offshore che onshore. Vengono analizzati diversi casi studio per identificare la miglior configurazione in termini di costi, scelta opzioni tecnologiche e complessità della rete. Il minor costo della CO2 evitata risulta essere pari a 57.4 €/t di CO2 che cresce del 20% (72.3 €/t di CO2) se vengono scelti esclusivamente i siti di sequestro offshore, per depositare il 50% della CO2 emessa dagli impianti pari a 292.9 Mt di CO2 all’anno. Ulteriori considerazioni vengono fornite dai risultati dalle analisi di sensitività effettuate su alcuni parametri chiave, come l’obiettivo di riduzione di una certa percentuale di carbonio o il costo dell’elettricità.