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- 1 - Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Modeling a Carbon Capture, Transport and Storage.

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1 - 1 - Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Modeling a Carbon Capture, Transport and Storage (CCTS) Infrastructure for the Industrial Sector IAEE International Conference, Stockholm, Technische Universität Berlin Fachgebiet W irtschafts- und I nfrastruktur P olitik Pao-Yu Oei Andreas Tissen Johannes Herold

2 - 2 - Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Agenda 1)Motivation 2)Description of the Model CCTSMOD 3)Implemented Data 4)Scenario Runs a.BAU b.Industry c.Offshore d.Storage 5)Conclusion and Further Research

3 - 3 - Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Motivation C arbon C apture T ransport and S torage – CCTS 70 % higher costs without CCTS (IEA, 2009) few running projects (esp. Industry) Industry Sector Unavoidable CO 2 emissions Solution for total decarbonization Higher CO 2 concentration Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion Source: Clean Technica

4 - 4 - Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 CO 2 Emissions from Heavy Industry Sources Energy: 348 MtCommerce: 89 Mt Transport: 152 Mt Households: 128 Mt Iron & Steel: 41 Mt Refineries: 27 Mt Cement: 26 Mt Pulp & Paper: 1 Mt CO 2 Emissions Germany: 837 Mt H 2 & NH 3 : 6 Mt CO 2 -free alternatives Petrochemical: 19 CO 2 -free alternatives Industry: 94 Mt Industry: 120 Mt EPRTR, 2010 Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion

5 - 5 - Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Decision Tree of the CCTSMOD Omniscient planner designs cost-optimal CCTS infrastructure given costs for infrastructure and CO 2 Certificates CO 2 Certificate price as initiator for CCTS development Time horizon Solved as an MIP with the CPLEX Solver in GAMS Source: Own illustration Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion

6 - 6 - Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Model: Cost Minimization Problem Subject to: Amount of produced CO2 for every emitter Capacity constraint for each step of the CCTS chain Physical balance for infrastructure Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion

7 - 7 - Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Mathematical Problem: Constraints Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion Balance: CO 2 – Balance: Capture: Flow: Storage: Planning: Total Storage: Non – Negativity:

8 - 8 - Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Data: Sources and Sinks in Germany Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion Source: Own illustriation

9 - 9 - Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Data: Capturing Costs Source: Own calculations based on Tzimas (2009) and WI (2008) Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion Variable Costs [/tCO 2 ] Steam Coal31,9731,5631,1930,8530,55 Gas46,8045,9245,1044,3543,65 Lignite29,3529,0628,8128,5828,37 Cement16,89 Steel16,39 Fixed Costs [/tCO 2 ] Steam Coal ,29119,3993,80 Gas ,36218,88171,98 Lignite ,7192,3372,54 Cement ,36107,4584,42 Steel ,6493,1273,17

10 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Uncertainties influencing deployment of CCTS Available storage potential Low resolution data Different estimation methods Development of the CO 2 Certificate price CO 2 Certificate price is driving force Price is volatile to future climate policies Accessibility of storage sites Growing public resistance Offshore storage involves less stakeholders Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion

11 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Selected Scenarios Scenario CO 2 Certificate price in 2050 Public acceptance Total Storage potential BAU 75 EuroOnshore & Offshore6.6 Gt Industry 50 EuroOnshore & Offshore6.6 Gt Offshore 75 EuroOffshore only1.2 Gt Storage 75 EuroOnshore & Offshore11.2 Gt Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion

12 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Scenario Results: BAU (Business as Usual) Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion in 2025 Source: Own illustriation Industry starts at 40 /t Coal starts at 55 /t 2050: 80% captured ( 220Mt/a) pipeline network of 3800 km mostly onshore sinks 38 billion Infrastructure costs 1.5 of 6.6 Gt storage left in 2050

13 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 BAU: Costs for avoiding CO2 emissions Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion Source: Own illustriation IndustryPower Plants

14 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Scenario Results: Offshore only Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion Source: Own illustriation in 2050 usage of all sinks 10 year delayed start only Industry starts at 50/t 2050: 20% captured: 54 Mt/a, (57% of industrial emission) Pipeline network of 2200 km

15 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Scenarios Results: Overview Scenario CO 2 Price in 2050 Remaining Storage capacity in 2050 [Gt] CO 2 stored via CCTS in 2050 [Mt/a] Industry share from Pipeline length in 2050 CCTS Infrastructure Costs [bil ] BAU of %3800 km38 Industry of %1050 km8,8 Offshore75 0 of %2200 km11,5 Storage of %3000 km39,7 Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion

16 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Conclusions I: Model Outcomes Industry first-mover, at CO2 prices of 50/t in 2050 Energy sector needs prices above 75/t in 2050 Up to 80% reduction possible for reasonable prices Not enough affordable storage capacities for all German emitters, especially if only offshore storage possible CCTS especially for North Germany interesting Formation of regional clusters Interconnected pipeline network in the case of Offshore storage Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion

17 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Conclusions II: General Outcomes High abatement potential for industrial emissions (first mover) higher Network-Efficiency CCTS solution for unavoidable industrial CO 2 emissions Combined usage of industrial and electrical sector leads to storage scarcity (esp. in offshore case) Transport does matters (5% – 7% of all costs onshore, 17% offshore), however only if the network is planned in an optimal way). Europe-wide infrastructure planning Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion

18 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Further Research We are currently working on: Application of stochastic optimization Upscaling on European Level Integration of EOR Thank you very much for your attention! Are there any questions?

19 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 References GeoCapacity (2009): Assessing European Capacity for Geological Storage of Carbon Dioxide – The EU GeoCapacity Project. Energy Procedia, Volume 1, Issue 1, February 2009, Pages IEA (2009): Technology Roadmap – Carbon Capture and Storage. OECD, Paris, France: International Energy Agency. Kobos et al (2007): The 'String of Pearls': The Integrated Assessment Cost and Source-Sink Model [Conference] // 6th Annual Carbon Capture & Sequestration Conference, May Pittsburgh, USA : Sandia National Laboratories. Mendelevitch, R., Oei, P.Y., Tissen, A. and Herold, J. (2010): CO 2 - Highways – Modeling Aspects of a Future CO 2 Transport Infrastructure, Centre for European Policy Studies (CEPS), Working Document No. 340; Brussels, Belgium. Middleton R. and Bielicki J.(2009): A Comprehensive Carbon Capture and Storage Infrastructure Model [Conference] // Proceedings of the 9th International Conference on Greenhouse Gas Technologies. Oei, P.Y., Mendelevitch, R. Herold, J., Tissen, A. von Hirschhausen, C. (2010): CO 2 -Autobahnen für Europa? Energiewirtschaftliche Tagesfragen (ET Magazin), Ausgabe 12/2010, ETV Energieverlag GmbH, Essen. RECCS+ (2010): RECCS plus – Regenerative Energien (RE) im Vergleich mit CO 2 -Abtrennung und Ablagerung (CCS) – Update und Erweiterung der RECCS-Studie. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU). Tzimas E. (2009): The Cost of Carbon Capture and Storage Demonstration Projects in Europe, European Commission, Joint Research Center, Institute of Energy.

20 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Industrial CCTS Projects around the world ProjectCountryLocationCapture Rate [tCO2/day] Prosint Methanol Production Plant BrasilRio de Janeiro90 Kurosaki Chemical PlantJapanKurosaki283 Sumitomo Chemicals PlantJapanIchihara150 Nippon Steel CO2 Capture Project JapanKimitsu170 Petronas Gas ProcessingMalaysiaKuala Lumpur160 AES Shady PointUSAPanama, Oklahoma200 AES Warrior RunUSACumberland, Maryland123 American Electric Power - Mountaineer USANew Haven274 Bellingham Cogeneration Facility USABellingham335 Total Lacq (Oxyfuel)FranceLacq205

21 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Capture Costs in Industry Investment costs (based on Ho et al., 2010): 195 /tCO 2 for iron and steel 225 /tCO 2 for cement 325 /tCO 2 for petrochemical Variable costs (based on Ho et al., 2010): 17 /tCO 2 for iron and steel (60% HC) 24 /tCO 2 for cement (85% HC) 33 /tCO 2 for petrochemical (115% HC) Pipeline investment costs: Onshore: /km, Offshore: /km for a diameter of 18`` (Alstom, 2011) From /km to /km, depending on diameter (Metz et al., 2005)

22 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Capture Costs in Industry Storage investment costs (IEA, 2005): 12.5 – 16.9 M/MtCO 2 onshore 34.5 – 44 M/MtCO 2 offshore Art der SpeicherstätteErschöpftes GasfeldSaline Aquifere OnshoreOffshoreOnshoreOffshore Bohrtiefe (vertikal + horizontal) [m] Max. Injektionsrate gemäß IEA [Mt CO 2 /Jahr] 1,25 11 Max. Injektionsrate gemäß Gerling [Mt CO 2 /Jahr] 0,42 0,33 Kapitalkosten pro Bohrung [M] 5,6214,505,6214,50 Betriebs-, Wartungs- und Monitoringkosten [%] 7878 [1] [1] Solch optimistische Einspeiseraten wie von der IEA angenommen treffen nur auf sehr wenige Speicherorte zu. Die durchschnittliche f ü r Europa zu erwartende Injektionsrate liegt bei ungef ä hr 0,33 Millionen Tonnen pro Jahr. (vgl. Gerling, 2010) In Anlehnung an diese Aussage wird f ü r das CCTSMOD mit einer dreimal geringeren als von der IEA (2005) angegebenen Einspeiserate gerechnet.

23 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Scenario Results: Industry only (on- & offshore) Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion Source: Own illustriation

24 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Costs for avoiding Industrial CO2 emissions Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion Source: Own illustriation

25 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 BAU: Costs for avoiding CO2 emissions Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion Source: Own illustriation

26 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Data: Costs for Reference and CCTS Power Plant Source: Tzimas (2009), and Öko Institut (2011) Technologie Investitionskosten Demonstrationsprojekt in 08 /kW Effizienz in % Kohlestaubfeuerung Kohlestaubfeuerung mit Post-Combustion Abscheidung Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) mit CO2 Abscheidung Oxyfuel Carbon Capture Erdgas GUD Kraftwerk mit Post- Combustion Abscheidung Zementherstellung mit Post-Combustion Abscheidung ca. 87% der Investitionskosten im Kraftwerksbereich - Kalkherstellung mit Post-Combustion Abscheidung ca. 127 % der Investitionskosten im Kraftwerksbereich - Eisen- und Stahlherstellung mit Post- Combustion Abscheidung ca. 61 % der Investitionskosten im Kraftwerksbereich -

27 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Mathematical Problem: Objective Function

28 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Mathematical Problem: Constraints Subject to:

29 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Mathematical Problem: Indices, Parameters and Variables

30 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Data: CO 2 Sources and Potential Storage Sites Point sources are often agglomerated Large point sources are mainly power plants Main storage potential in Northern Germany and North Sea Region Potential storage sites and CO 2 sources are spatially divided in most cases Source: Own illustration according to data from EEA and GeoCapacity Motivation CCTSMOD Data Scenarios Conclusion

31 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 BAU for Europe in the year 2050 CCTS only an option for countries with a regional proximity between CO 2 intensive regions and storage sites. Domination of point to point connections – no interconnected transnational network Industry is first mover Source: Own illustration based on model results

32 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011 Off 120 for Europe in the year 2050 Interconnected European CCTS infrastructure. Central and Eastern Europe is not connected to the network Immense infrastructure investments only lucrative for integration of CO 2 capture from power generation. Source: Own illustration based on model results

33 Technische Universität Berlin Fachgebiet Wirtschafts- und InfrastrukturPolitik (WIP) 22. June 2011


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