Carbon capture, utilization, and storage (CCUS) and how to accelerate the development and commercialization of carbon capture technologies and carbon-based products in the European and United States markets

Abstract

The main theme of this work revolves around the CO2 molecule, a stable waste gas of low value, low energy and often available in large quantities in different places. This work examines some viable avenues for capturing, using, and storing CO2 (CCUS), with the ultimate goal of reducing GHG emissions and global warming. In addition, the study also examines several ways to accelerate the commercialization of carbon-based products and their technologies. Various technologies that show promising features of commercial scalability and advanced mobility. In addition, the rapid decline in the costs of many renewable sources (mainly solar and wind) has made low-cost, almost zero-carbon electricity abundant in terms of capacity and location. Consequently, this has driven some markets to offer electricity at an affordable cost and in some cases even at negative prices. As renewable electricity gradually decreases in price, there has been a greater knowledge of possible new applications (e.g. CCU and CCUS) considering turning this trend into a profitable business. This work focuses on six main aspects related to emerging CCUS processes and technologies based on renewable energies: 1. A comprehensive investigation of three emerging renewable energy technologies and processes (RETPs) (i.e., biogas and fuel cells, synthetic fuels, mineral carbonation of fly ash) that fall into the CCUS paradigm and are special forms , relatively new or advanced from major energy sources. All explanations of RETP CCUS are followed by its market share, challenges, implications for further adoption, prospects and drawbacks. 2. Analysis of experimental work related to the direct use of fuel containing CO2 of biological origin to supply an electrochemical process dedicated to the production of energy at high efficiency. In addition, the work analyzes a case study called DEMOSOFC located at a wastewater treatment plant (WWTP) in Turin, Italy. It analyzes energy production through the use of biogas produced in WWTPs and reports the results of the use of carbon (CO2 content), as it produces energy and heat (in CHP configuration) using fuel cells; specifically, solid oxide fuel cells. 3. Analysis of the experimental and modeling work carried out at the Turin Polytechnic, related to the use of the carbon molecule to produce synthetic fuels (e-methane (CH4) and e-methanol (CH3OH)) through two processes: electrolysis of the steam + methanation, and steam electrolysis + methanol production. 4. Analysis of the chemical process called mineral carbonation (MC), a carbon capture and storage (CCUS) technology that can capture large amounts of CO2 and turn it into stable carbonate products that can be easily used in the carbon market. cement and concrete. 5. Examining the potential commercialization of CCUS technologies by identifying four main markets and eight key product categories to drive new investment and innovation at an accelerated pace. The main markets and products discussed in this chapter are: (1) Markets: building materials, chemical intermediates, fuels, polymers (2) Products: carbonate aggregates, methanol, formic acid, syngas, liquid fuels, methane, polyols and polycarbonates. 6. Assess the continued increase in RETP CCUS despite the Covid-19 pandemic resulting from a mix of policies, regulations, incentives and past innovations embedded in the electricity sectors of many advanced countries.

El tema principal d'aquest treball gira al voltant de la molècula de CO2, un gas residual estable de baix valor, poca energia i sovint disponible en gran quantitat en llocs diferents. Aquest treball examina algunes vies viables per capturar, utilitzar i emmagatzemar CO2 (CCUS), amb l'objectiu final de reduir les emissions de GEH i l'escalfament global. A més, l'estudi també examina diversos camins per accelerar la comercialització dels productes a base de carboni i les seves tecnologies. Diverses tecnologies que mostren funcions prometibles d'escalabilitat comercial i mobilitat avançada. A més, la ràpida disminució dels costos de moltes fonts renovables (principalment la solar i l'eòlica) ha fet que l'electricitat de baix cost i gairebé nul·la de carboni sigui abundant en termes de capacitat i localitat. En conseqüència, això ha impulsat alguns mercats a oferir electricitat a un cost assequible i, en alguns casos, fins i tot a preus negatius. Com que l'electricitat renovable disminueix gradualment en el preu, hi ha hagut un major coneixement de les possibles noves aplicacions (per exemple, CCU i CCUS) considerant convertir aquesta tendència en una empresa rendible. Aquest treball se centra en sis aspectes principals relacionats amb processos i tecnologies CCUS emergents basades en energies renovables: 1. Una investigació exhaustiva de tres tecnologies i processos emergents d'energies renovables (RETP) (és a dir, biogàs i cèl·lules de combustible, combustibles sintètics, carbonatació mineral de cendres voladores) que entren en el paradigma CCUS i són formes especials, relativament noves o avançades de les principals fonts d'energia. Totes les explicacions de RETP CCUS van seguides de la seva quota de mercat, els reptes, les implicacions per a una major adopció, les perspectives i els inconvenients. 2. Anàlisi de treballs experimentals relacionats amb l'ús directe de combustible que conté CO2 d'origen biològic per subministrar un procés electroquímic dedicat a la producció d'energia a alta eficiència. A més, el treball analitza un estudi de cas anomenat DEMOSOFC situat en una planta de tractament d¿aigües residuals (EDAR) a Torí, Itàlia. Analitza la producció d'energia mitjançant l'ús de biogàs produït a les EDAR i informa dels resultats de l'ús de carboni (contingut en CO2), ja que produeix energia i calor (en configuració CHP) mitjançant piles de combustible; concretament, les piles de combustible d'òxid sòlid. 3. Anàlisi del treball experimental i de modelització realitzat al Politècnic de Torí, relacionat amb l'ús de la molècula de carboni per produir combustibles sintètics (e-metà (CH4) i e-metanol (CH3OH)) mitjançant dos processos: electròlisi del vapor + metanació , i l'electròlisi del vapor + producció de metanol. 4. Anàlisi del procés químic anomenat carbonatació mineral (MC), una tecnologia d'utilització i emmagatzematge de captures de carboni (CCUS) que pot capturar grans quantitats de CO2 i convertir-lo en productes carbonats estables que es poden utilitzar fàcilment al mercat del ciment i el formigó. 5. L'examen de la comercialització potencial de les tecnologies CCUS mitjançant la identificació de quatre mercats principals i vuit categories de productes fonamentals per impulsar noves inversions i innovació a un ritme accelerat. Els principals mercats i productes discutits en aquest capítol són: (1) Mercats: materials de construcció, productes intermedis químics, combustibles, polímers (2) Productes: agregats de carbonat, metanol, àcid fòrmic, syngas, combustibles líquids, metà, poliols i policarbonats. 6. Avalua l'increment continuat de RETP CCUS malgrat la pandèmia Covid-19 resultant d'una barreja de polítiques, regulacions, incentius i innovacions passades incrustades en els sectors elèctrics de molts països avançats.

Le preoccupazioni per il riscaldamento globale e il cambiamento climatico hanno innescato gli sforzi internazionali per ridurre la quantità e la concentrazione delle emissioni di CO2 per scongiurare enormi danni economici e ambientali. Negli ultimi anni, lo sviluppo di tecnologie efficienti e convenienti per ridurre le emissioni di CO2 antropogeniche ha preso piede in tutto il mondo. L'argomento principale di questo lavoro ruota intorno alla molecola di CO2, un gas di scarto a basso valore, a bassa energia e stabile, spesso disponibile in grandi quantità in singole località. Questo lavoro esamina alcune strade percorribili per catturare, utilizzare e immagazzinare la CO2 (CCUS), con l'obiettivo finale di ridurre le emissioni di gas serra e il riscaldamento globale. Inoltre, lo studio esamina anche vari percorsi per accelerare la commercializzazione dei prodotti a base di carbonio e delle loro tecnologie. Attualmente le tecnologie CCU stanno vivendo vari stadi di performance e maturità; tuttavia, ci sono progressi significativi nelle tecnologie CCU che hanno progredito negli ultimi dieci anni; varie tecnologie che mostrano una promettente scalabilità commerciale e caratteristiche di mobilità avanzate. Inoltre, il rapido declino dei costi di molte fonti rinnovabili (principalmente solare ed eolico) ha reso l'elettricità a basso costo e quasi a zero emissioni di carbonio abbondante in termini di capacità e località. Di conseguenza, questo ha spinto alcuni mercati a offrire elettricità a costi accessibili e, in alcuni casi, anche a prezzi negativi. Poiché l'elettricità rinnovabile sta gradualmente diminuendo di prezzo, c'è stato un aumento della conoscenza delle nuove applicazioni potenziali, (per esempio, CCU e CCUS) considerando di trasformare questa tendenza in un'impresa redditizia. Questo lavoro si concentra su sei aspetti principali relativi ai processi e alle tecnologie emergenti di CCUS basati sull'energia rinnovabile: 1. Un'indagine approfondita di tre tecnologie e processi emergenti di energia rinnovabile (RETP) (cioè, biogas e celle a combustibile, combustibili sintetici, carbonatazione minerale di ceneri volanti) che rientrano nel paradigma CCUS e sono speciali, relativamente nuovi, o forme avanzate delle fonti di energia tradizionali. La spiegazione di ogni RETP CCUS è seguita dalla sua quota di mercato, dalle sfide, dalle implicazioni per una maggiore adozione, dalle prospettive e dagli svantaggi. 2. Analisi del lavoro sperimentale relativo all'uso diretto del combustibile contenente CO2 di origine biologica per alimentare un processo elettrochimico dedicato alla produzione di energia ad alta efficienza. Inoltre, il lavoro analizza un caso di studio chiamato DEMOSOFC situato in un impianto di trattamento delle acque reflue (WWTP) a Torino, Italia. Esso esamina la produzione di energia utilizzando il biogas prodotto presso il WWTP e riporta i risultati dell'uso del carbonio (contenuto nella CO2) per produrre energia e calore (in configurazione CHP) utilizzando celle a combustibile; in particolare, celle a combustibile a ossido solido. 6 3. Analisi del lavoro sperimentale e modellistico svolto presso il Politecnico di Torino legato all'utilizzo della molecola del Carbonio per produrre combustibili sintetici (e-metano (CH4) ed e-metanolo (CH3OH)) attraverso due processi: elettrolisi a vapore + metanazione, ed elettrolisi a vapore + produzione di metanolo. 4. Analisi del processo chimico chiamato carbonatazione minerale (MC), una tecnologia di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS) che può catturare grandi quantità di CO2 e convertirla in prodotti carbonati stabili che possono essere facilmente utilizzati nel mercato del cemento e del calcestruzzo. Il lavoro porta avanti la prova pragmatica che la produzione MC ha il potenziale per fornire un reddito netto positivo e la sua fattibilità commerciale è un'impresa realistica. Tuttavia, la prospettiva di una nuova direzione di cementazione tramite la carbonatazione di FA è ancora in fase di maturazione ma con un grande potenziale di commercializzazione accelerata. L'intensificazione dei benefici ambientali ed economici generati da questo nuovo percorso per la cementazione sono sostanziali se paragonati agli attuali metodi di utilizzo dell'AF nell'industria delle costruzioni. Tuttavia, le politiche e i regolamenti esistenti sul carbonio, che limitano l'uso delle ceneri volanti (principalmente quelle ceneri che contengono maggiori quantità di calcio-HCFA) possono avere un impatto sul progresso delle tecnologie di cattura del carbonio e sulla commercializzazione dei prodotti a base di carbonio. 5. L'esame della potenziale commercializzazione delle tecnologie CCUS identificando quattro mercati principali e otto categorie di prodotti critici per guidare ulteriori investimenti e innovazione ad un ritmo accelerato. I finanziamenti e gli incentivi sono necessari per la maggior parte di questi prodotti per accelerare lo sviluppo e raggiungere una capacità di lancio commerciale su larga scala. I principali mercati e prodotti discussi in questo capitolo sono: (1) Mercati - materiali da costruzione, intermedi chimici, combustibili, polimeri (2) Prodotti - aggregati carbonati, metanolo, acido formico, syngas, combustibili liquidi, metano, polioli e policarbonati. 6. Valuta il continuo aumento di RETP CCUS nonostante la pandemia di Covid-19 derivante da una miscela di politiche passate, regolamenti, incentivi e innovazioni incorporati nei settori energetici di molti paesi lungimiranti. Inoltre, guarda al futuro di RETP CCUS dopo la pandemia.