Supply Chain Optimization for Carbon Capture and Storage: A German–Norwegian Case Study

Abstract

For å nå togradersmålet satt i Parisavtalen, står verdenssamfunnet ovenfor utfordringen med å drastisk redusere utslippene av drivhusgasser. Tiltak som bidrar til overgangen fra fossile til fornybare energikilder er essensielle for å nå dette målet. Samtidig må andre alternativer også vurderes for å ta høyde for industrier som vil fortsette å være avhengige av utslippsintensive prosesser i framtiden. Karbonfangst og -lagring (carbon capture and storage, CCS) er et slikt alternativ. CCS er en prosess som går ut på å fange karbondioksid (CO2) før den slippes ut i atmosfæren, for så å frakte og lagre den i underjordiske geologiske formasjoner hvor den kan bevares i årtusener. Til tross for at CSS har vist seg å være et fungerende konsept, har utviklingen av effektive og økonomisk gjennomførbare CCS-prosjekter vært begrenset.

Kosnadeseffektive transport- og forsyningskjeder er en forutsetning for vellykkede CCS-prosjekter. Til tross for et økende initiativ til å fange CO2 rundt om i verden er det en mangel på prosjekter som tar hele forsyningskjeder i betraktning, slik at utslippskilder kan knyttes til lagringslokasjoner. Denne avhandlingen presenterer en blandet heltallsmodell utviklet for å kunne gi verdifull beslutningsstøtte i problemet vedrørende å designe en CCS-forsyningskjede (the CCS Supply Chain Design Problem, CCS-SCDP). CCS-SCDP omhandler å konstruere en fullstendig forsyningsskjede, hvor CO2 fanges hos utslippskilder, transporteres over land og hav, og til slutt lagres permanent i geologiske lagringsformasjoner – alt til en lavest mulig kostnad. Modellen løser CCS-SCDP gjennom et sett med beslutninger: hvilke utslippskilder man skal fange CO2 fra; om man skal transportere CO2 med skip eller rør over havet; hvordan man skal konstruere et rørnettverk på land og til havs; plassering og dimensjonering av havne-infrastruktur; hvilke typer skip som skal benyttes, og når og hvor de skal seile. Modellens løsninger er ment å gi beslutningsstøtte til de som skal utforme en forsyningskjede for CCS som avhenger av både land- og sjøtransport.

Vi analyserer syv scenarioer, hvor alle omhandler utslipp fra industrielle utslippskilder i Tyskland og lagring i egnede lagringslokasjoner under den norske kontinentalsokkelen. Fire av scenarioene representerer en gradvis opptrapping i omfanget av karbonfangst i Tyskland. Det minste scenarioet ser på fangst av 5 megatonn i året (megatonnes per annum, Mtpa), og det største ser på fangst av 100 Mtpa. Ved 5 Mtpa blir skip brukt til sjøtransport, noe som resulterer i en forsyningskjedekostand på 103.1 euro per tonn CO2. Ved 20 Mtpa byttes skipene ut med rør, hvilket bidrar til at kostnadene reduseres til 87.3 euro per tonn. Som et resultat av stordriftsfordeler reduseres dette ytterligere til 76.5 euro per tonn når vi når 100 Mtpa. De tre siste scenarioene omhandler hver sin relevante, industrielle sektor, henholdsvis produksjon av sement, stål og organiske kjemikalier. For sistnevnte har vi oppnådd en kostnad på 49.3 euro per tonn. Tatt i betraktning dagens pris for CO2-utslipp innenfor EUs kvotesystem på omtrent 80 euro per tonn, har vi vist at CCS kan være et kostnadsmessig konkurransedyktig alternativ til utslipp allerede i dag.

The world is faced with the challenge of drastically reducing its emission of greenhouse gases to reach the two-degree goal of the Paris Agreement. Efforts toward switching to green and renewable energy sources are essential. However, other measures must also be considered to handle industries that will continue to rely on emission-intensive processes. Carbon Capture and Storage (CCS) is one of these measures. CCS is the process of capturing carbon dioxide (CO2) before it is released into the atmosphere, in order to transport and store it in underground geological formations that can retain the CO2 for millennia. While being a proven concept, the development of efficient and commercially viable CCS projects has been limited.

A prerequisite for effective CCS projects is a cost-efficient supply chain. While there are many global initiatives intending to capture CO2 from different emission sources, there is a lack of projects considering the whole supply chain, where emission sources are connected to suitable storage locations. This thesis presents a mixed integer programming (MIP) model developed to provide valuable decision support for the CCS Supply Chain Design problem (CCS-SCDP). The CCS-SCDP concerns setting up the whole supply chain for capturing CO2 at emission sources, transporting it across land and sea, and storing it in geological storage facilities at the lowest possible cost. When solving the CCS-SCDP, the model makes a set of decisions; which emission sources to capture the CO2 from; whether to use pipelines or ships as the offshore transportation mode; construction of the onshore and offshore pipeline networks; placement and dimensioning of port infrastructure; and hiring and routing of ships. The model solutions provide decision support to policy-makers faced with the challenge of designing a CCS supply chain that is reliant on both onshore and offshore transportation.

We perform a computational study investigating the supply chain design implications of seven CCS development scenarios, where the CO2 is captured at industrial CO2 emission sources in Germany and stored in a suitable geological storage formation on the Norwegian continental shelf. Four of the scenarios represent a German CCS development where the capture rates increase from 5 to 100 megatonnes per annum (Mtpa) by gradually adding the largest CO2 emitters to the supply chain. At 5 Mtpa, ships are used for offshore transportation, with a supply chain cost of 103.1 euro per tonne. At 20 Mtpa, ships are substituted by pipelines, and the supply chain cost is reduced to 87.3 euro per tonne. Due to economies of scale, this is further reduced to 76.5 euro per tonne when considering 100 Mtpa. In the final three scenarios, we analyze emissions from relevant German industrial sectors, namely steel, cement, and organic chemicals. For the latter, we achieved a supply chain cost of 49.3 euro per tonne. With the current CO2 allowance price of about 80 euro per tonne within the European Union Emission Trading System (EU ETS), we have shown that CCS could be a cost-competitive alternative to emission already today.