ISO/TR 27921:2020
(Main)Carbon dioxide capture, transportation, and geological storage — Cross Cutting Issues — CO2 stream composition
Carbon dioxide capture, transportation, and geological storage — Cross Cutting Issues — CO2 stream composition
The primary aim of this document is to describe the main compositional characteristics of the CO2 stream downstream of the capture unit, taking into account common purification options. Accordingly, this document will characterize the different types of impurities and present examples of concentrations determined in recent capture pilot projects as well as through literature review. It identifies ranges of concentrations, giving priority to in situ measurements when available. The second aim of this document is to identify potential impacts of impurities on all components of the CCS chain, from surface installations (including transport) to the storage complex. For example, impurities can have a significant effect on the phase behaviour of CO2 streams in relation to their concentration. Chemical effects also include the corrosion of metals. The composition of the CO2 stream can also influence the injectivity and the storage capacity, due to physical effects (such as density or viscosity changes) and geochemical reactions in the reservoir. In case of a leakage, toxic and ecotoxic effects of impurities contained in the leaking CO2 stream could also impact the environment surrounding the storage complex. In order to ensure energy efficiency, proper operation of the whole CCS chain and not to affect its surrounding environment, operators usually limit the concentrations of some impurities, which can, in-turn, influence the design of the capture equipment and purification steps. Such limits are case specific and cannot be described in this report; however, some examples of CO2 stream specifications discussed in the literature are presented in Annex A. The required purity of the CO2 stream delivered from the capture plant will to a large degree depend on the impurity levels that can be accepted and managed by the transport, injection and storage operations. The capture plant operators will therefore most probably need to purify the CO2 stream to comply with the required transport, injection, storage specifications or with legal requirements. Monitoring of the CO2 stream composition plays an important role in the management of the entire CCS process. Methods of measuring the composition of the CO2 stream and in particular the concentrations of impurities are described and other parameters relevant for monitoring at the various steps of the CCS chain are described. The interplay between the set CO2 stream specifications and the efficiency of the entire CCS process is also explained. Finally, the mixing of CO2 streams coming from different sources before transport or storage is addressed, and the main benefits, risks and operational constraints are presented.
Captage, transport et stockage géologique du dioxyde de carbone — Questions transversales— Composition du flux de CO2
L'objectif premier du présent document est de décrire les principales caractéristiques de la composition du flux de CO2 en aval de l'unité de captage, en tenant compte des options de purification courantes. Par conséquent, le présent document caractérisera les différents types d'impuretés et présentera des exemples de concentrations déterminées au cours des récents projets pilotes de captage et en analysant la littérature. Il identifie les gammes de concentrations, en donnant la priorité aux mesurages réalisés in situ, lorsque cela est possible. Le deuxième objectif du présent document est d'identifier les impacts potentiels des impuretés sur tous les composants de la chaîne CSC, des installations en surface (notamment le transport) jusqu'au complexe de stockage. Par exemple, les impuretés peuvent avoir un effet significatif sur le comportement des phases des flux de CO2 en fonction de leur concentration. Les effets chimiques incluent également la corrosion des métaux. La composition du flux de CO2 peut également influencer l'injectivité et la capacité de stockage, en raison des effets physiques (tels que les changements de masse volumique ou de viscosité) et des réactions géochimiques dans le réservoir. En cas de fuite, les effets toxiques et écotoxiques des impuretés contenues dans le flux de CO2 sortant peuvent également avoir un impact sur l'environnement du complexe de stockage. Pour un rendement énergétique efficient, le bon fonctionnement de toute la chaîne CSC et pour ne pas perturber l'environnement immédiat, les opérateurs ont pour habitude de limiter les concentrations de certaines impuretés qui peuvent, à leur tour, influencer la conception des équipements de captage et les étapes de purification. Ces limites sont spécifiques à chaque cas et ne peuvent pas être décrites dans le présent rapport; cependant, des exemples de spécifications de flux de CO2 donnés dans la littérature sont présentés à l'Annexe A. La pureté requise du flux de CO2 délivré par l'installation de captage dépendra en grande partie des taux d'impuretés autorisés et traités par les opérations de transport, d'injection et de stockage. Par conséquent, les opérateurs de l'installation de captage devront vraisemblablement purifier le flux de CO2 pour satisfaire aux spécifications de transport, d'injection, de stockage ou aux exigences réglementaires requises. La surveillance de la composition du flux de CO2 joue un rôle important dans la gestion de l'ensemble du procédé CSC. Les méthodes de mesure de la composition du flux de CO2 et, en particulier, des concentrations en impuretés, sont décrites, et d'autres paramètres pertinents pour la surveillance à différentes étapes de la chaîne CSC sont spécifiés. L'interaction entre les spécifications définies du flux de CO2 et l'efficacité de l'ensemble du procédé CSC est également expliquée. Enfin, le mélange de flux de CO2 provenant de différentes sources entre le transport et le stockage est abordé, et les principaux avantages, risques et contraintes opérationnelles sont présentés.
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TECHNICAL ISO/TR
REPORT 27921
First edition
2020-05
Carbon dioxide capture,
transportation, and geological
storage — Cross Cutting Issues — CO2
stream composition
Captage, transport et stockage géologique du dioxyde de carbone —
Questions transversales— Composition du flux de CO2
Reference number
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Published in Switzerland
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ISO/TR 27921:2020(E)
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 2
5 Overview of chemical composition of CO streams . 4
2
5.1 Overview . 4
5.1.1 Types of impurities . 4
5.1.2 Measurements and estimates . 4
5.1.3 Data sources . 5
5.2 Ranges of impurity concentrations for coal fired power plants . 5
5.2.1 Gaseous components . 5
5.2.2 Trace elements. 8
5.2.3 Particulate matter . 9
5.3 Ranges of impurity concentrations from industrial emitters .10
5.3.1 Cement industry .10
5.3.2 Iron and Steel industry .11
5.3.3 H production .11
2
5.4 Discussion and interpretation .11
5.4.1 Variability among processes and industries .11
5.4.2 Compositional stability and potential chemical reactions within CO streams .12
2
6 Impacts of impurities .12
6.1 Physical impacts .13
6.1.1 Overview .13
6.1.2 Effect on transportation (pipeline and ship transportation) .13
6.1.3 Effect on geological storage .15
6.2 Chemical impacts .18
6.2.1 Corrosion of metallic materials .18
6.2.2 Impacts on geological storage system .20
6.3 Impacts on microbial communities in the storage complex .23
6.4 Toxic and ecotoxic effects of impurities in case of leakage .24
6.4.1 General statement .24
6.4.2 Acute toxic effects .24
6.4.3 Chronic effects.25
7 Parameters to monitor and measurement methods .26
7.1 Monitoring and thresholds .26
7.2 Relevant parameters to monitor and measurement methods .26
7.2.1 Sampling of the CO stream .27
2
7.2.2 Determining the physical properties and phase .27
7.2.3 Flow measurement .27
7.2.4 Impurity concentration measurements .28
8 Relationship of CO stream emissions and quantification .28
2
9 Integration issues .29
9.1 Constraints on CO stream composition .29
2
9.2 Optimisation of CO stream composition based on techno-economic assessments .30
2
9.3 Mixing CO streams before injection: Challenges in larger CCS infrastructures .30
2
10 Conclusions .31
Annex A (informative) Dense phase CO corrosion .33
2
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ISO/TR 27921:2020(E)
Annex B (informative) Composition of CO streams (Source ISO 27913:2016) .36
2
Bibliography .39
iv © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO/TR 27921:2020(E)
Foreword
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transportation, and geological storage.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
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© ISO 2020 – All rights reserved v
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ISO/TR 27921:2020(E)
Introduction
ISO Technical Committee (TC) 265 is developing standards and technical reports related to carbon
dioxide (CO ) capture, transportation and geological storage (CCS). This technology is a technically
2
viable solution to reduce CO emissions of large stationary point sources and therefore to limit
2
future global temperature increases. A special report by the International Panel on Climate Change
(IPCC, 2005) extensively described the fundamental technical, scientific, environmental, economic and
societal dimensions of CCS and its potential role in the portfolio of climate change mitigation measures.
Depending among other things on the feedstock and the CO generating and capture processes, CO
2 2
streams captured from industrial sources or power generation contain various impurities (that is,
stream components other than CO ). The impurities differ in their concentrations but also in their
2
physical and chemical properties. Therefore, the composition of the originally captured CO stream is
2
a key starting point in ensuring the safety and reliability of the transport and geological storage of CO
2.
Compositional information may assist operators in evaluating the need for treating a CO stream, based
2
on the intended transportation options (including mixing with other CO streams), usage options (EOR
2
or other), or dedicated storage in geologic formations.
Understanding CO stream composition is also important for the commerciality of CCS activities
2
because additional purification of the CO stream increases CO capture costs. In addition, CO stream
2 2 2
composition is an important input factor in quantifying the amount of CO stored, for the purpose
2
of greenhouse gas emissions reporting and crediting. Because capture and purification processes
are continuously evolving, it is relevant to expose the range of impurities in CO streams and their
2
concentrations, including recent publications.
This document provides up-to-date consideration of CO stream quality issues for operators, regulators
2
and stakeholders based on research results and the experience of various pilot and industrial scale
CCS projects. The first part of this report summarises existing information related to CO stream
2
composition that generally results from particular capture processes. Then this report describes
possible impacts and effects of the various impurities that may occur in the CO stream on various
2
downstream elements of a CCS chain, including operational aspects, potential implications for health,
safety and environmental issues, and quantification of greenhouse gas emissions.
vi © ISO 2020 – All rights reserved
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 27921:2020(E)
Carbon dioxide capture, transportation, and geological
storage — Cross Cutting Issues — CO2 stream composition
1 Scope
The primary aim of this document is to describe the main compositional characteristics of the CO
2
stream downstream of the capture unit, taking into account common purification options. Accordingly,
this document will characterize the different types of impurities and present examples of concentrations
determined in recent capture pilot projects as well as through literature review. It identifies ranges of
concentrations, giving priority to in situ measurements when available.
The second aim of this document is to identify potential impacts of impurities on all components of
the CCS chain, from surface installations (including transport) to the storage complex. For example,
impurities can have a significant effect on the phase behaviour of CO streams in relation to their
2
concentration. Chemical effects also include the corrosion of metals. The composition of the CO
2
stream can also influence the injectivity and the storage capacity, due to physical effects (such as
density or viscosity changes) and geochemical reactions in the reservoir. In case of a leakage, toxic and
ecotoxic effects of impurities contained in the leaking CO stream could also impact the environment
2
surrounding the storage complex.
In order to ensure energy efficiency, proper operation of the whole CCS chain and not to affect its
surrounding environment, operators usually limit the concentrations of some impurities, which can, in-
turn, influence the design of the capture equipment and purification steps. Such limits are case specific
and cannot be described in this report; however, some examples of CO stream specifications discussed
2
in the literature are presented in Annex A.
The required purity of the CO stream delivered from the capture plant will to a large degree depend
2
on the impurity levels that can be accepted and managed by the transport, injection and storage
operations. The capture plant operators will therefore most probably need to purify the CO stream to
2
comply with the required transport, injection, storage specifications or with legal requirements.
Monitoring of the CO stream composition plays an important role in the management of the entire CCS
2
process. Methods of measuring the composition of the CO stream and in particular the concentrations
2
of impurities are described and other parameters relevant for monitoring at the various steps of the
CCS chain are described.
The interplay between the set CO stream specifications and the efficiency of the entire CCS process is
2
also explained. Finally, the mixing of CO streams coming from different sources before transport or
2
storage is addressed, and the main benefits, risks and operational constraints are presented.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
3.1
CO stream
2
stream consisting overwhelmingly of carbon dioxide
Note 1 to entry: The CO stream typically includes impurities and may include substances added to the stream to
2
improve performance of CCS and/or to enable CO detection.
2
[SOURCE: ISO 27917:2017, 3.2.10]
© ISO 2020 – All rights reserved 1
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ISO/TR 27921:2020(E)
3.2
CO stream composition
2
concentration (generally expressed in fraction by volume) of each component of the CO2 stream (3.1)
Note 1 to entry: The CO stream composition is usually subject to regulatory discretion and approval. The CO
2 2
3
stream composition can also be reported as a mass concentration (e.g. mg/m ).
3.3
CO purity
2
percentage by volume of CO as a component of the CO2 stream (3.1)
2
3.4
impurities
non-CO substances present in the CO2 stream (3.1) as captured or derived from source materials or
2
the capture process, or present as a result of mixing for transportation, or added, released, or formed in
conjunction with sub-surface storage and/or leakage of CO
2
Note 1 to entry: As a subset of impurities, contaminants are non-CO substances whose presence in the CO
2 2
stream is generally unwanted.
Note 2 to entry: As a subset of impurities, additives are substances added to the stream for the purposes of
managing its physical or chemical behaviour (e.g., hydrate and corrosion inhibitors), for or from interaction with
equipment (e.g., lubricants), or to track its distribution in the subsurface after injection (geochemical tracers).
[SOURCE: ISO 27917:2017, 3.2.18]
3.5
non-condensable substances
chemical substances that are partially in the vapour state at pipeline operating conditions.
Note 1 to entry: O , N , Ar, H and CH belong to this category
2 2 2 4
[SOURCE: ISO 27913:2016, 3.18]
4 Symbols and abbreviated terms
−2 −6
In this report volume fractions are expressed as % (10 ) or ppm (10 ), in order to be in line with the
original publications and the usual technical exchanges within the CCS community.
Ar Argon
As Arsenic
BOS Basic Oxygen Steelmaking
°C Degree Celsius
CCS Carbon Dioxide Capture and Storage
Cd Cadmium
CH Methane
4
CO Carbon monoxide
CO Carbon dioxide
2
COS Carbonyl sulfide
EOR Enhanced Oil Recovery
2 © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO/TR 27921:2020(E)
EPA Environmental Protection Agency
etc. Et Cetera (Latin: And So Forth)
EU European Union
GD Guidance Document
GHG Greenhouse Gas(es)
H Hydrogen
2
Hg Mercury
H O Water
2
H S Hydrogen sulfide
2
H SO Sulfuric acid
2 4
i.e. Id est (Latin: that is)
IEA International Energy Agency
IEAGHG International Energy Agency Greenhouse Gases R&D programme
IGCC Integrated gasification combined cycle
IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change
K Potassium
MDEA Methyldiethanolamine
MEA Monoethanolamine
Mn Manganese
mg Milligram
MPa Mega Pascal
N Nitrogen
2
NETL National Energy Technology Laboratory
NH Ammonia
3
Ni Nickel
3
Nm Normal cubic meter-being a cubic meter at 101,325 kPa absolute and 273 K
NO Nitrogen monoxide
NO Nitrogen dioxide
2
NO Nitrogen oxides
x
O Oxygen
2
OPS Office of Pipeline Safety
© ISO 2020 – All rights reserved 3
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ISO/TR 27921:2020(E)
Pb Lead
PM Particulate Matter
−6
ppm (= ppmv) Parts per million (= Parts per million by volume) = 10
Psia Pounds per square inch absolute
Se Selenium
SO Sulfur dioxide
2
SO Sulfur oxides
x
SOP Standard operating procedures
SRB Sulphate Reducing Bacteria
TMEs Trace Metal Elements
TOEs Trace Organic Elements
5 Overview of chemical composition of CO streams
2
5.1 Overview
In this clause available data on impurities present in CO streams and the concentration ranges are
2
described for different CO sources and capture technologies. In situ measurements are emphasized.
2
5.1.1 Types of impurities
A number of gases could be present as impurities in the flue gas or process gas (before capture), and
therefore are potentially present at the exit of the capture process. Their concentrations vary greatly
from one capture technology (or process) to another, due to the various reaction pathways and to the
various design options for capture and purification.
Some gases (also called “non-condensable substances”) such as Ar, O , and N can reach several percent
2 2
of the CO stream at the immediate exit from the capture process, before purification and compression
2
[40]
(IEAGHG, 2011) . The content of H O (condensable) can also reach several percent there. Other gases
2
(NO SO , H S, CO, and others), although present at lower concentrations, could still influence CO
x, x 2 2
stream behaviour.
[40]
Impurities other than gases have been reported in low concentration, (IEA-GHG, 2011) , and in the
case of a post-combustion capture process, solvents used in the process (e.g. amines or NH ) and their
3
degradation products could be present in the captured CO stream. Further impurities could include
2
particulate matter, trace metal elements (TMEs) and trace organic elements (TOEs), depending on the
fuel or feedstock used. Intrinsic toxicity levels of TMEs and TOEs is often high, but concentration levels
are usually very low.
When comparing data from different sites, an important difference between an industrial site and a
capture pilot plant is that the latter might not include a drying-compression phase before transport.
Therefore, differences in impurity concentrations could occur. When CO is compressed, gases tend to
2
dissolve in condensed water at each compression stage and are therefore removed from the CO stream
2
[48]
before transport. See also standard ISO 27913:2016 on pipeline transportation systems.
5.1.2 Measurements and estimates
It is necessary to distinguish i) data that are estimates resulting from modelling from ii) measurements
on the captured CO stream. Published data, both measured and modelled, typically emphasize
2
4 © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO/TR 27921:2020(E)
concentrations of main impurities. Here, we focus on measurements and quote modelling estimates
only where measurements are not available. However, modelling studies are also of value, because
process models enable, among other things, the representation of various combinations of impurity
concentrations. Other models allow predicting possible effects in other parts of the CCS chain, as will be
illustrated in Clause 6, e.g. for fluid density or chemical reactions.
5.1.3 Data sources
CO stream composition data was compiled from existing literature by the expert group appointed by
2
ISO/TC 265 from “WG5-Cross-cutting issues”, based on existing review reports (e.g., from international
organisations or research consortia) and on results from pilot, demonstration, or commercial projects
in Europe, North America, Australia, and Japan.
Note Examples of regulatory requirements, in relation with these projects, are given in Annex B.
The bulk of this document's data compilation was drawn from several review publications and reports:
[7]
a) Anheden, et al. (2004) : summarises impurities by capture process (before condensation or
purification steps),
[39][40]
b) IEAGHG (2004, 2011) review reports,
[32]
c) Farret, et al., 2012 : review report of the French ClubCO ,
2
[81]
d) Porter, et al., 2015 : complete review of concentrations of impurities in power plants and in the
industry.
The present document draws heavily upon the above publications because they contain a significant
amount of data and because they generally identify the origins of these data. Of course, other
publications are also considered, as well as other ISO works, such as Table A.1 from ISO/TC 265
[48]
standard 27913:2016 on pipeline transportation systems (see Annex B). References to publications
lacking data source are avoided. For pre-combustion IGCC processes and for trace metals, many data
encountered are unsourced.
Capture and purification processes are evolving and generally purity levels have increased. Several
regulatory regimes require the CO stream to consist “overwhelmingly” of CO . This is often
2 2
approximated as a purity of at least 95 % (cf. ISO 27913:2016 on pipeline transportation systems).
Data on CO stream composition are not readily at hand. The literature is not rich and is especially sparse
2
on results from recent plants or pilot plants. Therefore, Technical Committee ISO/TC 265 addressed a
data call to its member countries and to operators. Some technology suppliers could not answer the
questionnaire for proprietary reasons. Original data from five capture pilots and demonstrators on
power plants and one on a hydrogen production plant were collected, most of them are compared below
to existing literature.
5.2 Ranges of impurity concentrations for coal fired power plants
5.2.1 Gaseous components
The composition of the CO stream and thus the concentrations of the impurities varies from one
2
capture technology to another. The flue gas from oxy-combustion is enriched in CO , SO and other
2 x
minor components as a result of elimination of nitrogen from the air, and such products are then
removed or captured downstream in the CO purification unit. Oxy-combustion contributes to
2
significant amounts of nitrogen, argon, and oxygen as well as oxidizing forms of sulfur and nitrogen
(i.e. NO , SO ) in the CO stream. Post-combustion capture technologies usually produce CO streams of
x x 2 2
high purity also containing oxidizing impurities such as O , SO and NO . In contrast, pre-combustion
2 x, x
capture results in impurities with reducing properties such as H , H S, or CO. However, even within
2 2
a single capture technology the variability of impurity concentrations is high (up to two or three
orders of magnitude; Figure 1), depending on the process itself and on the final purification steps (e.g.,
[81]
desulfurization equipment). Porter, et al. (2015) present a summary of ranges for impurities from
© ISO 2020 – All rights reserved 5
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ISO/TR 27921:2020(E)
commonly considered CO capture technologies for coal fired power plants. This publication references
2
most of the previous publications, including individual results from specific plants. In Table 1 below,
only data referring to the final CO stream (after pre-compression and purification in the case of oxy-
2
combustion) are reported, for common capture technologies.
Note Here, post-combustion capture technologies refer essentially to chemical absorption technologies
based on amine solvent. Other post-combustion technologies exist such as membrane-based CO separation
2
process. The description of capture technologies is out of scope of this document. For more detailed information
see ISO/TR 27912 (2015) Carbon dioxide capture systems, technologies, equipment and processes for power and
[52]
industry .
Table 1 — Ranges from common CO capture technologies for coal fired power plants
2
[81]
(data from Porter, et al. 2015 )
Impurities Oxy-combustion with purification Precombustion Postcombustion
(ppm, unless
Double flashing Distillation
specified
differently) Min max min max min max Min max
Ar % vol 0,4 0,61 Trace 0,1 0,000 1 0,15 0,001 1 0,021
As 0,006 65 0,006 65 0,08 0,08
Benzene 0,014 0,014 0,019 0,019
CH OH 20 200
3
CH 0 112
4
Cl 17,5 17,5 0,56 0,56
CO 10 50 0 2 000 1,2 10
H 20 30 000
2
H O 0 0 0 100 0,1 600 100 640
2
H S/COS 0,2 34 000
2
Hg 0,000 584 0,000 584 0,024 9 0,024 9
N % vol 1,6 2,03 0,01 0,2 0,019 5 1 0,045 0,29
2
Naphthalene
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 27921
Première édition
2020-05
Captage, transport et stockage
géologique du dioxyde de carbone —
Questions transversales—
Composition du flux de CO2
Carbon dioxide capture, transportation, and geological storage —
Cross Cutting Issues — CO2 stream composition
Numéro de référence
ISO/TR 27921:2020(F)
©
ISO 2020
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ISO/TR 27921:2020(F)
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ISO/TR 27921:2020(F)
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et termes abrégés . 2
5 État de l’art de la composition chimique des flux de CO . 4
2
5.1 État de l’art . 4
5.1.1 Types d’impuretés . 4
5.1.2 Mesures et estimations . 5
5.1.3 Sources de données . 5
5.2 Gammes de concentrations en impuretés pour des centrales thermiques au charbon . 6
5.2.1 Composants gazeux . 6
5.2.2 Éléments traces . 9
5.2.3 Matière particulaire .10
5.3 Gammes de concentrations en impuretés des émetteurs industriels .11
5.3.1 Industrie du ciment .11
5.3.2 Industrie sidérurgique .12
5.3.3 Production de H .
2 12
5.4 Discussion et interprétation .13
5.4.1 Variabilité entre les procédés et les secteurs .13
5.4.2 Stabilité de la composition et réactions chimiques potentielles dans les
flux de CO .
2 13
6 Impacts des impuretés .14
6.1 Impacts physiques .14
6.1.1 État de l’art .14
6.1.2 Effet sur le transport (transport par conduite et par bateau) .15
6.1.3 Effet sur le stockage géologique .17
6.2 Impacts chimiques .20
6.2.1 Corrosion des matériaux métalliques .20
6.2.2 Impacts sur le système de stockage géologique .22
6.3 Impacts sur les communautés microbiennes dans le complexe de stockage .25
6.4 Effets toxiques et écotoxiques des impuretés en cas de fuite .27
6.4.1 Constat général . . .27
6.4.2 Effets toxiques aigus .27
6.4.3 Effets chroniques .28
7 Paramètres à surveiller et méthodes de mesure .29
7.1 Surveillance et seuils .29
7.2 Paramètres pertinents à surveiller et méthodes de mesure .29
7.2.1 Échantillonnage du flux de CO .
2 30
7.2.2 Détermination des propriétés physiques et de la phase .30
7.2.3 Mesurage du débit .30
7.2.4 Mesurages des concentrations en impuretés .31
8 Relation entre émissions du flux de CO et quantification .31
2
9 Problématiques liées à l’intégration.32
9.1 Contraintes concernant la composition du flux de CO .
2 32
9.2 Optimisation de la composition du flux de CO d’après des évaluations technico-
2
économiques .33
9.3 Mélange de flux de CO avant injection: Défis pour les plus grandes infrastructures CSC .34
2
10 Conclusions .35
© ISO 2020 – Tous droits réservés iii
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ISO/TR 27921:2020(F)
Annexe A (informative) Corrosion par le CO en phase dense.36
2
Annexe B (informative) Composition des flux de CO (Source ISO 27913:2016).39
2
Bibliographie .42
iv © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO/TR 27921:2020(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 265, Captage du dioxyde de carbone,
transport et stockage géologique.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
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ISO/TR 27921:2020(F)
Introduction
Le comité technique (TC) 265 de l’ISO élabore des normes et des rapports techniques en lien avec le
captage, le transport et le stockage géologique (CSC) du dioxyde de carbone. Cette technologie est une
solution techniquement viable pour réduire les émissions de CO des importantes sources ponctuelles
2
fixes et ainsi limiter les futures hausses de température de la planète. Un rapport spécial effectué par
le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC, 2005) a décrit en détail les
principales dimensions techniques, scientifiques, environnementales, économiques et sociétales du CSC
ainsi que son rôle potentiel dans le choix des mesures d’atténuation des changements climatiques.
En fonction, notamment, des matières premières et des procédés de génération et de captage du CO ,
2
les flux de CO captés en provenance de sources industrielles ou de centrales électriques contiennent
2
différentes impuretés (c’est-à-dire, des composants du flux autres que le CO ). Les impuretés varient en
2
termes de concentrations mais aussi en termes de propriétés physiques et chimiques. Par conséquent, la
composition du flux de CO initialement capté est un point de départ crucial pour assurer la sécurité et
2
la fiabilité du transport et du stockage géologique du CO Les informations sur la composition peuvent
2.
aider les opérateurs à évaluer la nécessité de traiter un flux de CO , d’après les options de transport
2
prévues (notamment en mélange avec d’autres flux de CO ), les options d’utilisation (RAH ou autres) ou
2
le stockage dédié dans les formations géologiques.
Il est également important de connaître la composition du flux de CO pour la viabilité commerciale
2
des activités CSC car la purification supplémentaire du flux de CO augmente les coûts liés au captage
2
de CO . De plus, la composition du flux de CO est un intrant important pour quantifier la quantité de
2 2
CO stocké, en vue de déclarer et confirmer les émissions de gaz à effet de serre. Étant donné que les
2
procédés de captage et de purification sont en constante évolution, il est pertinent d’exposer l’ensemble
des impuretés présentes dans les flux de CO et leurs concentrations, en incluant les publications
2
récentes.
Le présent document fournit les derniers éléments à prendre en compte concernant les problèmes de
qualité des flux de CO pour les opérateurs, les organismes de réglementation et les parties prenantes,
2
d’après les résultats de recherche et les expériences menées dans le cadre de divers projets CSC à
l’échelle pilote ou industrielle. La première partie du présent rapport récapitule les informations
existantes en lien avec la composition du flux de CO résultant généralement des procédés de captage
2
particuliers. Le présent rapport décrit ensuite les impacts et effets potentiels des différentes impuretés
qui peuvent être présentes dans le flux de CO sur divers éléments en aval d’une chaîne CSC, notamment
2
les aspects opérationnels, les conséquences potentielles sur la santé, la sécurité et l’environnement,
ainsi que la quantification des émissions de gaz à effet de serre.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 27921:2020(F)
Captage, transport et stockage géologique du dioxyde de
carbone — Questions transversales— Composition du
flux de CO2
1 Domaine d’application
L’objectif premier du présent document est de décrire les principales caractéristiques de la composition
du flux de CO en aval de l’unité de captage, en tenant compte des options de purification courantes.
2
Par conséquent, le présent document caractérisera les différents types d’impuretés et présentera des
exemples de concentrations déterminées au cours des récents projets pilotes de captage et en analysant
la littérature. Il identifie les gammes de concentrations, en donnant la priorité aux mesurages réalisés
in situ, lorsque cela est possible.
Le deuxième objectif du présent document est d’identifier les impacts potentiels des impuretés sur
tous les composants de la chaîne CSC, des installations en surface (notamment le transport) jusqu’au
complexe de stockage. Par exemple, les impuretés peuvent avoir un effet significatif sur le comportement
des phases des flux de CO en fonction de leur concentration. Les effets chimiques incluent également
2
la corrosion des métaux. La composition du flux de CO peut également influencer l’injectivité et la
2
capacité de stockage, en raison des effets physiques (tels que les changements de masse volumique
ou de viscosité) et des réactions géochimiques dans le réservoir. En cas de fuite, les effets toxiques et
écotoxiques des impuretés contenues dans le flux de CO sortant peuvent également avoir un impact
2
sur l’environnement du complexe de stockage.
Pour un rendement énergétique efficient, le bon fonctionnement de toute la chaîne CSC et pour ne pas
perturber l’environnement immédiat, les opérateurs ont pour habitude de limiter les concentrations de
certaines impuretés qui peuvent, à leur tour, influencer la conception des équipements de captage et les
étapes de purification. Ces limites sont spécifiques à chaque cas et ne peuvent pas être décrites dans le
présent rapport; cependant, des exemples de spécifications de flux de CO donnés dans la littérature
2
sont présentés à l’Annexe A.
La pureté requise du flux de CO délivré par l’installation de captage dépendra en grande partie des
2
taux d’impuretés autorisés et traités par les opérations de transport, d'injection et de stockage. Par
conséquent, les opérateurs de l’installation de captage devront vraisemblablement purifier le flux
de CO pour satisfaire aux spécifications de transport, d’injection, de stockage ou aux exigences
2
réglementaires requises.
La surveillance de la composition du flux de CO joue un rôle important dans la gestion de l’ensemble
2
du procédé CSC. Les méthodes de mesure de la composition du flux de CO et, en particulier, des
2
concentrations en impuretés, sont décrites, et d’autres paramètres pertinents pour la surveillance à
différentes étapes de la chaîne CSC sont spécifiés.
L'interaction entre les spécifications définies du flux de CO et l’efficacité de l’ensemble du procédé CSC
2
est également expliquée. Enfin, le mélange de flux de CO provenant de différentes sources entre le
2
transport et le stockage est abordé, et les principaux avantages, risques et contraintes opérationnelles
sont présentés.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
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ISO/TR 27921:2020(F)
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
3.1
flux de CO
2
flux majoritairement constitué de dioxyde de carbone
Note 1 à l'article: Le flux de CO comprend généralement des impuretés et peut contenir des substances rajoutées
2
afin d'améliorer les performances du CSC et/ou de permettre la détection du CO .
2
[SOURCE: ISO 27917:2017, 3.2.10]
3.2
composition du flux de CO
2
concentration (généralement exprimée en fraction volumique) de chaque composant du flux de CO2 (3.1)
Note 1 à l'article: La composition du flux de CO est généralement soumise à des contrôles et des homologations
2
réglementaires. La composition du flux de CO peut également être rapportée en concentration en masse (par
2
3
exemple, en mg/m ).
3.3
pureté du CO
2
pourcentage volumique de CO en tant que composant du flux de CO2 (3.1)
2
3.4
impuretés
substances hors CO présentes dans le flux de CO2 (3.1), captées ou issues des matériaux sources ou du
2
procédé de captage, ou présentes en conséquence d’un mélange pour le transport, ou ajoutées, libérées
ou formées conjointement avec le stockage souterrain et/ou des fuites de CO
2
Note 1 à l'article: En tant que sous-ensemble des impuretés, les contaminants sont des substances hors CO dont
2
la présence dans le flux de CO n’est généralement pas souhaitée.
2
Note 2 à l'article: En tant que sous-ensemble des impuretés, les additifs sont des substances ajoutées au flux dans
le but de maîtriser son comportement physique ou chimique (hydrates et inhibiteurs de corrosion, par exemple),
pour ou à partir de l’interaction avec les équipements (lubrifiants, par exemple), ou de manière à suivre leur
répartition dans le sous-sol après injection (traceurs géochimiques).
[SOURCE: ISO 27917:2017, 3.2.18]
3.5
substances non condensables
substances chimiques qui sont en partie à l'état vapeur aux conditions de fonctionnement de la conduite
Note 1 à l'article: L’O , le N , l’Ar, le H et le CH appartiennent à cette catégorie.
2 2 2 4
[SOURCE: ISO 27913:2016, 3.18]
4 Symboles et termes abrégés
−2 −6
Dans le présent rapport, les fractions volumiques sont exprimées en % (10 ) ou en ppm (10 ), afin
d’être en conformité avec les publications d’origine et les échanges techniques courants au sein de la
communauté du CSC.
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ISO/TR 27921:2020(F)
AIE Agence Internationale de l’Énergie
Ar Argon
As Arsenic
BOS Affinage d’acier à l’oxygène pur
BSR Bactérie sulfato-réductrice
°C Degré Celsius
CCGI Cycle combiné à gazéification intégrée
Cd Cadmium
CH Méthane
4
CO Monoxyde de carbone
CO Dioxyde de carbone
2
COS Sulfure de carbonyle
CSC Captage et Stockage du dioxyde de Carbone
DO Document d’orientation
EPA Environmental Protection Agency
etc. Et Cetera (Latin: et ainsi de suite)
ETM Éléments traces métalliques
ETO Éléments traces organiques
GES Gaz à effet de serre
GIEC Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat
H Hydrogène
2
Hg Mercure
H O Eau
2
H S Sulfure d’hydrogène
2
H SO Acide sulfurique
2 4
i.e. Id est (Latin: c’est-à-dire)
IEAGHG Programme technique de collaboration relatif aux gaz à effet de serre de l’Agence
Internationale de l’Énergie
K Potassium
MDEA Méthyldiéthanolamine
MEA Monoéthanolamine
Mn Manganèse
© ISO 2020 – Tous droits réservés 3
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ISO/TR 27921:2020(F)
mg Milligramme
MPa Mégapascal
N Azote
2
NETL National Energy Technology Laboratory
NH Ammoniac
3
Ni Nickel
3
Nm Mètre cube normal à 101,325 kPa et 273 K
NO Monoxyde d’azote
NO Dioxyde d’azote
2
NO Oxydes d'azote
x
O Oxygène
2
OPS Office of Pipeline Safety
Pb Plomb
PM Matière particulaire
PON Procédures opérationnelles normalisées
−6
ppm (= ppmv) Parties par million (= Parties par million en volume) = 10
Psia Pression absolue en livres par pouce carré
RAH Récupération assistée des hydrocarbures
Se Sélénium
SO Dioxyde de soufre
2
SO Oxydes de soufre
x
UE Union européenne
5 État de l’art de la composition chimique des flux de CO
2
5.1 État de l’art
Cet article fournit les informations disponibles sur les impuretés présentes dans les flux de CO et les
2
gammes de concentrations pour différentes sources de CO et technologies de captage. L’accent est mis
2
sur les mesurages réalisés in situ.
5.1.1 Types d’impuretés
Étant donné que plusieurs gaz peuvent être présents sous forme d’impuretés dans l’effluent gazeux ou
le gaz de procédé (avant captage), ils sont donc potentiellement présents à la fin du procédé de captage.
Leurs concentrations varient significativement d’une technologie (ou d’un procédé) de captage à l’autre,
en raison des divers schémas réactionnels et des différentes options de conception dédiées au captage
et à la purification.
4 © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO/TR 27921:2020(F)
Certains gaz (également appelés «substances non condensables») tels que l’Ar, l’O et le N peuvent
2 2
atteindre plusieurs pourcents du flux de CO dès la fin du procédé de captage, avant la purification et
2
[40]
la compression (IEAGHG, 2011) . La teneur en H O (condensable) peut également atteindre plusieurs
2
pourcents à ce stade. D’autres gaz (NO SO , H S, CO et d’autres), bien que présents à des concentrations
x, x 2
inférieures, peuvent toutefois influencer le comportement du flux de CO .
2
[40]
Des impuretés autres que les gaz ont été rapportées à des concentrations faibles, (IEAGHG, 2011)
et, dans le cas d’un procédé de captage en post-combustion, les solvants utilisés dans le procédé (par
exemple, amines ou NH ) et leurs produits de dégradation peuvent être présents dans le flux de CO capté.
3 2
D’autres impuretés peuvent comprendre la matière particulaire, les éléments traces métalliques (ETM)
et les éléments traces organiques (ETO), selon le combustible ou la charge d’alimentation utilisé(e). Les
niveaux de toxicité intrinsèque des ETM et des ETO sont souvent élevés, alors que les concentrations
sont généralement très faibles.
Lors de la comparaison de données provenant de différents sites, une différence importante entre un site
industriel et une installation pilote de captage est que cette dernière peut ne pas comprendre de phase
de séchage-compression situé avant le transport. Par conséquent, des différences de concentrations en
impuretés peuvent être observées. Lorsque le CO est comprimé, les gaz ont tendance à se dissoudre
2
dans l’eau condensée à chaque stade de compression et sont donc éliminés du flux de CO avant le
2
[48]
transport. Voir également la norme ISO 27913:2016 sur les systèmes de transport par conduites.
5.1.2 Mesures et estimations
Il est nécessaire de faire la distinction entre i) les données qui sont des estimations résultant de la
modélisation et ii) les mesures du flux de CO capté. Les données publiées, aussi bien mesurées que
2
modélisées, mettent généralement l’accent sur les concentrations en impuretés principales. Ici, l’accent
est mis sur les mesures et seules les estimations modélisées sont citées lorsque les mesures ne sont pas
disponibles. Cependant, les études de modélisation sont également utiles car les modèles de procédés
permettent, entre autres, de représenter différentes combinaisons de concentrations en impuretés.
D’autres modèles permettent de prédire les effets possibles sur d’autres parties de la chaîne CSC, comme
illustré à l’Article 6, par exemple pour la masse volumique des fluides ou les réactions chimiques.
5.1.3 Sources de données
Les données relatives à la composition du flux de CO ont été compilées à partir de la littérature
2
existante par le groupe d’experts nommé par l’ISO/TC 265 du «GT5-Questions transversales»,
d’après les rapports d’analyse existants (par exemple, rapports d’organisations internationales ou de
consortiums de recherche) et d’après les résultats de projets pilotes, de démonstration ou commerciaux
menés en Europe, en Amérique du Nord, en Australie et au Japon.
NOTE Des exemples d’exigences réglementaires en lien avec ces projets sont donnés à l’Annexe B.
La majeure partie des données compilées provenait de plusieurs publications et rapports:
[7]
a) Anheden, et al. (2004) : compilation des impuretés par procédé de captage (avant les étapes de
condensation ou de purification);
[39][40]
b) IEAGHG (2004, 2011) : rapports d’analyse;
[32]
c) Farret, et al., 2012 : revues de l’état de l’art;
[81]
d) Porter, et al., 2015 : analyse complète des concentrations en impuretés dans les centrales
électriques et dans l’industrie.
Le présent document s’appuie largement sur les publications ci-dessus car elles contiennent une grande
quantité de données et parce qu’elles permettent généralement d'identifier les origines de ces données.
Bien entendu, d’autres publications sont également prises en compte, ainsi que d’autres documents de
[48]
l’ISO, notamment le Tableau A.1 extrait de la norme ISO 27913:2016 , élaborée par l’ISO/TC 265, sur
les systèmes de transport par conduites (voir Annexe B). Les publications sans la source des données ne
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ISO/TR 27921:2020(F)
sont pas référencées. Pour les procédés CCGI en précombustion et pour les métaux à l’état de trace, de
nombreuses données rencontrées sont de source inconnue.
Les procédés de captage et de purification évoluent et les niveaux de pureté connaissent généralement
une augmentation. Certains systèmes réglementaires exigent que le flux de CO soit «majoritairement»
2
composé de CO . Cela se traduit souvent par une pureté d’au moins 95 % (voir l’ISO 27913:2016 sur les
2
systèmes de transpor
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.