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The collaborative project “Impacts of impurities in CO2 streams captured from different emitters in a regional cluster on transport, injection and storage (CLUSTER)” aimed to set up recommendations on how to define “reasonable minimum composition thresholds” that CO2 streams should meet when accessing CO2 transport pipeline networks. Within CLUSTER, we investigated potential impacts of CO2 streams with different and temporally variable compositions and mass flow rates along the whole CCS chain. Investigations included, amongst others, impacts on: Corrosion of pipeline steel, pipeline network design and related transport costs, alteration of well bore cements, pressure development and rock integrity, geochemical reactions, and petrophysical and geomechanical rock properties.
All investigations are based on a generic CCS chain scenario. In this scenario, CO2 streams are captured from a spatial cluster of eleven emitters and collected in a regional pipeline network. Emitters comprise seven fossil fuel-fired power plants equipped with different capture technologies, two cement plants, one refinery and one integrated iron and steel plant. In total, 19.78 Mio t CO2 (including impurities) are captured in the emitter cluster annually. The combined CO2 stream is transported in a trunk line with a length of 400 km (100 km of these offshore) and is injected into five generic storage structures. The storage reservoirs are saline aquifers of the Buntsandstein.
The investigations revealed beneficial and deteriorating impacts of different impurities and combinations thereof. Overall, no fundamental technical obstacles for transporting, injecting and storing CO2 streams of the modelled variable compositions and mass flow rates were observed. Based on the results, the CLUSTER project team recommends not to define “minimum composition thresholds” for CO2 streams as strict threshold values for each individual impurity in the stream. Instead, CO2 stream compositions and variabilities for specific CCS projects should be constrained with regard to a set of parameters including i) the overall CO2 content, ii) maximum contents of relevant impurities or elements, iii) acceptable variability of CO2 stream composition, and iv) impurity combinations to be avoided.
Recent studies have shown that even at a very low concentration of impurities (less than 100 ppmv of SO2, NO2, O2 and H2O) the droplet formation and condensation of sulfuric and nitric acids in dense phase CO2 are possible and observable. To reveal the mechanism of droplet corrosion in dense phase CO2 at high pressure and low temperature, further studies on factors that affect wettability and resulting corrosion behaviors of transport pipeline steels are needed. In this study, effects of surface morphology were investigated by varying surface roughness of carbon steel coupons exposed to CO2 stream containing impurities to measure the wettability by contact angle and to observe the condensation as well as possible droplet corrosion that followed. Other considered factors were: pH of the droplet, temperature, droplet volume, and exposure time.
In this work, the focus was set on the corrosion process of condensate as drops on the surface of carbon steels (X52, X70), martensitic steel UNS S41500, and superaustenite UNS N08031 in CO2 atmosphere with impurities at 278 K (to simulate the transportation condition in a buried pipeline). Exposure tests were performed at both normal pressure and high pressure where CO2 is supercritical or in dense phase. The drop, 1 ‑ 10 μL in volume, was prepared by dropping CO2 saturated ultra-pure water onto the surface of steel coupons in a one-liter-autoclave. The CO2 gas stream, simulating the oxyfuel flue gas with varying concentration of impurities (SO2 and O2 ), was then pumped into the autoclave to observe the condensation and corrosion impacts of impurities. Comparable exposure tests were carried out with the same gas mixture and the same volume of water as vapor to observe the drop formation and the corrosion process that follows. The wettability and stability of drops on the surface of steel coupons in CO2 supercritical/dense phase environment was evaluated additionally by contact angle measurement.
CCUS-Technologie (CO2-Abtrennung; Nutzung und Speicherung, engl. Carbon Dioxide Capture, Utilization and Storage) gilt als eine vielversprechende Methode zur Abschwächung des Beitrags von fossilen Emissionen zur globalen Erwärmung. Dabei wird das in den Verbrennungsprozessen entstandene Treibhausgas aufgefangen, zu verschiedenen Lagerstätten transportiert und langzeitig gespeichert bzw. einer chemischen Nutzung zugeführt.
In bisher veröffentlichten Untersuchungen wurde gezeigt, dass die CO2-Transport-Pipelines in hohem Maße gefährdet sind, wenn sie korrosiven Begleitstoffen des CO2-Stroms, wie SOx, NOx bei einem hohen Wasserdampfanteil ausgesetzt sind. Screening-Tests zeigten, dass bei einer Konzentration von 1000 ppmv H2O die Reaktionen und Kondensation von SO2 und NO2 mit O2 und H2O zu Säuretropfen (pH ~ 0,5) auf der Oberfläche von Metall-Prüfkörper und Gefäß führen. Die Werkstoffe 1.0582, 1.8977, 1.4313 und 1.4562 wurden in CO2-gesättigtem Kondensat mit unterschiedlichem Verhältnis der säurebildenden Komponenten untersucht. Diese Studien zeigten grundsätzlich den Mechanismus sowie die Rolle jedes CO2-Strom-Begleitstoffes auf den Korrosionsprozess. Allerdings spiegeln die bei Auslagerung und elektrochemischen Messungen in der künstlichen CO2-gesättigten Kondensat-Lösung auftretenden Bedingungen nicht im Detail die Realität in der Praxis, wo sich nur Tröpfchen bilden, wider.
Diese Arbeit konzentriert sich auf den Korrosionsprozess von Kondensat in Form von Tröpfchen, auf der Oberfläche von Rohrleitungswerkstoffen unter CO2-Atmosphäre bei 5 °C (Simulation des Transportzustandes). Die Experimente wurden nicht nur für Auslagerungsversuche, sondern auch für elektrochemische Tests mit nur einem Tröpfchen (weniger als 20 µL) konzipiert. Die Auslagerungs-versuche wurden sowohl unter Normaldruck als auch bei hohem Druck (> 70 bar) durchgeführt, wobei das CO2 als dichte – den Tropfen umgebende - Phase vorliegt. Die korrodierten Prüfkörper wurden rasterelektronenmikroskopisch (REM) und mittels Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) analysiert, um nicht nur Korrosionsform, sondern auch die Elementverteilung der Korrosionsprodukte zu zeigen.