Miljømæssig optimering af in situ termisk afværge ved brug ......afværge ved brug af...

Miljømæssig optimering af in situ termisk afværge ved brug af livscyklusvurdering

Gitte Lemming, Poul L. Bjerg

DTU Miljø

Klaus Weber, Jacqueline A. Falkenberg

NIRAS

Steffen G. Nielsen, Gorm Heron

TerraTherm Inc.

Carsten B. Jensen, Mads Terkelsen

Region Hovedstaden

ATV vintermøde 6/3 2012

In situ termisk afværge

Ulemper Fordele

Høj oprensningsgrad også for lavpermeable aflejringer og DNAPL forureninger

Hurtig oprensning sammenlignet med andre in situ metoder

attraktiv metode

Stort energiforbrug

Stort forbrug af on-site installationer over og under jorden

Stort forbrug af aktivt kul til damprensning

miljøeffekter på den lokale,

regionale og globale skala

Thermal conductive heating (ISTD)

Steem enhanced extraction (SEE)

Electrical resistance heating (ERH)

Radio frequency heating (RFH)

Formål

At anvende LCA til at kvantificere de miljømæssige belastninger ved den nuværende praksis for en række termiske oprensningsmetoder:

Termisk ledningsevne (ISTD – In situ thermal desorption)

Dampoprensning (SEE - Steam enhanced extraction)

Elektrisk modstand (ERH – Electrical resistance heating)

Radiobølger (RFH - Radio frequency heating)

At identificere og teste muligheder for at forbedre metodernes miljøprofil vha. LCA

Subsitution af materialer

Ændring i opvarmningsstrategier

Ændring i energiforsyning

Hots

po

t-an

aly

se

Fo

rb

ed

rin

gs-

po

ten

tiale

Metode: Livscyklusvurdering (LCA) E

mis

sio

ne

r

Effektkategori

Opgørelse

Global opvarmning (Global warming)

Ozondannelse (Ozone formation)

Forsuring (Acidification)

Avatisk eutrofiering (Aquatic eutrophication)

Terrestrisk eutrofiering (Terrestrial eutrophication)

Partikelforurening (Respiratory inorganics)

Økotoksicitet ferskvand (Ecotoxicity freshwater)

Humantoksicitet non-cancer (Human toxicity non-cancer)

Humantoksicitet cancer (Human toxicity cancer)

Enhed

kg CO2-eq.

Person·ppm·h

m2

kg N-eq.

m2

kg PM2.5-eq.

CTUe

CTUh

CTUh

Normaliserede effekter:

Omregnet til personækvivalenter (PE) ved at dividere med den årlige belastning fra en gennemsnitsperson

Udvinding af råstoffer

Produktion

Brugsfase

Bortskaffelse

Afværge-projekt

Metode: Livscyklusvurdering (LCA)

Udvinding af råstoffer

Produktion

Brugsfase

Bortskaffelse

Afværge-projekt

Re

ss

ou

rce

forb

rug

Ressource

Opgørelse

Brunkul

Kul

Naturgas

Olie

Aluminium

Cobber

Chrom

Jern

Mangan

Molybdæn

Nikkel

Uran

Enhed

kg

kg

kg

kg

kg

kg

kg

kg

kg

kg

kg

kg

Vægtet ressourceforbrug:

Omregnet til personækvivalenter (PE) og divideret med forsyningshorisonten person-

reserver (PR)

Dataindsamling

Lille og stor lokalitet:

Datainput fra:

Termisk ledningsevneopvarmning

Dampoprensning

Elektrisk modstandsopvarmning

Behandlingssystem og andet overjordisk udstyr

Radiobølgeopvarmning

Lille lokalitet Stor lokalitet

Areal m² 180 1.300

Dybde m 7 9

Forurenet jordvolumen m³ 1.200 11.500

Forureningsmasse (Klorerede opløsningsmidler)

kg 405 2.400

www.sn.dk

www.kruger.dk Reerslev

Skuldelev

Termisk ledningsevneopvarmning/in situ thermal desorption (ISTD)

www.terratherm.com

On-site electricity

Materials above grade

Machines

Transportation

Wellfield materials

Varmeboringer:

Heater can: Stål

Liner: Rustfri stål (304)

Varmelementer:

Heater rod: Rustfri stål (310)

Cold pin: Nikkel

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Global warming

Ozone formation (Human)

Acidification

Terrestrial eutrophication

Aquatic eutrophication

Respiratory inorganics

Ecotoxicity freshwater

Human toxicity (non-cancer)

Human toxicity (cancer)

Normalized result (PE) k

On-site electricity Materials (above grade) Materials (wellfield) Machines Transportation

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Global warming


Acidification









ISTD – Miljøeffekter (PE) pr lokalitet

Lille lokalitet (180 m2)

Stor lokalitet (1300 m2)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Global warming


Acidification









540 PE

HOTSPOTS:

• ELFORBRUG

• OVERJORDISKE MATERIALER

• WELLFIELD MATERIALER

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

Global warming


Acidification







Normalized result (mPE) k


0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

Global warming


Acidification









ISTD – Miljøeffekter (mPE) pr m3 oprenset jord



0 50 100 150 200 250 300 350 400

Global warming


Acidification









Ca. dobbelt så høje effekter pr m3 jord

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Brown coal

Coal

Natural gas

Oil

Aluminium

Copper

Chromium

Iron

Manganese

Molybdenum

Nickel

Uranium

Weighted resource use (mPR)


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Brown coal

Coal

Natural gas

Oil

Aluminium

Copper

Chromium

Iron

Manganese

Molybdenum

Nickel

Uranium

Weighted resource use (mPR)


ISTD – ressourceforbrug (mPR) pr m3 behandlet jord



0 50 100 150 200 250 300 350 400

Global warming


Acidification









HOTSPOTS:

• ELFORBRUG

• WELLFIELD MATERIALER

• OVERJORDISKE MATERIALER

Overjordiske materialer: Miljøeffekter (PE)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Global warming

Ozone formation …

Acidification





Human toxicity (non-…



Granular activated carbon (Vapor/CN) Granular activated carbon (Liquid/US) Foam concrete PE Stainless steel Steel

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Brown coal

Coal

Natural gas

Oil

Aluminium

Copper

Chromium

Iron

Manganese

Molybdenum

Nickel

Uranium

Weighted resource use (PR)

Granular activated carbon (Vapor/CN) Granular activated carbon (Liquid/US) Foam concrete PE Stainless steel Steel

100 PE Stor lokalitet (1300 m2)

HOTSPOTS:

• AKTIVT KUL

• SKUMBETON

• STÅL (TOKSISKE EFFEKTER)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Brown coal

Coal

Natural gas

Oil

Aluminium

Copper

Chromium

Iron

Manganese

Molybdenum

Nickel

Uranium


High temperature grout Sand Glass fibre Copper wire Cold pins Stainless steel (310) Stainless steel (304) Steel

0 20 40 60 80 100 120 140

Global warming


Acidification








High temperature grout Copper wire Glass fibre Sand Cold pins Stainless steel (310) Stainless steel (304) Steel


HOTSPOTS:

• STÅL

• RUSTFRI STÅL

HOTSPOTS:

• RUSTFRI STÅL

• COLD PINS

• KOBBERKABLER

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Brown coal

Coal

Natural gas

Oil

Aluminium

Copper

Chromium

Iron

Manganese

Molybdenum

Nickel

Uranium


High temperature grout Sand Glass fibre Copper wire Cold pins Stainless steel (310) Stainless steel (304) Steel

Wellfield materialer: Miljøeffekter (PE) og ressourceforbrug (PR)

400 PE

Forbedringsmuligheder for ISTD testet vha. LCA

Energi:

Diskontinuert opvarmning (opvarmning om natten)

Certificeret vandkraft

Materialer

Alternative konstruktioner af vapor cap

Biobaseret aktivt kul (kokosnøddeskaller)

Udskiftning af rustfri stål og nikkel i varmelementer, cold pins og linere

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Global warming


Acidification








75% coal/ 25% wind 65% coal/35% wind

1: Diskontinuert opvarmning (12 timer/dag)

9% forøgelse i driftstid

3% forøgelse i elforbrug

Antagelse: 100% vindenergi tilgængelig i elnettet i gennemsnit 6 timer pr nat

FORBEDRINGSPOTENTIALE:

• 10% REDUKTION IN MILJØ-EFFEKTER OG RESSOURCE-FORBRUG FRA ELFORBRUG

0 5 10 15 20 25 30

Brown coal

Coal

Natural gas

Oil

Aluminium

Copper

Chromium

Iron

Manganese

Molybdenum

Nickel

Uranium


Baseline: 75% coal/ 25% wind Optimization scenario: 35% coal/65% wind

0 2 4 6 8 10 12 14

Brown coal

Coal

Natural gas

Oil

Aluminium

Copper

Chromium

Iron

Manganese

Molybdenum

Nickel

Uranium


Baseline (average DK electricity mix) Hydropower

2: Certificeret vandkraft

Certificeret vandkraft fra Norge blev indkøbt ved ISTD i Reerslev

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Global warming


Acidification









0 2 4 6 8 10 12 14

Brown coal

Coal

Natural gas

Oil

Aluminium

Copper

Chromium

Iron

Manganese

Molybdenum

Nickel

Uranium



MEN: At købe certificeret vandkraft sikrer ikke at vandkraftproduktion forøges (allerede fuldt udbygget i Norden)

FORBEDERINGSPOTENTIALE:

• INGEN FORBEDRING!

3: Alternative konstruktioner af vapor cap

Basisscenarium: 40 cm skumbeton (densitet 400 kg/m3)

Alt. 1: 26 cm skumbeton (densitet 300 kg/m3)

Alt. 2: Betonsandwich med 10 cm ekspanderet polystyren (EPS)

Alt. 3: Betonsandwich med 21 cm lecanødder

Alt. 4: Betonsandwich med 30 cm muslingeskaller

3: Alternative konstruktioner af vapor cap

Basisscenarium: 40 cm skumbeton (densitet 400 kg/m3)

Alt. 1: 26 cm skumbeton (densitet 300 kg/m3)

Alt. 2: Betonsandwich med 10 cm ekspanderet polystyren (EPS)

Alt. 3: Betonsandwich med 21 cm lecanødder

Alt. 4: Betonsandwich med 30 cm muslingeskaller

0 5 10 15 20 25 30

Global warming


Acidification









•65-75% REDUKTION I MILJØEFFEKTER OG RESSOURCEFORBRUG FRA VAPOR CAP

0 5 10 15 20 25 30

Global warming


Acidification








Baseline: Foam concrete, 400 kg/m3

Alt 1: Foam concrete, 300 kg/m3

Alt 2: Concrete sandwich with EPS

Alt 3: Concrete sandwich with leca

Alt 4: Concrete sandwich with shells

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Global warming


Acidification








Anthracite coal AC Biobased AC

4: Skift til biobaseret aktivt kul (AC) til damprensning

Antagelse: kokosskaller er et affaldsprodukt

FORBEDRINGSPOTENTIALE FOR AKTIVT KUL:

•80% REDUKTION I OZONDANNELSE (FOTOKEMISK SMOG)

•60% REDUKTION I GLOBAL OPVARMNING

•40% REDUKTION I RESPIRATORISKE EFFEKTER

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Global warming


Acidification








Anthracite based AC Biobased AC

5: Udskiftning af stål og nikkeltyper i varmeelementer

og linere

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Brown coal

Coal

Natural gas

Oil

Aluminium

Copper

Chromium

Iron

Manganese

Molybdenum

Nickel

Uranium


Heater materials (baseline) Heater materials (alternative)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Brown coal

Coal

Natural gas

Oil

Aluminium

Copper

Chromium

Iron

Manganese

Molybdenum

Nickel

Uranium


Heater materials (baseline) Heater materials (alternative)


•80% REDUKTION I NIKKELFORBRUG

•2% REDUKTION I KROMFORBRUG

Stor lokalitet Baseline scenario Alternative scenario

Material Weight [kg] Material Weight [kg]

Heater 310 SS 667 410 SS 1864

Heater sleeve/liner 304 SS 1107 410 SS 1107

Heater cold pin NI200 60 Monel 400 60

Rustfri ståltyper: 310 SS: 25% Ni, 21.5% Cr

304 SS: 8% Ni, 18% Cr

410 SS: 0.75% Ni, 12% Cr

Nikkeltyper: Ni200: 99.5%

Monel 400: 63% Ni, 27% Cu

Opsummering af konklusioner for ISTD

Hotspots Optimeringstiltag Samlet reduktionspotentiale og fordeling mellem tiltag

ISTD

Elforbrug • Diskontinuert opvarmning Miljøeffekter: 10% Ressource- forbrug: 20%

Overjordiske materialer

• Vapor cap (betonsandwich) • Biobaseret kul

Wellfield Materialer

• Udskiftning af nikkel og rustfri stål

Diskontinuert opv.

Vapor cap

Biobaseret kul

Ni- og stållegeringer

Diskontinuert opv.

Vapor cap

Biobaseret kul

Opsummering af konklusioner for ISTD, SEE og ET-DSP

Hotspots Optimeringstiltag Samlet reduktionspotentiale og fordeling mellem tiltag

ISTD




Wellfield Materialer

• Udskiftning af nikkel og rustfri stål

SEE

Energiforbrug • Skift til kondenserende kedel Miljøeffekter: 21% Ressource- forbrug: 9%



Wellfield materialer

• Skift til glasfiber linere

ET-D

SP




Transport • Brug af eksperter og udstyr fra DK

Diskontinuert opv.

Vapor cap

Biobaseret kul

Ni- og stållegeringer

Diskontinuert opv.

Vapor cap

Biobaseret kul

Diskontinuert opv.Vapor capBiobaseret kulTransport

Diskontinuert opv.Vapor capBiobaseret kulTransport

Kondenserende kedelVapor capBiobaseret kulGlasfiber boringer

Kondenserende kedelVapor capBiobaseret kulGlasfiber boringer

ET-DSP: Electro-Thermal Dynamic Stripping Process

Afsluttende bemærkninger

LCA kan anvendes med to formål:

1) Sammenligning af miljøprofiler for forskellige teknikker

2) Hotspot-analyse og optimering af enkelt teknik

På baggrund af dette projekt kan der laves opdateringer til RemS – materialer, LCA data, teknikdesign mv.

Endelig afrapportering af projekt: MST rapport i løbet af 2012

Trae-off

Tak til:

Gitte Lemming

[email protected]

Tak for opmærksomheden

Spørgsmål?

Miljømæssig optimering af in situ termisk afværge ved brug ......afværge ved brug af...

Documents

Transcript of Miljømæssig optimering af in situ termisk afværge ved brug ......afværge ved brug af...