Thermodynamic and fluid-dynamic challenges associated with the transport of CO2 via pipelines

The emissions related to the human activities that led to greenhouse effect can be related, but not limited to, the carbon dioxide emissions. Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) is claimed as a solid climate mitigation strategy in particular for the most challenging missions. The development of an international CO2 transportation network is considered a necessary cross-cutting topic in the Carbon Capture and Storage sector. Indeed, the development of large-scale CCUS projects will require the management and transport of CO2 in the presence of impurities and with lower costs. The accuracy of modelling CO2 in the presence of other components needs to be further assessed and lots of thermodynamic aspects of CO2 management are still object of debate and research. In this work the thermodynamic and fluid-dynamic challenges associated with the transport of CO2 via pipelines have been investigated. A complete and critical review of the main thermodynamics aspects involved during the transport of CO2 at high-pressure has been presented. The aspects related to risk and safety of CO2 pipelines have been deeply analysed with specific focus on the modelling of accidental releases with computational fluid dynamic and simplified models. Furthermore, an assessment of the most suitable equations of state for the accurate modelling of CO2 in presence of impurities is also proposed with quantitative and qualitative conclusions. Moreover, the transient transport phenomena involved for the transport of dense-phase CO2 have been analysed experimentally and numerically. Horizontal depressurization behaviour have been modelled with numerical thermofluid-dynamic simulations and validated against experimental data obtained from high-resolution measurements on a state-of-the-art large scale laboratory. This work includes also some experimental activity performed for the study of vertical flows in CO2 pipes for injection and the development of a data extraction and processing tool. Finally, the simulation of running shear fracture and its implication in CO2 have been also discussed and a tool for the simulation of decompression in CO2-rich mixtures has been developed and validated.

Le emissioni legate alle attività umane che hanno portato all'effetto serra sono attribuibili alle emissioni di anidride carbonica. La cattura, utilizzo e stoccaggio dell’anidride carbonica (CCUS) è considerata una solida strategia di mitigazione del clima, in particolare per le missioni più impegnative. Lo sviluppo di una rete di trasporto internazionale di CO2 è considerato un tema trasversale necessario nel settore della cattura e dello stoccaggio del carbonio. Infatti, lo sviluppo di progetti CCUS su larga scala richiederà la gestione e il trasporto di CO2 in presenza di impurità e con costi inferiori. L'accuratezza della modellazione della CO2 in presenza di altri componenti deve essere ulteriormente valutata e molti aspetti termodinamici della gestione della CO2 sono ancora oggetto di dibattito e ricerca. In questo lavoro sono state studiate le sfide termodinamiche e fluidodinamiche associate al trasporto di CO2 tramite condotte. È stata presentata una rassegna completa e critica dei principali aspetti termodinamici coinvolti nel trasporto di CO2 ad alta pressione. Gli aspetti relativi al rischio e alla sicurezza delle condotte di CO2 sono stati approfonditi con focus specifico sulla modellazione dei rilasci accidentali con modelli fluidodinamici computazionali e semplificati. Viene inoltre proposta, con conclusioni quantitative e qualitative, una valutazione delle equazioni di stato più idonee per la modellizzazione accurata della CO2 in presenza di impurità. Sono stati altresì analizzati sperimentalmente e numericamente i fenomeni di trasporto transitorio coinvolti nel trasporto di CO2 in fase densa. Il comportamento della depressurizzazione orizzontale è stato modellato con simulazioni termofluidodinamiche numeriche e convalidato rispetto a dati sperimentali ottenuti da misurazioni ad alta risoluzione su un laboratorio all'avanguardia su larga scala. Questo lavoro comprende anche alcune attività sperimentali svolte per lo studio dei flussi verticali nei tubi di CO2 per l'iniezione e lo sviluppo di uno strumento di estrazione ed elaborazione dati. Infine, è stata discussa anche la simulazione della frattura duttile e la sua implicazione nella CO2 ed è stato sviluppato e validato uno strumento per la simulazione della decompressione in miscele ricche di CO2.