Reducing carbon footprint in refining

Καμπόλης, Γεώργιος

Μείωση του αποτυπώματος άνθρακα στη διύλιση

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Καμπόλης, Γεώργιος

Date

2023-07

Advisor

Κυριακοπούλου, Διονυσία

Μεταπτυχιακή εργασία (1.713Mb)

Keywords

Carbon footprint ; Αποτύπωμα άνθρακα

Abstract

The rising levels of greenhouse gases such as carbon dioxide can be attributed to the rapid advancement of technology as well as the growth of the refining industry. This has necessitated a procedure referred to as "carbon footprint calculation" that calculates the amount of CO2 equivalents (CO2-eq) emissions. After determining both direct and indirect contributors, it is possible to estimate greenhouse gas emissions and carbon footprint using the appropriate computational frameworks. In addition to the footprint calculator, more drastic measures have been proposed, such as renewed global agreements regarding the Kyoto Protocol, which has been in effect since the early 1990s, and the global "net zero" commitment, which was initially established by 2030 but later extended to 2050, with the ultimate goal of reducing emissions and limiting the observed temperature rise to 1.5 °C. In order to compute carbon footprint in a more organized and transparent manner, it is necessary to classify emissions as direct ("Scope 1"), indirect ("Scope 2"), and indirect ("Scope 3") emissions. The "Carbon Accounting Categories" subdivide each tier further into five subcategories, which include "personal," "vehicular," "purchased," and "fuel and energy" emissions. The connection between carbon footprint and ecological footprint, which refers to the total quantity of land required to sustain an activity or people, is essential to this thesis. Carbon footprint is significant for nations, industries, corporations, and individuals because the management of the planet's natural resources is becoming an urgent issue. Alarmed by the statistics, crucial drivers for reducing carbon emissions and achieving carbon neutrality by 2050 have been developed. Examples of such drivers include the "labeling and branding" of products, a corresponding rise in "energy efficiency standards," the reduction of "trading barriers" to encourage buyers to choose products compatible with more environmentally friendly technologies, and the strategic application of the immediately effective "carbon pricing" tool. The European Union's "European Climate Law," which makes climate neutrality mandatory by law, supplements the aforementioned initiatives. This legislation is supported by a well-thought-out "Low-carbon strategy for 2050," which is implemented via a road map delineating concrete goals and approaches for the main industrial emitters in Europe. Since industrial emissions are among the most challenging to control, a set of methods that can be implemented individually or collectively is provided to liberate polluting businesses. In addition to this practical advice, a "decomposition algorithm" as well as a "mathematical optimization" have been investigated in greater depth as carbon-neutral emission strategies. The most recent technological advancements, such as AI and IoT, can also be used to successfully reduce emissions, provided they are implemented appropriately; this is particularly important for the control of systems that operate in a quality and safe manner in an industrial setting. The petroleum processing industry is the third largest source of global greenhouse gas emissions, contributing to approximately 5% of the total. As such, it is not surprising that it is an integral component of the energy grid and global warming. Over 98% of emissions coming from oil refineries consist of carbon dioxide. The technique of "Carbon Capture Storage" (CCS), which has an exceptionally high CO2 collection rate, has garnered the most attention for CO2 offsetting. An "energy efficiency roadmap" that monitors the use of low-carbon technologies by oil refining corporations is an additional suggestion. The latter is subdivided into "data collection - indications," in which external factors of the P.E.S.T. environment play a major part, "pathway building," which represents the specific selection and installation of options within the timeframe chosen to achieve carbon reduction, and "conclusion drawing," in which the selected technologies within the decarbonization pathway are utilized to mitigate the challenges generated by the former. While progression toward carbon neutrality in the refining industry is unquestionably sluggish, six separate categories have been identified as potential means of achieving this objective. Relevant alternatives include Carbon Capture Usage and Storage technology, low-carbon hydrogen, increased use of renewable energy sources, enhanced energy efficiency, and residual heat recovery. A common method for calculating the net energy consumption of a refinery unit is the "complexity weighted tonne" (CWT). The proportion of standard CO2 emissions is a vital metric when comparing multiple refineries or multiple divisions within a single refinery. Decarbonization requires a number of strategic decisions regarding the waste heat recovering system, the supplies used, the irrigation system, and the rest of the software and hardware involved, so that every stage of production is based on technological optimization. Due to the close relationship between hydrogen consumption and refinery production techniques, three decarbonization strategies for the hydrogen-use phase have been developed. For improved outcomes, a "carbon capture, utilization, and storage" (CCUS) technology-based "decarbonization philosophy" is required, in which CO2 is captured from large point sources, compressed, transported, and used in a variety of applications or injected into deep geological formations. The authors also refer to other approaches that have been previously developed and adopted by business executives, such as the "Net Carbon Footprint" model developed by Shell, which has made major pledges toward global targets by 2050. The term "life cycle" is used here to refer to not only the numerous phases of a product's creation, from the procurement of raw materials to its ultimate delivery to the final final consumer, but also the recycling and repurposing of various byproducts and product streams. Not only have major companies assumed weighty responsibilities, but so have a number of lesser ones. Hellenic Energy, a Greek energy provider, has been in operation for over four decades and has developed in line with the European Union's (EU) "Vision 5050. Hellenic Energy is also a member of FuelsEurope, an organization that advocates the idea that refineries can be transformed into the power hubs for energy and environmentally responsible products required to attain a carbon-neutral economy and society. The refinery in the Aspropyrgos region is a prominent example of the Group's efforts over the past four years to enhance its refining facilities and production divisions. In terms of upgrading the refinery and adopting a novel approach for improving sustainability and reducing greenhouse gas emissions, significant changes have been made since 2019.

Abstract

Η ταχεία τεχνολογική πρόοδος και η ανάπτυξη της βιομηχανίας των διυλιστηρίων σχετίζονται άμεσα με τις αυξημένες εκπομπές αερίων θερμοκηπίου, συμπεριλαμβανομένου του CO2. Το γεγονός αυτό οδήγησε στην ανάγκη μέτρησης της ποσότητας των εκπομπών που εκφράζονται σε ισοδύναμα διοξειδίου άνθρακα, προς διευκόλυνση, μια διαδικασία, γνωστή ως υπολογισμός «αποτυπώματος άνθρακα». Όλοι οι υπολογισμοί για την εκτίμηση του αποτυπώματος άνθρακα και των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου πραγματοποιούνται κατόπιν προσδιορισμού των «άμεσων» και «έμμεσων» πηγών του. Εκτός από τα εργαλεία μέτρησης, έχουν τεθεί σε εφαρμογή ακόμη πιο δραστικές ενέργειες, όπως οι ανανεούμενες δεσμεύσεις των χωρών και οικονομιών παγκοσμίως, αλλά και η παγκόσμια δέσμευση του «καθαρού μηδέν», που είχε αρχικά καθοριστεί να εφαρμοστεί μέχρι το 2030, ωστόσο επεκτάθηκε έως το 2050, με απώτερο στόχο τη μείωση των εκπομπών και τον περιορισμό της αύξησης της θερμοκρασίας που έχει σημειωθεί κατά 1,5 °C. Η κατανομή των εκπομπών σε άμεσες, συνιστώσες του «Πεδίου Εφαρμογής 1» και σε έμμεσες, που σχηματίζουν τις εκπομπές του «Πεδίου Εφαρμογής 2» και του «Πεδίου Εφαρμογής 3», είναι απαραίτητη για τον υπολογισμό του αποτυπώματος άνθρακα με πιο δομημένο και σαφή τρόπο για πιο ακριβή αποτελέσματα. Όμως η ανάλυση τριών επιπέδων στα «Πεδία Εφαρμογής» δεν είναι η μόνη διάκριση μεταξύ των εκπομπών, καθώς υπάρχουν περισσότερες ταξινομήσεις όπως οι «Λογιστικές Κατηγορίες Άνθρακα», που αναλύουν κάθε επίπεδο σε περισσότερες κατηγορίες εκπομπών συνολικού αθροίσματος 15 στον αριθμό. Ορισμένες από αυτές αναφέρονται σε «ατομικές εκπομπές», «εκπομπές οχημάτων», «εκπομπές από τις αγορές αγαθών και υπηρεσιών» και εκείνες που σχετίζονται με «καύσιμα και ενέργεια». Ένα σημαντικό σημείο αυτής της εργασίας είναι επίσης η συσχέτιση του αποτυπώματος άνθρακα με το συνολικό οικολογικό αποτύπωμα, το οποίο μετράται στη συνολική έκταση γης που απαιτείται για να διατηρηθεί μια δραστηριότητα ή ένας πληθυσμός. Η διαχείριση των οικολογικών περιουσιακών στοιχείων του πλανήτη γίνεται κεντρικό ζήτημα για τους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων σε όλο τον κόσμο, έτσι ώστε το αποτύπωμα άνθρακα να αποτελεί φλέγον ζήτημα μεταξύ χωρών, βιομηχανιών, επιχειρήσεων και ατόμων. Ως συνέπεια των ανησυχητικών αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τους υπολογισμούς, έχουν καθοριστεί βασικοί παράγοντες για τον περιορισμό του αποτυπώματος άνθρακα και την υποβοήθηση στην εκπλήρωση των στόχων ουδετερότητας έως το 2050. Αυτοί οι παράγοντες περιλαμβάνουν την «συσκευασία και σήμανση» των προϊόντων που πωλούνται, την επιτακτική αύξηση των « προτύπων ενεργειακής απόδοσης», τρόπους για τη μείωση των «συναλλακτικών εμποδίων» όπως και για την ενίσχυση των παικτών της αγοράς που ευθυγραμμίζονται με τεχνολογίες καθαρότερης ενέργειας και, τέλος, η στρατηγική χρήση του εργαλείου «τιμολόγηση του άνθρακα», που έχει τα αμεσότερα αποτέλεσμα. Οι παραπάνω προσπάθειες συμπληρώνονται με την επιβολή του «Ευρωπαϊκού Νόμου για το Κλίμα», ένας νόμος με στόχο της κλιματικής «ουδετεροποίηση». Πίσω από το νόμο υπάρχει μια καλά σχεδιασμένη «στρατηγική χαμηλών εκπομπών άνθρακα για το 2050», η οποία εφαρμόζεται μέσα από έναν «Οδικό Χάρτη» με συγκεκριμένους στόχους και σχέδια για τις ευρωπαϊκές βιομηχανίες με τις υψηλότερες εκπομπές. Οι βιομηχανικές εκπομπές είναι οι πιο δύσκολες να αντιμετωπιστούν, επομένως προτείνεται ένας κατάλογος ενεργειών που συμβάλλουν στην απελευθέρωση των βαρέων βιομηχανιών από τη θέση της αναπόφευκτης παραγωγής υψηλών εκπομπών. Εκτός από τις πρακτικές συμβουλές, έχουν αναλυθεί σε βάθος συγκεκριμένες τεχνικές, που αναπτύχθηκαν για ουδέτερες εκπομπές άνθρακα, βασισμένες σε μοντέλα ενός «αλγόριθμου αποσύνθεσης» και μιας «μαθηματικής βελτιστοποίησης». Η πιο σύγχρονη τεχνολογία και τα επιτεύγματά της, όπως η τεχνητή νοημοσύνης και το «διαδίκτυο των πραγμάτων» είναι επίσης τρόποι για να επιτευχθεί η ελαχιστοποίηση των εκπομπών, εφόσον υιοθετηθούν κατάλληλα, ιδίως για τον έλεγχο συστημάτων που εξασφαλίζουν την ποιότητα και την ασφάλεια σε ένα βιομηχανικό περιβάλλον. Η βιομηχανία διύλισης πετρελαίου ευθύνεται για την πλειονότητα των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου, καταλαμβάνοντας την τρίτη θέση μεταξύ των λοιπών βιομηχανιών, με συνολική συμβολή περίπου 5% των συνολικών παγκόσμιων εκπομπών. Είναι αυτονόητο, επομένως, ότι διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο τόσο στην αλυσίδα εφοδιασμού ενέργειας όσο και στην κλιματική αλλαγή. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι το κύριο συστατικό που εκπέμπεται από τα διυλιστήρια πετρελαίου, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 98% των συνολικών εκπομπών τους. Η μέθοδος που έχει κερδίσει περισσότερη προσοχή για την εξισορρόπησή του είναι η προσέγγιση της «Δέσμευση και Αποθήκευσης Άνθρακα» λόγω των υψηλών ρυθμών δέσμευσης που εξασφαλίζει. Μια άλλη πρόταση είναι η υιοθέτηση τεχνολογιών χαμηλών εκπομπών άνθρακα από εταιρείες διυλιστηρίων πετρελαίου και η παρακολούθησή τους μέσω ενός «Οδικού Χάρτη Ενεργειακής Απόδοσης». Η τελευταία λαμβάνει χώρα σε τρεις φάσεις, τη φάση της «Συλλογής Δεδομένων – Ενδείξεων» από ποικίλες πηγές με υψηλή συμμετοχή εξωτερικών παραγόντων του μακρό-περιβάλλοντος, το στάδιο του «Σχηματισμού μονοπατιού», που αντιπροσωπεύει μια συγκεκριμένη επιλογή και ανάπτυξη επιλογών κατά τη διάρκεια μιας συγκεκριμένης χρονικής περιόδου, που επιλέχθηκε για την επίτευξη μείωσης του άνθρακα και, τέλος, το στάδιο της «Σχεδίασης συμπερασμάτων», που στοχεύει να βοηθήσει στην υπέρβαση των φραγμών της πρώτης φάσης, με τη βοήθεια επιλεγμένων τεχνολογιών στο πλαίσιο της επιλεγμένης «οδού απανθρακοποίησης», καταλήγοντας σε συμπεράσματα που άπτονται διαφόρων θεματικών. Είναι αναμφίβολο ότι η βιομηχανία διύλισης πετρελαίου αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις στην πορεία της απαλλαγής από τον άνθρακα, επομένως έχουν σημειωθεί έξι κατηγορίες για την προσέγγιση της επιθυμητής μείωσης. Μια γκάμα επιλογών που μπορεί να εφαρμοστεί στις περισσότερες περιπτώσεις, όπως η βελτιωμένη ενεργειακή απόδοση, η ανάκτηση απώλειας θερμότητας, η βελτιωμένη απόδοση σχεδιασμού των λειτουργιών μιας μονάδας, η αυξημένη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η υιοθέτηση τεχνολογιών χρήσης και αποθήκευσης δέσμευσης άνθρακα και τέλος η υιοθέτηση υδρογόνου με χαμηλές εκπομπές άνθρακα. Μια πολύ δημοφιλής προσέγγιση είναι η «στάθμιση πολυπλοκότητας των τόνων», βάσει της οποίας προσδιορίζεται η καθαρή κατανάλωση ενέργειας μιας μονάδας εντός ενός διυλιστηρίου. Αυτό είναι σημαντικό σημείο για τη σύγκριση διαφορετικών μονάδων του ίδιου διυλιστηρίου ή μεταξύ περισσότερων διυλιστηρίων, χρησιμοποιώντας την αναλογία των τυπικών εκπομπών διοξειδίου άνθρακα ως τελικές μετρήσεις. Η διαδικασία της απανθρακοποίησης προϋποθέτει την ύπαρξη μιας στρατηγικής απόφασης σχετικά με διάφορους πυλώνες, όπως το σύστημα ανάκτησης απώλειας θερμότητας, τα χρησιμοποιούμενα υλικά, το σύστημα ποτίσματος και τον υπόλοιπο εξοπλισμό που εμπλέκονται τόσο ως υλικά όσο και ως λογισμικά, ώστε η όλη παραγωγή να βασίζεται σε μεθόδους βελτιστοποίησης της δεδομένης τεχνολογίας. Το ίδιο το υδρογόνο αποτελεί βασικό σημείο διεργασίας, καθώς η κατανάλωσή του συνδέεται σε μεγάλο βαθμό με τις μεθόδους παραγωγής των διυλιστηρίων και αυτός είναι ο λόγος που έχουν αναπτυχθεί τρεις επιλογές για την πραγματοποίηση απανθρακοποίησης από τη χρήσης του. Τα μεγαλύτερα αποτελέσματα παρατηρούνται από την «ολιστικής απανθρακοποίησης», εισάγοντας την τεχνολογία της «δέσμευσης, χρήσης και αποθήκευσης άνθρακα» η οποία περιλαμβάνει τη δέσμευση διοξειδίου άνθρακα από μεγάλες πηγές, το οποίο στη συνέχεια συμπιέζεται και τελικά μεταφέρεται για χρήση σε μια σειρά εφαρμογών, ή εγχέεται σε βαθείς γεωλογικούς σχηματισμούς. Αναφέρονται επίσης πρόσθετες μεθοδολογίες, οι οποίες έχουν ήδη αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται από κορυφαίες εταιρείες του κλάδου, για παράδειγμα το μοντέλο «Καθαρό Αποτύπωμα Άνθρακα», από την εταιρεία Shell, η οποία έχει αναλάβει σοβαρές δεσμεύσεις για την επίτευξη των παγκόσμιων στόχων του 2050. Αυτό το μοντέλο συνδέεται με τον πλήρη κύκλο ζωής των εκπομπών ενός προϊόντος, συμπεριλαμβανομένης της προμήθειας υλικών, της μεταφοράς τους, της επεξεργασίας για τη δημιουργία προϊόντος, της μεταφοράς στον τελικό χρήστη/πελάτη, αλλά και της χρήσης των απορριμμάτων και των ροών αποβλήτων από το ολόκληρη την παραγωγή. Δεν είναι μόνο οι πολυεθνικές εταιρείες που έχουν αναλάβει σημαντικές ευθύνες. Η ελληνική εταιρία «HELLENiQ ENERGY» με δραστηριότητα πάνω από 40 χρόνια στον κλάδο, λειτουργεί και επεκτείνεται με το «Όραμα 5050», εναρμονισμένο με τις οδηγίες της Ε.Ε., όντας μέλος της «FuelsEurope», προωθώντας την ιδέα ότι τα διυλιστήρια μπορούν να μετατραπούν σε ενεργειακούς κόμβους για παραγωγή προϊόντων χαμηλών εκπομπών άνθρακα, τα οποία είναι απαραίτητα για μια κλιματικά ουδέτερη οικονομία και κοινωνία. Η εταιρεία του Ομίλου έχει πραγματοποιήσει μια σειρά αλλαγών τα τελευταία 4 χρόνια, ώστε να εκσυγχρονίζει διυλιστήρια και μονάδες παραγωγής, με εξαιρετικό παράδειγμα το διυλιστήριο που βρίσκεται στην περιοχή του Ασπρόπυργου. Από το 2019 έχουν δρομολογηθεί ριζικές αλλαγές όσον αφορά τον εκσυγχρονισμό του διυλιστηρίου και μια καινοτόμο προσέγγιση για την επίτευξη της βιωσιμότητας σε αυτό, με ταυτόχρονη αποτελεσματική μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου.