Systematic comparative analysis of carbon dioxide storage and utilization technologies

Abstract

W ostatnich latach technologie wychwytu, utylizacji i składowania dwutlenku węgla (CCUS) zyskują na znaczeniu w sektorach energetycznym i przemysłowym. Głównym wyzwaniem związanym z wdrożeniem CCUS pozostaje skuteczne składowanie lub gospodarcze wykorzystanie wychwyconego $CO_{2}$. Niniejsza praca doktorska przedstawia kompleksową ocenę tych technologii w warunkach polskich, łącząc modelowanie procesowe z analizą techno-ekonomiczną i oceną pełnego cyklu życia. Naczelnym celem jest analiza łańcuchów CCS i CCU w oparciu o różne źródła CO2 z wykorzystaniem dwóch metod wychwytu, a także bezpośredniej separacji $CO_{2}$ z powietrza (DAC). Analiza obejmuje kluczowe etapy łańcucha CCUS, w tym różne konfiguracje utylizacji. Wyniki wskazują, że CCS pozostaje najskuteczniejszą strategią dla stabilnej redukcji emisji na dużą skalę w Polsce, szczególnie w przypadku skoncentrowanych strumieni $CO_{2}$. Stwierdzono, że technologia DAC, ze względu na wysokie koszty i znaczne zapotrzebowanie na energię elektryczną, nie jest obecnie opłacalną opcją w warunkach polskich, ponieważ silnie oparty na paliwach kopalnych mix energetyczny podważa jej skuteczność środowiskową. Ponadto, ścieżki gospodarczego wykorzystania $CO_{2}$ są ekonomicznie i ekologicznie opłacalne tylko w określonych warunkach, takich jak dostęp do niskoemisyjnej energii elektrycznej lub dostaw zielonego wodoru.

In recent years, carbon capture, utilization, and storage (CCUS) technologies have attracted growing attention across power as well as industrial sectors. The main challenge associated with CCUS implementation remains the effective storage or economic utilization of captured $CO_{2}$. This doctoral thesis presents a comprehensive assessment of these technologies in Polish conditions, combining process modeling with techno-economic analysis and full life-cycle assessment. The primary goal is to analyze CCS and CCU chains based on various $CO_{2}$ sources using two capture methods, as well as direct air capture (DAC). The analysis covers key stages of the CCS chain, including various utilization configurations. The results indicate that CCS remains the most effective strategy for sustainable, large-scale emission reduction in Poland, especially for concentrated $CO_{2}$ streams. It was concluded that DAC technology, due to its high costs and significant electricity demand, is currently not a viable option in Poland, as the heavily fossil-fuel-based energy mix undermines its environmental effectiveness. Furthermore, $CO_{2}$ utilization pathways are economically and ecologically viable only under specific conditions, such as access to low-emission electricity or green hydrogen supplies.