Solar Concentrating Steam Generation in Alberta, Canada

In the context of climate change the world is facing an increasing need to become more environmentally sustainable, and a concerted effort to use renewable energy is required in order to decrease emissions, meet climate goals and prepare for the post-oil era. Solar energy is an area with great potential, and developments in solar energy technologies have increased rapidly. Concentrating solar technologies have existed for more than one hundred years, and have largely been applied in the context of direct power generation. However, solar energy technologies can also be used for purposes other than power generation, such as generating steam for alternative applications. This work investigates the steam generating potential of a solar steam generation system located at the Southern Alberta Institute of Technology (SAIT) campus in Calgary, Alberta, Canada and the potential for utility scale implementation in Alberta’s Oil Sands for steam demanding enhanced oil recovery (EOR) methods. Furthermore, this thesis also validates weather data for the SAIT campus. Both of the proposed systems use parabolic troughs as solar collectors. The SAIT system also incorporates a two-tank direct thermal energy storage and Therminol 62 as the heat transfer fluid, while the utility scale system uses water as the heat transfer fluid. The results show that the SAIT system can provide saturated steam at 0,7 MWh 155 times which amounts to a total steam output of 90 MWh annually. The results for the utility scale system show that solar steam generation from a 500 MW thermal plant implemented for enhanced oil recovery in an EOR facility becomes economically feasible, as compared with steam production from natural gas, at a natural gas delivery price of approximately $7 USD/GJ. Furthermore, an installed 500 MW thermal plant can reduce carbon emissions by 180,000 tonnes of CO2 equivalents annually. Conclusions drawn in this thesis are as follows: the technology is technically feasible however there are both political and economic obstacles to its use; solar EOR should be seen as an add-on to existing plants due to the intermittence of solar energy in Alberta; the GHG reduction potential is great and consequently there is a possibility of receiving carbon credits by using the technology; and by tilting the solar collector field total output can be increased by over 25%.I dagens växande miljömedvetna samhälle behövs en kraftfull ansträngning mot förnybar energi för att minska växthusgasutsläpp, uppnå klimatmål och förbereda samhället för en era efter oljan. Solenergi är ett område med stor potential där utvecklingen inom området ökat lavinartat den närmsta tiden. Termisk solkraft (engelska: Concentrating Solar Power) är en teknologi som funnits tillgänglig i över ett sekel men det är först på senare tid som det börjat användas kommersiellt. Historiskt sätt har termisk solkraft använts för att generera elektricitet men teknologin kan även fördelaktigt användas för att tillverka ånga för andra syften än el-produktion. Detta examensarbete undersöker ånggenereringspotentialen för ett solånggenereringssystem placerat på campus tillhörande Southern Alberta Institute of Technology i Calgary, Alberta, Kanada. Arbetet undersöker även potentialen för denna teknologi storskaligt i oljeindustrin inom området förbättrad oljeutvinning (engelska: Enhanced Oil Recovery) som används i norra delen av Alberta i oljesanden (engelska: Oil Sands). För SAIT systemet har arbetet inkluderat val av komponenter, design av dessa och en validering av väderparametrarna som påverkar den möjliga ångproduktionen av systemet. I det storskaliga systemet har arbetet varit mer fokuserat på att undersöka när teknologin blir ekonomiskt gångbar och hur mycket växthusgasutsläpp som kan minskas genom att använda teknologin. SAIT systemet utgörs av två paraboliska trågkollektorer (engelska: parabolic trough collector) placerade på taket av Cenovus Energy Centre-byggnaden. Systemet innefattar även en termisk energilagring (engelska: thermal energy storage) som möjliggör ångproduktion på begäran. Värmeöverföringsfluiden är Therminol 62 som även används i energilagringen. Det storskaliga systemet är fokuserat på den sydligaste delen av oljesanden, Cold Lake och utnyttjar också paraboliska trågkollektorer som kollektorer. I detta system verkar vatten som värmeöverföringsmedium och ånga är producerad genom direktånggenerering och injicerade i oljereservoaren. Resultaten av arbetet visar att SAIT systemet kan producera 0,7 MWh mättad ånga 155 gånger vilket ger en total produktion om 90 MWh årligen. För det storskaliga systemet visar resultaten att termisk solkraft för ångproduktion blir ekonomiskt gångbart vid ett naturgaspris på $7 USD. Vidare visar resultaten att för ett termiskt solkraftverk på 500 MW kan reducera växthusgasutsläppen mot motsvarande ångproduktion från naturgas med 180 000 ton CO2-ekvivalenter. Slutligen visar arbetet att ångproduktionen kan öka genom att luta kollektorerna mot söder. Slutsatser och framtida arbete inkluderar: • Lutning av kollektorerna kan öka ångproduktionen med över 25 %. • Båda systemen är tekniskt genomförbara och hindren är främst politiska och ekonomiska. • Anläggningar för termisk solkraft för ånggenerering bör implementeras som tillägg till redan existerande anläggningar för förbättrad oljeutvinning och hållas operativt mellan mars till oktober. • Möjligheterna att minska utsläpp och erhålla utsläppsrätter är stora. • Idag är termisk solkraft för ånggenerering inte ekonomiskt gångbart i Alberta på grund av låga priser för naturgas. • Platsspecifika undersökningar av existerande anläggningar för förbättrad oljeutvinning för att se var termisk solkraft har potential att implementeras behöver utföras. • En undersökning för att se hur stora inkomster utsläppsrätter kan generera behöver genomföras