Technology qualification of low-pressure CO₂ ship transportation

Bakgrunn
Teknologi knyttet til karbonfangst og -lagring (CCS) vil være en betydelig bidragsyter i arbeidet med å nå målene i Paris- og Glasgow-avtalene i forbindelse med dekarbonisering. Teknologien og industrien er fortsatt i en tidlig fase, og man har fremdeles utfordringer med å koble fangstkilder til anlegg for bruk eller permanent lagring av CO₂, spesielt i områder hvor rørledninger ikke er et alternativ på grunn av transportavstander eller -volum. For å redusere kostnadene for transport av større mengder CO₂ over lengre avstander, vil det derfor være nødvendig å utvikle nye løsninger.

CO₂-transport med skip har blitt utført i flere tiår, riktignok i et begrenset omfang og utelukkende rettet mot kommersiell virksomhet (som næringsmiddel-, rengjørings- og kjemikalieindustri). CO₂ fraktes som nedkjølt væske under trykk, på samme måte som andre gasser, som f.eks. propan, butan, osv.Dette tilsvarer normalt et trykk på 15 til 18 barg og en temperatur i området -21 til -26 °C, noe som ofte refereres til som en «mediumtrykk»-kondisjon. De største skipene har i dag en lastekapasitet på ca. 7500 m3 CO₂. Alternativt til transport via skip, kan CO₂ fraktes i rørledninger ved omgivelsestemperatur, enten ved høyt tykk over 100 bar eller i gassfase ved trykk rundt 35 bar.

For en storskala verdikjede, som involverer lengre distanser mellom utslipper og lagring, er det forventet at det vil være nødvendig med større transportvolum per skip enn i dag, også for å muliggjøre direkte overføring til havs. Større transportvolumer kan være mulig ved å frakte ved et lavere trykk, ofte betegnet som et «lavtrykk»-alternativ. I dette tilfellet kan CO₂ fraktes ved 6 til 7 barg med temperaturer i området -46 til -49 °C. Det reduserte trykket og den lavere temperaturen, relativt til mediumtrykk-kondisjon, tillater større diameter på lastetankene, samtidig som massetettheten øker. Dette kan igjen gi økt lastekapasitet per skip. Med tanke på både investerings- og driftskostnader, kan derfor et lavtrykk-alternativ, med økt lastekapasitet for skip relativt til et system basert på mediumtrykk, redusere de totale kostnadene relatert til transport av en gitt mengde CO₂.

Det er per i dag ingen operasjonell erfaring med lavtrykk-transport av CO₂, og denne kondisjonen vil derfor være forbundet med høyere risiko enn mediumtrykk-alternativet. Lavtrykk-alternativet ligger nærmere trippelpunktet til CO₂, og har derfor mindre margin mot en uønsket fase-endring, noe som medfører en teknisk risiko som må defineres og minimaliseres med god design av prosessene i transportkjeden.

Mål
Risikoreduksjon av et lavtrykk transportalternativ for CO₂ i forbindelse med kvalifisering for bruk i framtidige CCS-kjeder.

Prosjektet gjennomføres i henhold til DNV Recommended Practice “DNV-RP-A203 Technology Qualification”.

Aktiviteter
Prosjektet ble delt inn i to faser: planleggingsfasen og gjennomføringsfasen. Målet med planleggingsfasen, som ble utført fra Q2 til Q4 2020, og ble finansiert av partnerne, var å identifisere tekniske usikkerheter og etablere relevante kvalifiseringsaktiviteter for å adressere risiko og usikkerheter. Deretter ble det gjennomført en technology and threat assessment, hvor det ble identifisert nye teknologielementer og tilhørende risiko og usikkerheter. Disse ble rangert, og de nødvendige kvalifiseringsaktivitetene for å redusere risikoen ved konseptet ble definert.

Kvalifiseringsaktivitetene ble utført i gjennomføringsfasen fra Q3 2021 til Q1 2024. Denne fasen ble finansiert av partnerne og Climit-programmet. Kvalifiseringsaktivitetene inkluderte:

Konseptuelt design av et kondisjonerings- og kondenseringsanlegg på land og eksperimentell demonstrasjon av «liquifaction» ved lavt trykk.

Utvikling av et egnet skipsdesign og lastehåndteringssystem for frakt av 30 000 m3 CO₂.

Utvikling og design av lastetanker og kvalifisering av materialer, for å demonstrere at de kan bygges og opereres for design temperatur på -55 °C.

Gjennomføring av tester for å demonstrere driftsevnen til et lavtrykkssystem og fastsette et sikkert operasjonsområde i forhold til trippelpunkt, samt demonstrere evnen til å håndtere eventuell dannelse av tørris.

Verifisering av simuleringsverktøy for vurdering av lastehåndtering og operasjoner, samt samvirke med laste- og losseanlegg på land

Eksperimenter og modellering av CO₂-termodynamikk for å redusere usikkerheten i digitale designverktøy.

Resultater
Resultatene fra kvalifiseringsaktivitetene er ansett som tilstrekkelige for å bekrefte at det ikke er noen tekniske hindringer forbundet med en verdikjede for lavtrykkstransport av CO₂ med skip. Dette betyr at teknologien anses som klar for implementering. Det er imidlertid gjenværende tekniske utfordringer som krever videre utvikling i forbindelse med gjennomføring av et nybyggsprosjekt. Resultater fra noen av aktivitetene utført under CETO JIP har blitt publisert og gjort tilgjengelig for industrien.

Det er viktig å merke seg at selv om teknologien anses som klar for implementering, så er det avgjørende for en vellykket utvikling og gjennomføring av spesifikke prosjekter at man har høyt fokus på de gjenværende tekniske utfordringer. Offentliggjøring av resultater bidrar også til å fremme den samlede kunnskapen og adressere eventuelle utfordringer i implementeringen av denne teknologien.

Videre arbeid
Partnere diskuterer videre aktiviteter relatert til drift under lavtrykksforhold, som for eksempel:

Videre undersøkelse av alternative materialer som egner seg for bruk ved lave temperaturer. Aktivitetene skal adressere produksjons- og sveiseteknologi for å identifisere kostnadseffektive materialer og temperaturområder.

Evaluere gjennomførbarheten, fordelene og de tekniske barrierene ved bruk av «re-liquifaction» om bord på lavtrykks-CO₂ skip. «Re-liquifaction» kan kontrollere avkoking under transport, og dermed redusere marginene til nødvendig designtrykk for lastetankene.

Videre undersøkelser av oppløsninger for forskjellige urenheter, inkludert syre produsert av kjemiske reaksjoner under lavtrykksforhold.

Undersøke kjemiske reaksjoner mellom urenheter under lavtrykksforhold og mulige effekter av korrosjon under lavtrykksforhold.

Bestemme en representativ CO₂-produktspesifikasjon for lavtrykk-alternativet. Dette kan inkludere en analyse for å balansere kostnadene ved å senke nivået av urenheter med fordelene av redusert korrosivitet.

Publikasjoner

GHGT16 Proceedings, CETO: Technology Qualification of Low-Pressure CO₂ Ship Transport; Gabriele Notaro, Jed Belgaroui, Knut Maråk, Roe Tverrå, Steve Burthom, Erik Mathias Sørhaug. 16th Greenhouse Gas Control Technologies Conference, Lyon 23-27 October 2022

Michael Drescher, Adil Fahmi, Didier Jamois, Christophe Proust, Esteban Marques-Riquelme, Jed Belgaroui, Leyla Teberikler, Alexandre Laruelle. “Blowdown of CO₂ vessels at low and medium pressure conditions: Experiments and simulations” 0957-5820/© 2023 Institution of Chemical Engineers. Published by Elsevier Ltd.

GHGT16 Proceedings, Poster presentation, BLOWDOWN OF CO₂ VESSELS AT LOW AND MEDIUM PRESSURE CONDITIONS: EXPERIMENTS AND SIMULATIONS; Michael Drescher, Adil Fahmi , Didier Jamois , Christophe Proust , Esteban Marques-Riquelme, Jed Belgaroui, Leyla Teberikler, Alexandre Laruelle. 16th Greenhouse Gas Control Technologies Conference, Lyon 23-27 October 2022

Rod Burgass, Antonin Chapoy “Dehydration requirements for CO₂ and impure CO₂ for ship transport” , Fluid Phase Equilibria. Volume 572, September 2023, 113830

Antonin Chapoy, Pezhman Ahmadi, Rod Burgass “Direct Measurement of Hydrate Equilibrium Temperature in CO₂and CO₂ Rich Fluids with Low Water Content”, Fluid Phase Equilibria Volume 581, June 2024, 114063

Franklin Okoro, Antonin Chapoy, Pezhman Ahmadi, Rod Burgass “Effects of non-condensable CCUS impurities (CH4, O2, Ar and N2) on the saturation properties (bubble points) of CO₂-rich binary systems at low temperatures (228.15–273.15 K)” Greenhouse Gases: Science & Technology, 26 December 2023