Technology qualification of low-pressure CO₂ ship transportation

Bakgrunn
Karbonfangst og -lagring (CCS) vil være en nøkkelteknologi for å nå målene i Paris- og Glasgow-avtalene. Selv om teknologiene og industrien fortsatt er i utvikling, er en mulig utfordring å koble fangstkilder til anlegg for bruk eller lagringssteder, spesielt der rørledninger ikke er et alternativ på grunn av kombinasjon av transportavstand og volum. Som et resultat forventes det at CO₂-skipstransportteknologi vil være nødvendig hvis store mengder skal transporteres trygt til kostnader som er kommersielt levedyktige.

Frakt av flytende CO₂ foregår allerede, men i begrenset skala og utelukkende for kommersiell handel (mat og drikke, rengjøring, kjemikalier). Flytende CO₂ transporteres i dag på skip som semi-nedkjølt under trykk, på samme måte som for andre gasser (f.eks. propan, butan osv.). Ved denne såkalte mellomtrykkstilstanden transporteres karbondioksid i flytende tilstand ved trykk i området 15 til 18 barg og en temperatur på ca. -21 til -26 °C. En verdikjede ved såkalt medium trykk har begrenset risiko på grunn av sin tekniske modenhet, og ble derfor valgt for Northern Lights. De nåværende skipenes maksimale lastekapasitet for middels trykk er i området 7500 m3.

For en storskala verdikjede forventes en utvikling mot større transportvolum per skip, dette forventes også å være en muliggjører for direkte injeksjon i offshore lastoverføring. Hvilket forventes å dra nytte av redusert tanktrykk, som er betegnet lavtrykk. Ved lavt trykk antas karbondioksidet å bli transportert ved tanktrykk i området 6 til 7 barg og tilsvarende væsketemperaturer i området -46 til -49 °C. Det reduserte trykket gir større lastetankdiameter og drar nytte av økt produktmassetetthet, og dermed økt lastekapasitet per skip. Med tanke på både investerings- og driftskostnader forventes økt skipsfraktkapasitet å muliggjøre en reduksjon i de totale transportkostnadene.

I tillegg til økt skipstankstørrelse og lastevolum, vil lavtrykkstilstand (og temperatur) også ha tekniske og kommersielle implikasjoner for hele transportverdikjeden med hensyn til kondisjonering av produkt for transport, lasting og lossing og mellomlagring av produkt.

Den potensielle utfordringen med hensyn til lavere trykk er nærheten til trippelpunktet for CO₂. Ved trippelpunktet kan CO₂ være til stede i enten fast form (tørris), væske og gass. Faststoffet oppleves som en utfordring med hensyn til operabilitet i verdikjeden. Per i dag er det ingen bransjeerfaring med storskala lavtrykks CO₂-skipstransport.

Målsetning
DNV AS leder på vegne av konsortiet bestående av Equinor Energy AS, Gassco AS, TotalEnergies EP Norge AS og Shell et teknologikvalifiseringsprogram for lavtrykks CO₂-skipstransportkonsept.
CETO (CO₂ Efficient Transport via Ocean) har som mål å redusere usikkerheten knyttet til design, bygging og drift av en lavtrykks skipstransportkjede og å forbedre løsninger for skipstransport av CO₂ sammenlignet med dagens praksis og kommersiell skala.

Aktiviteter
En rekke ingeniørstudier og eksperimentelle aktiviteter er definert og utføres for å redusere risikoen i lavtrykksverdikjeden og bevise teknisk gjennomførbarhet. Disse aktivitetene inkluderer:

1. Konseptuell design av et kondisjonerings- og kondenseringsanlegg og eksperimentell demonstrasjon av flytendegjøring ved lavt trykk
2. Grunnleggende skipskonseptdesign av et hensiktsmessig og effektivt dedikert CO₂-tanker- og lasthåndteringssystem for å imøtekomme og håndtere store mengder CO₂ (̴ 30 000 m3)
3. Utforming av lastinneslutningssystemet og egnet materialvalg for å imøtekomme den store lastevekten, sikre byggbarhet og drift for designtemperatur ved -55 °C.
4. Undersøke, ved å utføre eksperimentelle aktiviteter, driften av et lavtrykkssystem i nærheten av trippelpunktet og bestemme et sikkert operasjonsområde, samt demonstrere evne til å håndtere eventuell tørrisdannelse.
5. Simuleringsverktøy for vurdering av lasthåndtering og operasjoner, interaksjon med lasting og lossing på land fasiliteter og benchmarking av prosessimuleringsverktøy.
6. Eksperimentelt og modelleringsarbeid innen CO₂-termodynamikk for å redusere usikkerheten i programvaredesignverktøy.

Resultater
Gjennomføringen av kvalifiseringsaktivitetene gir verdifull teknisk erfaring knyttet til usikkerhet og teknisk risiko for en lavtrykks verdikjede. På nåværende stadium av prosjektet er ikke alle resultatene konsolidert, og det er derfor for tidlig å konkludere om den tekniske gjennomførbarheten av verdikjeden.

Gjennom ingeniøraktivitetene ble det vist at et lavtrykks flytendegjøringsanlegg kan utformes for å operere ved designtemperaturen. Egnede materialer for anlegget og for lagertanken har også blitt identifisert, samt tekniske løsninger for å håndtere de forskjellige urenheter og dehydrering. På den annen side fremhevet studien at et betydelig lagringsvolum er nødvendig for å opprettholde den nødvendige eksporten. Dette aspektet skal tas opp i forhold til det økte transportvolumet i forbindelse med CCS.

Designaktivitetene knyttet til konseptet med LCO₂-skip har vist at skip kan utformes i samsvar med gjeldende regler. Under designiterasjonen viste det seg imidlertid å oppfylle utkastbegrensningen på 10 m å være en begrensende faktor ved utforming av større fartøy. Den store bredden og tilsvarende høye akselerasjoner har en direkte innflytelse på utformingen av inneslutningssystemet.

Oppgavene knyttet til tankdesign og materialvalg for inneslutningssystemet bekreftet at utmatting er et aspekt som må tas opp i en designfase, og det kan begrense selve størrelsen på inneslutningssystemet. Ekstra høyfast stål (P690) ble funnet å være et attraktivt alternativ med hensyn til kostnad og oppnåelig størrelse. På den annen side indikerer kvalifiseringsaktivitetene at det var utfordrende å dokumentere tilstrekkelig materialytelse ved designtemperaturen på -55 °C Alternativt kan nikkellegering velges for inneslutningssystemet med implikasjon for tankstørrelse, designtemperatur og kostnad. Ytterligere undersøkelser anbefales for å identifisere det optimale materialet for inneslutningssystemet.

De eksperimentelle aktivitetene knyttet til flytendegjøring (NCCS) og lasthåndtering indikerte at det er mulig å produsere og håndtere flytende CO₂ ved lavtrykkstilstand. Testkampanjen som etterlignet skipsoperasjonen viste at det flytende produktet kunne overføres fra skipstank til tank på land og omvendt uten tørrisdannelse for et trykk i området 6 barg. Tester ved lavere trykk ble også utført og var delvis vellykkede, da det bare var mulig å overføre produktet fra skipstanken til landtanken. Det skal bemerkes at disse resultatene er oppnådd for den nåværende CO₂-spesifikasjonen og testriggen, som har noen forskjeller fra fullskala lasthåndteringssystem.

Arbeidet som ble utført under prosessimulering og termodynamikk ga en forståelse av nøyaktighetsnivået til termodynamiske prediksjoner og egenskapene til kommersielle beregningsverktøy. Journalartikler og tekniske artikler hentet fra det utførte arbeidet er publisert.

Per dato er disse:
1. GHGT16 Proceedings, CETO: Teknologikvalifisering av lavtrykks CO₂-skipstransport; Gabriele Notaro, Jed Belgaroui, Knut Maråk, Roe Tverrå, Steve Burthom, Erik Mathias Sørhaug. 16th Greenhouse Gas Control Technologies Conference, Lyon 23-27 oktober 2022
2. 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. Publisert av Elsevier Ltd.
3. Rod Burgass, Antonin Chapoy Dehydreringskrav for CO₂ og uren CO₂ for skipstransport, Fluid Phase Equilibria. Volum 572, september 2023, 113830
4. GHGT16 Proceedings, Poster presentasjon, BLOWDOWN AV CO₂ FARTØY VED LAV- OG MELLOMTRYKKSFORHOLD: EKSPERIMENTER OG SIMULERINGER; 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 oktober 2022

Videre arbeid
Partnerne diskuterer nå videre aktiviteter knyttet til materiellkvalifiseringen.
Studien indikerte at per dato er det optimale materialet for design og konstruksjon av inneslutningssystemet for transport av flytende CO₂ ved lavt trykk ennå ikke identifisert.
Slike materialer skal kombinere høy styrke, lav temperaturytelse, være konkurransedyktig med hensyn til kostnad og fabrikasjon av inneslutningssystemet (dvs. sveiseteknologi, forbruksvarer for sveising og eventuell varmebehandling etter sveising). Samarbeid med leverandører og produsenter forventes å redusere risikoen knyttet til materialvalg og tankproduksjon.