Tokyo meeting 16 May 2013 シャトルシップ・洋上圧入方式ccs - Mr Omata, Chiyoda Corporation

GCCSI日本事務所主催 第7回勉強会

2013年5月16日 航空会館

シャトル船・洋上圧入方式によるCCSの概要

千代田化工建設株式会社 小俣 明

（１）シャトル船・洋上圧入方式によるCCSの概要

・コンセプト

・成果概要

・特徴（長所）

（２） 水深200ｍ以深の貯留ポテンシャル評価例

1

１．複数の排出源から海域貯留サイトまで船舶輸送する。

２．CO2積載量は3000ｔとし、100万ｔ-CO2/年を輸送する。

３．洋上設備は、無人とする。一時貯留タンクは、陸上だけに設置。

４．シャトル船搭載の昇温・昇圧設備により、フレッキシブル・ライザー・パ

イプを用いて直接圧入する。

基本コンセプト 2

Compression and liquefaction of CO2

Temporary storage at port

Offloading facilities

Shuttle ship with Dynamic Positioning System and injection

equipment onboard

Flexible riser pipe whose end is connected with the wellhead on

the sea floor

Pickup system at site

フィージビリティ・スタディで検討した内容 3

Phase-2 遂行組織図 4

Phase-1 Phase-2

General Shuttle type transport

Unmanned offshore facility

Shuttle Tanker Cargo Tank -10°C, 2.65 MPa

Capacity – 3000m3

-20°C, 1.97 MPa

Capacity – 3000m3

Injection Pump Outlet pressure, 2 to 10 MPa

Flowrate – 3000m3/ 22h

Heater From -10°C to 5°C From -20°C to 5°C

Buoy System Pickup buoy system Study of the applicability of TLPs

and the selection of Pickup buoy

system

Detailed study of pickup buoy

system

Flexible riser

pipe

Water depth of 200 and 500m Water depth of 500m but fatigue

study carried out for a 100m

depth.

Site Location Southwest of Japan Northeast of Japan (offshore

Sakata)

Ocean

Conditions

19°C,

1.46knot

8°C,

1.94knot

Others Regulations on ship-based CCS the storage capacity of CO2 in the

offshore area beyond the continental

shelf

Phase-1,Phase-2検討内容 5

シャトル船

Lpp=89.6m,B=14.6m, D=6.9m, d=5.6m

Service velocity=15.0 knot

Side thruster 1,150 kW×2, Azimuth Propeller 3,000 kW×1

Power Generator 3,500 kW×2

Dynamic Positioning System is installed

6

Type: Bi-lobe

Number: 2 (tandem)

Dia. of single cylinder=7.0m

Length=27m

Volume: 1,500m3(each)

Design Temp: -10 degC

Design Pressure: 3.1 MPa o Necessary pressure for CO2

o as liquid phase= 2.65MPa

o Rise of pressure by Boil-off

o = about 0.1MPa after 3 days

Material: o Quenched and tempered carbon steel

for low temp.use

o Tensile strength 795N/mm2

o Yield strength 685N/mm2

カーゴタンク

MIDSHIP SECTION

7

Positioning performance of DPS is checked with simulations.

DPSの性能検討

VC = 1.0 m/s μC = 90 deg

UW = 15.0 m/s μW = 135 deg

UW = 15.0 m/s μW = 180 deg

H1/3 = 3.0 m T1/3 = 9, 13, 17 s μ = 180 deg

μ

Y

X

Azimuth propeller Side thrusters

8

フレッキシブル・ライザー・パイプ

≪CO2 Carrier≫

Satellite

Communication

buoy

Pick up buoy

Pick up float

(Sheer mount) Coupler winch

Riser end fitting

Bend stiffener

Sinker

Flexible riser + Umbilical cable

Pipe protector Anchor

Bend restrictor

Christmas tree

Signal & Battery charging wire

Mooring wire

Tele communication

Battery

Messenger line

Pick up

rope

Pick up wire

Transponder

9

ピックアップブイのオペレーション

Pickup buoy

LCO2

carrier

ship

LCO2

carrier

ship

LCO2 cargo tank

Coupling valve

Flexible riser pipe

A-frame

Pickup wire rope

10

Allowable sea conditions have been determined by

calculations and interviews with Captains of research

ships (3.0 m of the significant wave height)

As a result, the offshore operability off Japan’s coast

is estimated above 90%

稼働率の検討

34

Fig. 3.5.2-1 RAO of Pitch

Fig. 3.5.2-2 Computational grid of hull

Ship

direction

Incident

wave

Incident

wave angle !

Fig. 3.5.2-3 Definition of incident wave angle

Numerical model of ship for

analyzing wave induced motion

35

b. Hull motions (1/10 maximum expected response value of pitch) in unidirectional irregular waves and in multidirectional irregular waves (significant wave height: Hv=1.0m) were calculated through a common method based on seakeeping theorem using RAOs, wave spectrum (ISSC type) and directional wave spectrum (cos2( type). Calculated results are shown as Fig. 3.5.2-4 and Fig. 3.5.2-5. The vertical axis of this graph means 1/10 maximum expected response value of pitch and the horizontal axis means the significant wave period. Here, the notation of long crested irregular waves means unidirectional irregular waves and the notation of short crested irregular waves means multidirectional irregular waves.

Fig. 3.5.2-4 1/10 maximum expected response value of Pitch

(Long crested irregular waves)

Fig. 3.5.2-5 1/10 maximum expected response value of Pitch

(Short crested irregular waves)

c. Under the assumption that the operational availability of a CO2 carrier is specified with pitch motion, the allowable upper limit value of significant wave height with the operational availability of CO2 carrier were calculated through common method based on seakeeping theorem using 1/10 maximum expected response value of pitch motion shown in the preceding section. The threshold value of operation availability was set at 3.0 degrees based on the results of hearing investigation with

11

フレッキシブル・ライザーパイプの設計

Table3.3-1 Construction of flexible pipe

Layer Thickness (mm)

Outer diameter (mm)

Material

Interlock carcass 5.5 163 Stainless steel

Inner pipe 6.7 176.4 High density PE

Inner pressure armor

2.0" 2 184.4 Carbon steel

Tensile armor 2.0" 2 192.4 Carbon steel

Buoyant layer 51.8 295 Plastic tape

Outer sheath 7.0 309 High density PE

Table3.3-2 Main properties of flexible pipe

Weight in air 79.0 kg/m Empty in inner pipe

Weight in sea water 20.0 kg/m Filled with CO2

Burst pressure 76.7 MPa

Axial stiffness(EA) 1.05E+05 kN

Bending stiffness(EI) 94300 Nm2

Torsional stiffness(GJ) 8500 Nm2/deg

Minimum bending radius 2.5 m 3.75m for reel winding

Allowable tensile force 820 kN

Construction of Flexible Riser

3.3. 2 Static analysis for picked up pipe

1) Assumption

･ Water depth 200m & 500m

･ Picked up pipe configuration Free hanging

･ Excursion of DPS tanker ±15m

Outer Sheath

Buoyant Layer Tensile Armor Pressure Armor Inner Pipe

Interlock Conduit

Outer Sheath

Buoyant Layer Tensile Armor Pressure Armor Inner Pipe

Interlock Carcass

12

Riser Configuration

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

-100 100 300 500

Length(m)

Dept

h(m

) near

neutral

far

W.D：500m Surface Currentv：0.75m/s

← v

フレッキシブル・ライザーパイプの設計

Static and dynamic behaviour of flexible riser pipe due

to fluctuation of ship position, current, and waves are

estimated by numerical calculations

As a result, the tensile strength, the minimum radius

of local curvature, and the fatigue life have been

confirmed within allowed range.

13

SCOPE OF WORK:

1. Onshore plant: CO2 tank, CO2 loading pump, loading arm and related equipments

2. CO2 shuttle tanker including on-board CO2 injection pump, sea water pump, CO2

heater, injection control system and winches

3. Offshore facilities: CO2 injection pipe, buoy

The following are out of scope.

CO2 capture facilities

CO2 compression and liquefaction facilities (The information is reported as references.)

CO2 gathering pipelines, CO2 loading berth,CO2 well head equipment

Pipelines between well head equipment and injection well, CO2 injection wells

コスト試算条件 14

Cost analysis is done for 30 years of injection

Assumed life of components is:

o 30 years for onshore plant and offshore facilities, and

o 15 years for shuttle ships

Loading capacity of a ship equals the amount of CO2

captured in a day, one day captured amount of 3000 ton

For distances less than 200 km, one of two ships operates at

the offshore site on alternate days

For distances between 400 and 800 km, four ships are used

in turn

シャトル船の運航計画

Ship j th day (j+1)th day (j+2)th day

#1 load-

ing

to

site *

CO2 injection

*

back

home loading

to

site

#2 CO2

injection back

home loading

to

site

CO2

injection

* : switching period of offshore operation

15

Case-2(400-800 km)

Case-1(200 km)

コスト試算（距離の影響）

Capital related+Operation+Management unit : yen/ton-CO2

1978

3330

400 1043 535 2421

CO2 tank & Loading at port

CO2 shuttle shipping

CO2 injection

Compression & Liquefaction (for reference)

400 2201 729 2421

16

CO2 cargo cond.-20degC, 1.97MPa

Base CaseCO2 cargo cond.

-10degC, 2.65MPa

コスト試算（LCO2の温度・圧力の影響）

Influence of CO2 cargo condition (200 km) unit : yen/ton-CO2

1978

1856

400 1043 535 2421

CO2 tank & Loading at port

CO2 shuttle shipping

CO2 injection

Compression & Liquefaction (for reference)

293 1041 522 2439

17

Sea water temp.8 degC

Base CaseSea water temp.

19degC

コスト試算（海水温の影響）

Influence of sea water temp. at storage site (200 km) unit : yen/ton-CO2

1978

2045

400 1043 535 2421

CO2 tank & Loading at port

CO2 shuttle shipping

CO2 injection

Compression & Liquefaction (for reference)

400 1110 535 2421

18

パイプラインの輸送コスト 19

パイプライン・船舶輸送コスト 20

シャトル船・洋上圧入方式CCSの適用

Daily Shuttle Shipping

Medium Capacity

Storage Site

CO2 Sources

along Coast

21

Multiple Sources to Multiple Sites

Benefits include:

Flexible routes

Early start-up &

expansion of project

Decoupling and

moving to another

site

22 シャトル船・洋上圧入方式CCSの適用

１） 技術的および経済的に成立することが確認できた。

２） 主要排出源が沿岸に立地されている日本にとって、Source-sink matching

の制約を低減することになり、大きなメリットがある。

３） 水深の制約も低減できることから、沿岸から離れた水深の深い海域での貯

留が可能となる。

４） 全体システムとしては、日本独自の技術であり、下記長所を有する。

・プロジェクトの規模、輸送距離の変更が容易。

・輸送システムの再利用が可能

シャトル船・洋上圧入方式CCSまとめ 23

CO2 storage capacity (mass) = Sf × A × h × φ × Sg / BgCO2 × ρ

where,

Sf : Storage factor

A : Aquifer area

h : Effective aquifer thickness

φ : Porosity

Sg : The supercritica l CO2 gas-phase volume fraction in the injected CO2 plume

BgCO2 : CO2 volume factor (about 0.003m3/m3) , which depends on local pressure and aquifer

temperature

ρ : CO2 density at standard conditions (1.976kg/m3)

貯留ポテンシャル算定式 24

検討対象エリア

(partly modified from Okamura et al

(1996a(2),1996b(3)))

25

A-A’

B-B’

C-C’

D-D’

E-E’

F-F’

a-a’

b-b’

c-c’

d-d’

e-e’

Geological section west of Akita

Geological section of the vicinity of Awashima

Sand, gravel and mud

Legend

Mudstone and sandstone

Ryōtsu-oki Group and others

Hirase Group

Mukōse Group

Acoustic basement

Mudstone, sandstone, conglomerate

and pyroclastic rocks

Jurassic accretionary complex,

Cretaceous granite and Oligocene-

early Miocene volcanic rocks

Late Pliocene to Quaternary

Middle Miocene to Pliocene

Early Miocene

Pre-Middle Miocene

H:V=1:5

Mogami-D well

地質図

(partly modified from

Okamura et al. (1996a(2),

1996b(3)))

26

Legend (offshore) Legend (Land area)

Ryōtsu-oki Group

Hirase Group

Mukōse Group

Acoustic basement

Shōnai Group

Kannonji Formation (Jōzenjisandstone )

Kannonji Formation (main)

Maruyama Formation

Kitamata Formation

Kusanagi Formation

Ōyama Formation

Aosawa Formation

Zenpōji Formation

Granitic rocks

Standard stratigraphyof the Akita area

Katanishi

Shibikawa

Sasaoka

Upper-Tentokuji

Funakawa

Onnagawa

Nisikurosawa- Daijima

Lower-Tentokuji

Pleisto

cene

Pliocene

Mio

cene

Qu

aternary

Neo

gene

Pre-Neogene

: shows the formation promising for storage concluded by RITE(2009)

Tateyama Formation

: shows the formation promising for storage added in this study

陸域と海域の地質対比

(quoted RITE(2009)(6)

and partly modified)

27

Sea level

Depth （m）

200m

400m

1000m

740m

The area that meets temperature and pressure condition

Sallower sea area: SSA

Deeper sea area: DSA

Pressurecondition

900m

800m

超臨界貯留領域模式的説明図 28

Legend

The extent where CO2 can be stored (Hirase Group Formations)

The extent where CO2 can be stored (Ryōtsu-oki Group Formations andothers)

Mogami-D well

Storage domain estimated by RITE (2009)(6)

Fukura oil field

最上トラフにおける貯留対象層の平面分布 29

1)既往の公開調査資料を基に検討した、水深200ｍ～1000ｍを対象とした最上トラフにおける貯留ポテンシャルは、 4.43 から33.89億t-CO2 となった。貯留対象層の広がり、物性値などにより、幅を持った値を示した。

2)RITE殿が実施した日本国内沿岸域における水深200ｍ以浅の貯留プテンシャルは、計約1450億t-CO2 である。シャトル船・洋上圧入方式CCSの研究成果により、水深200ｍ以深についても経済的にCCSが可能であることが示されたため、このポテンシャルを加えれば、この値は相当増加することとなる。

3)しかしながら、これらのポテンシャル値は、いずれも既往公開資料を基に評価されたものであり、その量と質によっては、精度は大きく異なる。

4)CCSを推進するためには、有力な貯留サイトを選択した上で、反射法地震探査や試錐調査を含む、詳細調査実施が望まれる。

5)貯留サイトの評価には、PA取得を含めると、相当長期間を要すると想定されており、詳細調査開始は、できるだけ早く実施することが望まれる。

貯留ポテンシャル評価 まとめ 30

（シャトル船報告書は、下記URLからDLできます。） シャトル船Phase1 9MB

http://cdn.globalccsinstitute.com/sites/default/files/publications/244

52/chiyoda-report-merged.pdf

シャトル船Phase2 Vol.1 本体 5ＭＢ

http://cdn.globalccsinstitute.com/sites/default/files/publications/

94501/preliminary-feasibility-study-co2-carrier-ship-based-ccs-

unmanned-offshore-facility.pdf

シャトル船Phase2 Vol.2 海域ポテンシャル調査 4ＭＢ

http://cdn.globalccsinstitute.com/sites/default/files/publications/

94506/preliminary-feasibility-study-co2-carrier-ship-based-ccs-

japanese-continental-shelf.pdf

本資料は、上記の他、2013年4月30日にGCCSI主催により開催されたWebinarで、尾崎

教授が作成・使用した資料を利用させていただいております。

31 引用資料