Skovholt 1993 - CO2 Transportation System
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Energy Convers Mgmt Vol. 34, No. 9-11, pp. 1095-1103, 1993 0196-8904/93 6.00+0.00 Printed in Gleat Britain. All rights reserved Copy right © 1993 Pergamon Press Lid CO TRANSPORTATION SYSTEM Otto Skovholt Statoil R&D Centre, Postuttak, 7004 Trondheim, N - Norway 1 ABSTRACT The results of the performed screening study indicates that it is possible to transport CO2 over large distances within a reasonable unit cost. It is evident that the effect of large scale solutions to reduce unit costs are substantial. The transportation unit cost for a fully utilized large diameter pipeline over 1500 kilometers is estimated at approximately 65 per tonne, while transportation through a 16 inch pipeline, corresponding to CO2 from a single 1000 MW gas fu'ed pow er station, over the same distance, is approximately 42 per tonne. The transportation cost should be compared with carbon tax of 505 per tonne CO2 in force in Norway and the proposed EC energy / carbon tax of 10 $ per barrel of oil, which is equivalent to approximately 24 $ per tonne CO2. Large diameter pipelines require large investments and multilateral agreement. Therefore, the possibilities to establish an integrated large scale CO2 transportation system across country borders and continents is a possibility, but the perspective is long term. Although an integrated large scale CO2 transportation system is not likely to appear in our decade or even in the next two or three, it may turn out to be the chosen solution for the mid 21th Century if we axe entering a greenhouse driven future. BACKGROUND Removal of CO2 from flue gases require a solution to transport the CO2 from the location of the emission to a disposal site where the CO2 can be kept permanently and safely. Exceptions are few where emission units are located just above an aquifer or close to deep seawater. This paper deals with the transportation challenge only. The battery limits are set after capture and drying of almost pure CO2 and before any special installation to provide storage. CO2 removal will produce large quantifies to be disposed. A normal gas fired 1000 MW power station will emit approximately 3 mill. tonnes, or as liquid, approximately 3 mill. m3 per year. In liquid form this corresponds to the size of a building with a base like an international football square and a height of 750 m. In perspective, the total CO2 emissions in Western Europe are estimated to be approximately 1000 times this volume per year. 1095
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Energy Convers . Mg mt Vol. 34, No . 9-11 , pp . 1095-1103, 1993 0196-8904/93 $6 . 0 0+0 . 0 0
Printed in Gle at Bri tain . All r ights reserved Copy right © 1993 Perga mon Press Lid
C O 2 T R A N S P O R T A T I O N S Y S T E M
O t t o S k o v h o l t
S t a to i l R & D C e n t re , P o s tu t t ak , 7 0 0 4 T r o n d h e i m , N - N o r w a y
1 A B S T R A C T
T h e r e s u l t s o f t h e p e r f o r m e d s c r e e n i n g s t u d y i n d i c a t e s t h a t i t i s p o s s i b l e t o t r a n s p o r t C O 2
o v e r l a r g e d i s t a n c e s w i t h i n a r e a s o n a b l e u n i t c o s t . I t i s e v i d e n t t h a t t h e e f f e c t o f l a r g e
s c a l e s o l u t i o n s t o r e d u c e u n i t c o s t s a r e s u b s t a n t ia l . T h e t ranspor ta t ion u n i t cos t fo r a fu l l y
u t i l iz ed large d iam eter p ipe l ine over 150 0 k i lometer s i s e s t i m a t e d a t approx imate ly 65 per
tonne , w h i l e t r a n s p o r t a t i o n t h r o u g h a 1 6 i n c h p i p e l i n e , c o r r e s p o n d i n g t o C O 2 f r o m a s i n g l e
1 0 0 0 M W g a s f u ' e d p o w e r s t at i o n , o v e r t h e s a m e d i s t a n c e , i s a p p r o x i m a t e l y 4 2 $ p e r
tonne . The t r an s p o r t at i o n c o s t s h o u l d b e c o m p a r e d w i t h c a rb o n t ax o f 5 0 5 p e r t o n n e C O 2
i n f o r c e i n N o r w a y a n d t h e p r o p o s e d E C e n e r g y / c a r b o n t a x o f 1 0 $ p e r b a r r e l o f o i l ,
w h i c h i s e q u i v a l e n t t o a p p r o x i m a t e l y 2 4 $ p e r t o n n e C O 2 . L a r g e d i a m e t e r p ip e l in e s
r e q u i r e l a r g e i n v e s t m e n t s a n d m u l t i l a t e r a l a g r e e m e n t . T h e r e f o r e , t h e p o s s i b i l i t i e s t o
e s t a b l i s h a n i n t e g r a t e d l a r g e s c a l e C O 2 t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m a c r o s s c o u n t r y b o r d e r s a n d
c o n t i n e n t s i s a p o s s i b i l i t y , b u t t h e p e r s p e c t i v e i s l o n g t e r m . A l t h o u g h a n i n t e g r a t e d l a r g es c a l e C O 2 t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m i s n o t l i k e l y t o a p p e a r i n o u r d e c a d e o r e v e n i n t h e n e x t
t w o o r t h r e e , i t m a y t u r n o u t t o b e t h e c h o s e n s o l u t i o n f o r t h e m i d 2 1 t h C e n t u r y i f w e a x e
e n t e r i n g a g r e e n h o u s e d r i v e n f u t u r e .
2 B A C K G R O U N D
R e m o v a l o f C O 2 f r o m f l u e g as e s re q u i r e a s o lu t i o n to t ra n s p o r t t h e C O 2 f r o m t h e
l o c a t i o n o f t h e e m i s s i o n t o a d i s p o s a l s i t e w h e r e t h e C O 2 c a n b e k e p t p e r m a n e n t l y a n ds a f e l y . E x c e p t i o n s a r e f e w w h e r e e m i s s i o n u n i t s a re l o c a t e d j u s t a b o v e a n a q u i f e r o r c l o s e
t o d e e p s e a w a t e r . T h i s p a p e r d e a l s w i t h t h e t r a n s p o r t a t i o n c h a l l e n g e o n l y . T h e b a t t e r y
l i m i t s a r e s e t a f t e r c a p t u r e a n d d r y i n g o f a l m o s t p u r e C O 2 a n d b e f o r e a n y s p e c i a l
i n s t a l la t i o n t o p r o v i d e s t o r a g e .
C O 2 r e m o v a l w i l l p r o d u c e l a r g e q u a n t i f i e s t o b e d i s p o s e d . A n o r m a l g a s f i r e d 1 0 0 0 M W
p o w e r s t a t i o n w i l l e m i t a p p r o x i m a t e l y 3 m i l l . t o n n e s , o r a s l i q u i d , a p p r o x i m a t e l y 3 m i l l .
m 3 p e r y e a r . I n l i q u i d f o r m t h i s c o r r e s p o n d s t o t h e s i z e o f a b u i l d i n g w i t h a b a s e l i k e a n
i n t e r n a t i o n a l f o o t b a l l s q u a r e a n d a h e i g h t o f 7 5 0 m . I n p e r s p e c t i v e , t h e t o t al C O 2
e m i s s i o n s i n W e s t e r n E u r o p e a re e s t i m a t e d to b e a p p r o x i m a t e l y 1 0 00 t i m e s t h is v o l u m e
pe r ye a r .
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1096 SKOVHOLT: CO, TRANSPORTATION SYSTEM
W h e n t h i n k i n g a b o u t a l i q u i d v o l u m e o f 3 mi l l . m3 C02 per year , t r a n s p o r t a t i o n b y r o a d
o r ra i l i s u n t h i n k a b l e . T r a n s p o r t a t i o n o f th i s q u a n t i t y b y s h i p w i l l r e q u i r e a p p r o x i m a t e l y
3 0 c a l ls b y a n a v e r a g e L N G - t y p e v e s s e l p e r y e a r. T h e s e a r e , h o w e v e r , v e r y c o s t l y v e s s e l s
a n d w i l l r e s u l t i n h i g h u n i t c o s t o f t r a n s p o r t .
The m ost viable solution for transportation o f such quantities is, how ever, assu me d to be
by pipeline. I n g e n e r a l a l l t h e s e p o s s i b l e t r a n s p o r t a t i o n s o l u t i o n s a r e c o s t l y , a n d t h e c o s t
i n c r e a s e b y d i s t a n c e . T h e c o s t s w i l l , h o w e v e r , b e c o n s i e r a b l y r e d u c e d b y a p p l i c a t i o n o f
l a r g e s c a l e s o l u t i o n s l i k e v e r y l a r g e d i a m e t e r p i p e l i n e s .
T h i s p a p e r foc us on pipeline transportation as in m o s t c a s e s w i l l b e t h e le a s t e x p e n s i v e
s o l u t i o n f o r l a r g e v o l u m e s o f g a s e s o r l i q u i d s . F o r t h e b a s e , c a s e o c e a n d e p o s i t i o n i s
s e l e c t e d . T e c h n i c a l p o s s i b i l i t i e s a n d l i m i t a t i o n s a s w e l l a s c a p a c i t i e s a n d c o s t s a r e
i l lu s t r a t e d a n d t h e a d v a n t a g e o f l a r g e s c a le s o l u t i o n s a r e in d i c a t e d . T h e p r e s e n t e d r e s u l t s
a r e b a s e d o n a s c r e e n i n g s t u d y a n d t h e c o n n e c t e d u n c e r t a i n t i e s a r e + / - 1 0 % f o rt r a n s p o r t a t i o n c a p a c i t i y c a l c u l a t i o n s a n d + / - 4 0 % f o r i n v e s t m e n t s .
3 P I P E L I N E T R A N S P O R T A T I O N C O N D I T I O N S
C O 2 i s t o d a y o n l y i n e x c e p t i o n a l c a s e s t r a n s p o r t e d b y p i p e l i n e . O n l y a f e w c a s e s a r e
r e p o r t e d . O n e c a s e r e f e re d t o , i s a 3 0 i n c h p i p e l in e f r o m C o l o r a d o t o T e x a s , U S A , t h e
C o r t e z P i p e l i n e ( S h e l l O i l C o . ) , w h i c h c o n v e y s C O 2 o v e r a d i s t a n c e o f 4 8 0 m i l e s f o r t h e
p u r p o s e o f u s i n g C O 2 i n o i l w e l l s t o e n h a n c e t h e o i l r e c o v e r y . T h i s p i p e l i n e i s o p e r a t e d a t
h i g h p r e s s u r e a n d a t h i g h d e n s i t i e s . ( 1 )
I t i s p o s s i b l e t o t r a n s p o r t C O 2 i n s e v e r a l d i f f e r e n t w a y s :
a s a g a s
a s a l i qu ids
a s a m i x t u r e o f g a s a n d l i q u i d
a s a h i g h d e n s i t y g a s a t h i g h p r e s s u r e
Figure 1 p r e s e n t e s t h e p h a s e d i a g r a m , i . e . t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e d i a g r a m , w h e r e t h e s e
c o n d i t i o n s o c c u r .
I t i s l i k e l y t h a t t h e t r a n s p o r t a t i o n t e m p e r a t u r e i n a C O 2 - p i p e l i n e h a s t o b e a m b i e n t , i . e . b e
a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e a s t h e s o i l w h e r e t h e p i p e l i n e s a r e b u r i e d . I n n o r d i c c o u n t r i e s s o i l
t e m p e r a t u r e s v a r i e s b e t w e e n a f e w d e g r e e s m i n u s i n w i n t e r a n d u p t o 6 - 8 d e g r . C i n
s u m m e r . I n w a r m e r c o u n t r i e s th e t e m p e r a t u r e s m a y b e a p p r o x i m a t e l y 2 0 d e g r . C . I n t he
o c e a n , h o w e v e r , t h e t e m p e r a t u r e b e l o w t h e s u f a c e l a y e r i s v e r y s t a b l e a n d w i l l t y p i c a l l y b e
b e t w e e n 5 - 7 d e g r . C y e a r a r o u n d a t m e d i u m d e p t h s a n d a p p r o a c h 0 d e g r . C i n t h e d e e p
s e a i n w a t e r s s u r r o u n d i n g m o s t o f t h e i n d u s t r i a l i z e d w o r l d .
I n g e n e r a l , a n e f f i c i e n t t r a n s p o r t a t i o n s o l u t i o n r e q u i r e a h i g h d e n s i t y o f t h e m e d i u m t o b e
t r a n s p o r t e d . T h e h i g h e s t d e n s i t i e s a r e a c h i e v e d b y t r a n s p o r t i n g t h e C O 2 a s l i q u i d o r a s
h i g h d e n s i t y g a s .
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SKOVHOLT: C02 TRANSPORTATION SYSTEM 1097
PrlBsl~lre
bars
3OO
2 5 0
2OO
1 5 0
1 0 0
5 0
Figure I
P c = 7 3 . 8 barT c = 3 1 *C
5 0
Temperature * C
C02 phased i a g r a m
T h e p r o p e r t i es o f C O 2 d i f f e r f r o m m a n y o t h e r ty p e s o f m e d i a : A t a t h m o s p h e r i c p re s s u re
a n d a t a m b i e n t s o il t e m p e r a t u re s w e k n o w t h a t C O 2 i s a g a s. W h e n c o m p r e s s i n g , f o l lo w e d
b y r e m o v a l o f c o m p r e s s i o n h e a t , th e g a s t u r n s i n t o a l iq u i d , re f . F i g u r e 1 . W i t h i n a c t u a l
s o i l t e m p e r a t u r e s t h e t r a n s f o r m a t i o n i n t o a l i q u i d o c c u r s b e t w e e n 3 0 a n d 5 0 b a r s . T h e
d e n s i t y o f t h e C O 2 - l i q u i d i n c r e a s e s w h e n s u b j e c t e d t o i n c r e a s e d p r es s u r e . A b o v e a c e rt a i n
p r e s s u r e l e v e l , n a m e l y t h e c r i t i c a l p r e s s u r e w h i c h i s 7 3 . 8 b a r s f o r C O 2 , t h e r e e x i s t o n l y
o n e c o n d i t i o n f o r C O 2 , t h e s o c a l le d d e n s e p h a s e c o n d i t io n . T h e d e n s e p h a s e c a n a l s o b ea c h i e v e d w i t h o u t p a s s i n g t h e l i q u i d a r e a . A b o v e t h e c r i t i c a l t e m p e r a t u r e f o r C O 2 , w h i c h i s
3 1 d e g r . C , t h e C O 2 t u r n s g r a d u a ll y i n t o d en s e p h a s e th r o u g h c o m p r e s s i o n , r ef . F i g u r e 1 .
T h e d e n s e p h a s e i s a v e r y p e c u l i a r c o n d i t i o n . O n t h e o n e h a n d i t i s n o t a l i q u i d , b u t o n t h e
o t h e r h a n d i t h a s h i g h e r d e n s i t y th a n a l i q u i d a n d h a s m a n y o f t h e s a m e f l o w c o n d i t i o n s a s
t h a t o f a l i q u i d . F o r t h e s e r e a s o n s t h e r e a re a l s o p r o b l e m s r e la t e d t o c a lc u l a t i o n o f f l o w
c a pa s i t i e s .
F o r t r u n k p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n p u r p o s e s , t r a n s p o r t a t i o n a s p u r e C O 2 g a s i s p o s s i b l e , b u t
n o t o p t i m a l . W h e n b e i n g r e s t r i c t e d t o o p e r a t e b e l o w 3 0 - 5 0 b a r s , t h e d e n s i t i e s a n d
c a p a c i t i e s w i l l b e t o o s m a l l . H o w e v e r , f o r a s m a l l e r C O 2 p r o d u c e r s C O 2 a s p u r e g a s
p h a s e c a n h e a p p l i e d o n g a t h e r i n g l i n e s f o r c o n n e c t i o n t o l a r g e r t r u n k p i p e l i n e s .
T h e l i q u i d p h a s e c o u l d b e a p p l i e d f o r o n s h o r e p i p e l i n e s i f t h e p r e s s u r e c o u l d b e k e p t
a b o v e t h e v a p o r a z a t i o n l e v e l . H o w e v e r , a p i p e l i n e c r o s s i n g h i l l y t e r r a i n w i l l g i v e l o w
pr e ssu r e po in t s a t t he top o f t he h i l l s a nd the l i qu id w i l l t u r n in to ga s , i e . i t w i l l r e su l t i n
a t w o p h a s e f lo w . T w o p h a s e f l o w i s m o r e c o m p l i c a t e d t o h a n d l e , in p a rt i c u l a r i n
c o n n e c t i o n w i t h c o m p r e s s i n g / p u m p i n g . C o n s e q u e n t l y , b o t h l i q u id a n d t w o p h a s e f lo w
c o n d i t i o n s a re i n g e n e r a l n o t r e c o m m e n d e d f o r o n s h o r e p i p e l i n e s . - F o r o f f s h o r e p i p e l i n e s
l i q u i d p h a s e f l o w i s p o s s i b l e . T h e t e m p e r a t u r e , a s m e n t i o n e d , i s s t a b l e a n d l o w a n d t h e
p r e s s u r e w i l l n o r m a l l y b e k e p t h i g h s u f f i c i e n t l y t o p r e v e n t t w o p h a s e f l o w .
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1098 SKOVHOLT: CO2 TRANSPORTATION SYSTEM
H o w e v e r , t h e m o s t p r a c t i c a l w a y f o r p i p e l i n e C O 2 t r a n s p o r t a t i o n i s i n t h e s u p e r c r i t i c a l
c o n d i t i o n , i . e . a b o v e 7 3 . 8 b a r s . T h e d e n s i t y i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s e d p r e s s u r e a n d e x c e e d s
s e a w a t e r w h e n p a s s i n g a p p r o x . 3 0 0 b a r s o r a t 3 0 0 0 m w a t e r d e p t h . I n t h e s c r e e n i n g s t u d y ,
w h i c h i s t h e b a s i s f o r t h i s p a p e r , the supercritical phase or the dense ph ase condition is
overall prac tical to app ly fo r a ll types o f pipelines, onshore a nd offshore, an d is chosen
as the basi s o r t he l o w capasi t i e s ca l c u l a t i o n s p r e sen ted i n t h i s pape r .
4 F L O W C A P A C I T Y C A L C U L A T I O N S
F l o w c a p a c i t i e s e x p r e s s e d i n w e i g h t p e r t i m e u n i t a r e d e p e n d a n t o n s e v e r a l f a c t o r s ,
m a i n l y :
s e l e c t e d p h a s e c o n d i t i o n ( i . e . t h e d e n s i t y o f t h e m e d i u m )
i n t e r n a l p i p e d i a m e t e rs e c t io n l e n g t h b e t w e e n p u m p o r c o m p r e s s o r s t at io n s
d i f f e r e n c i a l p r e s s u r e o v e r t h e s e c t i o n l e n g t h
t e m p e r a t u r e o f t h e t r a n s p o r t e d C O 2 , b o t h i n i t ia l te m p e r a t u r e a f t er c o m p r e s s i o n a n d
t h e a m b i e n t t e m p e r a t u re
O t h e r f a c t o r s a r e t h e v i s c o s i t y o f t h e m e d i u m , t h e i n t e r n a l p i p e w a i l r o u g h n e s s a n d t h e
s l o p i n g o f t h e t e r r a in .
B a s i s f o r t h e c a l c u l a t i o n s a r e t h e f o l l o w i n g s i m p l i f i e d a s s u m p t i o n s :
o n s h o r e p i p e l i n e s a r e b u r r i e d a n d t h e t e r ra i n i s f l a t" n o r m a l " p i p e s a p p l i e d f o r g a s t r a n s p o r t a t i o n
E a r l y i t w a s r e v e a l e d t h a t i n t e r n a t io n a l l y a c c e p t e d a n d a v a i la b l e f l o w s i m u l a t i o n p r o g r a m s
w e r e n o t p a r t i c la r l y s u i te d f o r C O 2 f l o w c a l c u l a t i o n s . T r e e a l t e r n a ti v e c a lc u l a t i o n t o o l s
h a v e b e e n a p p l i e d , a n d t h e r e s u l t i n g d i f f e r e n c e s i n f l o w r a t e s c a n n o t b e l o g i c a l l y
e x p l a i n e d . H o w e v e r , t h e d i f f e r e n c e s d i s c o v e r e d a re w i t h i n + / - 1 0 % o f t h e c a l c u l a t e d
f i g u r e s . I t c a n b e c o n c l u d e d t h a t i f m o r e d e t a i l e d s t u d i e s s h o u l d b e m a d e , o n e h a s to
i n v e s t i g a t e m o r e t h o r o u g h l y t h e p r o p e r t i e s o f C O 2 a n d a l s o m o d i f y o r t a i l o r m a k e a n e w
s i m u l a t i o n t o o l . - F u r t h e r t o t h i s , i t m u s t b e e m p h a z i s e d t h a t n o e f f o r t h a s b e e n m a d e t o
o p t i m i z e t h e p a r a m e t e r s b e f o r e t h e f l o w c a l c u l a t i o n s . A l l p a r a m e t e r s a r e c h o s e n b a s e d o n
r u l e o f t h u m b s f r o m t h e g a s t r a n s p o r t a t i o n i n d u s t r y .
T h e e a r l y f l o w s i m u l a t i o n s d e m o n s t r a t e d c l e a r l y t h e a d v a n t a g e s o f t r a n s p o r t i n g a t h i g h
d e n s i t y p h a s e s , e i t h e r li q u i d p h a s e o r d e n s e p h a s e ( s u p e r c r i ti c a l p h a s e) . T h e d i f f e r e n c e s i s
i l l u s tr a t e d f o r a 3 0 i n c h o n s h o r e p i p e l i n e a p p y i n g t h e s a m e p i p e l i n e p a r a m e t e r s :
Flo w capacit ies fo r a 30 inch (750 mm) pipeline:
C 02 ga s p h a s e: app r o x . 5 m i l l . t on nes pe r yea r
C 02 l i q u i d o r d en s e p h a s e: a p p r o x . 2 0 m i l l . t o n n e s p e r y e a r
7/27/2019 Skovholt 1993 - CO2 Transportation System
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SKOVHOLT: CO2 TRANSPORTATION SYSTEM 1099
T h e s i m u l a t i o n t o o ls a r e n o t s u f f i c i e n t ly a c c u r a t e to d i s t i n g u is h b e t w e e n l i q u i d a n d d e n s e
p h a s e , a l t h o u g h d e n s e p h a s e s h o u l d a c c o r d i n g t o w h a t i s o u t l i n e d i n p r e c e d i n g c h a p t e r
h a v e s l ig h t l y h i g h e r c a p a s i t y . F r o m t h is a n d o t h e r p r a c t ic a l r e a s o n s d e n s e p h a s e i s a p p li e d
i n t h e f u r t h e r f l o w cap ac i t i e s .
A p p l i e d f l o w c a l c u l a t i o n a s s u m t i o n s :
* t r an s p o r t a t i o n co n d i t i o n : d en s e p h as e
* p i p e l in e s e c t i o n l e n g t h s b e t w e e n c o m p r , s t at io n s : 2 5 0 k m
* am b i en t t em p era t u re o n s h o re ( s o il ) : 1 2 d eg r . C
* a m b i e n t t e m p e r a t u r e o f f s h o re : 6 d e g r . C
* m a x i m u m t e m p e r a t u r e a f t e r c o m p r e s s i o n : 3 0 d e g r . C
* m a x i m u m p r e s s u r e o n s h o r e : 1 10 b a r s
* m a x i m u m p r e s s u r e o f f s h o r e : 3 0 0 b a r s
* m i n i m u m p r e s s u r e : 9 0 b a r s* o p e ra t i o n a l t i m e : 3 6 5 d ay s / y r
I t m u s t b e e m p h a z i e d t h a t s e c t io n l e n g t h s o f 2 5 0 k m , i . e. d i s ta n c e b e t w e e n c o m p r e s s i o n ,
a r e n o t l i k e l y t o b e ap p l i ed f o r s m a l l d i am e t e r s , i n p a r t i cu l a r d i am e t e r s s m a l l e r t h an 1 6
i n ch es . Su ch l i n es w i l l b e f eed i n g l i n es f o r l a rg e r p i p e l i n es , t r u n k l i n es . T h e cap ac i t i e s
i n c r e a s e s w i t h s h o r t e r l e n g t h s . T h e m a x i m u m s e l e c t e d o n s h o r e p i p e d i a m e t e r a r e b a s e d o n
t h e l a r g e s t a v a i la b l e d i a m e t e r (6 4 " o r 1 60 0 m m ) w h i c h c a n b e o r d e r e d f r o m e x c i s t i n g
p i p e m i l l . T h e o t h e r p r e s e n t e d d i a m e t e r s a r e r a n d o m l y c h o s e n i n o r d e r t o d e m o n s t r a t e
d i f f e r e n c e s .
F l o w c a p a c i t i e s f o r o n s h o r e p i p e l i n e s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 2 .
F l o w c a p a c i t i e s f o r o f f s h o r e p ip e l in e s a r e d e p e d e n t o n t h e s a m e f a c t o r s a s t h e o n s h o r e
p i p e l i n es , b u t i n ad d i t i o n , a l s o d ep en d en t o n t h e p i p e l i n e o u t l e t d ep t h . W e h av e l o o k ed a t
t w o o can d i s p o s a l o p t i o n s ;
A B r i n g d e n s e p h a s e C O 2 d o w n t o a w a t e r d e p t h w h e r e t h e d e n s i t y o f t h e C O 2
e x c e e d s t h e s e a w a t e r d e n s i t y a n d w h e r e t h e C O 2 i s a s s u m e d t o a c c u m u l a t e a s a
h e a v y m e d i u m , a " l a k e " , a t th e d e e p s e a b o t t o m , i .e . d e e p e r t h a n 3 0 0 0 m .
B D i s s o l v i n g C O 2 g a s i n t o s e a w a t e r a t a p p r o x i m a t e l y 3 0 0 m w a t e r d e p t h . T h i s
c r e a t e s a C O 2 - r i c h s e a w a t e r w h i c h a c c o r d i n g t o t h e t h e o r i e s o f t h e N a n s e n C e n t e r
( 2 ) , w i l l f l o w l i k e " a s u b s ea r i v e r " d o w n t o t h e d eep o cean .
I n t h i s p ap e r , a l t e rn a t i v e A , p i p e l i n e o u t l e t a t 3 0 0 0 m w a t e r d ep t h , h a s b een ch o s en a s t h e
c a s e t o b e p r e s e n t e d . O f f s h o r e C O 2 p i p e l in e s a r e l i k e ly t o b e t r u n k li n e s , a n d d i a m e t e r s
l e s s t h an 1 6 i n ch es h av e t h e re f o re n o t b een i n c l u d ed i n t h e p i p e l i n e f l o w ca l cu l a t i o n s . T h e
o f f s h o r e p i p e li n e i s a s s u m e d t o b e 2 5 0 k m l o n g. T h e f l o w c a p a c i t i e s f o r o f f s h o r e p i p e li n e s
a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 2 . A s i t c a n b e s e e n f r o m f i g u r e 2 , t h e f l o w c a p a c i t ie s f o r th e
o f f s h o r e p i p e l in e s a r e a p p r o x i m a t e l y tw i c e t h e c o r r e s p o n d i n g o n s h o r e p i p e li n e s d i a m e t e r s .
T h e r e a s o n s f o r t h i s d i f f e r e n c e a r e p a r t l y l o w e r a m b i e n t t e m p e r a t u r e a n d h i g h e r a v e r a g e
p res s u re w h i ch b o t h g i v es h i g h e r d en s i t i e s . I n ad d i t i o n , d u e t o t h e s l o p i n g o f t h e s ea
b o t t o m , t h e w e i g h t o f th e C O 2 g i v e s a d r i v in g f o r c e i n t h e f lo w d i r e c t io n w h i c h h e l p s
i n c r e a s i n g t h e f l o w c a p a c i t y .
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!100
Mil l. ton nes 0pe¢ year
16 "(4o o mm)
SKOVHO LT: CO2 TRANS PORT ATION SYSTEM
o o O(750ram) (1000ram) 116oomm)
2 1 0
D Onshorepipeline
U l ' ~ '~ l n~ : + / - 10%
2O 0
150
IO 0
50
3 5.5
16"
110
6 0
3 5
2OF73O "
i i l i l l l i! ~
3 5
740 "
l~peline d ~
5 P I P E L I N E D E S I G N F ig u re 2
i=i
i?i!i~ii:!!i
64"
P i p e l i n e f l o w c a p a c i t i e s
B a s i s f o r t h e p i p e l i n e d e s i g n i s t h e c o m m o n p r a c t ic e f o r o n s h o r e a n d o f f s h o r e p i p e l i n e s f o r
ga s t r a nspor t a t i on . A pa r t i c u l a r de s ign ha s no t be e n c a r r i e d ou t , bu t a l l c os t e l e me n t s
r e q u i r e d f o r g a s p i p e l i n e s ar e i n c l u d e d i n t h e b a s i s f o r t h e c o s t c a l c u l a t io n s .
T h e p i p e l i n e s y s t e m c o m p r i s e s t h e f o l l o w i n g i n s t a ll a ti o n s i n a d d d i t i o n t o t h e p i p e :
I ,
,
,
i n it ia l c o m p r e s s i o n o f C O 2 a t th e s o u r c e f r o m a t h m o s p h e r i c to 1 1 0 b a r p r e s s u r e
p u m p i n g s t a t io n s i n c l u d i n g a f t e rc o o l e r s ea c h 2 5 0 k m
s e c t i o n i n g v a lv e s e a c h 3 0 k m
c a t o d i c p r o t e c t i o n s y s t e m
c o r r o s i o n c o n t r o l p o i n t s
T h e p i p e s a r e a s s u m e d t o b e h i g h q u a l i t y c a r b o n s t ee l , c o a t e d t o p r o t e c t a g a i n s t e x t e r n a l
c o r r o s i o n a n d d a m a g e .
I t h a s b e e n a s s u m e d t h a t t h e C O 2 e n t e r in g t h e p i p e l in e s y s t e m w i ll a l re a d y h a v e b e e n
t re a t ed t o a v e r y l o w c o n t e n t o f w a t e r ( p p m r a n g e ) i n o r d e r t o p r e v e n t i n t e rn a l c o r r o s io n
a n d h y d r a t e f o r m a t i o n .
6 P I P E L IN E C O N S T R U C T I O N M E T H O D S
F o r o n s h o r e C O 2 p i p e l in e s , n o r m a l g a s p i p e l in e c o n s t ru c t i o n m e t h o d s c a n b e a p p l i e d . F o r
o f f s h o r e p i p e l i n e s t h e l a r g e st p i p e l i n e d i a m e t e r w h i c h c a n b e i n s t a l le d w i t h t h e t o d a y s l a y
b a r g e s, is 4 2 i n c h e s (1 0 6 0 m m ) a n d m a x i m u m d e p t h s l es s th a n 4 0 0 m . T h e n e x t
ge ne r a t i on l a y ba r ge s c a n i ns t a l l 60 i nc h ( 1500 mm) d i a me te r p ipe l i ne s , bu t s t i l l t o al i m i t e d w a t e r d e p t h s . L a r g e d i a m e t e r s a n d 3 0 0 0 m e t e r s d e p t h r e p r e s e n t a b i g c h a l l e n g e a n d
7/27/2019 Skovholt 1993 - CO2 Transportation System
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SKOVHOLT: CO2 TRANSPORTATION SYSTEM 1101
s o l u t i o n s h a v e y e t t o b e d e v e l o p e d . I n th i s s c r e e n i n g s t u d y , in s t a l l a t io n t o a d e p t h o f 3 0 0 0
m h a s b e e n a s s u m e d p o s s i b l e b y s o m e n o t y e t id e n t if i e d m e t h o d e .
7 P I P E L I N E C O S T S
T h e p i p e l i n e i n v e s t m e n t c o s t i s d e p e d a n t o n t h e t e r r a i n , b o t h t h e t o p o g r a p h y a n d t h e
g r o u n d c o n d i t i o n s . T h e b a s i s f o r t h e p r e s e n t e d c o s t s i s m e d i u m d i f f i c u l t c o n d i t i o n s . T h e
c o m p l e t e i n v e s t m e n t c o s ts , i .e . b o t h p i p e l i n e an d c o m p r e s s i o n i n s t a l la t i o n s a re i n c l u d e d .
F o r o f f s h o r e p i p e l i n e s t h e c o s t f o r i n i t i a l c o m p r e s s i o n ( f r o m a t h m o s p h e r i c p r e s s u r e t o 9 0
b a r s ) i s n o t i n c l u d e d w h i l e t h i s i s a s s u m e d a l r e a d y p e r f o r m e d b e f o r e t h e C O 2 e n t e r s i n t o
t h e o f f s h o r e p i p e l i n e . T h e t o t a l c o s t , p i p e l i n e a n d i n s t a l l a t i o n s , f o r o n s h o r e a n d o f f s h o r e
p i p e l i n e s t u r n s o u t t o b e a p p r o x i m a t e l y e q u a l . T h e c o s t c a l c u l a t i o n m e t h o d a p p l i e d i s a
s i m p l i f i e d s c r e e n i n g l e v e l a p p r o a c h . T h e a s s u m e d c o s t a c c u r a c y i s l e s s t h a n + /- 4 0 % . T h e
i n v e s t m e n t c o s t f i g u r es a r e p r e s e n te d i n F i g u r e 3 .
P I P E L I N E C O S T P E R M E T E R
5OOO
4500
4000
3500
~ 3000
250O
2ooo
1500
1000
5OO
0
Figure 3
7
ONSHORE AND OFFSHORE PIPELINE
I " [
16 30 40 64
P i p e l i n e d i a m e t e r i n i n c h e s
T R A N S P O R T A T I O N C O S T S - S C A L I N G E F F E C T
[ ] H ig h c a s e
[ ] B a se c a s e
[ ] L o w c a s e
T r a n s p o r t a t i o n u n i t c o s t s o r t r a n s p o r t a t i o n r a t e s , a r e h e r e e x p r e s s e d a s c o s t s p e r t o n n e s
C O 2 o v e r a d e f i n e d d i s t an c e . T h e u n i t s a p p l i e d a r e dollars per tonnes per 250 km f o r
d i f f e r e n t p i p e d i a m e t e r s . T r a n s p o r t a t i o n c o s t s i n c l u d e b o t h i n v e s t m e n t a n d o p e r a t i o n a l
c o s t s . T h e t r a n s p o r t a t i o n u n i t c o s t s f o r s e l e c t e d p i p e l i n e d i a m e t e r s o n s h o r e a n d o f f s h o r e
a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . F r o m F i g u r e 4 i t i s s e e n t h a t l a rg e d i a m e t e r p i p e l i n e s s e r v i n g
h i g h c a p a c i t i e s , g i v e s s u b t a n t i a l l y l o w e r t r a n s p o r t a t i o n c o s t s t h a n s m a l l e r p i p e l i n e s w i t h
l o w e r c a p a c i t i e s . O n e c a n c o n c l u d e t h a t i t i s m u c h t o g a i n b y e s t a b l i s h i n g l a r g e s c a l e
i n t e g r a t e d s o l u t i o n s .
A s a r e f e r e n c e , t h e f o r m e r S o v i e t U n i o n , w h o a r e t h e m a s t e r s o f l a r g e s c a l e p i p e l i n e s f o r
n a t u r a l g a s t r a n s p o r t , h a v e b u i l t a t o t a l o f 5 4 0 0 0 k m o f 5 8 i n c h ( 1 5 0 0 m m ) p i p e l i n e s ,
e q u a l t o 1 . 4 t i m e s t h e d i s t a n c e a r o u n d t h e e q u a t o r .
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1102
$; ~onnes
8
6
4
O16"
(400ram)
7.0
3.8
SKOVHOLT: CO2 TRANSPORTATION SYSTEM
30" 40" 64"(750ram) (lO00mm) (1600ram)
D Onshore
BE o , .o . ,p , l ~ n e
Uncertainty: +/- 40%
I I2.1
1.6
1.0
16" 30" 40" 64"
Pipeline diameter
F i g u r e 4 T r a n s p o r t a t i o n r a t e s f o r o n s h o r e a n d o f f s h o r e p i p e l i n e s
i n $ p e r t o n a c r o s s a 2 5 0 k m p i p e l i n e s e c ti o n . D C F = 1 0 %
8 S A F E T Y A S P E C T S
C O 2 i s s l i g h t l y h e a v i e r t h a n a i r a n d m a y a c c u m u l a t e a t l o w a r e a s i n t h e l a n d s c a p e . T h e
r i s k t o a n i m a l s a n d p e o p l e a r e l a c k o f o x y g e n f o r b r e a t h i n g .
C O 2 i s n o t to x i c , b u t m a j o r l e a k a g e o f C O 2 m a y r e p r e s e n t m o r t a l r is k s f o r a n im a l s a n d
p e o p l e d u e t o d i s p l a c e m e n t o f a i r b y t h e h e a v i e r c a r b o n d i o x i d e g a s . S u c h e v e n t s m a y
o c c u r d u e t o m a t e r i a l o r c o n s t r u c t i o n f a i lu r e s o r c o r r o s i o n , b u t in m o s t c a s e s , t h e d a m a g e
w i l l b e d u e t o e x t e r n a l f o r c e c a u s e d b y u n a u t h o r i z e d h u m a n a c t i v it ie s c l o s e t o t h e p i p e li n e
S t a t is t ic s f o r f a i l u r e s o f n a t u r a l g a s p i p e l i n e s in t h e O E C D c o u n t r i e s a r e e x c e l l e n t , b u t t h e
d a m a g e f r e q u e n c i e s a r e h i g h e r f o r t h e s m a l l e s t d i a m e t e r p i p e li n e s.
T h e r e a r e s e v e r a l m e a s u r e s w h i c h a r e n o r m a l l y t a k e n t o p r e v e n t a c c i d e n t s :
s a f e t y zo n es o n b o t h s i d es o f t h e p i p e l i n es , i . e . d i s t an ce t o b u i l d i n g s
i n c r e a s e d p i p e w a l l t h i c k n e s s n e a r p o p u l a t e d a r e a s
s e c t i o n i n g v a l v e s t o r e d u c e t h e q u a n t i t y o f g a s w h i c h c a n l e a k o u t a n d s h o r t e r
d i s t a n c e s b e t w e e n v a l v e s n e a r p o p u l a t e d a r e a s
p r o p e r m a r k i n g o f t h e p i p e l i n e a b o v e t h e g r o u n d a n d i n t h e t r e n c h
p r o p e r s u r v e i l a n c e o f t h e p i p e l in e r o u t e d u r i n g o p e r a t i o n
I n a d d i ti o n , it s e e m s l i k e l y th a t a C O 2 p i p e l in e w o u l d b e r o u t e d t o a v o i d l o w a n d
s h e l t e r e d a r e a s a n d r a t h e r f o l l o w r i d g e s o r o t h e r w i n d e x p o s e d a r e a s t o m i n i m i z e
c o n c e n t r a t i o n o f C O 2 i n th e u n l i k e l y e v e n t o f a l a r g e l e ak .
7/27/2019 Skovholt 1993 - CO2 Transportation System
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SKOVHOLT: CO 2 TRA NSP ORT ATI ON SYSTEM 1103
9 T H E O R E T I C A L C A S E E X A M P L E S - F U T U R E P E R S P E C T I V E S
B as ed o n t h e i n f o rm a t i o n p re s en t ed i n t h i s p ap e r , i t i s p o s s i b l e t o c r ea t e t h eo re t i ca l ca s e s
i n o r d e r t o d e m o n s t r a t e r e la t i o n s b e t w e e n e m i s s i o n q u a n t i ti e s a n d p i p e l in e d i m e n t i o n s .T h e f o l l o w i n g c a s e e x a m p l e s a r e u s e s t o d r a w s o m e f u t u r e p e r s p e c t i v e s .
I n N o r w a y , t h e t o t a l C O 2 e m i s s i o n i s a p p r o x i m a t e l y 3 5 m i l l . t o n n e s p e r y e a r . F r o m t h e
c a p c i t y c a l c u l a t io n s , th i s to t a l a m o u n t o f C O 2 c a n b e t r a n s p o r te d i n o n e 4 0 i n c h ( 1 0 0 0
m m ) p i p e l in e , o r i f 1 / 3 c o u l d b e c a p t u r e d , a 2 4 i n c h p i p e l i n e w o u l d b e s u f f i c i e n t.
H o w e v e r , t h e p o p u l a t i o n i n N o r w a y i s s c a t t e r e d a n d s o a r e t h e C O 2 e m i s s i o n s o u r c e s . I t i s
t h e re f o re n o t l i k e l y , ev en i n t h e f u t u re , t h a t a C O 2 co l l ec t i o n g r i d an d a t r u n k l i n e w i l l b e a
c o n v e n i e n t s o l u t i o n f o r N o r w a y . ( E x c e p t p o s s i b l y f o r s o m e s e l e c t e d l a r g e r e m i s s i o n
s o u r c e s . ) H o w e v e r , i f m e a s u r e s t o r e d u c e f u t u r e C O 2 e m i s s i o n s a r e n e e d e d , t h e v e r y l a r g e
s ca l e p i p e l i n es o u t l i n ed i n t h i s p ap e r s h o u l d b e co n s i d e red i n t h e p l an n i n g s t ag e . O n e
c o n c l u s i o n c o u l d b e t h a t a f u t u r e p o w e r s t at io n o r o t h e r l a rg e p o i n t s o u r c e s , s h o u l d b el o c a t e d c l o s e t o s h o r e a n d i n a r e g i o n w h e r e t h e d i s t a n c e t o t h e d e e p o c e a n i s s h o rt .
F o r t h e E u r o p e a n C o n t i n e n t th e s i tu a t i o n is q u i t e d i f f e r e n t f r o m t h a t o f N o r w a y . R e g i o n s
w i t h a h i g h d en s i t y o f l a rg e C O 2 -em i t t e r s i n d i ca t e s t h e p o s s i b i l i t i e s t o f i l l u p t r u n k l i n es
w i t h c a p t u r e d C O 2 . T h e t o t a l W e s t e r n E u r o p e a n e m i s s i o n s a re e s ti m a t e d to b e
a p p r o x i m a t e l y 3 0 0 0 m i l l . t o n n e s C O 2 p e r y e a r . A s s u m i n g t h a t a l i m i t e d a m o u n t o f
g a t h e r i n g p i p e l i n e s c a n g a t h e r 2 0 % o f t h i s a m o u n t , t h e v o l u m e t o b e t r a n s p o r t e d w o u l d b e
a p p r o x i m a t e l y 6 0 0 m i l l . t o n n e s p e r y e a r . T h i s v o l u m e c a n b e t r a n s p o r t e d t h r o u g h 6
p i p e l in e s w i th a d i a m e t e r o f 6 4 i n c h e s ( 1 6 00 m m ) o r a p p r o x i m a t e l y 1 8 p ip e l i n e s o f 4 0
i n c h e s ( 1 0 0 0 m m ) . O f f s h o r e , a p p o x i m a t e l y h a l f t h e s e n u m b e r s a r e s u f fi c i e n t. S u c h l a r g e
q u an t i t i e s n eed a r ea l h u g e d i s p o s a l s i t e . T h e m o s t l i k e l y a l t e rn a t i v e t h en , i s o cean
d i s p o sa l . L o o k i n g a t s u b s e a m a p s , th e k e y c o r n e r o f E u r o p e f o r o c e a n d e p o s i ti o n is t h e
b o t t o m o f B i s c a y a . F a i r l y c l o s e to t h e c o a s t li n e w e f i n d d e p t h s o f a p p r o x i m a t e l y 5 0 0 0 m
c o n n e c t e d t o t h e d e e p A t l a n t i c . O n e m a y t h e n i m a g i n e l a r g e p i p e l i n e s e n d i n g u p i n
S o u t h e r n F r a n c e a n d s p r e a d i n g o u t t o d i f f e r e n t r e g i o n s o f E u r o p e . T h e c o n c l u s i o n i s t h a t
s u c h s o l u t io n s m a y b e p o s s i b le i n t h e l o n g t e r m , b u t t h a t th e t e c h n o l o g y f o r la r g e d i a m e t e r
p i p e l in e s a t d e e p s e a r e m a i n s t o b e d e v e l o p e d . A n a l t e r n a ti v e o r s u p p l e m e n t a r y
d e v e l o p m e n t c o u ld b e t h e s a m e a s m e n t i o n e d f o r N o r w a y ; h e a v y e m i s s io n i n d u s t ry a n d
f o s s i l f u e l p o w e r s t a t i o n s w o u l d i n s u c h a s c e n a r i o t e n d t o b e r e l o c a t e d t o a r e a s w h e r e
C O 2 t r a n s p o r t a t i o n a n d d i s p o s a l c o s t s w o u l d b e l o w .
