近期的重点报告把碳捕获和储存（CCS）列为实现联合国全球减排目标的关键所在，而二氧化碳（CO2）的海上运输越来越成为去碳化链条中的重要环节之一。通过船舶高效运输CO2将为这个数量庞大、但有时也带来问题的副产品打开新的产业市场。
“Northern Lights”项目背后有两大主要动力，该项目也是挪威实现全面CCS倡议的一部分。项目从奥斯陆峡湾地区的水泥生产厂和垃圾发电厂中捕获CO2，并将液化的CO2从这些厂址运输至挪威西海岸的陆上终端站。在那里，液态的CO2将通过管道输送至北海的海底储存点永久储存。
“因为管道并不能提供CO2运输的全部解决方案，我们需要了解如何让CO2海运发挥作用”，Northern Lights项目航运负责人Frank Ollerhead表示，“该倡议旨在为CO2海运提供可行且必需的解决方案。”
可用于CCS的船舶
“Northern Lights”是挪威国家石油公司、壳牌和道达尔之间的合作项目，由DNV GL提供技术支持。
“用于‘Northern Lights’项目的船舶规模相对较小，班期紧凑”，Ollerhead说，“为此，我们决定在方案中采用成熟的技术，而不依靠研发。大部分技术已经存在。我们现在要做的是整合成一个实践方案。”
Ollerhead说，项目希望设计的船型尽可能符合EEDI第三阶段。“我们希望船舶能尽可能绿色，但我们并没有为其开发新的绿色技术”，据他介绍，液化天然气（LNG）和双燃料都是考虑中的燃料选项，而电池可提供最多45分钟的操控动力。“这些基本都是标准化船型，配备新的维护液舱和电池。尽管减少的CO2排放量看起来不多，但利用电池提高能效是符合潮流的特色。”
Northern Lights——全链示意图
左列：CO2捕获，液化CO2
从工厂中捕获
压缩并临时储存
中列：运输，液化CO2运输船
船舶运输压缩的CO2
右列：永久储存，液化CO2、液化CO2
接收并永久储存CO2
通过海上管道输送
永久储存在液库中（海平面以下约3000米）
Northern Lights
Northern Lights项目包括船舶运输、岸上储存、管道运输至海上注入井，并且将CO2注入海底储存综合体
来源：挪威CCS项目
制定经济方案
DNV GL海事的高级主任验船师、气体船船型专家Magnus Lindgren介绍，相比管道，船舶解决方案在标准化设计中引入高压低温的货物维护系统，有助于降低成本、提升经济性。
“标准尺寸是船舶经济性的前提条件，但在本案例中，液舱的设计可承受超高压力。这就需要高强度材料”，Lindgren解释，与项目伙伴的合作过程中，重点在于液舱材料的审批，其中采用了与标准船型相容的设计。一旦液舱使用了高强度材料，其疲劳属性可能变得至关重要。设计团队已经考虑了这些属性，以确保满足规则中要求的安全等级。
Lindgren指出，决定在Northern Lights项目中采用单体大直径C型液货舱的决定改善了液体CO2运输船的经济性，并补充说，当应用于液化石油气（LPG）运输的船舶时，这种液货舱设计提供了相对较高的容积利用率。
“货物维护系统是新的，但船舶仍然基于成熟的船型设计”，Ollerhead说，“我们选择了一种经济型的设计方案。它在一定程度上超出了标准，传统来看是一种成本驱动因素，不过船舶的经济性仍然很好。”在项目合作伙伴的资助下，DNV GL于2019年10月完成了Northern Lights项目中液化CO2所需的新型C型货物维护系统的入级前评估。
Northern Lights——项目地图
左上：位于北海的海底储存位置
左下：Northern Lights联营体处理运输和储存
中：位于接近卑尔根的Naturgassparken的陆上设施
右上：Fortum Oslo Varme垃圾发电站
右下：Norcem水泥厂
为适应CO2运输对液罐设计的关键修改
为了液化二氧化碳（在大气压下直接在气态和固态（干冰）之间升华），其温度必须保持在零下50°C左右，压力为7 bar （和LPG货物维护系统一致）。经DNV GL批准的液化二氧化碳维护系统降低了制冷要求，可在零下30°C范围内实现营运设计温度。这样就要求C型罐能承受19 bar的更大压力。
高密度货物、高设计压力和大罐径的结合需要有创新解决方案，以满足液货舱的强度要求。设计修改不仅包括在若干位置加强C型液罐设计，而且还在利用较大挠度降低液罐内动态应力的位置处采取了软化设计。
这些船舶的设计足以承受满载航行的压力积聚以及液态CO2的腐蚀作用。所选择的设计采用更优质的钢材替代压力容器的标准低温钢，在满足液罐安全要求的同时，也协调了液罐制造经济性的需求冲突。
稳健方案保障安全
液罐方案的设计旨在适应液体CO2在装载和卸载阶段的物理特性。要特别注意控制可能形成干冰的压力下降，干冰会对液货泵产生磨损。液罐的设计也能承受满载和空载航次之间的压力变化，以及满载时液体的加速载荷。
设计和选材中采用了能承受更高极限载荷并确保抗断裂性的高强度属性材料。“在设计得到入级前批准之前，记录液罐设计的安全性是一项关键衡准。这需要不厌其烦的测试，以确保材料能满足针对疲劳裂纹发展的安全要求”，Lindgren介绍。
结论是，该设计能够承受动态载荷，并且不超过可能导致疲劳裂纹扩张的应力水平。2019年11月，挪威国家石油公司获得了DNV GL确认设计批准的GASA声明。
Northern Lights：管窥宏大的CCS计划
工业规模的CCS被确定为实现巴黎联合国气候变化大会1.5°C目标的解决方案的一部分。“除了有助于实现联合国的目标外，利用船舶转移CO2的更大效果是让利益相关者能与能源链以外的公司打交道”，Ollerhead坚持认为。
“CO2已经用于其他工业应用，在运输方面，它与液化气贸易类似。液罐技术已经用于食品行业的船舶。我们只是采用了更厚的液罐和更低的温度。”
在Northern Lights项目中，全面开展船舶运送CO2具有很高的价值，Frank Ollerhead证实，“例如，碳中和水泥生产的潜力将促进投资决策。随着该项目解决方案的不断开发，船东能看到潜在的新市场，为通向其他产业打开了大门。总体来看，目前是引入这项技术的好时机。”
