Supply chain development and optimal location of reception points for shipboard carbon capture

Abstract

Den internasjonale sjøfartsorganisasjonen (IMO) har definert obligatoriske tiltak for å redusere klimagass-utslipp fra internasjonal skipsfart, som står for 3% av verdens utslipp. Flertallet av fartøy i drift i dag, samt fartøy i nåværende og planlagt produksjon forventes å være utstyrt med forbrenningsmotorer som benytter fossilt brensel. Som sådan vil næringen være avhengig av fossilt brensel i flere tiår fremover. Karbonfangst kan dermed være betydningsfullt for å dekarbonisere den maritime næringen. Systemer for karbonfangst og lagring ombord på skip kan, på grunn av deres allerede høye modenhet for landbaserte systemer, spille en viktig rolle for å oppfylle utslippsmålet for sjøtransport.

Denne masteroppgaven tar sikte på å utvikle nødvendige logistiske aspekter for at karbonfangst ombord på skip skal være en attraktiv og implementerbar teknologi for å dekarbonisere shipping industrien. Eksisterende forskning på karbonfangst ombord på skip er hovedsakelig knyttet til mulighetsstudier, konseptdesign og tekniske utvikling. Teknologiske aspekter er imidlertid ikke det eneste som må være på plass for å gjøre teknologien implementerbar. Infrastruktur, forsyningskjeder og logistikk må også utvikles for å gjøre karbonfangst til en attraktiv teknologi for å dekarbonisere sjøfart.

For å adressere disse aspektene, har oppgaven vurdert ulike karbonfangstmetoder, og basert på tidligere studier, gir den en oversikt over egnede teknologier for karbonfangst ombord på skip. Hovedutfordringene knyttet til implementering av karbonfangst på skip er diskutert. Videre presenteres en foreslått forsyningskjede for CO2 fanget ved hjelp av det implementerte karbonfangstsystemet. En matematisk optimeringsmodell basert på forsyningskjeden er utviklet for å møte de infrastrukturelle utfordringene, og finne gunstige plasseringer av mottakspunkt for CO2 fra karbonfangst ombord på skip er generert. Modellen er benyttet på et generert case i Nordsjøen som besøker fire havner med en total avstand på 2095 km. Det er gjennomført en parameterstudie ved bruk av optimerings modellen og verdier fra casen. Resultatene tilsier at det bør etableres to mottakspunkter langs ruten. Utviklingen av modellen og resultatene validerer viktigheten av å implementere avgiftsprising på CO2 utslipp for å skape reelle insentiver for å utvikle bærekraftige løsninger og infrastruktur for å dekarbonisere shippingindustrien.

The International Maritime Organization (IMO) has defined mandatory measures to reduce greenhouse gas (GHG) emissions from international shipping, which accounts for 3% of the world emissions. The majority of the vessels in operation today, as well as those in current and planned production are expected to be equipped with combustion engines running on fossil fuels, and as such, the industry will be dependent on fossil fuels for decades to come. Carbon capture can therefore be important in decarbonizing the maritime industry. Onboard carbon capture and storage (CCS) systems can, due to their already high maturity for onshore applications, play an essential role in meeting the emission target for maritime transportation.

This master thesis aims to develop logistical aspects needed for carbon capture as a shipboard application to be an attractive and implementable technology to decarbonize the shipping industry. Existing research on carbon capture (CC) onboard ships is mainly related to feasibility studies, concept design, technical possibilities and development. However, the technological aspects are not the only ones to be in place to make the technology implementable. Infrastructure, supply chains, and logistics must also be developed to make carbon capture an attractive technology to decarbonize maritime transportation.

To address these aspects, this thesis investigates different carbon capture methods, and based on previous studies, gives an overview of suitable technologies for shipboard carbon capture. The main challenges related to carbon capture as a shipboard application is further addressed. The second part of the thesis presents a proposed supply chain for shipboard carbon capture. A mathematical optimization model based on the supply chain is developed to address the infrastructural challenges, and generate optimal locations of CO2 reception points for shipboard carbon capture. The model is applied to a generated case study in the North Sea visiting four ports and a total distance of 2095 km. A parameter study is conducted with the case and model, and the results indicates that two reception point should be established along the route. The model development and results validates the importance of implementing CO2 tax pricing on emissions in order to create real incentives to develope sustainable solutions and infrastructure to decarbonize the shipping industry