Concept study of slurry lifting from deep sea mining in an arctic environment
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3031507Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for marin teknikk [3469]
Sammendrag
Ved store havdyp finnes det mineral- og metallrike avsetninger. Flere av disse metallene brukes i dagens teknologi for produksjon og lagring av fornybar energi. Videre er det forventet en økning i etterspørselen av metallene brukt i teknogi forbundet med det grønne skiftet.
Midhavsrygger forbindes ofte med hydrotemale skorsteiner og de stabile forholdene rundt midthavsrygger tillater at det over tid kan samles opp store avsetninger av massive sulfider, også referert til som SMS (Seafloor Massive Sulphides) som felles ut av væsken som kommer ut av skorsteinene. Norge har suverenitet over en del av den nordlige Midtatlantiske ryggen i forbindelse med suverenitet av Jan Mayen og Spitsbergen er noen av disse områdene interessante for undersjøisk guvedrift. I tilegg er det bekreftet flere aktive skorsteiner med tilhørende SMS avsteninger i disse områdene.
En teknisk utfordring med å hente ut disse mineralene fra havdyp på 800-5000 meters dyp er å løfte den brutte malmen til overflaten. Dagens løsning med å løfte malmen er å bruke en stiv riser som henger fra et produksjonsfartøy i overflaten, mens malmen løftes ved hjelp av en nedsenkbar pumpe som pumper opp malmen som en slurry til produksjonsfartøyet. En ulempe med denne løsningen er at den ikke tåler store værlaster, for eksemper bølger, som er vanlige i arktis.
Denne masteroppgaven består av et konseptuelt design av et løftesystem som kan brukes i arktiske strøk. Designet er basert på en litteraturstudie og designet er evaluert ved hjelp av en FMECA (Feil Moduser Effekt og Kritikalitets Analyse, "Failure Modes Effects and Criticality Analysis"). Design studien ble avgrenset til løfting av en slurry, hvor slurryen blir sendt inn til systemet ferdig blandet med sjøvann i et fleksibel rør. Et resultat av FMECAen er hvilken komponent som er mest kritisk for svikt. Fokuset i denne FMECAen var teknisk svikt og estimat av påfølgende nedetid.Det er ikke blitt foretatt et detaljert design av det foreslåtte konseptet, men en mulighetstudie av ulike konsepter. Grunnet denne mangelen av detaljer har ikke detaljerte dimensjoner blitt etablert og kostnadsestimat er ikke utført.
Det foreslåtte designet er en hybrid riser løsning som står på havbunnen og er koblet til overflatefartøyet ved hjelp av et fleksibelt stigerør. Slurrien blir løftet ved hjelp av en fortregningspumpe drevet av trykksatt returvann. Dette konseptet frigjør stigerøret fra overflatefartøyets bevegelser, men stigerøret blir da ikke mobilt. En konsekvens av dette er at det er et større behov for infrastruktur på havbunnen. Men dette kan gi muligheten for å skape en løftesentral for flere mindre felt. En mulighet med en slik sentral er at en kan samle ressuser som trengs for undervanns sørvis.
Hammerfest ble valgt som logistikk havn for operasjonen og har en seilings avstand på circa 616 kilometer fra Lokeslottet. Det ble antatt en uplanlagt mobilsering av et skip med last vil ta fem dager til det er på plass ved Lokeslottet. Dette ble brukt til estimat av uplanlagt nedetid. En observasjon av dette var at det å ikke ha deler, utstyr eller personell tiljengelig ved behov kan medføre mye ekstra nedetid. For å unngå ikke planlagt nedetid kan det være lurt å bruke tilstandovervåkning til å overvåke tilstanden på installert utstyr, slik at nødvendig vedlikehold kan bli utført ved planlagte stans.
FMECAen endte med 106 feilmoduser, den mest kritiske feilen var utmatting i "slurry pipe". Noen flere feil er vurdert i diskusjonsdelen. Flere frekvensestimater og nedetidsestimater er hentet fra "OREDA 2015 subsea equipment reliability handbook". Hvor overførbare pålitlighetsdataene er til undersjøisk gruvedrift er uvisst, men det er en av få tiljengelige åpne pålitlighetsdatabaser. Det er lite data å sammenligne resultatene i FMECAen med, så en validering av disse resultatene var ikke mulig.
Til videre arbeid er det foreslått å utføre et mer detaljert design slik at et skikkelig grundighetstudie kan utføres, et videre studie i å bruke en riser kollektivt til løfting fra flere felt og se på hvilken størrelse på avsetningene som er av interesse. In the deep sea there are deposits that can contain large volumes of high-grade ore containing minerals and metals used in new renewable energy technology. A boost in the demand for these metals are expected to increase due to focus towards the green energy transition.
Mid ocean spreading ridges are often associated with hydrothermal vents, that can accumulate significant Seafloor Massive Sulphide (SMS) deposits, due to the stable conditions allowing for long-lived venting activity. Metals are also found in polymetallic nodules, metal-rich crusts and as rare-earth elements (REE).Norway has sovereignty of a part of the northern Mid-Atlantic Ridge, where hydrothermal vents and SMS deposits are confirmed.
A technical challenge of extracting minerals from deep waters (800-5000 meters) is to lift the ore from the seabed to the surface. The current state-of-the-art lifting systems consists of a riser hanging off the production vessel and utilises a submersible pump to lift the slurry to the surface vessel. A limitation of this design is that it cannot be operated during harsh environmental conditions, like in the arctic.
This thesis consists of a conceptual design study of a lifting system suitable for arctic environments. The design is based on a literature review and an evaluation of this design by the use of a Failure Modes Effects and Criticality Analysis (FMECA). The design was limited to slurry lifting, where the slurry enters the system premixed with seawater delivered by a flexible jumper. The goal of the FMECA is to expose the most critical components in the design. The main focus of the FMECA has been towards the operational phase and the possibilities for maintenance and rough downtime estimates. There has not been a detailed design of the suggested system, more an exploratory study of the possible concepts. Due to this lack of detail there are no detailed dimensions and economic estimates.
The final suggested design is a hybrid riser configuration, standing on the seabed and connected to the surface vessel by a flexible jumper. The slurry is lifted by the use of a positive displacement pump, powered by the pressurised return water of the slurry. This concept decouples the riser from the motions of the surface vessel, but the riser is stationary. A consequence of this is that more bottom infrastructure is needed as a field expands, but this also opens up for new possibilities; a central lifting hub serving several smaller fields and the hub can host several subsea service capabilities.
Hammerfest was the harbour of choice as the logistics harbour. It is a town located on the Norwegian mainland and has approximately 616 km sailing distance to the sites along the northern Mid-Atlantic Ridge where hydrothermal vents and SMS deposits are confirmed. It is assumed it will take five days for an unplanned mobilisation of a vessel to deliver goods.This was used to estimate downtime. A conclusion from this exercise was that the logistics of the operations are important, and the potential wait of lacking spares, equipment or personnel can lead to serious extensions to unplanned downtime.To avoid unplanned downtime it is important to monitor the state of the equipment used. The tools for data assisted condition monitoring can be helpful to track the degradation of the monitored equipment and one can perform preventive maintenance on the degraded equipment during the planned maintenance cycles.
The FMECA resulted in 106 failure modes and the most critical component was the slurry pipe failing due to fatigue. A few selected failures are selected for the discussion. Some of the frequency estimates and repair time estimates was selected from the OREDA 2015 subsea equipment reliability data handbook. The true match of the reliability data is uncertain, but this is one of the few available offshore reliability databases. The focus of the FMECA was mainly towards technical failures, resulting in downtime due to repair and some failures due to environmental spillages.There are little data to compare the results with and one is unable to check the validity of these results.
For further work it is suggested to complete a more detailed design to check technical feasibility, and to explore the use of a collective lifting hub further to see what size deposits are of interest.