温室効果ガス排出量を削減するための複合パイプの全国ネットワークを構築する

Oct 31, 2023

パイプライン65,000マイル：プリンストン大学の調査によると、これは2050年までに経済全体の実質ゼロ排出を達成するために必要な距離であるという。 米国は、インフラ投資・雇用法とインフレ抑制法によって奨励され、水素と二酸化炭素を輸送するための広大なパイプラインのネットワークを建設しようとしている。 しかし、一般的な鋼製パイプラインによって生成されるライフサイクル排出量は、平方フィートあたり 27.35 kg 二酸化炭素当量です。 これは、65,000マイル走行すると、鋼鉄パイプラインインフラだけで約940万メガトンの二酸化炭素換算（年間200万台以上の乗用車に相当）が生成されることを意味する。

複合材料で作られたパイプラインは、排出量を削減するための 1 つの手段を提供します。 複合パイプは、さまざまな材料の複数の層で構成されています。通常、主構造層としての熱可塑性ポリマーと、強度と剛性を高めるための繊維や粒子状充填剤などの強化材が使用されます。 一部のタイプのライフサイクル排出量は、一般的な鋼鉄パイプラインよりも 3 分の 1 近く少なくなります。 アプリケーションによっては、複合パイプラインの方が安全で安価になる場合があります。 しかし、パイプライン危険物安全局（PHMSA）の下で複合パイプの許可を発行するプロセスは鋼よりも時間がかかり、水素と超臨界二酸化炭素については、業界には規制基準がまったくありません。 パイプラインのインフラ保護および安全性の向上（PIPES）法の再認可は、排出量の少ない新しいパイプライン技術に関する政策を見直す絶好の機会となります。

米国はクリーン エネルギー建設ブームの瀬戸際にあり、風力や太陽エネルギーをはるかに超えて、水素と炭素回収を利用したインフラストラクチャーにまで拡大しています。 このポンプには、インフラ投資・雇用法の実証プロジェクトまたは「ハブ」に210億ドルが投入され、実証プロジェクトにさらに70億ドル、インフレ抑制法に基づく少なくとも3,690億ドルの税額控除によって強化されている。 議会はパイプラインが重要なコンポーネントであることを認識し、二酸化炭素輸送インフラ金融・イノベーション法（CIFIA）に基づいて21億ドルの融資と補助金を提供した。

米国はパイプラインが縦横に張り巡らされています。 約 330 万マイルにわたる主に鋼鉄のパイプラインが、毎年数兆立方フィートの天然ガスと数千億トンの液体石油製品を輸送しています。 二酸化炭素の輸送に使用されるのははるかに少ない 5,000 マイルであり、水素専用に使用されるのは 1,600 マイルのみです。 調査によると、既存のパイプライン ネットワークは必要なものには程遠いようです。 Net Zero America によると、2050 年までに米国経済全体の実質ゼロ排出を達成するには、回収した二酸化炭素を輸送するために約 65,000 マイルのパイプラインが必要となる。また、この研究では、国内で水素を輸送するために数千マイルのパイプラインが必要であることも明らかになった。各地域。

鋼からパイプを製造することは炭素集約的なプロセスであり、鉄鋼製造は一般に世界の温室効果ガス排出量の 7 ～ 9 パーセントを占めています。 エネルギー効率の向上、排出される二酸化炭素の回収と貯蔵、再生可能エネルギーと組み合わせたスクラップ鉄鋼のリサイクル、低排出水素の使用などにより、鉄鋼（つまり「グリーンスチール」）から発生する排出量を削減する取り組みが継続的に行われています。 ただし、これらの緩和戦略の多くではコストが大きな課題となります。 2050 年までに世界の鉄鋼資産をネットゼロ互換技術に移行するための推定コストは 2,000 億ドルで、これに単純に需要の増加に対応するためのベースライン平均年間 310 億ドルが追加されます。

ネットゼロの未来を実現するには膨大なパイプラインのネットワークが必要であることを考えると、複合パイプの使用拡大は米国にとって二酸化炭素排出量を削減する大きな機会となる。 複合材料は耐食性が高く、軽量で柔軟性があり、流量が向上します。 これは、複合材料で作られたパイプラインは鋼製パイプラインよりも耐用年数が長く、メンテナンスの必要性が少ないことを意味します。 複合パイプは、設置時間が 4 倍速く、設置にかかる労働力は 3 分の 1 で、運用コストは大幅に削減されます。2 技術の進歩により、これらの材料の信頼性とコスト効率が向上するため、複合パイプの使用は今後も増加すると予想されます。 。

業界が持続可能性の向上を目指す中、複合パイプの使用も拡大しています。 私たちは、高密度ポリエチレンやポリ塩化ビニルなどの熱可塑性材料を溶融し、それを金型に押し込んで連続チューブを作成する押出成形と呼ばれるプロセスによって製造される熱可塑性プラスチックパイプのライフサイクル分析を実行しました。 その後、チューブを必要な長さに切断し、端に継手を取り付けて完全なパイプラインを作成します。 熱可塑性プラスチックパイプからのライフサイクル排出量は 6.83 kg 二酸化炭素 eq/ft で、同等の長さの鋼管のライフサイクル排出量 27.35 kg 二酸化炭素 eq/ft よりも約 75% 低いことがわかりました。

これらの推定値には、漏れの潜在的な差異は含まれていません。 具体的には、複合パイプは連続構造を備えているため、より長いパイプ部分の製造が可能になり、その結果、接合部や溶接部が少なくなります。 対照的に、金属パイプは製造プロセスの制限により、より短いセクションで製造されることがよくあります。 これは、各セクションを接続するためにより多くの接合部や溶接が必要になることを意味し、漏れやその他の問題のリスクが高まる可能性があります。 さらに、米国の鋼鉄パイプラインの約半数は使用後 50 年を超えており、漏洩の可能性とメンテナンス費用が増加しています 3。 複合パイプのもう 1 つの利点は、鋼鉄パイプラインを通して引き抜くことができるため、老朽化し​​た鋼鉄パイプラインを輸送に再利用できることです。さまざまな資材を使用できると同時に、新しい通行権や関連する許可の必要性も軽減されます。

複合材料を使用する利点にもかかわらず、超臨界二酸化炭素 4 と水素の輸送を安全に許可するための規格はまだ開発されていません。 連邦レベルでは、パイプラインの安全性は運輸省のパイプライン危険物局 (PHMSA) によって管理されています。5 エネルギーおよびその他の危険物の安全な輸送を確保するために、PHMSA は国家政策を確立し、基準を設定および施行し、教育し、研究を実施しています。事件を防ぐために。 超臨界二酸化炭素を鋼管で輸送するための規制基準はあります6。しかし、水素や二酸化炭素を超臨界液体、気体、または亜臨界液体の状態で輸送するための複合管の基準はありません。

タイプに関係なく、パイプラインの設置は困難な場合が多いため、既存のインフラストラクチャを再利用することが重要です。 天然ガスパイプラインや一部の石油パイプラインは、天然ガス法や州際通商法などの連邦法に基づく重要な領域の規定を援用することができるが、水素と二酸化炭素のパイプラインにはそのような連邦当局は存在しない。 一部の州では、特定の法律が二酸化炭素パイプラインの重要な分野に取り組んでいます。 これらの法律は通常、著名なドメインに関する訴訟の開始、不動産所有者に支払われる補償額の決定、および著名なドメインに関連する紛争の解決のための手順を確立します。 しかし、アイオワ州などの州では、保留中の二酸化炭素パイプラインに著名な所有権を付与する州当局の使用を制限する取り組みが現在進行中である。 著名な分野における課題は、既存のパイプラインを二酸化炭素と水素の輸送に再利用できる技術によってもたらされる機会を浮き彫りにしています。

低排出材料を使用しながら、二酸化炭素と水素のパイプラインの広大なネットワークを構築するにはどうすればよいでしょうか?

提言 1. 複合パイプを使用して水素と超臨界二酸化炭素を輸送するための安全基準を策定する。

PHYMSA、業界、および関心のある利害関係者は、複合パイプを使用して水素と超臨界二酸化炭素を輸送するための安全基準を開発するために協力する必要があります。 規格がなければ、複合パイプの使用を許可する道はありません。 この協力は、2020年にミシシッピ州サルタルティアで発生した事故を受けてPHMSAが二酸化炭素輸送基準を更新するという最近の発表を行ったことに関連して行われる可能性がある。

理想的には、許可証は特別な許可証 (例: 49 CFR § 195.8) としてではなく、PHMSA の通常のプロセスを使用して発行できます。 規格の策定には数年かかるため、エネルギー省が資金提供する水素ハブや二酸化炭素回収実証プロジェクトで複合パイプを使用できるように、規格設定プロセスを開始することが重要です。

この点では欧州が米国に先んじており、現在、船級会社DNVが水素輸送に熱可塑性プラスチックパイプを使用するコストとリスクを検討する業界共同プロジェクトに取り組んでいる。 この取り組みは、現在水素インフラの基準を改訂している欧州連合の規制当局に情報を提供することになる。 欧州クリーン水素アライアンスは最近、非金属パイプの基準を設定することを明確に推奨する「水素標準化に関するロードマップ」を採択しました。 実行可能な範囲で、基準が同様であれば、米国製品の輸出市場に利益をもたらすでしょう。

推奨事項 2. 鋼製パイプラインを改修するための許可プロセスを合理化します。

議会は国家環境政策法（NEPA）に基づく法的例外規定を制定することで、鋼管の改修を合理化すべきである。 NEPA は連邦政府機関に対し、環境に重大な影響を与える可能性のある行動を評価することを義務付けています。 カテゴリ除外 (CE) は、環境に重大な影響を及ぼさないと判断された行動のカテゴリであり、そのため、続行する前に環境評価 (EA) や環境影響報告書 (EIS) を必要としません。 CE は数日以内に処理できるため、対象となるアクションの審査が迅速化されます。

CE プロセスにより、連邦政府機関は、環境に重大な影響を与える可能性が低い行為に対して EA または EIS を準備する時間と費用を回避できます。 CE は多くの場合、政府機関の規則制定を通じて設立されますが、議会によって「立法 CE」として設立されることもあります。 例には、小規模な建設活動、日常的なメンテナンスと修理活動、土地の譲渡、調査とデータ収集が含まれます。 ただし、行為が CE カテゴリーに該当する場合でも、当局はさらなる分析を必要とする異常な状況がないことを確認するためにレビューを実施する必要があります。

クリーンテクノロジーインフラの導入が緊急であることを考慮すると、議会は連邦政府機関に対し、鋼管が複合管を使用して改修される場合にカテゴリー的除外を適用する権限を与えるべきである。 このような状況では、プロジェクトは既存のパイプライン用地を使用しており、追加の環境への影響は、たとえあったとしてもほとんどないはずです。 環境影響のリスクの大幅な変化などの異常な状況が発生した場合、連邦機関はEAまたはEISに基づいてプロジェクトを評価することができます。 CE は、安全基準やその他の適用される実体法の見直しを不要にするものではなく、単に NEPA に基づく手順分析を適切に調整するだけです。

提言 3. PIPES 法の再認可中に複合パイプの政策枠組みを改善する機会を模索する。

議会が2020年のパイプラインインフラの保護と安全性の強化（PIPES）法の再承認を開始する際に、前述の両方のアイデアを考慮する必要があります。パイプラインの安全性の改善の中でも特に、PIPES法は2023年度までPHMSAを再承認しました。 議会がPHMSAの次期再認可法案の策定に着手する今、複合パイプがエネルギー転換を加速する可能性を含め、業界の現状を見直す絶好の機会となっている。

推奨事項 4. 実証プロジェクトに資金を提供する際には、建設資材の埋め込み排出を考慮する。

クリーン エネルギー デモンストレーション局は、資金提供のためのプロジェクトを評価する際に、建設資材の埋め込み排出を考慮する必要があります。 建設資材の埋め込み排出を考慮する計画のある申請者は、選考プロセスで追加の重みを受け取る可能性があります。

提言 5. 複合材料の研究開発を支援する。

複合材料は、パイプラインだけでなく、他の多くの用途でも利点をもたらします。 エネルギー効率・再生可能エネルギー局（EERE）は、ライフサイクル排出量を改善しながら複合パイプの特性をさらに高めるための研究を支援すべきである。 鉄鋼とコンクリートの排出強度を下げるための継続的な取り組みに加えて、EEREはパイプラインやその他の用途向けの代替複合材料の技術革新を支援する必要がある。

最近の法律は、次世代のクリーン エネルギー インフラの建設を促進するものであり、資金調達により、温室効果ガスのライフサイクル排出量が少ない建設資材を導入する機会も生まれます。 高排出プロセスを使用してパイプラインの広大なネットワークを構築すると、法律の目標が損なわれるため、これは重要です。 しかし、規制法は複合材料を使用するための道筋を提供していないため、依然として障害となっています。 PHMSAと業界は必要な安全基準を策定するための議論を開始すべきであり、議会は業界と規制当局の両方と協力して鋼鉄パイプラインを改修する際のNEPAプロセスを合理化する必要がある。 米国が水素と炭素の回収、利用、貯蔵ネットワークの建設を開始する中、PIPES法の再認可は排出量を大幅に削減する絶好の機会となる。

2 種類のパイプを比較しました。4 インチ API 5L X42 金属パイプと 4 インチ Baker Hughes 非金属次世代熱可塑性フレキシブル パイプです。 この分析は、Baker Hughes が開発し、当社の製品およびサービスからの炭素排出量を定量化するために独立した審査員によって認定された独自の Web アプリケーションである FastLCA を使用して実施されました。 さまざまな材料およびプロセスの排出係数は、世界平均の ecoinvent 3.5 データベースに基づいています。

鋼管と同様に、複合管を使用した水素と二酸化炭素の輸送には、慎重に管理し軽減する必要がある特定の安全上のリスクが伴います。

これらの安全リスクを軽減するには、適切なテスト、検査、メンテナンス手順を導入する必要があります。 さらに、圧力と温度の制限の厳守や発火源を防ぐための注意事項など、適切な取り扱いおよび輸送手順に従う必要があります。 最後に、輸送中に発生する可能性のある事故に対処するための緊急対応計画を策定し、実施する必要があります。

API 仕様 15S、スプール可能な強化プラスチック ライン パイプは、陸上用途での柔軟な複合パイプの使用をカバーしています。 この規格は二酸化炭素の輸送には対応しておらず、PHMSA の規制には組み込まれていません。

API 仕様 17J、非結合フレキシブル パイプの仕様では、オフショア用途でのフレキシブル複合パイプの使用について説明しています。 15S と同様に、二酸化炭素の輸送には対応しておらず、PHMSA の規制には組み込まれていません。

HDPE パイプは、給水、排水システム、ガスパイプライン、産業プロセスなどの用途で一般的に使用されており、柔軟性、設置の容易さ、メンテナンス要件の低さの点で複合パイプと同様の利点があります。 シームレスな接合部を作るように組み立てることができるため、漏れのリスクが軽減されます。 API SPEC 15LE に従って、鋼管をライナーとして改造するために使用することもできます。

HDPE パイプは、PHMSA によって 49 CFR Part 192 に基づいて天然ガスを輸送することが承認されています。ただし、一般的な動作圧力 (例: 100 psi) は複合パイプよりも大幅に低くなります。 複合パイプと同様に、水素と二酸化炭素の輸送に関する規格はありませんが、HDPE パイプは圧力限界が低いため、炭素の回収や貯蔵での使用にはあまり適していません。

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