Costs, safety and uncertainties of CO2 infrastructure ...

359
  Costs, safety and uncertainties of CO 2 infrastructure development  

Transcript of Costs, safety and uncertainties of CO2 infrastructure ...

 

 

Costs,  safety  and uncertainties of CO2  infrastructure development  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This  research  was  conducted  under  the  auspices  of the  Graduate  School  for  Socio‐Economic and Natural Sciences of the Environment (SENSE). 

The research presented  in this dissertation has been carried out at Utrecht University  in the context of  the CATO‐2 program. CATO‐2  is  the Dutch national  research program on CO2  capture  and  storage  (CCS).  The  program  is  financially  supported  by  the  Dutch government (Ministery of Economic Affairs) and the CATO‐2 consortium partners.   Cover design: Aukje’s Studio   Printed by: proefschriftmaken.nl   Published by: Uitgeverij BOXPress, ‘s‐Hertogenbosch  ISBN: 978‐90‐393‐6387‐4 

 

 

 

 

 

Costs, safety and uncertainties of  CO2 infrastructure development  

 

 

Kosten, veiligheid en onzekerheden van  CO2 infrastructuur ontwikkeling (met een samenvatting in het Nederlands) 

  

  

Proefschrift 

 

ter verkrijging van de graad van doctor aan de Universiteit Utrecht 

 op gezag van de rector magnificus, prof. dr. G.J. van der Zwaan,  

ingevolge het besluit van het college voor promoties 

 in het openbaar te verdedigen op  

vrijdag 4 september 2015 des ochtends te 10.30 uur 

 

 

 

door 

Marlinde Marissa Jasmijn Knoope 

geboren op 7 november 1986 te Helvoirt 

 

 

 

 

Promotor: Prof.dr. A.P.C. Faaij 

Copromoter: Dr. C.A. Ramírez    

 

Table of Contents  Chapter 1: Introduction ................................................................................................. 1 

  Climate change and the role of carbon dioxide capture and storage .................. 1 1.1  Carbon dioxide capture and storage .................................................................... 3 1.2  The role of CO2 transport and main knowledge gaps .......................................... 4 1.3

  Costs of CO2 transport ..................................................................................... 6 1.3.1  Configurations for CO2 transport ..................................................................... 7 1.3.2  Risk and safety considerations ........................................................................ 9 1.3.3

  Objectives and research questions .................................................................... 10 1.4  Outline of the thesis ........................................................................................... 11 1.5  References ......................................................................................................... 12 1.6

 Chapter 2: A state‐of‐the‐art review of techno‐economic models predicting the costs of  CO2 pipeline transport ................................................................................................. 19 

  Introduction ....................................................................................................... 21 2.1  Methodology ...................................................................................................... 23 2.2  CO2 properties for pipeline transport ................................................................ 26 2.3  Review of cost models in literature ................................................................... 27 2.4

  Models for capital costs of CO2 pipelines ‐ state‐of‐the‐art review .............. 29 2.4.1  Models for O&M costs of pipelines ............................................................... 39 2.4.2  Models for capital costs of pumping stations ................................................ 39 2.4.3  Models  for  energy  consumption,  energy  costs  and  fixed  O&M  costs  of 2.4.4

pumping stations ........................................................................................................ 40   Evaluating the economic pipeline and pumping station cost models ................ 42 2.5

  Evaluation of pipeline cost models ................................................................ 42 2.5.1  Regional differences ...................................................................................... 46 2.5.2  Analysis of results for pipeline capital costs .................................................. 48 2.5.3  Analysis of results for pipeline O&M costs .................................................... 49 2.5.4  Analysis of results for the capital cost models of pumping station ............... 51 2.5.5  Analysis of  results  for O&M costs, energy consumption and  levelized costs 2.5.6

for pumping stations ................................................................................................... 52   Review of pipeline diameter models applied in literature ................................. 53 2.6

  Comparison of diameter models ................................................................... 55 2.6.1  Sensitivity analysis ......................................................................................... 61 2.6.2

  Identification  of  characteristics  for  cost  models  best  suited  for  specific 2.7applications ......................................................................................................................... 62 

  General costs comparison of CCS with other technologies ........................... 63 2.7.1  System analysis over time ............................................................................. 65 2.7.2

  Conclusions ........................................................................................................ 65 2.8  Knowledge gaps ................................................................................................. 67 2.9  References ......................................................................................................... 69 2.10

 

Table‐of‐contents 

vi 

 

Chapter 3: Improved cost models for optimizing CO2 pipeline configuration for point‐to‐ point pipelines and simple networks ............................................................................ 77 

  Introduction ....................................................................................................... 78 3.1  CO2 properties for pipeline transport ................................................................ 80 3.2  Description of the cost minimization process .................................................... 81 3.3

  Cost minimization of one pipeline in a single type of terrain ........................ 83 3.3.1  Cost minimization of a pipeline crossing different types of terrain .............. 86 3.3.2  Feeders to and distribution pipelines from the trunkline ............................. 89 3.3.3  Timing ............................................................................................................ 90 3.3.4

  Development of cost models for CO2 transport ................................................. 91 3.4  Pipeline .......................................................................................................... 91 3.4.1  Compressor .................................................................................................... 94 3.4.2  Pumping stations ........................................................................................... 96 3.4.3

  Results ................................................................................................................ 97 3.5  Pipeline cost model ....................................................................................... 97 3.5.1  Cost minimization of point‐to‐point pipelines ............................................... 99 3.5.2  Pipeline crossing different types of terrain ................................................. 102 3.5.3  Simple network approach ............................................................................ 103 3.5.4  Timing aspects ............................................................................................. 108 3.5.5  Implications of the system boundaries ........................................................ 109 3.5.6  Sensitivity analysis ....................................................................................... 111 3.5.7

  Conclusion ........................................................................................................ 114 3.6  References ....................................................................................................... 116 3.7

 Chapter 4: The  influence of risk mitigation measures on the risks, costs and routing of  CO2 pipelines ............................................................................................................. 121 

  Introduction ..................................................................................................... 122 4.1  Methodology and data ..................................................................................... 124 4.2

  Optimal configuration of specific case studies ............................................ 124 4.2.1  Dispersion and consequences of a CO2 release ........................................... 128 4.2.2  Locational and societal risk .......................................................................... 130 4.2.3  Failure frequency of base scenario .............................................................. 132 4.2.4  The influence of risk mitigation measures on costs and failure frequency . 135 4.2.5  Analyzing the consequences of risks on the routing and costs of pipelines 140 4.2.6

  Results .............................................................................................................. 144 4.3  Optimization process ................................................................................... 144 4.3.1  Pipeline costs and failure frequency with additional mitigation measures . 144 4.3.2  Lethality distances ....................................................................................... 146 4.3.3  Locational risk .............................................................................................. 147 4.3.4  Implementation of risk mitigation measures or rerouting .......................... 148 4.3.5  Implication of societal risk contours ............................................................ 153 4.3.6  Vertical versus horizontal release ................................................................ 153 4.3.7

  Discussion ......................................................................................................... 156 4.4  Conclusions ...................................................................................................... 157 4.5

Table‐of‐contents 

vii 

 

  References ....................................................................................................... 158 4.6 Chapter  5:  Investing  in  CO2  transport  infrastructure  under  uncertainty: A  comparison  between ships and pipelines ...................................................................................... 165 

  Introduction ..................................................................................................... 166 5.1  Real option theory ........................................................................................... 168 5.2  CO2 transportation chains ................................................................................ 168 5.3  Method ............................................................................................................ 171 5.4

  Net present value approach ........................................................................ 171 5.4.1  Real option approach ................................................................................... 172 5.4.2

  Input data for the case study ........................................................................... 176 5.5  Case study .................................................................................................... 179 5.5.1  Pipeline design and costs ............................................................................. 181 5.5.2  Ship design and costs ................................................................................... 184 5.5.3

  Results .............................................................................................................. 187 5.6  Pipeline versus ships with the NPV approach .............................................. 187 5.6.1  Pipeline versus ships with real option approach ......................................... 190 5.6.2

  Discussion ......................................................................................................... 197 5.7  Comparison with the literature ................................................................... 197 5.7.1  Limitations of this study .............................................................................. 198 5.7.2

  Conclusions and further research recommendations ...................................... 198 5.8  Conclusions .................................................................................................. 198 5.8.1  Further research recommendations ............................................................ 200 5.8.2

  References ....................................................................................................... 201 5.9 Chapter  6:  The  influence  of  uncertainty  in  the  development  of  a  CO2  infrastructure  network. ................................................................................................................... 209 

  Introduction ..................................................................................................... 210 6.1  Method ............................................................................................................ 212 6.2

  Real option approach ................................................................................... 212 6.2.1  Perfect foresight .......................................................................................... 218 6.2.2

  Case study ........................................................................................................ 219 6.3  Input variables and uncertainties ................................................................ 219 6.3.1  Capture locations and costs ......................................................................... 222 6.3.2  Storage location and costs ........................................................................... 224 6.3.3  Pipeline distances and transportation costs ................................................ 225 6.3.4  Scenarios ...................................................................................................... 226 6.3.5

  Results .............................................................................................................. 227 6.4  Real option approach ....................................................................................... 228 6.5

  Perfect foresight and comparison with the ROA ......................................... 234 6.5.1  Discussion and conclusion ................................................................................ 235 6.6

  Considerations regarding the ROA and PF model ....................................... 236 6.6.1  Summary and discussion of main results ..................................................... 236 6.6.2  Policy implications and recommendations .................................................. 238 6.6.3

Table‐of‐contents 

viii 

 

  Research recommendations ........................................................................ 238 6.6.4  References ....................................................................................................... 239 6.7

 Chapter 7: Summary, conclusions and recommendations ........................................... 245 

  Background ...................................................................................................... 245 7.1  Objective and research questions .................................................................... 246 7.2  Summary of the findings per chapter .............................................................. 246 7.3  Answering the research questions ................................................................... 250 7.4  Final remarks .................................................................................................... 255 7.5  Key research and policy recommendations ..................................................... 256 7.6  References ....................................................................................................... 257 7.7

 Chapter 8: Samenvatting, conclusies en aanbevelingen .............................................. 261 

  Achtergrond ..................................................................................................... 261 8.1  Doelstelling en onderzoeksvragen ................................................................... 262 8.2  Samenvatting van de resultaten per hoofdstuk ............................................... 262 8.3  Beantwoording van de onderzoeksvragen ...................................................... 267 8.4  Slotopmerkingen .............................................................................................. 273 8.5  Belangrijkste onderzoeks‐ en beleidsaanbevelingen ....................................... 274 8.6

 Chapter 9: Annexes ................................................................................................... 277 

  Chapter 2 .......................................................................................................... 277 9.1  Annex A: Constants and detailed cost data ................................................. 277 9.1.1

  Chapter 3 .......................................................................................................... 284 9.2  Annex B: Additional equations .................................................................... 284 9.2.1  Annex C: Verification of diameter and thickness model.............................. 285 9.2.2  Annex D: Compression costs of FEED studies and vendor quotations ........ 291 9.2.3  Annex E: Effect of a different MAOP. .......................................................... 291 9.2.4  Annex F: Additional results point‐to‐point pipelines ................................... 292 9.2.5  Annex G: Additional results sensitivity analysis ........................................... 294 9.2.6

  Chapter 4 .......................................................................................................... 309 9.3  Annex H: EFFECTS and RISKCURVES ............................................................ 309 9.3.1  Annex I: Additional literature review and results ........................................ 314 9.3.2

  Chapter 6 .......................................................................................................... 320 9.4  Annex J: Objective function and constraints for perfect foresight model ... 320 9.4.1  Annex K: Compression costs ........................................................................ 323 9.4.2  Annex L: Intermediate results from the real option approach .................... 324 9.4.3  Annex M: Detailed results from the perfect foresight model ..................... 339 9.4.4

  References ....................................................................................................... 340 9.5 Dankwoord ............................................................................................................... 345 Curriculum Vitae ........................................................................................................ 347 Sense certificate  ....................................................................................................... 348 

ix 

 

Abbreviations and units 

ABEX  Abandonment expenditures Bio‐CCS  Bio‐energy combined with CCSCAPEX  Capital expenditures CCGT  Combined cycle gas turbineCCS  Carbon dioxide capture and storage CHP  Combined heat and powerCO2  Carbon dioxideCRF  Capital recovery factorDECC  British Department of Energy and Climate Change EGIG  European gas pipeline incident data groupEIA  Energy Information AdministrationEOR  Enhanced oil recoveryEU  European UnionFEED  Front end engineering designFERC  U.S. Federal Energy Regulatory CommissionGBM  Geometric Brownian motionGCCSI  Global CCS instituteGEA  Global energy assessmentGJ  Giga‐JouleGt  Giga‐tonneGWh  Gigawatt‐hourID  Inner diameterIEA  International Energy AgencyIEA GHG  International Energy Agency Greenhouse Gas Research and Development 

Programme IPCC  International Panel of Climate Changekg  kilogramskJ  kilo Jouleskm  kilometerkt  kilotonnekW  kilowattkWh  kilowatt‐hourLC  Levelized costsLHV  Lower heating valueLSMC  Least squares Monte Carlo approach M€  Million EuroMAOP  Maximum allowable operation pressureMILP  Mixed integer linear programmingmm  millimeterMPa  Mega PascalMt  MegatonneMW  Megawatt

Abbreviations and units 

 

MWh  Megawatt‐hourNGCC  Natural gas combined cycleNIMBY  Not in my backyardNPS  Nominal pipe sizeNpumps  Number of pumping stationsNPV  Net present valueO&M  Operation and maintence OD  Outer diameterOECD  Organisation for Economic Co‐operation and DevelopmentOPEX  Operational expenditures PC  Pulverized coal power plant PF  Perfect foresightPHMSA  Pipeline and hazardous materials and safety administrationPinlet  Pressure inlet of the pipeline Poutlet  Presure outlet of the pipeline ppmv  Parts per million volumeptp  Point‐to‐point QRA  Quantitative risk assessmentRIVM  Dutch National Institute for Public Health and the Environment ROA  Real option approachROW  Right‐of‐wayRRR  Reasonable rate of returnTrunk  TrunklineU.S. or USA  United States of AmericaUCCI  Upstream capital cost indexUK  United KingdomUKOPA  United Kingdom Onshore Pipeline Operator’s AssociationUNFCC  United Nation Framework Convention on Climate ChangeZEP  European Technology Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power Plants  ΔP  Pressure drop

 

 

Chapter 1: Introduction 

Climate  change  and  the  role  of  carbon  dioxide  capture  and 1.1storage  

One of  the major  challenges  for  the  coming  century  is  to  limit drastic  climate  change. According to the International Panel of Climate Change, warming of the climate system is unequivocal (IPCC, 2013). First signals of climate change are already visible, the amounts of  snow and  ice  in  the Northern Hemisphere have diminished, atmosphere and oceans have warmed up, and sea level has risen since 1950 (IPCC, 2013). Especially, the speed of the  observed  changes  is  unprecedented,  if we  look  to  previous  decades  and millennia (IPCC, 2013).  

To  avoid  dangerous  climate  change,  the  parties  of  the  United  Nation  Framework Convention on Climate Change (UNFCC) agreed that long‐term global temperature should not  rise beyond 2°C  above pre‐industrial  levels  (UNFCCC, 2011).  It  is  estimated  that  to reach this 2°C target, CO2 emissions in the atmosphere have to stabilize at a level of 450 parts per million volume  (ppmv)  (IEA, 2013;  Johansson et al., 2012). Nowadays,  the CO2 concentration in the atmosphere is about 400 ppmv, which corresponds to an increase of 40%  compared  to  pre‐industrial  levels  (IPCC,  2013).  It  is  estimated  that  to  reach  the 450 ppmv  target, a maximum of 1,000 Gt of CO2  could be emitted  from 2014 onwards (IEA, 2014b). This  implies that global CO2 emissions should peak around 2020, at a  level only marginally higher than today (IEA, 2014b; Riahi et al., 2012). From then onwards, CO2 emissions should be reduced significantly. 

Different  options  are  available  to  limit  CO2  emissions,  like  renewable  energy  sources (wind, solar, hydro, etc.), energy efficiency measures, switching to lower carbon intensive fuels (gas or nuclear energy) and applying carbon dioxide capture and storage (CCS). With CCS,  CO2  is  prevented  to  be  emitted  into  the  atmosphere.  Consequently,  a  higher percentage  of  the  world’s  indicated  fossil  fuel  reserves  could  be  exploited  without exceeding the estimated 1,000 Gt CO2 that can be emitted from 2014 onwards to reach the 450 ppmv target. It is estimated that the current world’s indicated fossil fuel reserves are  equivalent  to  about  2,860 Gt CO2, which means  that  a  large  part of  the  fossil  fuel reserves  cannot  be  used,  the  so‐called  ‘stranded  assets’  (Leaton  et  al.,  2013).  CCS  can reduce the amount of ‘stranded assets’ with about 125 GtCO2 up to 2050, which is a 13% increase of the carbon budget (Leaton et al., 2013).  

Most studies agree that a portfolio of CO2 mitigation options are simultaneously needed to reach the required reduction of CO2 emissions (Bruckner et al., 2014; Edenhofer et al., 2010; European Commission, 2011;  IEA, 2013;  IEA, 2014a; Riahi et al., 2012). Figure 1.1 shows a possible pathway to reach the 450 ppmv target as reported in a recent study of the International Energy Agency (IEA). In this portfolio, 14% of the cumulative reduction is realized by CCS in 2050 (IEA, 2014a). Also other studies indicate an important role for CCS. For instance, in the Global Energy Assessment (GEA) report, it is estimated that when CCS is deployed, 9%‐38% of the primary energy mix could be coupled with CCS in 2050 (Riahi 

Chapter 1 

 

et al., 2012). Similar percentages of 9%‐53%, with an average of 31%, are projected  in a comparison of 18 different integrated assessment models (Koelbl et al., 2014).  

If CCS technology is not available, the estimated costs of realizing strong reductions in CO2 emissions will  increase. Compared to any other single mitigation technology, the  lack of availability of CCS  is most  frequently  associated with  the most  significant  cost  increase (Clarke et al., 2014; Edenhofer et al., 2010; Krey et al., 2014; Riahi et al., 2012; Tavoni et al.,  2012).  For  instance,  it  is  indicated  in  the  GEA  report  that  the  cumulative  energy investment over the period 2010‐2050 will increase with about 11‐22% if CCS technology is not available (Riahi et al., 2012).  

Furthermore,  the 450 ppmv  target becomes more difficult  to  reach  if CCS  technology  is not available, especially  if mitigation actions are postponed. For  instance,  some  studies indicate  that  low  greenhouse  concentrations might not be  attainable  anymore without the presence of large‐scale deployment of CCS, if actions are postponed until 2030 (Clarke et al., 2014; Edenhofer et al., 2010; Riahi et al., 2015). Especially, bio‐energy  combined with CCS  (bio‐CCS) plays a key  role  in many  low‐stabilization  scenarios  (Bruckner et al., 2014). An advantage of bio‐CCS  is that  it can result  in so‐called  ‘net negative’ emissions. Consequently,  in  the  long  term,  bio‐CCS may  compensate  residual  emissions  in  other sectors where CO2 reductions are more costly (Clarke et al., 2014). 

The  largest  CO2  reductions  are  projected  to  be  realized  in  the  power,  industrial,  and transportation  sectors,  see  Figure  1.1.  The  power  sector  is  projected  to  decarbonize almost  completely  by  2050.  This  is  realized  by  increased  efficiency,  large  shares  of renewables, nuclear energy and CCS (IEA, 2014a; Riahi et al., 2012). If CCS is not available, the power  sector  can also achieve  the  required CO2  reduction, but  this would  result  in 40% higher investment costs (IEA, 2012; IEA, 2014a).  

In  the  industrial  sector, CO2 emissions are projected  to be  reduced by using  renewable energy  sources,  implementing  best  available  technologies,  and  adding  CCS  for  both energy and process‐based CO2 emissions (IEA, 2014a; Riahi et al., 2012). CCS is especially an  interesting option  for the  iron & steel, cement, and  (petro)chemical sectors where  is projected  to  capture  about  40%,  34%  and  28%  of  the  sector’s  direct  CO2  emissions  in 2050, respectively (IEA, 2014a).  In total, global CO2 emissions  in the  industrial sector are projected to reduce with 40% in 2050, but if CCS is not available a reduction of only 15% is projected (IEA, 2012; IEA, 2014a). Hence, CCS  is a key technology  in the  industrial sector for achieving deep cuts in its CO2 emissions.  

Reductions in the transportation sector are mainly realized by energy efficiency measures, alternative low carbon fuels, and reduced mobilization demand by compact urban designs (Johansson et al., 2012). Biofuels are projected to increase their share to 20% of the total transportation  fuel mix.  About  one  third  of  the  biofuel  production  is  projected  to  be equipped with CCS  in 2050,  resulting  in negative CO2 emissions of about 1 Gt per year (IEA, 2014a).  

From Figure 1.1,  it can be deduced that considerable amounts of CO2 need to be stored between 2020‐2050 and the amounts are increasing over time. Riahi et al., (2012) indicate 

Introduction 

 

that 55‐250 Gt is projected to be stored up to 2050. At the end of 2013, about 55 Mt CO2 was  stored  in  total  by  four  large  scale  demonstration  projects  and  eight  enhanced  oil recovery projects using anthropogenic CO2 (IEA, 2014a; IEA, 2014b). The IEA indicates that to  reach  a  14%  contribution,  about  100,  1,500  and  3,400  CCS  projects  should  be  in operation in 2020, 2035 and 2050, respectively (IEA, 2009).  

 

Figure 1.1: Projected  contribution  to annual emission  reduction between  the baseline  scenario (heading  to a 6  °C  increase  in global average  temperature) and  the 2°C  scenario  (A) of  several mitigation options and (B) by sector (IEA, 2014a). 

Carbon dioxide capture and storage 1.2

CCS  is a generic  term  for different processes  that capture CO2  from power or  industrial plants  and  subsequently  prevent  its  release  into  the  atmosphere.  Several  capture technologies exist, which are often grouped in three main categories:  

‐ In post‐combustion technologies, the CO2  is extracted from flue gasses. Typically, flue gasses have a  low CO2 concentration  (about 4‐15%) and are  just above atmospheric pressure,  resulting  in  a  low  CO2  partial  pressure.  Due  to  this  low  partial  pressure, chemical  absorption  solvents  are  favored  to  capture  the  CO2.  For  regeneration  of these  kinds  of  solvents,  a  temperature  swing  is  required.  This  implies  that  large amounts of  steam are needed, which  is very energy‐intensive. A main advantage of post‐combustion capture  technology  is  that  it can be retrofitted  in current  industrial and  power  plants without  affecting  the  plant’s  reliability  (IPCC,  2005;  Leung  et  al., 2014; Meerman et al., 2008).  

‐ In  pre‐combustion  technologies,  CO2  is  captured  before  the  fuel  is  combusted.  In practice, this means that the fuel is first combusted with a stream of relatively pure O2 

0

10

20

30

40

50

60

2010 2020 2030 2040 2050

Gt CO2

A

Carbon capture and storagePower generation efficiency and fuel switchingNuclearEnd‐use fuel and electricity efficiencyEnd‐use fuel switchingRenewables

0

10

20

30

40

50

60

2010 2020 2030 2040 2050

Gt CO2

B

IndustryCommercialOther transformationPowerResidentialTransport

Chapter 1 

 

to a synthetic gas mainly consisting of H2 and CO. In a water‐gas shift reactor, the CO reacts with H2O to form CO2 and H2. Subsequently, the CO2 can be captured and the H2 can  be  used  as  a  fuel  or  feedstock. Due  to  the  higher  partial  pressure  of  the  CO2, physical solvents can be used to capture the CO2. Physical solvents can be regenerated with  a pressure  swing, which  is  a  less  energy‐intensive process  than  a  temperature swing (Meerman et al., 2011).  

‐ In oxy‐fuel combustion, the fuel  is combusted with  (almost) pure O2.  In this way, the flue gas is not diluted with nitrogen. After combustion, the flue gas consists mainly of water vapor and CO2. After condensation of  the water vapor, a highly  concentrated CO2 stream is produced. CO2 capture by using oxy‐fuel combustion technologies is still under  development  and  there  is  no  large‐scale  operation  experience  (IEA,  2014a; Leung et al., 2014).  

The  captured  CO2  can  subsequently  be  transported  and  stored  in  different  types  of geological formations: 

‐ (Almost) depleted hydrocarbon reservoirs are considered to be very suitable CO2 sinks as they contained oil and natural gas for millions of years. Additionally, they are very well  studied  and  characterized,  thereby making  storing  capacity  estimations more accurate  than  for  saline  aquifers or  coal  seams  (IPCC,  2005).  If oil  is  still produced, injection of CO2 can mobilize additional oil  resulting  in enhanced oil  recovery  (EOR). EOR  can  (partly)  compensate  the  costs  of  CCS.  The  estimated  storage  potential  of hydrocarbon reservoirs is about 1,000 Gt CO2 (Johansson et al., 2012).  

‐ Deep saline aquifers are carbonate and sandstone formations filled with saline water. These  aquifers  are  often  not  well  explored,  in  contrast  to  hydrocarbon  reservoirs (IPCC, 2005). Hence, the amount of CO2 that could be stored in saline aquifers is very uncertain,  but  worldwide  capacities  of  4,000‐23,000 Gt  have  been  estimated (Johansson et al., 2012). 

‐ Unmineable  coal  seams  are  coal  layers,  which  are  too  thin  or  too  deep  to  be (economically) mined. They often contain large amounts of methane. Injection of CO2 in these layers can displace the methane, which can then be used (White et al., 2005). This process, known as CO2‐enhanced coal bed methane, can (partly) compensate the costs  of  CCS  (Damen  et  al.,  2005;  IPCC,  2005).  The  global  storage  capacity  of unmineable coal seams is estimated to be about 200 Gt CO2 (Johansson et al., 2012).

The role of CO2 transport and main knowledge gaps 1.3

Potential CO2 capture and storage sites are often not located on top of each other. Hence, transportation  between  the  two will  be  needed.  It  is  projected  that  an  extensive  CO2 transportation  network  needs  to  be  constructed  in  the  coming  years.  Currently,  about 6,000‐7,000 km of CO2 pipelines exist, mainly  located  in the United States (U.S.) for EOR purposes  (Mohitpour  et  al.,  2012).  It  is  expected  that  this  should  increase  to  about 100,000 km  in 2030, globally,  if CCS reaches the projected scale of 1.4 Gt CO2 avoided  in 2030  (IEA,  2010).  In  2050,  the worldwide  CO2  network  is  projected  to  increase  to  an estimated  length  of  about  200,000‐550,000 km,  depending  on  the  level  of  integration (IEA, 2010).  In Europe, the CO2  infrastructure network  is projected to range  from 5,000‐

Introduction 

 

15,000 km  in 2030 and from 11,000‐20,000 km  in 2050, depending on the availability of storage  locations and number of CCS units  installed  (Haszeldine et al., 2010; Morbee et al., 2012). To put these figures in perspective, the current European high‐pressure natural gas transmission network is about 235,000 km (Marcogaz, 2011) and around 245,000 km of  pipelines  have  been  installed  for  petroleum  products  in  the  United  States  (Central Intelligence Agency, 2012). It should be stressed that the majority of pipeline networks for petroleum  products  and  natural  gas  were  installed  within  the  last  century,  while  the projected CO2 pipelines should be installed within the coming decades.  

Although there are similarities between natural gas and CO2 pipeline transport, they are not ‘one‐to‐one’ comparable with each other. In box 1.1, an overview  is given of several knowledge gaps  related  to  the  layout or  so‐called  configuration of  the pipeline  system, risk  and  safety  aspects,  design  of  CO2  pipelines,  operation  of  CO2  pipelines,  and  the implications of impurities. These aspects are correlated, for instance, the operation of the CO2  pipeline  is  influenced  by  impurities  in  the  CO2  flow. Many  of  the  knowledge  gaps indicated  in box 1.1 also have an economic  component.  For  instance, multiple pipeline configurations may be possible  from  a  technical point of  view, but only  some of  them would be cost‐effective.  

Box  1.1:  Example  of  knowledge  gaps  related  to  CO2  pipeline  transport  (based  on:  IEA GHG, 2014; Mohitpour et al., 2012; Neele et al., 2013; van den Noort et al., 2010; ZEP, 2010). 

Configuration of the pipeline system  

‐ What is the optimal configuration for CO2 point‐to‐point pipelines and pipeline networks? ‐ In what way is the optimal pipeline configuration influenced by risk and safety considerations? ‐ Under which conditions is oversizing of the pipeline (network) cost‐effective?  ‐ In what way is the optimal pipeline configuration influenced by impurities? 

Risk and safety aspects 

‐ What is the toxicity of CO2? ‐ How does the CO2 disperse if a pipeline failure occurs? ‐ What  are  the  consequences  for  the  design  and  routing  of  CO2  pipelines  if  current  risk 

regulation is applied?  ‐ How can an emergency situation be detected and which procedures should be followed?  

Design of CO2 pipelines  

‐ What are the material requirements to avoid fracture propagation, and if this is not possible in what way should crack arrestors be implemented?  

‐ What are  the availability and  requirements  for valves, seals, etc.,  integrated within  the CO2 pipeline?  

Operation of CO2 pipelines  

‐ What  are  suitable  procedures  for  starting‐up,  venting,  shutting‐down,  and  ‘normal’  CO2 pipeline operation?  

‐ How  can  the  composition  and  operational  conditions  of  the  CO2  be monitored within  the pipeline?  

‐ How do fluctuations in the CO2 flow influence the operation of CO2 pipelines? 

Chapter 1 

 

Implications of impurities 

‐ What are the thermodynamic properties of a CO2 flow containing a mix of impurities?  ‐ In what way do impurities influence the operational envelop of CO2 pipeline transport?  ‐ When does a two‐phase flow arise and what are the consequences of this?  

‐ Which combinations of impurities and water content lead to the formation of free water, and consequently to unacceptable corrosion rates?  

The scope of  this  thesis  focusses on  the optimal configuration of a pipeline system and their economic consequences. The planning and development of a CO2  infrastructure  is significantly influenced by the network configuration. Hence, it is key to provide in‐depth insights into network configurations for different scenarios, which can be used to provide guidance  for  planning  and  developing  a  CO2  transport  infrastructure.  The  optimal configuration may be  influenced by safety and  risk aspects as well as by  impurities, see box 1.1.  In this thesis, the  implications of safety and risk aspects on the pipeline design, routing, configuration and costs are investigated, but the consequences of impurities are not addressed. The reason for this is that at the time this research was carried out, several large  research projects  (like  IMPACTS, CO2QUEST, MATTRAN)  started  to  investigate  the effect  of  impurities  on  the  thermodynamic  properties  of  the  CO2  flow,  design  and operation  of  the  CO2  pipeline  system.  First  outcomes  of  these  research  projects were starting to be published  in 2014 (e.g., (Wetenhall et al., 2014; CO2QUEST, 2014; Eickhoff et al., 2014; Lilliestråle et al., 2014)), but most results are expected  in the coming years. Hence, all results in this study are based on pure CO2 transport.  

In  the  following  three  sections,  the  knowledge  gaps  related  to  the  economics, optimal configuration  of  the  pipeline  system,  and  safety  and  risk  aspects  of  CO2  pipelines  are explained in more detail. 

Costs of CO2 transport  1.3.1

The  economic  feasibility  of  CCS  is  determined  by  the  cost  of  capture,  transport  and storage. The  levelized costs  for CO2  transport are  relatively  low  in comparison with CO2 capture.  For  instance,  CO2  capture  from  power  plants  is  indicated  to  cost  about  42  – 81 €2010/t CO2,  storage  costs  add  about 4 – 10 €2010/t CO2 while  transport over 100  km costs  about  0.4  –  1.5  €/t  CO2  (GCCSI,  2011).  However,  the  importance  of  the transportation costs should not be underestimated. Assumptions about the availability of suitable sequestration sites can lead to a significant increase in pipeline length and thus in costs. For instance, Parfomak and Folger (2008) indicate that for the Midwest of the U.S., the pipeline length can increase by a factor 20 if the Rose Run formation is not available as storage  location.  Furthermore,  the majority of  the CO2  transportation  costs  are  capital costs,  at  least  for  CO2  pipelines, meaning  that  the  upfront  costs  are  large.  Cumulative investments of 15‐37 billion euros are estimated for the development of an European CO2 transport infrastructure until 2050 (Morbee et al., 2012). 

Cost  estimations  for  the  development  of  a  regional,  national  or  continental  CO2 infrastructure network  are based on one of  the  available  cost models  for CO2 pipeline transport available  in  literature. However, many of  these cost models are based on  the 

Introduction 

 

costs of natural gas pipelines constructed in the U.S. (e.g., Chandel et al., 2010; Dahowski et al., 2009; ElementEnergy, 2010; Heddle et al., 2003; McCoy & Rubin, 2008),  thereby ignoring the higher operation pressure of CO2 compared to natural gas pipeline transport. In  addition,  they  ignore  the  fact  that  new  steel  grades  are  under  development, which would  lead  to  a  lower wall  thickness  and  decrease  the material  costs  of  the  pipelines (Felber and Loibnegger, 2009). Moreover, the different cost models give a very large costs range for a given pipeline diameter. For instance, Wildenborg et al., (2004) indicate a cost range of 0.6  ‐ 1.6 M€2010/km  for a pipeline of a diameter of 0.76 m  in a  comparison of seven  different  cost  models  and  several  cost  estimations  available  in  literature.  The underlying reasons for this large cost range are unclear. Hence, there is a need for better insights into the costs of CO2 pipelines.  

Configurations for CO2 transport  1.3.2

In Figure 1.2,  suitable  transportation  conditions  for pipeline  transport of  (pure) CO2 are given in the phase diagram. Suitable conditions are a few bars above the saturation line to ensure that no phase transition takes place between liquid and gas, because it can lead to cavitation with  the associated problems of noise, vibration, and pipeline erosion, which can  ultimately  lead  to  pipeline  failure  (Skovholt,  1993;  Svensson  et  al.,  2004; ElementEnergy,  2010).  Furthermore,  it  can  lead  to  difficulties  with  compressors  and pumps.  

 

Figure 1.2: Phase diagram for pure CO2 (adapted from ChemicaLogic, 1999) with typical operation envelopes  for CO2 pipeline  (based on DNV, 2010; ZEP, 2010) and  ship  transport  (based on ZEP, 2010).  

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Pre

ssu

re, b

ar

Temperature, °C

Carbon Dioxide: Temperature - Pressure Diagram

Drawn with CO2Tab V1.0

Copyright © 1999 ChemicaLogic Corporation

Triple Point

Critical Point

Solid Liquid

Vapor

CO2 pipeline 

ship transport

Chapter 1 

 

The majority of existing CO2 pipelines transport CO2 in the dense liquid phase, because the density of the CO2 is high and viscosity is low, meaning that more CO2 can be transported in a given pipeline diameter. This implies that the CO2 after capture has to be compressed. For long pipelines, pumping stations (also referred to as booster stations) can be installed along the pipeline to compensate for the CO2 pressure drop. The installation and location of a pumping station is an economic decision resulting from tradeoffs between enlarging the diameter of the pipeline, increasing the inlet pressure or placing a pumping station. To determine whether  installation of pumping stations makes sense economically, Zhang et al., (2012) developed a techno‐economic tool to analyze the number of pumping stations and the diameter for point‐to‐point CO2 pipelines in China. However, they assumed a fixed inlet  pressure  and  adapted  it  to  a  lower  level  if  no  pumping  stations  were  present. Furthermore, they analyzed only pipelines transporting CO2 from one source to one sink, so‐called  point‐to‐point  pipelines.  It  is  expected  that  if  CCS  develops  on  a  large  scale, integrated CO2 networks will be built  transporting CO2  from multiple  sources  to one or multiple  sinks. Different network  configurations are available.  For example, CO2  can be transported in the gaseous phase from the different sources to one collecting point where the  CO2  is  compressed with  a  large  compressor.  Such  a  network  configuration  is,  for instance, proposed for the small and medium sized sources (< 1MtCO2/y) in the Yorkshire and Humber  area  (Yorkshire  Forward, 2008). Overall,  it  is unclear what  the most  cost‐effective  configurations  are  for  point‐to‐point  pipelines  and  networks, with  respect  to inlet pressure, pipeline diameter, and location of compressor and pumping stations.  

Integrated  networks  with  trunklines  transporting  CO2  from  multiple  sources  are considerably  less  expensive  per  tonne  CO2  transported  than  point‐to‐point  pipelines (Chandel  et  al.,  2010).  For  instance,  a  1,000 km pipeline  sized  to handle  the  emissions from one 500 MW coal‐fired power plant has estimated levelized transportation costs of 7.2 €2010/t, while  the  levelized  costs  fall  to  3.8  €2010/t when  the  CO2  of  twenty  similar power plants is transported (Chandel et al., 2010). The development of an integrated CO2 transportation  infrastructure  will  require  long  term  planning  and  coordinated implementation, because  the  locations of sources and sinks as well as  the period when CO2 can be captured and stored at these locations have to be incorporated. However, the conducted  planning  exercises  in  literature  ignore  the  large  uncertainty  present  in  the development of CCS.  They  assume  that  a CO2  infrastructure network  is built overnight (e.g.,  ElementEnergy,  2010;  Fimbres  Weihs  and  Wiley,  2012;  Middleton  and  Bielicki, 2009),  thereby  ignoring  the  fact  that  CO2  capture  installations will  develop  over  time. Others  include  timing  effects,  but  they  assume  perfect  foresight,  meaning  that  all (investment) decisions are made with full knowledge of future events (e.g., Middleton et al., 2012; Morbee et al., 2012; Oei et al., 2014; Van den Broek et al., 2010). With  these types  of  approaches,  CO2 mass  flows  can  be  combined  into  large  trunklines,  thereby profiting of significant economies of scale. However,  these simplified approaches  ignore the  fact  that  CO2  capture  installations  will  develop  over  time  and  there  is  no  full knowledge of future events. Hence, it will be challenging to plan an infrastructure in such a way that economies of scale are exploited, which means that transportation costs can be considerably higher than reported in current literature. The influence of uncertainty on the  development  and  costs  of  a  CO2  infrastructure  network  is  poorly  understood  and 

Introduction 

 

should be investigated.  

Uncertainty may  not  only  influence  the  outline  of  the  pipeline  network,  but  even  the transportation mode.  Ships may be  a  suitable  alternative  for CO2  transport  to offshore storage reservoirs (IEA GHG, 2004; Jung et al., 2013; Roussanaly et al., 2014; ZEP, 2010). Large scale CO2 transport with ships is proposed by a pressure of 0.5 MPa and ‐50°C, see Figure  1.2  (Aspelund  et  al.,  2006;  ZEP,  2010).  The  transportation  costs  for  ship  are reported to be higher than for offshore pipeline transport for distances up to 250 km for 3 Mt/y and up to 400 km for 9 Mt/y (Roussanaly et al., 2014). However, ship transport is stated to be much more flexible than pipeline transport, because it can more easily adapt to  changing  volumes,  go  to  different  locations,  and  has  a  higher  residual  value  if  the project ends. Although  several  studies point out  the  flexibility advantage of  ships  (e.g., Aspelund et al., 2006; Decarre et al., 2010; IEA GHG, 2004; Vermeulen, 2011), the value of flexibility  is  not  reflected  in  the  standard  net  present  value  (NPV)  approach, which  is currently used  in  literature  for  comparing CO2  ship  and pipeline  transport. Hence,  it  is unclear  if  the  flexibility value would change  the  investment decision between ships and pipelines under uncertainty.  

Risk and safety considerations 1.3.3

In general, the population density around existing CO2 pipelines in the U.S. is significantly lower  than  in many places around  the world, where CO2 could be captured and stored. This  implies  that safety and risk considerations could be different  for new CO2 pipelines compared to existing ones (IPCC, 2005; Koornneef et al., 2010). Concerns from the public could also play a role in the safety and risk considerations of new CO2 pipelines. Like with CO2  storage, a  ‘not  in my backyard  (NIMBY) effect’ was e.g.,  found  for CO2 pipelines  in Switzerland (Wallquist et al., 2012). 

If a pipeline failure occurs, CO2 will be released from the pipeline. As CO2 is heavier than air, a CO2 cloud could be formed, especially in areas with topographical depressions. The relation between CO2 concentration, exposure time and  lethality  is unclear and different relations have been published  in the  literature. A conservative estimation  is that serious health problems and mortality occur with CO2 concentrations about 10%vol (Burg and Bos, 2009; Mazzoldi et al., 2013).  

In a review of quantitative risk assessments (QRA) for CO2 pipelines available in literature, Koornneef et al., (2010) found that the calculated risk distance from the pipeline at which the  CO2  concentration  exceeds  the  adopted  exposure  threshold  range  from  <  1 m  to 7.2 km. Koornneef et al., (2010) found locational 10‐6 risks between 0 and 204 m, and they indicate  that  this  range  mainly  depends  on  assumptions  made  regarding  dose‐effect relation (the so‐called probit curve), the direction and momentum of release. 

The  consequences  of  a  CO2  pipeline  failure  can  be  reduced  by  installing,  for  instance, block  valves or  rerouting  the pipeline  to avoid areas with  topographical depressions or populated  regions  (Koornneef  et  al.,  2010; Molag  and  Raben,  2006).  Furthermore,  the configuration of the pipeline could be adapted with respect to, for  instance, operational pressure  because  gaseous  CO2 may  have  a  safety  (dis)advantage  compared  to  dense 

Chapter 1 

10 

 

phase CO2  transport  (Dijkshoorn and Kaman, 2011; Heijne and Kaman, 2008; Kruse and Tekiela, 1996). 

Another  option  is  to  decrease  the  probability  of  a  failure  by  installing  additional  risk mitigation measures,  like  increasing  the wall  thickness  or  burying  the  pipeline  deeper (Koornneef  et  al.,  2010;  Molag  and  Raben,  2006).  The  consequences  of  several  risk mitigation  measures  for  the  locational  risks  of  CO2  pipelines  have  been  analyzed  in literature (Kruse and Tekiela, 1996; Mazzoldi et al., 2013; Molag and Raben, 2006; Turner et al., 2006). For  instance, Mazzoldi et al., (2013) calculated that the distance where the CO2 concentration exceeds 10%vol  is 580, 600 and 850 m  for pipeline segments of 5, 10 and 20 km, respectively, for a pipeline of 0.81 m containing 400 tonne CO2 per kilometer. For  a  rupture  of  a  smaller  CO2  pipeline  (of  0.15 m  containing  14  t  CO2  per km),  the distances decrease  to 75, 80  and 140 m,  respectively  (Mazzoldi et  al., 2013). However, none of the studies available in literature link the expected reduction in locational risks of CO2  pipelines  by  installing  risk  mitigation  measures  to  the  additional  costs  of  the measures. This is, however, an important aspect in infrastructure design, as a balance has to be found between risks and economics (Koornneef et al., 2010).  

Objectives and research questions 1.4

This thesis aims to assess, develop and test different approaches to design and evaluate cost‐effective  configurations  for  CO2  infrastructure  development.  The  purpose  of  this thesis  is to generate  in‐depth  insights which can be used to support the development of continental, national or regional CO2 infrastructures. 

In order to meet the objective, the following three research questions are formulated:  

RQ 1.   Which cost models are available for estimating CO2 pipeline costs, what are the key model factors driving the results, and how can the cost models be harmonized?  

RQ 2.   What are  the most cost‐effective configurations  for CO2 pipelines and networks and in what way are these affected by safety considerations?  

RQ 3.   Which  uncertainties  impact  the  economic  viability  and  design  of  a  CO2 infrastructure and how do these uncertainties influence the decision making process in the development of a CO2 transport infrastructure?  

These research questions are addressed in different chapters of this thesis, see Table 1.1. In chapter 2, a  literature overview  is presented about  the different cost models  for CO2 pipeline transport available and key cost model characteristics are identified. In chapter 3, a new cost model and a cost minimization  tool are developed  to analyze  the most cost effective  configurations  of  CO2  pipeline  transport.  In  chapter  4,  a  quantitative  risk assessment  (QRA)  is  conducted  for  assessing  the  spatial  consequences  of  safety regulation. In addition, the influence of additional risk mitigation measures is investigated on the costs and safety of CO2 pipelines. Subsequently, in chapter 5 and 6, the real option theory  is  applied  to  calculate  the  value  of  flexibility  and  analyze  the  influence  of uncertainty.  Chapter  5  focuses  on  the  investment  decision  between  ship  and  pipeline transport taking into account the value of flexibility, while the focus of chapter 6 is on the 

Introduction 

11 

 

difference in layout and costs when a CO2 pipeline network is developed with and without uncertainty.  

Although content‐wise this thesis focusses on CO2 transport, the methods developed and used  in  this  thesis  can easily be applied  to other  transportation  systems or even other planning  exercises.  For  instance,  the  method  developed  in  chapter  4,  which  links  a quantitative risk assessment (QRA) with an economic evaluation technique, can easily be used for evaluating other commodities transported by pipeline, like hydrogen. In addition, the method for evaluating two different transportation modes by incorporating the value of flexibility, which is developed in chapter 5, can be used (after a few small adaptations) to  evaluate  other  alternatives,  like  different  types  of  equipment,  various  ways  of generating  electricity  or  renting  versus  buying.  Furthermore,  the  results  of  a  planning exercise  with  and  without  uncertainty,  presented  chapter  6,  can  easily  be  used  for planning of, for instance, a hydrogen infrastructure or fiber optic network. 

Table 1.1: Overview matrix of chapters and research questions in this thesis.  

 Chapters 

Research questions 

1  2  3 

1  Introduction   x  x  x 2  A state‐of‐the‐art review of techno‐economic models predicting the costs of CO2 

pipeline transport. x     

3  Improved cost models for optimizing CO2 pipeline configuration for point‐to‐point pipelines and simple networks. 

x  x   

4  The influence of risk mitigation measures on the costs, risk contours and routing of CO2 pipelines. 

x  x   

5  Investing in CO2 transport infrastructure under uncertainty: A comparison between ships and pipelines. 

    x 

6  The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure network.     x 7  Summary, conclusions and recommendations x  x  x 

Outline of the thesis 1.5

Chapter  2 provides  a  systematic  and  comprehensive overview of  costs models  for CO2 pipelines  and  pumping  stations  available  in  literature.  By  examining  the  underlying assumptions of the cost models, key model characteristics are identified for a general cost comparison and  for a  system analysis. Given  that many  cost models are  related  to  the diameter, a systematic overview is also provided of available diameter models. Based on the review of the different cost and diameter models, main knowledge gaps are identified regarding CO2 pipeline transport.  

Chapter  3  assesses  the  optimal  configuration  of  onshore  and  offshore  CO2  pipeline transport regarding inlet pressure, diameter, number of pumping stations, and steel grade for point‐to‐point pipelines as well as for simple networks. For this, improved cost models for  CO2  pipelines  and  pumping  stations  are  developed  based  on  the  key  model characteristics identified in Chapter 2. These cost models are combined with a cost model for CO2 compression to identify the optimal inlet pressure of CO2 pipeline transport, which includes both gaseous and liquid CO2.  

Chapter 1 

12 

 

Chapter  4  aims  to  give  insights  into  the  influence  of  safety  considerations  on  the economics, optimal configuration and routing of CO2 pipeline transport. With this aim, the influence  of  various  risk  mitigation  measures  on  the  costs,  individual  and  social  risk distance is analyzed for different CO2 pipeline configurations. Subsequently, the influence of  the  risk  distance  with  and  without  risk mitigation measures  on  pipeline  routing  is analyzed in a spatial explicit way.  

In  Chapter  5,  the  investment  decision  between  CO2  ship  and  pipeline  transport  is investigated  with  the  standard  net  present  value  approach  and  with  a  real  option approach. With  the  real  option  approach,  the  value  of  flexibility  is  calculated  for  the option to switch to a nearby storage field if the first storage reservoir is full, to temporarily switch off the CO2 capture unit, and the option to abandon the CCS project. Subsequently, it  is  analyzed  if  the  flexibility  value, of one option or  all options  together,  changes  the preferred transportation mode and / or the decision to invest in a CCS project.  

In chapter 6, the impact of uncertainty is analyzed on the development and costs of a CO2 transportation network. For this, the infrastructure development of a stylized case study is modelled with uncertainty with the real option approach and without uncertainty based on a perfect foresight model. In the real option approach, uncertainties in the CO2 price, tariff per tonne of CO2 transported, the willingness, probability and moment that sources join the CO2 transportation network are explicitly taken  into account. Two different kind of  decisions  are  analyzed,  namely  the moment when  sources will  start with  CCS  and whether they invest in a point‐to‐point pipeline, a trunkline or join an existing trunkline.  

Lastly, chapter 7 summarizes the objectives, approaches, and key findings of this study. In this  chapter,  answers  are  given  to  the  three  main  research  questions.  Furthermore, recommendations are made for policy makers as well as for the scientific community.  

References 1.6

‐ Aspelund, A., Mølnvik, M. J., & De Koeijer, G. (2006). Ship transport of CO2: Technical solutions and analysis of costs, energy utilization, exergy efficiency and CO2 emissions. Chemical Engineering Research and Design, 84, 847‐855. 

‐ Bruckner,  T.,  Bashmakov,  I.  A.,  Mulugetta,  Y.,  Chum,  H.,  de  la  Vega  Navarro,  A., Edmonds,  J.  et  al.,  (2014).  Energy  Systems.  In  O.  Edenhofer,  R.  Pichs‐Madruga,  Y. Sokona,  E.  Farahani,  S.  Kadner,  K.  Seyboth,  et  al.,  (Eds.),  Climate  Change  2014: Mitigation  of  Climate  Change.  Contribution  of  Working  Group  III  to  the  Fifth Assessment  Report  of  Intergovernmental  Panel  on  Climate  Change.  Cambridge University Press: Cambridge, United Kingdom and New York, USA. 

‐ Burg, W., & Bos, P. M. J. (2009). Evaluation of the acute toxicity of CO2. RIVM, Centrum voor Stoffen en Integrale Risicoschatting (SIR), revised, update of 2007 version, 1‐7. 

‐ Chandel, M. K., Pratson, L. F., & Williams, E.  (2010). Potential economies of  scale  in CO2  transport  through use of a  trunk pipeline. Energy Conversion and Management, 51, 2825‐2834. 

‐ ChemicaLogic, 1999. Carbon dioxide phase diagram. Last accessed  in 2013. Retrieved from: www.chemicalogic.com/Pages/DownloadPhaseDiagrams.aspx.  

Introduction 

13 

 

‐ Clarke, L., Jiang, K., Akimoto, K., Babiker, M., Blanford, G., Fisher‐Vanden, K., Hourcade, J. ‐C., Krey, V., Kriegler, E., Löschel, A., McCollum, D., Paltsev, S., Rose, S., Shukla, P. R., Tavoni,  M.,  van  der  Zwaan,  B.  C.  C.,  &  van  Vuuren,  D.  P.  (2014).  Assessing Transformation Pathways.  In O. Edenhofer, R. Pichs‐Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S.  Kadner,  K.  Seyboth, A. Adler,  I. Baum,  S. Brunner,  P.  Eickemeier, B.  Kriemann,  J. Savolainen,  S.  Schlömer,  C.  von  Stechow,  T.  Zwickel,  &  J.  C. Minx  (Eds.),  Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group  III to the Fifth  Assessment  Report  of  Intergovernmental  Panel  on  Climate  Change.Cambridge University Press: Cambridge, United Kingdom and New York, USA. 

‐ CO2QUEST (2014). CO2QUEST. Impact of the quality of CO2 on storage and transport. CO2QUEST Newsletter, Autumn 2014, 1‐33. 

‐ Dahowski,  R.  T.,  Li,  X.,  Davidson,  C.  L.,  Wei,  N.,  &  Dooley,  J.  J.  (2009).  Regional opportunities for carbon dioxide capture and storage  in China. A comprehensive CO2 

storage cost curve and analysis of the potential for large scale carbon dioxide capture and  storage  in  the people's Republic of China. Prepared  for  the U.S. Department of Energy, PNNL‐19091, 1‐85. 

‐ Damen, K., Faaij, A., Van Bergen, F., Gale, J., & Lysen, E. (2005). Identification of early opportunities  for  CO2  sequestration  ‐ Worldwide  screening  for  CO2‐EOR  and  CO2‐ECBM projects. Energy, 30, 1931‐1952. 

‐ Decarre,  S.,  Berthiaud,  J.,  Butin,  N.,  &  Guillaume‐Combecave,  J.  ‐L.  (2010).  CO2 maritime transportation. International Journal of Greenhouse Gas Control, 4, 857‐864. 

‐ Dijkshoorn,  J. S. P., & Kaman, F.  J. H.  (2011). QRA CO2  transport ROAD. Tebodin B.V, 3413184, 1‐47. 

‐ DNV (2010). Offshore standard. Submarine pipeline systems. DNV‐OS‐F101, 1‐237. ‐ Edenhofer, O.,  Knopf, B., Barker,  T., Baumstark,  L., Bellevrat,  E., Chateau, B.,  et  al., 

(2010). The economics of low stabilization: Model comparison of mitigation strategies and costs. Energy Journal, 31, 11‐48. 

‐ Eickhoff,  C.,  Neele,  F.,  Hammer, M.,  Dibiagio, M.,  Hofstee,  C.,  Koenen, M.,  et  al., (2014). IMPACTS: Economic trade‐offs for CO2 impurity specification. Energy Procedia, 63, 7379‐7388. 

‐ ElementEnergy  (2010).  CO2  pipeline  infrastructure:  An  analysis  of  global  challenges and opportunities. IEA GHG, 1‐134. 

‐ European  Commission  (2011).  Energy  Roadmap  2050.  Commission  staff  working paper. Impact Assessment, SEC(2011) 1565. 

‐ Felber, S., & Loibnegger, F. (2009). The pipeline steels X100 and X120. XI‐929‐09, 1‐24. ‐ Fimbres Weihs,  G.  A.,  & Wiley,  G.  A.  (2012).  Steady‐state  design  of  CO2  pipeline 

networks  for  minimal  cost  per  tonne  of  CO2  avoided.  International  Journal  of Greenhouse Gas Control, 8, 150‐168. 

‐ GCCSI (2011). Economic assessment of carbon capture and storage technologies. 2011 update. Global CCS institute, 1‐58. 

‐ Haszeldine,  J., Stewart,  J., Carter, R., Argent, S., & Ainger, D.  (2010). Feasibility study for Europe‐Wide CO2  infrastructures. Prepared  for European Commission Directorate by Arup, Tren/372‐1/C3/2009, 1‐53. 

‐ Heddle, G., Herzog, H., & Klett, M.  (2003). The economics of CO2  storage. MIT  LFEE 

Chapter 1 

14 

 

2003‐003 RP, 1‐115. ‐ Heijne, M. A. M., & Kaman,  F.  J. H.  (2008). Veiligheidsanalyse Ondergrondse Opslag 

van CO2 in Barendrecht. Tebodin B.V., 3800784, 1‐78. ‐ IEA  (2014a).  Energy  Technology  Perspective  2014.  Harnessing  Electricity’s  Potential. 

Organisation  for  Economic  Co‐operation  and  Development  (OECD)  /  International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA (2014b). World energy outlook 2014. Organisation for Economic Co‐operation and Development (OECD) / International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA  (2013). World energy outlook 2013. Organisation  for Economic Co‐operation and Development (OECD) / International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA  (2012). Energy Technology Perspective 2012. Pathways to a clean energy system. Organisation  for  Economic  Co‐operation  and  Development  (OECD)  /  International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA  (2010).  Energy  technology  perspectives  2010:  Scenarios  and  strategies  to  2050. Organisation  for  Economic  Co‐operation  and  Development  (OECD)  /  International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA (2009). Technology Roadmap. Carbon capture and storage. IEA publications: Paris, France. 

‐ IEA GHG (2004). Ship transport of CO2. Prepared by Mitsubishi, PH4/30, 1‐64. ‐ IEAGHG  (2014).  CO2  pipeline  infrastructure.  Prepared  by  Ecofys  and  SNC‐Lavalin 

supported by Global CCS institute, 2013/18, 1‐135. ‐ IPCC  (2013).  Summary  for  Policymakers.  In  T.  F.  Stocker,  C. Qin,  G.  ‐.  Plattner, M. 

Tignor, S. K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, & P. M. Midgley (Eds.), Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment  Report  of  the  Intergovernmental  Panel  on  Climate  Change  (pp.  3‐29). Cambridge University Press: Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 

‐ IPCC  (2005).  IPCC  special  report  on  carbon  dioxide  capture  and  storage.  Cambridge University Press: USA. 

‐ Johansson, T. B., Nakicenovic, N., Patwardhan, A., Gomez‐Echeverri, L., Banerjee, R., Benson,  S.  M.  et  al.,  (2012).  Summaries.  In  T.  B.  Johansson,  N.  Nakicenovic,  A. Patwardhan,  &  L.  Gomez‐Echeverri  (Eds.),  Global  Energy  Assessment.  Towards  a sustainable  future  (pp. 3‐93). Cambridge University Press  and  International  Institute for Applied System Analysis: Cambridge UK; New York, NY, USA; Laxenburg, Austria. 

‐ Jung, J. ‐Y., Huh, C., Kang, S. ‐G., Seo, Y., & Chang, D. (2013). CO2 transport strategy and its cost estimation for the offshore CCS in Korea. Applied Energy, 111, 1054‐1060. 

‐ Koelbl,  B.  S.,  van  den  Broek,  M.  A.,  Faaij,  A.  P.  C.,  &  van  Vuuren,  D.  P.  (2014). Uncertainty  in  Carbon  Capture  and  Storage  (CCS)  deployment  projections:  A  cross‐model comparison exercise. Climatic Change, 123, 461‐476. 

‐ Koornneef, J., Spruijt, M., Molag, M., Ramírez, A., Turkenburg, W., & Faaij, A. (2010). Quantitative risk assessment of CO2 transport by pipelines ‐ A review of uncertainties and their impacts. Journal of hazardous materials, 177, 12‐27. 

‐ Krey,  V.,  Luderer, G.,  Clarke,  L., &  Kriegler,  E.  (2014). Getting  from  here  to  there  ‐ energy technology transformation pathways in the EMF27 scenarios. Climatic Change, 123, 369‐382. 

Introduction 

15 

 

‐ Kruse,  H.,  &  Tekiela,  M.  (1996).  Calculating  the  consequences  of  a  CO2  pipeline rupture. Energy Conversion and Management, 37, 1013‐1018. 

‐ Leaton, J., Ranger, N., Ward, B., Sussams, L., & Brown, M. (2013). Unburnable carbon 2013:  Wasted  capital  and  stranded  assets.  Carbon  Tracker  in  collaboration  with Grantham Research Institute on Climate Change and the Environment, 1‐39. 

‐ Leung, D. Y. C., Caramanna, G., & Maroto‐Valer, M. M. (2014). An overview of current status of carbon dioxide capture and storage technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 39, 426‐443. 

‐ Lilliestråle, A., Mølnvik, M. J., Tangen, G., Jakobsen, J. P., Munkejord, S. T., Morin, A., & Størset,  S.  Ø.  (2014).  The  IMPACTS  Project:  The  Impact  of  the  Quality  of  CO2  on Transport and Storage Behaviour. Energy Procedia, 51, 402‐410. 

‐ Marcogaz  (2011).  Activity  report  2010‐2011.  Technical  association  of  the  European natural gas industry, 1‐26. 

‐ Mazzoldi, A., Picard, D.,  Sriram,  P. G., & Oldenburg, C. M.  (2013).  Simulation‐based estimates  of  safety  distances  for  pipeline  transportation  of  carbon  dioxide. Greenhouse Gases: Science and Technology, 3, 66‐83. 

‐ McCoy,  S.  T.,  &  Rubin,  E.  S.  (2008).  An  engineering‐economic  model  for  pipeline transport of CO2 with application to carbon capture and storage. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2, 219‐229. 

‐ Meerman, H., Kuramochi, T., &  van Egmond,  S.  (2008). CO2  capture  research  in  the Netherlands. CATO and CAPTECH: Netherlands. 

‐ Meerman, J. C., Ramírez, A., Turkenburg, W. C., & Faaij, A. P. C. (2011). Performance of simulated flexible integrated gasification polygeneration facilities. Part A: A technical‐energetic assessment. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15, 2563‐2587. 

‐ Middleton, R. S., & Bielicki,  J. M.  (2009). A  scalable  infrastructure model  for  carbon capture and storage: SimCCS. Energy Policy, 37, 1052‐1060. 

‐ Middleton, R. S., Kuby, M. J., Wei, R., Keating, G. N., & Pawar, R. J. (2012). A dynamic model for optimally phasing in CO2 capture and storage infrastructure. Environmental Modelling and Software, 37, 193‐205. 

‐ Mohitpour, M.,  Seevam,  P.,  Botros,  K.  K.,  Rothwell,  B., &  Ennis,  C.  (2012).  Pipeline transportation of carbon dioxide containing  impurities.  (1st edition ed.). ASME Press: New York, USA. 

‐ Molag, M., & Raben,  I. M. E.  (2006). Externe veiligheid onderzoek CO2 buisleiding bij Zoetermeer. TNO‐rapport, 2006‐A‐R0144/B, 1‐46. 

‐ Morbee,  J., Serpa,  J., & Tzimas, E.  (2012). Optimised deployment of a European CO2 transport network. International Journal of Greenhouse Gas Control, 7, 48‐61. 

‐ Neele, F., Mikunda, T., Seebregts, A., Santen, S., van der Burgt, A., Stiff, S., & Hustad, C. (2013).  A  Roadmap  Towards  a  European  CO2  Transport  Infrastructure.  Energy Procedia, 37, 7774‐7782. 

‐ Oei, P., Herold, J., & Mendelevitch, R. (2014). Modeling a Carbon Capture, Transport, and  Storage  Infrastructure  for  Europe.  Environmental Modeling  &  Assessment,  19, 515‐531. 

‐ Parfomak, P., & Folger, P. (2008). Pipelines for Carbon Dioxide (CO2) control: network needs and costs uncertainties. Congressional Research Service, RL34316. 

Chapter 1 

16 

 

‐ Riahi,  K.,  Dentener,  F.,  Gielen,  D.,  Grubler,  A.,  Jewell,  J.,  Klimont,  Z.  et  al.,  (2012). Chapter  17.  Energy  Pathways  for  Sustainable  Development.  In  T.  B.  Johansson,  N. Nakicenovic, A. Patwardhan, &  L. Gomez‐Echeverri  (Eds.), Global Energy Assessment (GEA).  Towards  a  sustainable  future.  (pp.  1205‐1305).  Cambridge  University  Press, Cambridge  UK  and  New  York,  NY,  USA  and  the  International  Institute  for  Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria. 

‐ Riahi, K., Kr Riahi, K., Kriegler, E., Johnson, N., Bertram, C., den Elzen, M., Eom, J. et al., (2015).  Locked  into  Copenhagen  pledges  —  Implications  of  short‐term  emission targets  for  the  cost  and  feasibility  of  long‐term  climate  goals.  Technological Forecasting and Social Change, 90, Part A, 8‐23. 

‐ Roussanaly, S., Brunsvold, A. L., & Hognes, E. S. (2014). Benchmarking of CO2 transport technologies: Part II ‐ Offshore pipeline and shipping to an offshore site. International Journal of Greenhouse Gas Control, 28, 283‐299. 

‐ Tavoni, M., de Cian, E., Luderer, G., Steckel, J. C., & Waisman, H. (2012). The value of technology and of its evolution towards a low carbon economy. Climatic Change, 114, 39‐57. 

‐ Turner, R., Hardy, H., & Hooper, B. (2006). Quantifying the risks associated with a CO2 sequestration pipeline:  a methodology &  case  study. 8th  conference on greenhouse gas control technologies, Trondheim. 

‐ UNFCCC (2011). Report of the Conference of the Parties on its sixteenth session, held in Cancun from 29 November to 10 December 2010.Addendum Part Two: Action taken by  the Conference of  the  Parties  at  its  sixteenth  session. Decisions  adopted by  the Conference of the Parties. United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), FCCC/CP/2010/7/Add.1, 1‐31. 

‐ Van  den  Broek,  M.,  Brederode,  E.,  Ramírez,  A.,  Kramers,  L.,  van  der  Kuip,  M., Wildenborg,  T.,  Turkenburg, W.,  &  Faaij,  A.  (2010).  Designing  a  cost‐effective  CO2 storage  infrastructure  using  a  GIS  based  linear  optimization  energy  model. Environmental Modelling and Software, 25, 1754‐1768. 

‐ Van  den Noort, A., Mallon, W., &  Buit,  L.  (2010).  Plan  of  action.  Identification  and priorization of technical design conditions and parameters of CO2 pipelines that should be addressed within CATO‐2. CATO‐2 Deliverable, WP 2.1‐D02, 1‐38. 

‐ Vermeulen,  T.  N.  (2011).  Knowledge  sharing  report  –  CO2  liquid  logistics  shipping concept (LLSC). Overall supply chain optimization. Prepared by Tebodin B.V. for Vopak and Anthony Veder, 3112001, 1‐142. 

‐ Wallquist, L., Seigo, S. L., Visschers, V. H. M., & Siegrist, M. (2012). Public acceptance of CCS  system elements: A conjoint measurement.  International  Journal of Greenhouse Gas Control, 6, 77‐83. 

‐ Wetenhall, B., Race,  J. M., & Downie, M.  J.  (2014).  The  Effect of CO2 Purity on  the Development  of  Pipeline  Networks  for  Carbon  Capture  and  Storage  Schemes. International Journal of Greenhouse Gas Control, 30, 197‐211. 

‐ White, C. M., Smith, D. H., Jones, K. L., Goodman, A. L., Jikich, S. A., LaCount, R. B., et al.,  (2005). Sequestration of carbon dioxide  in coal with enhanced coalbed methane recovery ‐ A review. Energy and Fuels, 19, 659‐724. 

‐ Wildenborg,  T., Holloway,  S., Hendriks,  C.,  Kreft,  E.,  Lokhorst,  A.,  Brook, M.,  et  al., 

Introduction 

17 

 

(2004). Cost curves  for CO2  storage. Part 2: European  sector. NITG 04‐238‐B1208, 1‐162. 

‐ Yorkshire  Forward  (2008). A  carbon  capture  and  storage network  for  Yorkshire  and Humber. An  introduction  to understanding  the  transportation of CO2  from Yorkshire and  Humber  emitters  into  offshore  storage  sites.  Yorkshire  Forward,  the  region's development agency, 05_08 100203, 1‐60. 

‐ ZEP (2010). CO2 transport costs. Post‐demonstration CCS in the EU. 1‐53. ‐ Zhang, D., Wang,  Z.,  Sun,  J.,  Zhang,  L., &  Li,  Z.  (2012).  Economic  evaluation  of  CO2 

pipeline transport in China. Energy Conversion and Management, 55, 127‐135.  

 

 

   

  

18 

 

    

 

19 

 

Chapter 2: A state‐of‐the‐art review of techno‐economic models predicting the costs of CO2 pipeline transport1 

Abstract: This study aims to provide a systematic overview and comparison of capital and operation & maintenance  (O&M)  costs models  for CO2 pipelines  and pumping  stations currently available in literature. Our findings indicate significantly large cost ranges for the results provided by the different cost models. Two main types of capital cost models for pipeline transport were found in literature, models relating diameter to costs and models relating mass flow to costs. For the nine diameter based models examined, a capital cost range  is found of, for  instance, 0.8‐5.5 M€2010/km for a pipeline diameter of 0.8 m and a length of 25 km. For the five mass flow based cost models evaluated in this study, a cost range is found of, for instance, 0.9‐2.1 M€2010/km for a mass flow of 750 kg/s over 25 km (TRUNK‐25). 

An  important additional factor  is that all capital costs models for CO2 pipeline transport, directly or  indirectly, depend on the diameter. Therefore, a systematic overview  is made of the various equations and parameter used to calculate the diameter. By applying these equations and parameters to a common mass flow, height difference and length result in diameters between 0.59 and 0.91 m  for TRUNK‐25. The main  reason  for  this  range was different assumptions about specific pressure drop and velocity. Combining the range for diameter, mass  flow and diameter based  cost models gives a  capital and  levelized  cost range which  varied by a  factor 10  for a given mass  flow and  length. The  levelized  cost range will further increase if the discrepancy in O&M costs is added, for which estimations vary between 4.5 and 75 €/m/year for a pipeline diameter of 0.8 m.  

On  top of  this, most cost models underestimate  the capital costs of CO2 pipelines. Only two cost models (namely the models who relate the costs to the weight of the pipeline) take  into account  the higher material requirements which are  typically required  for CO2 pipelines. The other  sources use existing onshore natural  gas pipelines  as  the basis  for their cost estimations, and thereby underestimating the material costs for CO2 pipelines. Additionally, most  cost models  are based on  relatively old pipelines  constructed  in  the United  States  in  the  1990s  and  early  2000s  and  do  not  consider  the  large  increase  in material prices in the last several years. 

Furthermore, key model characteristics are identified for a general cost comparison of CCS with other technologies and a system analysis over time. For a general cost comparison of CCS with other technologies, pipeline cost models with parameters which have physical or 

                                                                 1 This article is a slightly adapted version of the article: Knoope, M.M.J.; Ramírez, A.; Faaij, A.P.C., 2013. A state‐of‐the‐art  review  of  techno‐economic  models  predicting  the  costs  of  CO2  pipeline  transport.  International Journal of Greenhouse Gas Control 16, 241‐70. 

Chapter 2 

20 

 

economic meaning  are  the  preferred  option.  These  are  easy  to  interpret  and  can  be adjusted  to new conditions. A  linear cost model  is an example of  such an model. For a system  analysis  over  time,  it  is  advised  to  adapt  a  pipeline  cost model  related  to  the weight of the pipeline, which  is the only cost model that specifically models thickness of the  pipeline  and  include  material  prices,  to  incorporate  the  effect  of  impurities  and pipeline  technology  development.  For  modeling  pumping  station  costs,  a  relation between  capacity  and  costs  including  some  economies  of  scale  seems  to  be  the most appropriate. However, the cost range found  in  literature  is very  large, for  instance, 3.1  ‐36 M€2010 for a pumping station with a capacity of 1.25 MWe. Therefore, validation of the pumping station cost is required before such models are applied in further research. 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

21 

 

Introduction  2.1

Most scientists agree that carbon dioxide (CO2) emissions need to be reduced significantly to limit temperature increase. The 2011 IPCC report indicates that, in 2050, worldwide CO2 emissions should be reduced by 50‐85% compared to 2000  levels to  limit global average temperature  rise  to  2.0°‐2.4°C  compared  to  pre‐industrialized  levels  (Moomaw  et  al., 2011). Similar conclusions are drawn by the International Energy Agency and the European Commission  (IEA,  2010b;  European  Commission,  2011).  One  of  the  options  that  can contribute  substantially  to  the  necessary  CO2  reduction  is  carbon  dioxide  capture  and storage  (CCS). With CCS,  about 50‐100% of  the CO2  generated  in  a power or  industrial plant  is  captured  and  compressed.  Subsequently,  the  CO2  is  transported  to  a  deep underground storage field such as an (almost) empty oil or gas field, an aquifer or a coal seam.  

CCS has to be applied  from around 2030 onwards  in order to reach the decarbonization target of the European Union to reduce CO2 emissions by 85% compared to 1990 levels in 2050 (European Commission, 2011). Projections show that CCS could avoid 1.4 and 8.2 Gt CO2  in  2030  and  2050,  respectively,  which  is  about  10%  and  19%  of  the  necessary reduction  worldwide  in  2030  and  2050  (IEA,  2010a).  To  reach  these  targets,  first estimations  indicate  that  worldwide  CO2  pipeline  networks  would  be  required  of approximately  100,000  km  in  2030  and  between  200,000  and  550,000  km  in  2050, depending on  the  level of  integration  (IEA, 2010a).2 A  less extensive worldwide pipeline network of 95,000 to 130,000 km in 2050 is predicted by a study made by ElementEnergy (2010), but  in  this network  ‘only’ 2.2 Gt  is  captured and  transported  in  contrast  to  the 9.4 Gt  in  the  IEA study.3 Building a CO2  infrastructure of such a scale would  represent a massive investment and would require a significant effort.  

Cost  for  transporting  the  CO2  onshore  over  100 km  are  estimated  by  the  Global  CCS Institute  (GCCSI) at 0.4–1.5 €2010/t CO2, while  the costs  for storage are estimated at 4 –10 €2010/t  CO2  and  CO2  capture  costs  (including  compression)  for  power  plants  at  42  – 81 €2010/t CO2 avoided (GCCSI, 2011). Although there is agreement that capture costs have the  highest  cost  share  in  CCS  (Damen  et  al.,  2007;  Hendriks  et  al.,  2007;  IPCC,  2007; Nauclér et al., 2008),  the  importance of storage and  transportation costs should not be underestimated.  Assumptions  about  the  availability  of  suitable  sequestration  sites  can lead to a significant increase in pipeline length and in costs (Parfomak and Folger, 2008). For  instance, Parfomak and Folger  (2008) demonstrate that for the Midwest of the U.S., the pipeline length can increase by a factor 20 if the Rose Run formation is not available as storage location. 

                                                                 2  To  put  these  figures  in  perspective,  the  current  high‐pressure  natural  gas  transmission  network  is  about 235,000 km in Europe (Marcogaz, 2011) and around 245,000 km of pipelines is installed for petroleum products in the USA (Central Intelligence Agency, 2012). 3 To avoid 8.2 Gt CO2, 9.4 Gt has to be captured and transported due to the efficiency  loss of conducting CCS (IEA, 2010a).  

Chapter 2 

22 

 

Several models can be  found  in  literature which describe costs of CO2 pipeline transport (IEA GHG, 2002; Heddle et al., 2003; Dahowski et al., 2004; Ogden et al., 2004; Wildenborg et al., 2004; McCollum and Ogden, 2006; McCoy and Rubin, 2008; Piessens et al., 2008; Dahowski et al., 2009; Chandel et al., 2010; ElementEnergy, 2010; Van den Broek et al., 2010a;  Gao  et  al.,  2011;  Serpa  et  al.,  2011).  However,  the models  are  inconsistent  in pipeline costs for a given diameter,  leading to  large ranges for capital and  levelized costs of CO2 transportation (Ogden et al., 2004; Wildenborg et al., 2004; McCollum and Ogden, 2006). For instance, Wildenborg et al., (2004) indicate a costs range of 0.6 ‐ 1.6 M€2010/km for a pipeline of a diameter of 0.76 m by a comparison of seven different models and one cost estimation. This large range can be caused by: 

‐ Different topographic conditions, for instance flat terrain, stony desert or offshore; ‐ Different geographical  regions, which  influence mainly  labor and  right‐of‐way  (ROW) 

costs; ‐ Different assumptions about lifetime, interest rate and capacity factor;  ‐ Different kinds of steel, coating and insulation; ‐ Level of detail incorporated in the cost equation; ‐ The kind of costs that are  incorporated, for  instance whether  initial compressors and 

intermediate pumping stations are taken into account. 

McCollum  and  Ogden  (2006)  harmonized  the  costs  for  six  different models  (IEA  GHG, 2002;  Heddle  et  al.,  2003;  Dahowski  et  al.,  2004;  Ogden  et  al.,  2004;  Parker,  2004; Wildenborg et al., 2004) on the first three  items but a consistent view was not reached. Since  this  study,  other  cost  models  have  been  developed  (McCoy  and  Rubin,  2008; Piessens et al., 2008; ElementEnergy, 2010; Van den Broek et al., 2010a; Gao et al., 2011; Serpa  et  al.,  2011)  and  therefore  there  is  a  need  to  incorporate  these  models  in  a comprehensive overview that allows comparison of the different cost estimations for CO2 pipeline  transport  in  literature. This  is  the  first goal of  this study. For  the comparison of CO2 transportation costs of the different models, six different base cases are explored  in this study, namely a pipeline  for  the  transport of CO2 of a demonstration coal  fired CCS plant  of  250 MWe,  a  commercial  CCS  plant  of  750 MWe  and  a  trunk  pipeline  for  five commercial CCS plants of 750 MWe, each for a distance of 25 and 300 km. 

Furthermore, most of the costs models  in  literature  focus only on pipeline costs, but an integral assessment of CO2 transport costs should go beyond pipelines by including initial compressors  and  pumping  stations.  Pumping  stations  are  needed  on  long  pipelines  to compensate  for pressure drop. For onshore pipelines,  it  is often assumed  that pumping stations have  to be  installed every 100‐200 km  (Heddle et al., 2003; Wildenborg et al., 2004;  Piessens  et  al.,  2008;  Van  den  Broek  et  al.,  2010a), while  for  offshore  pipelines pumping stations are avoided by increasing the inlet pressure and diameter (Damen et al., 2007). In the United States (U.S.), most large point sources are assumed within 100 miles (=161 km) of a  suitable  sink  (Dahowski et al., 2004). Therefore,  it  is not  surprising  that most U.S. models do not take into account pumping stations. Nevertheless, in other parts of  the  world,  the  sources  are  further  away  from  the  sinks  and  longer  pipelines  with pumping  station will be needed  (Wildenborg et al., 2004). A  schematic overview of  the costs of pumping stations, and the level of uncertainty, is not available yet. Therefore, this 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

23 

 

article also aims to provide a schematic review of the pumping costs in the literature and identify key knowledge gaps.  

Moreover, due to the diversity of different cost models in literature, the decision of many studies on which model to use is ad‐hoc. It is, however, clear that different levels of detail are  required  by  different  type  of  studies.  Varying  from  the  highly  detailed  informative needs  to develop  specific business  cases  to  very  aggregated data  (order of magnitude) required  for  a  first  indication  of  CO2  transportation  costs.  Most  of  the  cost  models assessed  in this paper were developed for (i) modeling the deployment of CO2 transport infrastructure over time (Piessens et al., 2008; ElementEnergy, 2010; Van den Broek et al., 2010a;  Serpa  et  al.,  2011) or  (ii)  for  assessing  the  economics of CO2  transportation  for specific  regions  (IEA  GHG,  2002;  Dahowski  et  al.,  2004; McCollum  and  Ogden,  2006; McCoy and Rubin, 2008; Dahowski et al., 2009). Three other cost models assessed here were  developed  for  more  specific  purposes:  assessing  the  economies  of  scale  for  a trunkline (Chandel et al., 2010), assessing the costs of H2 produced with CCS (Ogden et al., 2004) and  comparing  the  costs  for different modes of CO2  transport  (Gao et al., 2011). While none of the models assessed in this paper are intended (or suitable) to be used for specific business cases, they could all be applied for a system analysis of the development of  CO2  networks  over  time  and  for  a  general  cost  comparison.  Therefore,  key model characteristics are identified for each of these two goals in this study. Finally, this papers aims  to  identify  the main knowledge gaps  for CO2  transport costs  regarding engineering choices on pipeline characteristics and transportation conditions.  

The  structure  of  this  article  is  as  follows.  The  detailed methodology  can  be  found  in section 2.2. Subsequently,  some basic principles about CO2 properties and  transport are given  in  section  2.3.  In  section 2.4,  economic  models  for  CO2  pipelines  and  pumping stations in literature are reviewed and the main assumptions are schematically described. Successively, in section 2.5, the different economic models are compared with each other for a fixed diameter, mass flow or  installed capacity.  In section 2.6, the different models that  link mass  flow  to diameter are briefly described and  for each model  it  is evaluated which transportation conditions and pipeline characteristics have the largest effect on the diameter. Furthermore, for each case, the diameter range is given and translated in a cost range.  Important parameters  and  key model  characteristics  are  identified  for  a  general cost comparison of CCS with other technologies and a system analysis over time in section 2.7. Finally, in the last two sections, the key conclusions are given and knowledge gaps are identified. 

Methodology 2.2

In this study, a  literature overview  is conducted to get a comprehensive overview about the  different models  for  investment,  operation  and maintenance  (O&M)  costs  for  CO2 pipelines and pumping stations. A schematic overview is made about the main underlying assumptions on regional and terrain conditions, materials and costs included.  

Subsequently, the costs models are compared with each other by using a fixed length and diameter or mass flow in case of the pipeline models, and a fixed installed capacity in the 

Chapter 2 

24 

 

case  of  pumping  stations.  To  harmonize  results,  common  economic  assumptions  and correction  factors are used, see Table 2.1. Besides comparing  the model outcomes,  it  is also  analyzed  for  each  cost model  if  the  specific  costs  exactly  double  (linear  relation), more than double (reverse economies of scale), or  less than double (economies of scale) when the length, diameter or installed capacity doubles. 

In this article, all costs are corrected to €2010 using the upstream capital cost index (UCCI) of  IHS CERA  (IHS, 2011) or the average  inflation  index of the USA  (Inflation Data, 2011). The material, construction, right‐of‐way and  labor costs of pipelines and all other capital and O&M costs are corrected with the UCCI while for all other costs (feedstock and energy prices) the average  inflation  index  is used. Usually, O&M costs should be corrected with the inflation index rather than with the UCCI. However, most of the time, the O&M costs of pipelines and pumping stations are given as a percentage of the capital costs. To ensure that  no  unfair  comparison  is  made  between  sources  that  give  the  O&M  costs  as  a percentage of the capital costs or as a  fixed amount, the O&M costs are corrected with the UCCI in this study. Note that the UCCI and the inflation index are only valid for costs figures in US$. Therefore, the costs in euros are first converted to dollars with the average exchange  rate  of  the  year  where  the  costs  are  specific  for,  subsequently  they  are converted  to  $2010  with  the  relevant  index  and  then  back  to  euros  with  the  average exchange rate of 2010, which is 0.75 €2010/$2010 (OANDA, 2011). Because the UCCI is only available  from 2000 onwards, capital costs before 2000 are corrected with  the  inflation index to 2000 and subsequently with the UCCI to 2010.  

Table 2.1: Economic assumptions used for the cost comparison.  

Parameter  Unit Value

Discount rate  % 15Capacity factor % 95Energy costs  €2010/MWh 50Terrain factor  1.0Regional factor 1.0Corridor factor  1.0Overall correction factor 1.0

The costs equations are also converted in such a way that the outcome is given in €2010. In this manner,  it  is  possible  to  compare  the models  directly.  For  the  original  equations, there  is  referred  to  the original sources. With some cost equations,  it  is not clear  if  the outer or inner diameter is incorporated. If this was the case, the outer diameter was used. 

To  determine  what  diameter  is  needed  for  a  certain  mass  flow,  different  diameter equations in literature are reviewed and compared with each other. Each of these models has different assumptions about  (a selection of)  the  following parameters:  temperature, density,  velocity,  compressibility  factor,  roughness  height,  viscosity,  friction  factor, pressure inlet and outlet, specific pressure drop and maximum distance between pumping stations.  For  each model,  the  diameter  is  calculated with  the  parameters  used  in  the source but, to harmonize results, with a common mass flow, length of the pipeline and no height difference. In case an iterative process is needed to calculate the diameter (namely 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

25 

 

for the models of (Heddle et al., 2003; Ogden et al., 2004; McCoy and Rubin, 2008)), the calculation process is repeated until the diameter difference between two succeeding runs was less than 0.1 mm. Finally, for each type of model, a sensitivity analysis was conducted to understand which parameters mainly influence the diameter calculation. Therefore, the minimum and maximum value mentioned in the different sources is used as range.  

The diameter  range  found  for  three different mass  flows and  two different  lengths are translated  in capital and  levelized costs  ranges. Two  transportation distances have been assumed, namely 25 and 300 km. These are selected because no pumping station has to be installed for a pipeline length of 25 km and likely one or more pumping for a pipeline of 300 km.4 Furthermore, three different CO2 mass flows are analyzed, which correspond to typical coal‐fired power plants sizes, namely: 

‐ DEMO: a pipeline  for a demonstration coal‐fired power plant with CCS of 250 MWe, equivalent to a mass flow of 50 kg/s;  

‐ COM:  a  pipeline  for  a  commercial  coal‐fired  power  plant  with  CCS  of  750  MWe, equivalent to a mass flow of 150 kg/s;  

‐ TRUNK: a pipeline suitable to handle CO2 streams of five commercial coal‐fired power plants with CCS of 750 MWe, equivalent to a mass flow of 750 kg/s.5  

To distinguish the six different cases  in an easy way, the  length of the pipeline  is placed next  to  DEMO,  COM  or  TRUNK.  For  example,  COM‐300  refers  to  a  pipeline  from  a commercial coal power plant transporting 150 kg/s over 300 km. 

Finally, key cost model characteristics are identified for pipelines and pumping stations for a general cost comparison of CCS with other technologies and a system analysis over time to  optimize  infrastructural  networks.  For  each  of  these  types  of  studies,  the  level  of physical details  required  (density, pressure  level,  impurities etc.),  the number of details about the pipeline trajectory (length, height difference, topographic conditions etc.) and the  desired  level  of  accuracy  are  specified.  Subsequently,  key  attributes  and  model characteristics which  should  be  included  in  the models  are  defined  based  on  insights acquired by conducting the review.  

By  conducting  the  review,  comparing  the  different  cost  models  and  identifying  key attributes  for  two different purposes,  several knowledge gaps were  identified  regarding CO2 pipeline  transport. Therefore, at  the end of  this article an overview  is made of  the main  knowledge  gaps with  respect  to  transportation  conditions, material  specification, economic relations and physical parameters.  

                                                                 4 The  installation of a pumping station  is an economic decision and can be avoided by  increasing the diameter and / or inlet pressure.  5 The power plant capacity and the CO2 flow are related with each other with a CO2 intensity of 800 kg/MWh and a capture ratio of 90%. 

Chapter 2 

26 

 

CO2 properties for pipeline transport 2.3

In principle, CO2 can be transported through pipelines as a liquid, gas, supercritical fluid or a mixture of liquid and gas, a so‐called two‐phase flow. CO2 is in supercritical stage above a temperature of 31.1°C and pressure of 7.3 MPa (Figure 2.1). If the temperature is below 31.1°C  but  the  pressure  remains  above  7.3 MPa,  the  liquid  is  often  called  dense.6  In general, transportation of CO2  is proposed  in the dense or supercritical phase where the density is high and the viscosity low (Zhang et al., 2006). Consequently, a large amount of CO2 can be transported in a pipeline with minimal friction losses.  

 

Figure 2.1: Phase diagram for pure CO2 (adapted from ChemicaLogic, 1999 and DNV, 2010). 

It  is recommended  to avoid a  two‐phase  flow,  for a number of reasons  (Skovholt, 1993; Svensson et al., 2004; ElementEnergy, 2010). Firstly, cavitation can occur if local pressure falls  sufficiently  below  the  saturated  pressure  and  vapor  bubbles  are  formed.  These bubbles will  implode under  increasing pressure,  leading  to very high  local velocities and pressure  peaks,  which  erode  the  material  in  the  molecular  range.  This  damages  the pipeline and decreases  its strength. Secondly, vapor bubbles  in  the  liquid can also occur due  to boiling. This will  cause  turbulence and damage  the pipeline. Thirdly, operational difficulties arise because a two‐phase flow is more difficult to handle by compressors and pumps  (Skovholt, 1993). Lastly, a two‐phase  flow would reduce  the amount  transported 

                                                                 6 Note that dense phase is not a well‐defined term. 

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Pre

ssu

re,

bar

Temperature, °C

Carbon Dioxide: Temperature - Pressure Diagram

Drawn with CO2Tab V1.0

Copyright © 1999 ChemicaLogic Corporation

Typical envelope for normal operation 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

27 

 

through the pipeline compared to transportation of CO2 in a liquid phase. To avoid these problems,  the  minimum  operation  pressure  is  recommended  to  be  higher  than  the saturation pressure (see Figure 2.1). In literature, a minimum operation pressure of 6.0 to 10.3 MPa  is mentioned  (Heddle et al., 2003; Wildenborg et al., 2004; McCoy and Rubin, 2008; Piessens et al., 2008; Chandel et al., 2010; ElementEnergy, 2010; ZEP, 2010).7  

If  impurities are present, the phase diagram will change  in such a way that the pressure needed to avoid a two‐phase  flow will  in most cases  increase  (Seevam, 2008; Yan et al., 2009; Wang et al., 2011). 

Review of cost models in literature 2.4

Pipeline  construction  costs  are  generally  divided  into  four  categories: materials,  labor, right‐of‐way  (ROW) and miscellaneous (True, 1995; Smith, 2006; Smith, 2010). Materials include  the pipeline  itself, pipe  coating and,  if applied, cathodic protection.  Labor  costs include construction cost for transportation, welding, and installation of the pipeline (in a ditch).  ROW  costs  includes  acquisition,  repair  and  compensation  costs  for  damages. Miscellaneous  costs  include  surveying,  engineering,  supervision,  contingencies, allowances, overhead and filing fees. 

Although  the  cost  division  for  natural  gas  pipelines  is  presented  based  on  significant historical  experience  (see  Figure  2.2),  there  is  not much  information  available  for  CO2 pipelines. Schoots et al., (2011) estimate that the material costs for CO2 pipelines would double compared  to natural gas pipelines of  the same diameter due  to special material requirements.  In principle, CO2 pipelines operate on a higher pressure  than natural gas pipelines,  and  as  a  consequence, CO2 pipelines  require  a  thicker pipeline wall.  For CO2 

transport  without  free  water  ordinary  carbon‐manganese  steel  pipelines  can  be  used (DNV, 2010). However, the external coating applied on natural gas pipelines may not be suitable due to the  low temperature which can arise when the CO2 pipeline  is  incidental depressurized (DNV, 2010).  

Additionally, crack propagation can be a serious problem for pipelines transporting CO2 in the dense or  supercritical phase compared  to natural gas  transport  (Cosham and Eiber, 2008; Cosham et al., 2010; DNV, 2010; King and Kumar, 2010). The occurrence of  long running  cracks,  initiated  by  for  instance  corrosion  or  earth  quakes,  depends  on  the characteristics of the fluid transported and the material of the pipeline. Crack propagation occurs when  the decompression  speed  falls below  the  fracture propagating  speed. This decompression speed is influenced by the composition of the fluid, the operating pressure and  temperature  while  the  fracture  propagating  speed  is  mainly  determined  by  the toughness  of  the  pipeline  which  is  related  to  the  material,  the  diameter  and  wall thickness.  To  avoid  the  occurrence  of  crack  propagation  in  a  CO2  pipeline,  the  wall thickness  should  be  increased.  Another  possibility  is  to  install  crack  arrestors  on  the 

                                                                 7 Note  that  the 6.0 MPa, which  is proposed  for offshore CO2  transport  in  the  ZEP  study,  is under  the  critical pressure. However, due to the low temperature of 4‐15°C, the CO2 remains in a liquid phase.  

Chapter 2 

28 

 

pipeline, which decrease the distance of the crack. However, both options would increase the  costs.  Furthermore,  one  source  has  suggested  that  also  the  costs  for  security  and safety measures  to manage  problems with  possible  leakage  and  flow  variation will  be somewhat higher for CO2 than for natural gas pipelines (Chandel et al., 2010).  

The cost division between the four categories depends, among others, on the diameter. If the pipeline diameter  increase then the contribution of material costs  tends to  increase while  the  labor  costs  tends  to  decrease  (Van  der  Zwaan  et  al.,  2011).  Furthermore,  if pipelines are constructed offshore, mainly the  labor and miscellaneous cost will  increase (Grigoryev, 2006). 

Pipeline  construction  costs  are  primarily  determined  by  diameter,  length,  operating pressures, kind of materials and terrain. Other factors, including climate, labor costs, the degree  of  competition  among  contracting  companies,  safety  regulations,  population density  and  rights  of way, may  cause  construction  costs  to  vary  significantly  from one region to another.  

For pumping  stations, which may be needed  in  long pipelines  to  compensate pressure loss, less information about the cost division is available. The main reason for this is that in  natural  gas  pipelines,  compressors  rather  than  pumps  are  installed.  The  investment costs for pumping stations will be mainly determined by the installed capacity, terrain and the distance to the electricity grid.  

 

Figure 2.2: Average division of construction costs  for onshore natural gas pipeline  in the USA  in 2009 (Smith, 2009).8 

 

                                                                 8 The cost distribution for natural gas pipelines changed considerably during the last 10 years due to increasing material  prices.  For  instance,  the  division was  41%  for  labor,  23%  for material,  10%  for  ROW  and  27%  for miscellaneous in 1999 (True, 2000). After correction for inflation, the total costs increased with 17%.  

38%

35%

20%

7%

Labor

Materials

Miscellanous

ROW and damages

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

29 

 

Models for capital costs of CO2 pipelines ‐ state‐of‐the‐art review 2.4.1

In literature, several models describe the capital costs for CO2 pipelines. These models can be categorized in:  

‐ Linear cost models  (Heddle et al., 2003; ElementEnergy, 2010; Van den Broek et al., 2010a); 

‐ Models based on the weight of the pipeline (Piessens et al., 2008; Gao et al., 2011);  ‐ Quadratic equations (IEA GHG, 2002; Parker, 2004);  ‐ CMU model (McCoy and Rubin, 2008); ‐ Models based on flow rates (Dahowski et al., 2004; Ogden et al., 2004; McCollum and 

Ogden, 2006; Dahowski et al., 2009; Chandel et al., 2010; Serpa et al., 2011).  

The main characteristics and assumptions for each model are given in Table 2.2. Only four models  include  terrain  factors  to  correct  for  the  fact  that pipeline  construction  is more expensive  on,  for  instance, mountainous  areas  than  on  flat  terrain.  Furthermore,  one model  includes a corridor  factor  to correct  for  the  fact  that pipeline construction  is  less expensive if it follows an existing pipeline corridor. 

All  cost models examined are  (mainly) based on  the  costs of natural gas pipelines  (see Table 2.2). Although almost all  sources acknowledge  the  fact  that CO2 pipelines will be more expensive than natural gas pipelines due to the higher operation pressure, fracture control and other safety and security measures (Heddle et al., 2003; Hendriks et al., 2007; Essandoh‐Yeddu  and  Gülen,  2009;  ICF  International,  2009;  Chandel  et  al.,  2010;  ZEP, 2010), none of the models incorporate these extra costs.  

Linear cost models 2.4.1.1

Van den Broek et al., (2010a), Heddle et al., (2003) and ElementEnergy (2010) use a linear cost relation to calculate investment costs of CO2 pipelines, see equation 2.1.  

   (2.1) 

where, I are the investment costs pipeline (€); C is the constant cost factor (€/m2); D  is the diameter (m); L  is the  length (m); and FT, FC and FR are the correction factors for different terrains, for (not) following corridors and for different regions, respectively. 

Van den Broek et al., (2010a), use a constant cost factor of 1,788 €2010/m2 for designing a 

CO2  infrastructure  in  the  Netherlands.  Correction  factors  are  applied  for  following  or deviating  from  corridors  and  different  terrains,  see  Table  2.2  (Van  den  Broek  et  al., 2010a).  

Heddle  et  al.,  (2003)  evaluate  the  costs  of  CO2  transport  and  storage,  onshore  and offshore.  They  derived  a  constant  cost  factor  for  onshore  pipelines  of  1,200 €2010/m

2 based on  linear  regression of uncorrected FERC data. The  cost  figure  includes  costs  for road, railway and river crossings. Hence, Heddle et al., assume that the derived cost factor includes an  ‘average amount of obstacle crossing’. For offshore pipelines, Heddle et al., use a different constant cost factor of 2,044 €2010/m

2 based on (Sarv, 2001).  

   

Chapter 2 

30 

 

    

Table 2.2: O

verview of the economic m

odels in

 literature.     

Source

Type of 

model

Original goal of the cost 

model

Onshore / 

offshore

Costs based on

Carbon 

steel 

gradea

Pressure 

Inlet 

(MPa)

Region 

specific

Terrain 

factors

Corridor 

factor

Costs include

Van den 

Broek et 

al., 

2010ab

Linear

Development of a

 large‐

scale CO2 infrastructure 

till 2050.

Onshore and 

offshore 

with a 

terrain 

factor.

Report of a

 

consultancy 

company 

(Ecofys)

b.

Not 

specified

11

Netherland

sYesc

Yesd

Material, 

construction, 

insurance, licenses 

and engineering 

costs

Heddle et 

al., 2003 

Linear 

Assessing the 

economics of CO2 

transport and storage. 

Different 

figures for 

onshore and 

offshore.

Onshore: FERCe 

data 1989‐1998 

Offshore: 

McD

erm

ott 

(Sarv, 2001)

Not 

specifiede

15.2

U.S.

No

No

Material, labor, 

ROW and misc. 

costs

Element‐

Energy, 

2010 

Linear

Optimize worldwide 

source and sink 

connections for 2030 

and 2050. 

Onshore and 

offshore 

with a 

terrain 

factor.

FERCe  data of 

1993‐2007 for 

diameters of 

0.76 and 0.91 m.

Not 

specifiede

15          

(13‐20)

World 

oriented 

with 

regional 

factorf . 

Yesg

No

Material, labor, 

ROW, 

contingencies, and 

owners cost 

Gao et al., 

2011 

Weight 

based 

model

Estimate cost for 

different modes of CO2 

transport (ships, 

pipeline and train) for a 

given case

 study. 

Only 

onshore.

Price

 of steel 

pipelines

X70 

15.2

China

No

No

Material, labor, 

ROW and misc. 

costs

FERCe  data till 

2005; ROW

costs based on 

experts 

opinionsh

Parker, 

2004 

QuadraticEstimating the costs of a

 

H2 pipeline. 

Only 

onshore.

FERCe  data 1991‐

2003

Not 

specifiede

n.a.

U.S.

No

No

Material, labor, 

ROW and misc. 

costs

Regional 

factor 

included in

 

material 

costs (for 

Belgium).

Yesj

No

Material, labor, 

ROW and misc. 

costs

Piessens 

et al., 

2008 

Weight 

based 

model

Building a projection 

tool for CCS in Belgium 

till 2050.

Only 

onshore.

Not 

specifiede,i

12.5

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

31 

 

 

 Table 2.2: O

verview of the economic m

odels in

 literature (continued).     

IEA GHG, 

2002

Quadratic Initial assessment 

about the costs of CO2 

transport. 

Different 

equations 

for onshore 

and 

offshore.

In‐house

 review 

on pipeline 

transm

ission 

data by Woodhill 

engineering 

consultants.

ANSI 900# 

and 1500#

14.0 MPa 

for ANSI 

900# and 

22.5 MPa 

for ANSI 

1500#

World 

oriented 

with 

regional 

factors

k .

Yesl

No

Material, 

equipment and 

installation costs. 

Unclear if ROW and 

misc. costs are 

included.

McCoy 

and 

Rubin, 

2008 

CMU 

model 

(Loga

rithmic 

model)

Estimate CO2 pipeline 

costs over a range

 of 

distances for different 

regions.

Only 

onshore

FERCe  data 1995‐

2005 

X70m

13.8

6 U.S. 

regions

No

No

Material, labor, 

ROW and misc. 

costs

Dahowki 

et al., 

2004

Flow 

based 

model

Construct cost‐curves 

for CO2 transport and 

storage

 in U.S. 

Only 

onshore

FERCe  data of 

1992‐2002

Not 

specifiede

n.a.

U.S.

Average

 

factor 

of 1,17

No

Material, labor, 

ROW and misc. 

costs

Dahowki 

et al., 

2009

Flow 

based 

model

Construct cost‐curves 

for CO2 transport and 

storage

 in China. 

Only 

onshore

FERCe  data of 

1997‐2006

Not 

specifiede

n.a.

U.S.

Average

 

factor 

of 1,17

No

Material, labor, 

ROW and misc. 

costs

Ogden et 

al., 2004 

Flow 

based 

model

Cost minim

ization of the 

costs of H

2 with CCS 

delivered to fuel 

station. 

Only 

onshore

Skovolt, 1993 

(Expert opinion)

High 

quality 

carbon 

steeln

15

Not 

specified.

No

No

Material and labor 

of pipeline and 

compressor (initial 

+ interm

ediate). 

Not clear if other 

costs are included.

McCollum 

and 

Ogden, 

2006 

Flow 

based 

model

Estimate the average, 

maximum and minim

um 

costs of a

 CO2 pipeline.

Only 

onshore

Average

 of other 

models

Not 

specified

15.2

Not 

specified, 

but most of 

the used 

models 

focus on 

the U.S.

No

No

Not specified. 

Chapter 2 

32 

 

   

Table 2.2: O

verview of the economic m

odels in

 literature (continued).     

Chandel 

et al., 

2010

Flow 

based 

model

Analyzing the 

economies of scale 

which can be realized by 

building a CO2 trunkline. 

Only 

onshore

Costs Parker 

(FERCe data 1991‐

2003)

X70o

13

U.S.

No

No

Material, labor, 

ROW and misc. 

costs. Include also 

costs of pumping 

during and at the 

end of transport. 

Serpa et 

al., 2011

Flow 

based 

model

Developing an accurate 

cost equation for CO2 

pipelines, which can be 

used in

 a linear 

optimization program. 

Onshore and 

offshore 

with a 

terrain 

factor.

Cost estim

ations 

in literature for 

CO2 pipelines 

and large 

natural gas 

pipelines 

projects.

ANSI 

1500#

n.a.

Not 

specified 

(costs from 

U.S., 

Canada 

and EU).

Yes, 

based 

on IEA 

GHG, 

2002l 

No

Material, 

equipment and 

installation costs. 

Unclear if ROW and 

misc. costs are 

included.

f) ElementEnergy(2010)givesafactorof1.0

toAustralia,Canada,Japan,U.S.andWestern

Europe.Afactorof0.7

isgivento

China,India

and

CommonwealthofIndependentStates,0.8

toAfrica,Mexico,Eastern

Europe,CentralandSouth

America

andotherdevelopingAsiaand0.9to

theMiddle

East.Although

itisnotclearlystated,thecostsfactorsofElementEnergyseemsto

bebasedonIEAGHG,2002.Theonlydifferencesbetw

eenboth

reports

isthatin

theElementEnergyreport,theUnitedKingdomdoesnotgetaseparate

factor,onefactorisgivenforwholeAfricainsteadofdividingitinthree

regions and an additional factor is given to Mexico

 and Eastern Europe.

b) This costs figure is based on (H

endriks et al., 2003; H

endriks et al., 2007).

c) V

andenBroeketal.,(2010a)optimizedpipelineroutesintheNetherlands.Therefore,theyconstructedacostgrid

where

thebase

costsare

multiplied

withterrain

factors

totake

into

accountdifferencesin

costsdueto

topographicconditions.Theygive

aterrain

factorof1.0

forremotedagriculturalor

recreationalland,0.9foroffshore

pipelines,1.4forpopulatedareas,1.8forriverandlakes,and10forwindmillandnature

parks.Withthese

correction

factors,itisdiscouragedto

laypipelinesin

protectednature

areas.Norm

ally,investmentcostsforoffshore

pipelinesare

higherthanforonshore

ones.

However,in

theNetherlandsitappears

tobetheotherwayaroundowingto

thecomplexonshore

situation.Thisis

causedbythepeaty

soil,dense

populatedarea,numerousartworkssuch

aswaterw

ays

andfreeways

andthenumerousconcessionsthathave

tobemadeto

localauthoritiesand

landowners (H

endriks et al., 2007; Van den Broek et al., 2010a).

d) VandenBroeketal.,(2010a)report

factors

forfollowingordeviatingfrom

corridors.Thereasoningbehindthis

isthattheROW

costswould

be

significantlyless

ifexistingpipelinecorridors

are

used.So,followingcorridors

onshore

getafactorof1.0

whiledeviatingonshore

getafactor1.5.For

offshore pipelines, following corridors get a factor 0.9 and deviating get a factor 1.0.

e) FERCrefers

totheU.S.’FederalEnergyRegulatory

Commissionwhichkeepstrack

oftheactualcostsofnaturalgaspipelinesintheU.S.These

costsare

every year reported in

 the Oil and Gas Journal. The natural gas pipelines in the U.S. are mainly based on carbon steel grades ranging from X‐60 to X‐80. 

a) SteelgradeisoftenclassifiedwiththeAPI5Lmethod.Withthismethod,thenumberbehindtheXrefers

totheyield

strengthofthematerialinksi.

Hence, X70 refers to a steel type which can have

 stress up to 70 ksi (= 483 MPa) before it is non‐reversible deform

ed.

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

33 

 

   

Table 2.2: O

verview of the economic m

odels in

 literature (continued).     

n) No specific steel type is mentioned by Skovolt or Ogden. N

evertheless, Skovolt indicate that the pipelines would be made of ‘high quality carbon steel’. 

o) Not explicitly mentioned but the minim

um yield strength of the pipeline, w

hich is 483 MPa, corresponds to a steel grade of X

‐70.

h) The pipeline experts are from Tractebel and the Nationale Maatschappij der Pijpleidingen.

i) The outcome of the thickness equation refer to X80. N

evertheless, the steel grade is not explicitly mentioned. 

j) Piessensetal.,(2008)use

fourindependentterrain

factors,each

foronecost

category.Thisto

incorporate,forinstance,thatthelaborcostsmay

increase

withpeatysoilbutthematerialcostswouldremainthesame.Each

ofthese

fourcostfactorsisdefinedbyusingsoil,topographical,landuse

and

regional inform

ation.

k) TheregionalcostsfactoroftheIEAGHGare

basedontheconstructionofelectricity

transm

issionnetw

orks.

Theygive

afactorof1.0

toAustralia,

Canada,Japan,U.S.andWestern

Europeandafactorof1.2to

theUnitedKingdom.Furtherm

ore,afactorof0.7

isgivento

South

Africa,China,Indiaand

CommonwealthofIndependentStates,of0.8to

NorthAfrica,CentralandSouth

America

andotherdevelopingAsiaandof0.9to

EquatorialAfricaandthe

Middle East. 

l) TheIEAGHGgivesterrain

factors

basedontheconstructionofelectricity

transm

issionnetw

orksof1.0

forgrassland,1.05forwoodedterrain,1.1for

cultivated land, jungle or stony desert, 1.30 for mountainous <20% slope and 1.50 for mountainous >50% slope. 

m) The engineering part of the report is based on steel grade X‐70, therefore it is assumed that the costs are also be specific for X‐70 steel pipelines. 

g) Element Energy gives terrain cost multipliers of 1.0 for flat open countryside, 2.5 for mountainous areas, 1.3 for desert, 3

 for forest, 1.6 for offshore up to 

500 m. w

ater depth and 2.7 for offshore above

 500 m

 water depth. 

Chapter 2 

34 

 

ElementEnergy  (2010)  derived  a  constant  factor  of  1,605  (±  642)  €2010/m2  by  a  linear 

regression of FERC cost data for pipelines with diameters of 0.76 and 0.91 m. It is not clear if the original data  is corrected for  inflation. The cost figure  is only valid for pipelines on flat  open  countryside  in  developed  countries,  for  other  topographic  conditions  and regions, correction factors are used, see Table 2.2.  

Models based on the weight of the pipeline (weight based models) 2.4.1.2

Gao  et  al.,  (2011)  developed  a  cost model,  which  is  specific  for  the  Chinese market. However, with  a  few  adaptations  the model  can  easily  be  used  for  other  parts  of  the world. The starting point of the model  is  the assumption  that the cost of  the pipeline  is related  to  its weight  (equation  2.2).  This  is  used  to  determine  the  overall  costs  of  the pipeline (equation 2.4). 

0.02466   (2.2) 

  (2.3) 

  (2.4) 

where, Wsteel  is the weight of the steel pipeline (kg)9; OD is the outer diameter of 

the pipeline (mm); L is the length of the pipeline (m); t is the wall thickness of the pipeline (mm)10; Pmax is the maximum operation pressure (15.3 MPa); S is the minimum yield stress (483 MPa); F is the design factor (0.72); E is the longitudinal joint factor (1); I refer to the total  investment costs  (€); Pp  is  the price of steel pipeline  (€/kg) and  fm  is  the  fraction of material costs in the total pipeline costs.  

Gao et al., (2011)  indicate that the fraction of material costs (fm)  is between 22 and 34% for the USA, and estimate this fraction to be 50% for the Chinese situation, due to lower labor costs. For  the Chinese market,  they use a price of pipeline X‐70  steel of 0.9 €/kg, based on data of a Chinese manufacturer of steel pipelines.11 

Piessens et al., (2008) also use an equation for the required weight of steel multiplied by the steel price for analyzing the material costs of CO2 pipelines. To incorporate economies of scale for longer pipelines, an additional factor is incorporated (namely ‐16 x OD x ln (L) x L),  see  equation  2.5.12  However,  this  can  cause  strong  economies  of  scale  and  even negative  costs with  long  distances  (1,000  km)  and  small  diameters  (0.01 m).  To  avoid negative  costs  and  very  strong  economies  of  scale,  the  second  part  of  the  equation  

                                                                 9 The constant 0.02466 is derived by multiplying the density of steel (7,700 kg/Nm

3) by π and dividing it with 10

to get the right units (Fang, 2011).  10 The wall thickness is calculated by using the method specified in the USA code of federal regulation.  

11  The  RMB  are  converted  to  Euros  with  the  exchange  rate  mentioned  in  (Gao  et  al.,  2011),  which  is 

8.6 RMB/€2010.  12 The equation in the source has an extra square after  . However, it is confirmed by Piessens 

that this is a typo mistake (Piessens, 2011). Hence, the square is removed from the equation.  

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

35 

 

(16 x OD x ln (L) x L) is restricted to become maximal 30% of the first part of the equation  (L x St x FP x ( π x 7,850 / 4 ) x (OD2 ‐ (OD‐t)2)) (Piessens, 2011). For determining the total investment of CO2 pipelines, Piessens et al.,  (2008) also derive cost equations  for  labor, miscellaneous and ROW costs (equations 2.7‐2.9).  

,16    (2.5) 

.   (2.6) 

1,033 55.6 _   (2.7) 

238 48 _   (2.8) 

636 24 _    (2.9) 

where,  Ix  refer  to  the  investment  costs  of material  (x=material),  labor  (x=labor), right‐to‐way  (x=ROW)  and  miscellaneous  (x=miscellaneous),  respectively  (€2010);  L  is  the length (m); St are the steel costs (0.750 €2010/kg)

13; FP is the factor for regional steel product (about 8)14; OD is the outer diameter (m); t is the wall thickness of the pipeline (m); FT is the under  thickness  tolerance  factor  (0.125);  Pave  is  the  average  transport  pressure  in  the pipeline (9.5 MPa); S  is the minimum yield stress (246 MPa); FC  is the factor for threading, mechanical strength and corrosion  (0.00127); and Fr_x  is  the correction  factor  for different regions  for  labor  (x=labor),  right‐to‐way  (x=ROW)  and  miscellaneous  (x=miscellaneous), respectively.  

Note  that  the  weight‐based  models  are  the  only  models  that  explicitly  incorporate thickness of the pipeline. 

Quadratic equations  2.4.1.3

The  IEA GHG  report of 2002 analyzed  the  cost  for  the  transmission of CO2 and energy, onshore as well as offshore. Six different kinds of coefficients are given for cost equation 2.10,  for  three  different  kinds  of  carbon  steels,  namely ANSI 600#  (for  pressures  up  to 9 MPa), 900# (up to 14 MPa) and 1500# (up to 22.5 MPa) for onshore as well as offshore (IEA GHG, 2002).15 ANSI 600# is considered not suitable for CO2 pipelines due to the small difference  between  the  critical  pressure  and  the  maximal  allowed  pressure  and  is therefore not considered further. The cost equation of ANSI 1500# is used in an IEA GHG study for the construction of cost supply curves in Europe (Wildenborg et al., 2004). 

 

                                                                 13 The corrected steel price is slightly higher than the current steel price for hot rolled steel plate which was on 

average 0.67 €2010/kg in the period August 2010 until September 2011 (Steelonthenet, 2012). 14 Factor of 8 is not stated in the article but is communicated by Piessens (Piessens, 2011). 

15 ANSI is no longer used as standard and it has been taken over by the ASME standard. ASME give for straight 

seam less pipes the recommendation to use the API standard (X70, X80 etc.). ANSI 1500# can still be found for flanges and valves, but this cannot be compared to the API pipeline standard.  

Chapter 2 

36 

 

a   (2.10) 

where, I refer to the investment costs (M€2010); ai and bi are constants (for values see Annex A); L is the length (m); OD is the outer diameter (m); FT and FR are the correction factors for different terrains and for different regions, respectively.  

In  another  study, Parker  (2004)  analyzed  construction  cost data on natural  gas, oil  and petroleum pipelines, and use the results to assess the costs for a hydrogen infrastructure. Although the aim of the study was not to look at CO2 infrastructure, the analysis has been used  by  several  papers when  assessing  CO2  pipeline  transport  (McCollum  and  Ogden, 2006;  Chandel  et  al.,  2010).  Parker  (2004)  developed  a  cost  equation  for  each  cost category  (material,  labor,  ROW  and miscellaneous  costs),  based  on  the  best  fit  of  the medians  (equations 2.11‐2.14).  For  the period  investigated,  the  average percentages of errors indicated by the author are 31% for material, 49% for labor, 59% for miscellaneous and 84% for ROW costs. Subsequently, Parker added the costs of each category to develop an equation for the total costs, which he estimates to have an average error percentage of 42% for the investigated period.16 

489,160 25,827 25,743 53,785  (2.11) 

507,661 77,969 162,341 284,294  (2.12) 

21,691 28,444 61,469  (2.13) 

316,425 6,994 145,989  (2.14) 

996,820 441,912 223,522 545,537  (2.15) 

where, D  is  the diameter  (m); L  is  the  length  (km); and  Ix  refer  to  the  investment costs  of  material  (x=material),  labor  (x=labor),  right‐to‐way  (x=ROW),  miscellaneous (x=miscellaneous), and total (x=total), respectively (€2010).  

CMU model 2.4.1.4

McCoy and Rubin  (2008) developed a cost equation  for pipeline transport with different parameters for each cost category (material, labor, ROW and miscellaneous costs) and for each region, see equation 2.16. For  the cost comparison  in  this article,  the equations of the Mid‐West USA region are used, which corresponds to the base case in the article.  

  (2.16)  

⋯    (2.17) 

where,  I  refer  to  the  total construction costs  (€2010); L  is  the  length  (km); an are constants, which are specified for each cost category (see Annex A); D is the diameter (m); Xn are binary values for one of the 6 USA regions (see Annex A).  

                                                                 16  In  the original  formula  for  the  total costs, a  typo mistake was made  in  the  last  term. This was validated by 

(McCollum and Ogden, 2006), who had contact with the author.   

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

37 

 

Models based on flow rates 2.4.1.5

For  the  construction of  cost  supply  curves  for CCS  for North America, Dahowski  et  al., (2004) assumed  that  the costs  for onshore CO2 pipelines have a  linear  relationship with length and diameter, see equation 2.1. A constant cost  factor of 1,508 €2010/m

2  is used, which is obtained by linear regression of FERC cost data.17 Subsequently, Dahowski et al., (2004)  rewrote  the  linear  cost equation, which depends on diameter, by assuming  that 1,000 million standard cubic feet per day is transported per square meter of pipe area to obtain an equation that only depends on flow and length, see equation 2.18. In the model, the distance between the source and sink is calculated as a straight line. However, since a pipeline  will  probably  not  be  placed  in  a  straight  line  to  avoid,  for  example,  densely populated areas and pipeline  laying  in other  topographical conditions  than  flat, dry and remote grassland will add to the cost, the model incorporates an overall correction factor of 1.17. Additionally, a default amount of 10 miles (16 km) is added to the length to access a suitable injection site within a storage formation. However, in the comparison presented in this study,  it  is assumed that the actual  length between source and sink  is known and the  cost  comparison  is done  for pipelines on  agricultural  terrain,  and  consequently  the correction factor and the default amount of 16 km are disregarded.  

68,719 .   (2.18) 

where,  I  refer  to  the  total  investment  costs pipeline  (€2010); m  is  the mass  flow (kg/s); and L is the length (km).  

For constructing cost supply curves  for CCS  in China,  the cost model of Dahowski et al., (2004) was updated (Dahowski et al., 2009). For the update, more recent FERC data was used  and  high  and  low  cost  outliers  for  each  diameter  category  were  excluded.  The resulting cost equation is given in equation 2.19. Like in the originally model, a correction factor of 1.17 and a default amount of 40 km was used  to  correct  for  the  straight  line distance and the uncertainty where a suitable  injection site  is  in the storage formation.18 For  similar  reasons  as  mentioned  above,  these  were  not  taken  into  account  in  the comparison.  

77,854 . 595,704  (2.19) 

where,  I  refer  to  the  total  investment  costs pipeline  (€2010); m  is  the mass  flow (kg/s); and L is the length (km).  

In another study, Ogden et al., (2004) analyze the production chain of H2 production with CCS.  The  costs  of  CO2  transmission  are  based  on  the  estimated  investment  cost  of pipelines (including initial compression to 11 MPa) of 16, 30, 40 and 64 inches of Skovholt 

                                                                 17 It is not clear if the FERC costs are first adjusted for inflation, and if so to which base year. Therefore, the costs 

are corrected by assuming that the costs are given in $2002, which is the last year of the data used from the FERC. 18 Since the spatial accuracy for CO2 point sources as well as for storage formations was less in China than in the 

USA, a higher default amount of 40 km was used.  

Chapter 2 

38 

 

(1993).19 With  these data points, Ogden et al.,  (2004) derive an equation  for  the capital costs of pipelines (without initial compression) as function of the diameter. Subsequently, Ogden et al., (2004) reformulate the equation in such a way that the costs depend only on mass flow and length, see equation 2.20. 

.

.  (2.20) 

where, C0 is the base costs per unit which 1,052 €2010/m; m is the mass flow (kg/s); L is the length (m); and subscript 0 refers to base case (L0 = 100,000 m; m0 = 185 kg/s). 

Skovholt  (1993)  indicate  that his  cost estimations  are  applicable  for onshore  as well  as offshore pipelines but excluded the extra compression costs for offshore transport. Ogden et al., (2004) focus only on onshore pipelines, so equation 2.20  is  in this study only used for onshore pipelines.  

McCollum  and  Ogden  (2006)  compare  different  existing  economic  models  for  CO2 transport  in  literature, namely  the models of Ogden et al.,  (2004); Heddle et al.,  (2003); IEA GHG  (2002); Wildenborg  et  al.,  (2004); Dahowski  et  al.,  (2004);  and  Parker  (2004). Based on the average of these models a new cost model is proposed which eliminates the need to calculate the diameter, see equation 2.21. 

24.7 . .   (2.21) 

  where, I refer to the total investment costs onshore pipelines (€2010); m is the mass flow (kg/s) and L is the length (m). 

Serpa et al., (2011) commence with the quadratic cost formula of the  IEA GHG report of 2002, see equation 2.10. They note that the ratio between bi/ai is typically in the order of 10  (expressed  in  km).  Therefore,  they  eliminate  the  b  terms.  Furthermore,  the  ratio between a2*OD

2 and a1*OD is higher than 5 for diameters above 0.50 m. Therefore, they simplify  the  equation  by  assuming  that  a1=0.  Subsequently,  they  substitute OD  for  an equation containing the mass flow, resulting in equation 2.22. 

  (2.22) 

∆  (2.23) 

where, I refer to the investment cost (M€2010); a0 and a1 are constants; fdarcy is the Darcy friction factor; L is the length (km); ρ is the density (kg/m3); ΔP is the overall pressure drop  (Pa); m  is  the mass  flow of CO2  (Mt/y);  γ  is  the exponent; and FT  is  the  correction factor for different terrains.  

To further simplify the equation, they assume that mass flow exponent γ is one instead of 0.8. To justify this simplification and to determine the values of a0 and β, they use several 

                                                                 19 The costs of Skovholt (1993) are directly used by Ogden et al., (2004) and not corrected for inflation.  

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

39 

 

cost estimations mentioned  in public sources for CO2 and for  large natural gas pipelines. With a linear regression on the cost data corrected to €2010, they found an a0 of 0.533 and a β of 0.019 with a R2 of 0.80 (Serpa et al., 2011).  

Another study investigates the potential economies of scale of CO2 transport with a trunk pipeline (Chandel et al., 2010). They use the pipeline costs of Parker (2004) but only take into account pipelines with  lengths  longer than 75 miles  (=120.7 km), because these are considered to be representative for long distance CO2 pipelines. For a given distance and mass  flow,  they  calculate  the  needed  diameter  and  round  it  up  to  a  diameter  that  is commercially  available.  Subsequently,  the  amount  of  pumps  needed  on  the  route  is calculated including one pump at the end of the pipeline to (re)pressurize the CO2.

20 With the  capital  costs,  energy  costs  and  O&M  costs,  the  levelized  costs  are  calculated  for several mass  flows and  lengths. Based on  the outcomes, a mass  flow based equation  is constructed for the levelized costs of CO2 transport, see equation 2.24.  

..

.   (2.24) 

Where, L is the length (km); m is the mass flow of CO2 (kg/s); and LC refers to the levelized costs per t CO2 transported (€2010/t). 

Models for O&M costs of pipelines 2.4.2

The majority of the levelized costs of CO2 pipeline transport consists of annualized capital cost but the O&M costs are nonetheless significant (McCoy and Rubin, 2008). In literature, the annual O&M costs for pipelines are generally expressed as a percentage of the capital costs, in the range of 1.5 to 4%, an equation, or expressed as a fixed value per unit length ranging from 4.5 to 7.0 €2010/m (see Table 2.3). No explanation is provided in literature for the different methods or for the range in the numbers.  

Models for capital costs of pumping stations 2.4.3

For pumping stations less capital costs models are available than for pipelines. In total, five cost estimations for pumping stations were found in literature. Two studies used a relation between the capital cost and the installed capacity of the pumping station, namely the IEA GHG (2002), see equation 2.25, and Chandel et al., (2010), see equation 2.26.  

12 0.71 10   (2.25) 

2.3 0.15 10   (2.26) 

where, Ipump refer to the investment costs of a pumping station (€2010) and W is the capacity of the pumping station (MWe) 

 

                                                                 20 In the article of Chandel et al., (2010) it is not clear why they place a pumping station at the end of the pipeline 

to repressurize it back to the inlet pressure. Probably, the storage field requires this.  

Chapter 2 

40 

 

Table 2.3: Overview of O&M costs for pipelines. 

Model   Onshore Offshore

ElementEnergy, 2010 1.5%a

3%a

Dahowski et al., 2004 2.0%a

Dahowski et al., 2009 2.5%a

Chandel et al., 2010  2.0%a

McCollum and Ogden, 2006 2.5%a

Wildenborg et al., 2004 3.0%a

Van den Broek et al., 2010b 3.5%a

Gao et al., 2011  4.0%a

Ogden et al., 2004  4.0%a

IEA GHG, 2002b  ‐400,000+2,521xOD+2.7xL (154+19.8xL)x1000 

Heddle et al., 2003  4,503 €2010/km/yMcCoy and Rubin, 2008 4,597 €2010/km/yZEP, 2011  6,240 €2010/km/yMikunda et al., 2011 7,000 €2010/km/yNETL, 2010  7,037 €2010/km/y

a) Annual O&M costs are based on a percentage of the capital costs.b) In the equations for O&M costs, OD is the outer diameter in millimeter, L is the length in meter and the O&M 

costs are calculated in €2010. For the offshore O&M costs, a table is provided in the IEA report with the costs of intelligent pigging, a repair vessel and survey vessel. These are converted to an equation for the O&M cost, by assuming that surveying is executed each year and pigging speed is, like the surveying speed, 6 km/day. For offshore as well as for onshore O&M costs are similar for ANSI 900# and 1500#. 

Additionally, ElementEnergy (2010) estimated the capital costs at 5 M€2010/MWe with an uncertainty range of 0.8‐8 M€2010/MWe. This  includes associated  infrastructure,  land and standard levels of redundancy. It is not clear, however, where the numbers come from. 

Piessens  et  al.,  (2008)  and Wildenborg  et  al.,  (2004)  reported  fixed  capital  costs  for pumping stations regardless the overall installed capacity. Piessens et al., (2008) reported capital costs of 38.6 M€2010 for the (intermediate) compressor, based on Wong (2005). 21 

Wildenborg et al., (2004) estimated the costs on 10 M€2010 for a pumping station onshore, which  is  needed  every  200  km.  For  the  construction  of  cost  supply  curves  of  CCS  for Europe,  Wildenborg  et  al.,  (2004)  used  a  fixed  additional  amount  of  50  €2010/m  to incorporate the costs of pumping stations also if the pipeline is shorter than 200 km. After the example of McCollum and Ogden (2006), this study incorporates only pumping station costs if pipelines are longer than 200 km. 

Models for energy consumption, energy costs and fixed O&M costs of pumping 2.4.4stations 

The O&M  costs of pumping  stations  can be  split  in  fixed O&M  and energy  costs.  Fixed O&M costs are often expressed as a percentage of  investment costs and are reported  in the range of 1.5%‐5%, see Table 2.4. The energy costs, at the other hand, are related to the  electricity  price,  operation  hours  and  installed  capacity.  The  IEA  GHG  (2002), 

                                                                 21 The original capital costs are given on a yearly basis (4.9 M€2010) but this can be converted to investment costs 

using the given discount rate of 12% and the lifetime of 25 years.  

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

41 

 

ElementEnergy (2010), Chandel et al., (2010), Wildenborg et al., (2004) and McCollum and Ogden  (2006)  calculate  the  required  installed  capacity with  the difference between  the inlet and outlet pressure, see equation 2.27. Depending on the density, pressure  in‐ and outlet, this leads to an energy consumption of 1.3– 4.5 kWh/t CO2, see Table 2.4.  

  (2.27) 

where, W is the capacity of the pumping station (MWe); m is the mass flow (kg/s); ρ  is  the density  (kg/m3); Pfinal  is  the pressure outlet pumping  station  (MPa); Pcut‐off  is  the pressure inlet pumping station (MPa); ηpump is the efficiency of the pump. 

Piessens  et  al.,  (2008)  derived  the  installed  capacity  from  the  difference  in  potential energy  from  the  in‐ and out‐coming stream of  the pumping station  (see equation 2.28). They indicated that the energy consumption of compressing CO2 of 10°C from 8 to 13 MPa is 65 kWh/t CO2, if the compressor has an efficiency of 80%. The main reason for this large energy consumption is the temperature increase of almost 100°C, which is calculated with equation 2.29. However, this equation is only valid for adiabatic compression and not for pumping. With  pumping,  the  temperature  increase  is  considerably  less.  Therefore,  the pumping process was modeled in AspenPlus by using the input data of Piessens et al. This leads to a temperature  increase of only 1.5°C  instead of 100°C. Furthermore, the energy consumption is about 7.2 kJ/kg or 2.0 kWh/t CO2. This figure is comparable with the range mentioned by the other authors, as can be seen in Table 2.4.  

Table 2.4: Overview of O&M costs and energy consumption for pumping stations.  

   O&M costs Energy consumption (kWh/t CO2) 

ElementEnergy, 2010 5%a

1.9b

Wildenborg et al., 2004 5%a

1.9b

IEA GHG, 2002c 

N x (‐0.28W2 +1,033W + 244,788) 1.9

b

McCollum and Ogden, 2006 4%a

4.5d

Chandel et al., 2010 4%a

1.3e

Piessens et al., 2008 0.24 M€2010/y 2.0f

Van den Broek et al., 2010b 4‐5%a

n.a.Rubin et al., 2008  1.50%

a1.43

g

a) Percentage of investment costs. b) The  energy  consumption  is  calculated  by  using  equation  2.25  and  assuming  an  energy  density  of 

800 kg/m3, an efficiency of 75% and a pressure difference of 4.0 MPa.  

c) The O&M  for pumps are originally based on a  look up  table  (IEA GHG, 2002) but  in  the comparison  the O&M equation developed by McCollum and Ogden is used, which has a R

2 of 0.93 for individual capacities 

between 0‐2 MWe (McCollum and Ogden, 2006). In the formula, N is the number of pumping stations, W the capacity in kWe and the O&M costs are given in €2010.  

d) McCollum and Ogden (2006) also use equation 2.25 but they assume a density of 630 kg/m3, an efficiency 

of 75%, an inlet pressure of 7.38 MPa and an outlet pressure of 15 MPa.  e) Also, Chandel et al., use equation 2.25 but  they use a density of 827 kg/m3

, an efficiency of 75% and a pressure difference of 3 MPa. 

f) Piessens et al., (2008) give an energy consumption figure of 65 kWh/t CO2 for pumping CO2 of 10°C from 8 to 13 MPa. This is, however, related to a temperature increase of 100°C between the inlet and outlet while with pumping the temperature increase is only 1.5°C. Looking up the difference in internal energy of this gives a difference in internal energy of 7.2 kJ/kg, which correspond to an energy consumption of 2.0 kWh/t CO2 with an pump efficiency of 80%. 

g) Estimated compression power for pumping CO2 of 12°C from 10 to 14 MPa (Rubin et al., 2008). 

Chapter 2 

42 

 

, ,   (2.28)  

   (2.29) 

  where, W  is  the  power  (kW);  Ep,1‐2  is  the  potential  energy  of  state  1  and  2, respectively (kJ/kg); m  is the mass flow (kg/s); ηpump  is the efficiency of the pump; Toutlet  is the outlet temperature; Tinlet is the inlet temperature; CR is the compression ratio between outlet and  inlet22;  k  is  the  ratio  between  cp  and  cv;  cp  is  the  specific  heat  of  CO2 under constant  pressure  kJ/(kg*K)23;  and  cv  is  the  specific  heat  of  CO2  under  constant  volume kJ/(kg*K)24.   

Evaluating  the  economic  pipeline  and  pumping  station  cost 2.5models 

In  this  section,  the pipeline and pumping  stations  cost models are  compared with each other.  If  correction  factors  are  included  in  the  cost  formulas  to  distinguish  between different  topographic and  regional conditions,  the  factors are set  to 1, corresponding  to costs of onshore pipelines on flat terrain.  

Evaluation of pipeline cost models  2.5.1

Figure  2.3  shows  a  comparison  of  the  different  capital  costs models  over  a  range  of diameters. The model of Piessens et al., (2008) results in significantly higher capital costs than the other models. The main reason for this is the material costs, which determine up to  88%  of  the  total  costs  for  large  diameters  in  their  model.  This  is  caused  by  the increasing wall thickness, which goes from 5 to 30 mm if the diameter increase from 0.20 to 1.30 m.25 This  leads to a 39‐fold  increase  in steel requirements. For Gao et al., (2011) the cost consequence of the higher steel requirement  is  less strong due to the assumed lower costs for steel pipelines. 

Even without the cost estimation of Piessens et al., (2008) the cost difference between the lowest estimation and  the second highest  is  large. For  instance,  for a diameter of 0.4 m the cost difference between the estimation of Van den Broek et al., (2010a) and IEA GHG (2002) for ANSI #900 is a 0.5 M€2010/km, equivalent to almost a 150% cost difference.  

In  Figure  2.3,  costs  estimations  are  included  of  existing  (Weyburn,  Kinder Morgan  and 

                                                                 22  To  pressurize  CO2  from  atmospheric  pressure  to,  for  instance,  10 MPa, multiple  stages  are  installed with 

intercoolers between the stages to limit temperature increase.  23 The specific heat under constant pressure of CO2 depends on the pressure and temperature. For instance, CO2 

with a pressure of 10 MPa and a temperature of 280 K, has a specific heat of 2.28 kJ/(kg*K) (Span and Wagner, 1996). 24 The specific heat under constant volume of CO2 depends on the pressure and temperature. For instance, CO2 

with a pressure of 10 MPa and a temperature of 280 K, has a specific heat of 0.93 kJ/(kg*K) (Span and Wagner, 1996). 25 The thickness calculation is based on equation 2.6 and parameters of Piessens et al., (2008). 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

43 

 

Denbury)  and  planned  (Alberta  Carbon  Trunk  and  Kingsnorth)  CO2  pipelines  as well  as costs  estimations made  in  literature  (Damen  et  al.,  2009;  Essandoh‐Yeddu  and  Gülen, 2009; WorleyParsons and EcoNomics, 2009; ZEP, 2010; Mikunda et al., 2011), see Annex A for the actual data. After correcting the cost models to the actual  length of the realized and planned pipelines, the majority of the estimations are within the range  indicated by the different costs models. Only one of the 39 data points was outside the range, namely the realized Centerline. For this pipeline the costs are estimated at 0.23 M€2010/km (Kinder Morgan  Energy  Partner,  L.P.,  2003),  while  the  cost  models  give  a  range  of  0.28  – 1.7 M€2010/km for a pipeline with a diameter of 0.41 m and a length of 182 km.26 

 

Figure  2.3:  Capital  costs  predicted  by  the  different  diameter  based models  in M€2010/km  for  a pipeline of 25 km on flat agricultural terrain and capital cost estimations  in  literature, for actual planned or realized projects (including terrain aspects).

27 The boxes represent the ranges for the different base cases resulting from the different diameter models (see section 2.6).  

Denbury’s  Green  transverses  through  an  area  with  large  rivers,  creeks,  wetlands, highways and along a number of cities (Greenwell, 2010). To pass these problem areas, 69 horizontal drillings were executed for the pipeline while major projects have typically only 10‐15  drilling  (Greenwell,  2010).  This  large  number  of  drillings  increased  the  costs considerably compared to a pipeline through agricultural  land without any obstacle. The costs  of  the  Green  pipeline  of  about  1.1 M€/km  are  at  the  upper  end  of  the  range indicated by the different cost models, only the model of Piessens et al., (2008) and the model  of  Van  den  Broek  et  al.,  (2010a)  give  higher  costs  per  km.  These  kind  of 

                                                                 26 The cost range for the models is calculated by using the actual length of the pipeline.  

27 The y‐axis is limited to 8.0 M€2010/km for clarity reasons. Therefore, the costs of Piessens et al., are not figured 

for diameters above 0.85 m. According to Piessens et al., a pipeline with a diameter of 1.30 m and a  length of 25 km costs 14 M€2010/km.  

DEMO

COM

TRUNK

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30

Costs (M

€2010/km)

Outer diameter (m)

Parker et al., 2004

Broek et al., 2010

Heddle et al., 2003

ElementEnergy, 2010

Gao et al., 2011

Piessens et al., 2008

IEA GHG, 2002. ANSI 900#

IEA GHG, 2002. ANSI 1500#

McCoy and Rubin, 2008

ZEP onshore

Wordley Parsons

Other sources

Alberta Carbon Trunk line

Kingsnorth CCS

Kinder Morgan

Weyburn

Denbury

Chapter 2 

44 

 

topographical  factors  can  only  to  a  limited  extent  be  accurately  covered  by  the  cost models. 

 

Figure 2.4: Capital  costs of mass  flow based models  for a  length of 25  km and 300  km on  flat agricultural  terrain  and  capital  cost  estimations  in  literature,  for  planned  or  realized  projects (including terrain aspects).

28 

 

                                                                 28The mass flow based model of Chandel et al., gives the levelized costs of CO2 transport instead of capital costs. 

To convert the levelized costs back to capital costs, a similar discount rate and lifetime is used as by Chandel et al., which  is  a discount  rate of 10%  and  a  lifetime of 25  years.  There  is  corrected  for  the O&M  costs of  the pipeline, but not  for  the  capital, energy and O&M costs of  the pumping  stations, because  it  is unknown how much pumping stations are installed. This will lead to a slightly overestimation of the capital costs, especially for larger distances. 

DEMOCOM

TRUNK

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Costs (M

€2010/km)

Mass flow (kg/s)

25 km Ogden, 2004

McCollum & Ogden, 2006

Serpa et al., 2011

Dahowski et al., 2005

Dahowski et al., 2009

Chandel et al., 2010

ZEP onshore

Other sources

Alberta Carbon Trunk line

Kingsnorth CCS

Kinder Morgan

Denbury

Weyburn

DEMO

COM

TRUNK

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Costs (M

€2010/km)

Mass flow (kg/s)

300 km Ogden, 2004

McCollum & Ogden, 2006

Serpa et al., 2011

Dahowski et al., 2005

Dahowski et al., 2009

Chandel et al., 2010

ZEP onshore

Other sources

Alberta Carbon Trunk line

Kingsnorth CCS

Kinder Morgan

Denbury

Weyburn

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

45 

 

The  capital  cost  estimations  for  the mass  flow models  are  given  in  Figure  2.4. With  a distance of 25 km, the cost estimation of McCollum and Ogden (2006) is always the lowest from the analyzed mass‐flow based models. The model of Chandel et al., (2010) gives the highest cost estimation  for mass  flows of 550 kg/s and more. For  lower mass  flows,  the model  of  Dahowski  et  al.,  (2004)  give  the  highest  estimations. Note  that  the  updated model of Dahowski et al., (2009) give  lower estimations than the originally model, which can be caused by the exclusion of  low and high cost outliners  in the updated model. For very small mass flows of 75 kg/s and  less, the model of Serpa et al., (2011) provides the lowest costs. If the distance increases to 300 km, the costs estimated from McCollum and Ogden  (2006)  and Ogden  et  al.,  (2004)  increase with  40%  and  80%,  respectively.  As  a consequence, the cost estimated by Ogden et al., (2004) are the highest for all base cases. Reasons for this specific cost increase are not provided.  

After  correcting  the mass  flow  based models  to  the  right  length,  five  of  the  22  cost estimations from realized or planned CO2 pipelines or estimations made in literature, are outside the cost range indicated by the models. Namely: 

‐ The costs estimation of the realized Weyburn pipeline of 0.48 M€2010/km is below the indicated range of the mass flow based models of 0.50 – 1.1 M€2010/km for a pipeline with a capacity of 95 kg/s and a length of 328 km (Dakota Gasification Company, 2011; IEA GHG, 2011);  

‐ The cost estimation of a realized Centerline of 0.23 M€2010/km  is below the  indicated range of 0.63 – 1.5M€2010/km  for a pipeline with a design capacity of 175 kg/s and a length of 182 km (Kinder Morgan Energy Partner, 2003); 

‐ The cost estimation of the Eastern Shelf CO2 pipeline of 0.20 M€2010/km  is below the indicated range of 0.55 – 1.2 M€2010/km for a pipeline with a capacity of 120 kg/s and a length of 146 km (Bradley, 2011; Kinder Morgan, 2011); 

‐ The  highest  cost  estimation  for  Kingsnorth, which  is  a  planned  CO2  pipeline with  a capacity of 304 kg/s and a  length of 278 km  for a CCS demonstration project  in  the United  Kingdom,  is  2.5  M€2010/km  and  above  the  indicated  range  of  0.72  –1.9 M€2010/km.  However,  the  majority  of  this  pipeline  will  be  offshore  which  will increase the construction costs (EON UK, 2011ab). 

‐ The  cost  estimation of  1.2 M€2010/km  for  a pipeline  in  Europe made  in  literature  is above the indicated range of 0.38 –1.1 M€2010/km for a CO2 pipeline with a capacity of 79  kg/s  and a  length of 10  km  (ZEP, 2010). A possible  reason  for  this  is  the  limited length of the pipeline.  

The main advantage of the mass flow based models is that it is not necessary to calculate the diameter. However,  it  is difficult  to  see what  kind of  assumptions behind pressure inlet, pressure drop, temperature, distance between pumping stations, roughness height etc. are made. Consequently, the flexibility to adapt the design to certain circumstances is reduced. For  instance,  it  is not possible to adapt the model to a different  inlet or outlet pressure or for height differences.  

Chapter 2 

46 

 

Regional differences 2.5.2

Several sources  indicate that also regional circumstances  influence overall pipeline costs, mainly due  to differences  in  labor  costs  (IEA GHG, 2002; Gao et al., 2011;  Serpa et al., 2011). Therefore,  regional correction  factors are used by  the  IEA GHG  (2002), based on electricity transmission networks, and ElementEnergy (2010).29 They both indicate that the costs in Western Europe are similar as in the USA. However, another source indicate that energy  technologies  are 10% more  expensive  in Western  Europe  than  in  the USA  (IEA, 2008).  To  assess  whether  pipeline  costs  from  America  pipelines  can  be  used  as approximation  for  the  European market  or  for  other  parts  of  the world,  cost  data  for recent natural gas pipelines or planned natural gas pipelines in Europe and other parts of the world  in the period 1993‐2011 are compared to U.S. FERC data for the period 1994‐2010.30,31  

In the U.S., there  is an abundance of pipeline costs data due to regulation requirements. However, for Europe and other parts of the world, this is not the case and only a limited amount of data was  found and  then especially  for  large projects.  In Figure 2.5,  the cost estimations are given ordered by diameter (A), by length (B) and by length for one specific diameter  (C).32  It can be seen  that  there  is one pipeline  from other countries which has very high specific costs of about 12 M€2010/km. This specific pipeline is realized in Russia in an area with very difficult topographic and climate conditions, which increased the costs. Furthermore, it becomes clear from Figure 2.5A, that there is a large variation in costs per kilometer  for  a  given  diameter.  Economies  of  scale  is  partly  an  explanation  for  this variation  (Figure 2.5B), especially pipelines with a short  length  (< 10 km) seems  to have high specific costs. To see more clearly  the  impact of  length without  the disturbance of diameter,  the  specific  costs  for  a  specific diameter  of  0.91 m  (chosen  because  for  this diameter most cost data was available) are given in Figure 2.5C.  

To see if there are significant differences between the median of the specific costs of the three regions, a Kruskal‐Wallis analysis was conducted to the specific costs of pipelines the U.S.,  Europe  and  other  countries.33  This  analysis  showed  that  there  are  no  significant   

                                                                 29 Although it is not stated, it seems to be that ElementEnergy (2010) based their regional correction factors on 

the (IEA GHG, 2002).  30 The U.S. cost data  is based on FERC data  from 1994‐2011  (True, 1995; True, 1996; True, 1997; True, 1998; 

True,  1999;  True,  2000;  True,  2001;  True,  2002;  True,  2003;  True  and  Stell,  2004;  Smith,  2006;  Smith,  2007; Smith, 2008; Smith, 2009; Smith, 2010; Smith, 2011). 31 Cost data for pipelines in Europe and other countries come from different sources (Editorial staff, 1993; Pitt, 

2008; Wingas Transport, 2008; Cronenberg  et al., 2009; Kampman  et  al., 2010; Ministry of Petroleum, 2010; PPIAF, 2010; Gasunie, 2011; Gazprom, 2011; Hydrocarbons‐technology, 2011abcdef; NEL‐pipeline, 2011; OPAL‐pipeline, 2011; Petrova, 2011; Reuters, 2011; Serpa et al., 2011; Smith, 2011; Wikipedia, 2011; Money Express, 2012; PennEnergy, 1998). An overview of the actual data is given in the Annex A. 32 In the data, there was one extreme cost outliner for U.S. pipeline which is not visible in the graph. This was a 

pipeline with a diameter of 0.61 m, a length of 0.02 km leading to average costs of 23 M€2010/km. 33 The Kruskal‐Wallis analysis was chosen because it can deal with the unequal variance of the different groups 

and with the very different sample size of 327 for U.S., 20 for Europe and 16 for other countries. 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

47 

 

02468

10

12

14

01

10

100

1.00010.000

Costs (M€2010/km)

Length (km

)

B.

USA

Europe

Other countries

02468

10

12

14

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

Costs (M€2010/km)

Diameter (m

)

A.

USA

Europe

Other countries

 

                 

 

02468

10

12

14

01

10

100

1.000

Costs (M€2010/km)

Length (km

)

C.

USA

Other countries

Figure 2.5: Specific costs for natural gas pipelin

es ordered by (A) diameter, (B) length and (C) length for a specific diameter of 

0.91m. 

Chapter 2 

48 

 

differences  in the median between U.S., Europe and other countries  (p=0.77). Note that this analysis excludes the effect of diameter and length. Overall it has been concluded that possible regional cost differences are masked in the large cost range. 

Analysis of results for pipeline capital costs  2.5.3

Although all pipeline costs models have  length as one of the key variables, the effect of doubling the pipeline length on the cost differs. For instance, the linear models of Heddle et al., (2003); ElementEnergy (2010); and Van den Broek et al., (2010a), the weight model of Gao et al., (2011) and the flow rate models of Dahowski et al., (2004), Chandel et al., (2010)  and  Serpa  et  al.,  (2011)  assume  a  linear  relation  with  respect  to  length.  So, doubling  the  pipeline  lengths  results  in  a  doubling  of  the  total  costs.  Looking  to  the original FERC data  (see Figure 2.5),  it can be seen  that  it  is  likely  that  the specific costs decrease  considerably  if  the  length of  the pipeline doubles  from 5  to 10 km. However, after the pipeline has reached a certain length, about 50 km, strong additional economies of scale are not likely to be realized when the pipeline becomes longer.  

Other models assume economies of scale related to length, namely the model of Piessens et  al.,  (2008),  the  quadratic  equations  (IEA GHG,  2002;  Parker,  2004),  the  CMU model (McCoy and Rubin, 2008) and the flow rate model of Dahowski et al., (2009). Piessens et al., (2008) incorporate economies of scale for labor, material and miscellaneous costs. For ROW costs, on the other hand, Piessens et al., (2008) assume a linear relationship but this is only a  small part  in  the overall costs. The  realized economies of  scale depend on  the actual  length and diameter of the pipeline, for  instance doubling the  length of a pipeline of  300  km  with  a  diameter  of  0.5  m  gives  a  2.5%  cost  advantage.  In  the  quadratic equations,  the  effect of  the overall  constant becomes  smaller  as  the pipeline becomes longer. This gives, for instance, a costs advantage of approximately 1% when the pipeline length  is doubled  from 300  to 600 km.  In  the CMU model,  the  factor  La  is  incorporated where  ‘a’  is  in  all  cases,  except  for  the  ROW  costs,  smaller  than  1  (McCoy  and  Rubin, 2008). Overall, the specific costs decrease by approximately 10% when the  length of the pipeline  is doubled.  In  the  flow  rate model  of Dahowski  et  al.,  (2009),  the  constant  of 0.6 M€  creates minor  economies of  scale  related  to  length of  about 1%  if  the pipeline length doubles  from  25  to 50  km.  For  longer  lengths,  it  can be better  considered  as  a linear model.  

Two models imply reverse economies of scale related to length, meaning that the specific pipeline cost increase as the pipeline gets longer. The specific costs increase by 9.4% and 18% when the pipeline is doubled in the mass flow based model of McCollum and Ogden (2006)  and  Ogden  et  al.,  (2004),  respectively.  Reasons  for  this  are  not  provided  in literature. 

For all models, which include diameter as variable, a larger diameter leads to higher costs but different relations can be observed. Doubling the diameter from 0.4 to 0.8 m results in two times higher investment costs for the linear cost models. For the CMU, quadratic and the weight based models, the costs more than double. For the model of Gao et al., (2011) the largest cost increase is observed if the pipeline diameter is doubled, namely a 3.8 fold 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

49 

 

cost  increase. This  is  immediately related to the amount of steel needed, which doubles due to the larger circumference and increase with 188% due to the estimated thicker wall. Since Gao et al., (2011) assume that the material costs are always 50% of the total costs, they  indirectly assume  that also  the  labor, miscellaneous and ROW costs will  increase a 3.8‐fold when the diameter doubles. Looking to the FERC data (Figure 2.5), it can be seen that the total specific costs increase with a factor 2 ‐ 2.5 if the diameter doubles. Zooming in shows that the material cost approximately triple, the labor costs more or less double, the ROW costs remain almost constant and  the miscellaneous costs  increase  to a minor extent.  

Wall  thickness  is  strongly  influenced by  the maximum operation pressure and  the  steel grade used. A doubling  in operation pressure would approximately double  the  required thickness.  If  steel  grade  X80  instead  of  X70  is  used,  for  instance,  the wall  thickness  is reduced by 2.5 mm to 18 mm for a pipeline diameter of 1.22 m (Gräf et al., 2003). Besides influencing  the  wall  thickness  and  material  costs,  the  steel  grade  will  also  affect construction costs, because transportation costs are reduced and thinner walls are easier to  weld  (Gräf  et  al.,  2003).  The  lower  construction  costs  and  lower  amount  of  steel required, more than compensate the higher material costs per kilogram steel, and overall a  cost  reduction  between  3.5  and  30%  is  estimated  if  X100  instead  of  X70  is  used (Sanderson et al., 1999; Gräf et al., 2003; Cayrade, 2004; Felber and Loibnegger, 2009). Despite  the  large  influence of  steel grade on  the design and  costs of  the pipeline, only three sources (IEA GHG, 2002; Gao et al., 2011; Serpa et al., 2011) explicitly mention the steel grade of their cost models. The other sources do not mention this and use FERC data as basis for the costs equations.  

In  addition,  all models,  except  the weight‐based models,  do  not  incorporate  directly  a steel or iron price, which increased considerably during the last few years (see Figure 2.6). A  doubling  in  steel  price  will  increase  the  total  construction  costs  of  pipelines  by approximately 20‐35%. Although  increasing material prices are  included  in cost  indexes, like  the  UCCI,  it  is  almost  impossible  to  determine whether  the  steel  intensity  of  the products  included  in  the  index  is  comparable  to pipelines. Therefore,  it would be more accurate  to  link  the material prices of  the pipeline directly  to  the  steel price or a  steel price index.  

Analysis of results for pipeline O&M costs  2.5.4

Most of the sources give O&M costs as a percentage of the capital costs of the pipeline, which range from 1.5% to 4.0% (Dahowski et al., 2004; Ogden et al., 2004; Wildenborg et al., 2004; McCollum and Ogden, 2006; Chandel et al., 2010; ElementEnergy, 2010; Van den Broek  et  al.,  2010a; Gao  et  al.,  2011). However,  the  spread  in  capital  costs  is  large,  as Figure 2.3 and Figure 2.4 show, and therefore, the actual O&M costs vary even more.  

Other  studies  use  a  fixed  amount  for  the O&M  costs  regardless  the  diameter,  namely (Heddle  et  al.,  2003; McCoy  and  Rubin,  2008; NETL,  2010;  ZEP,  2010; Mikunda  et  al., 2011).  Furthermore, one  study  (IEA GHG, 2002), derived  a  linear  formula  for  the O&M costs. With this  formula, strong economies of scale are realized,  for  instance,  for a  fixed 

Chapter 2 

50 

 

diameter  of  0.5 m  the O&M  costs  are  42  €/m  for  a  pipeline  of  25  km  and  6 €/m  for 300 km.  Figure  2.7  shows  a  comparison  of  the  different  O&M  cost models.  It  can  be concluded that models which use a fixed percentage give significantly higher O&M costs than models which use a fixed amount per kilometer for pipelines with large diameters. 

 

Figure 2.6: World iron ore price from January 2001 until 2011 (Steelonthenet, 2011).34  

 

Figure 2.7: Overview of the O&M costs predicted by the different models for a pipeline of 25 km on flat agricultural terrain.35 The boxes represent the ranges for the different base cases resulting from the different diameter models (see section 6). 

                                                                 34 World iron prices are corrected with the inflation index.  

35 Chandel et al.,  give  capital  costs  for  fixed diameters, namely 0.39, 0.49, 0.59, 0.73, 0.88, 1.03 and 1.27 m 

(Chandel et al., 2010). Hence, the O&M costs can only be given for these diameters.  

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Jan‐01

Jan‐02

Jan‐03

Jan‐04

Jan‐05

Jan‐06

Jan‐07

Jan‐08

Jan‐09

Jan‐10

Jan‐11

€2010/tonne

Iron ore price

Average

COM

DEMO

TRUNK

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

Costs (k€2010/km)

Outer diameter (m)

Broek et al., 2010

Heddle et al., 2003

ElementEnergy, 2010

Gao et al., 2011

ZEP, 2011

Mikunda et al., 2011

IEA GHG, 2002

NETL, 2007

McCoy and Rubin, 2008

Chandel et al., 2010

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

51 

 

Analysis of results for the capital cost models of pumping station 2.5.5

The different capital cost models  for pumping stations are compared with each other  in Figure 2.8. There  is a wide  range  in pumping  station  costs,  for  instance,  the costs  for a pumping station of 1.25 MWe are reported  in the range 3.1‐36 M€2010.

36 The  lowest cost estimation is based on Chandel et al., (2010) which use costs of initial pumps attached to a facility as an approximation for standalone pump. However, a standalone pumping station would be more expensive because  infrastructure and buildings have  to be  constructed. For capacities under 3.0 MWe, the highest cost estimation  is from Piessens et al.,  (2008) which  use  the  costs  of  initial  compression  as  approximation  of  pumping  stations. However,  the costs  for compressing are considerably higher  than  for only pumping  (IEA GHG,  2002; McCollum  and Ogden,  2006).  For  larger  capacities,  the model  of  IEA GHG, (2002) predicts the highest costs for pumps.  

ElementEnergy,  (2010)  assumes  a  linear behavior between  capacity  and  costs, while  all the other cost models include economies of scale. For the models of Chandel et al., (2010) and  the  IEA GHG  (2002)  the  influence  of  the  constant  become  smaller  if  the  capacity increase.  For  instance,  if  the  capacity  doubles  from  1.25  to  2.5 MWe  the  specific investment  costs  decline  by  4‐5%.  The  other  two models  (Piessens  et  al.,  (2008)  and Wildenborg et al., (2004)) assume a perfect inelastic cost behavior, meaning that total cost remains  the same  if  the capacity changes. This seems unrealistic because  the pump will increase significantly in size when the mass flow increases.  

 

Figure 2.8: Capital cost of pumping stations  from  the different models. The boxes  represent the ranges  for  the different base  cases  resulting  from  the different energy  consumption  figures  for pumping. 

                                                                 36 Based on equation 2.25, a capacity of 1.25 MWe would be the required capacity to pump a COM mass flow of 

150 kg/s with 5 MPa  if the pump has an efficiency of 75% and the CO2  flow a density of 800 kg/m3. Using the 

same equation and parameters, the capacities of DEMO and TRUNK would be 0.42 and 6.25 MWe, respectively. 

COMDEMO

TRUNK

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

Costs (M

€2010)

Capcity (MWe)

Piessens et al., 2008

Wildenborg et al., 2004

Chandel et al., 2008

ElementEnergy, 2010

IEA GHG, 2002

Chapter 2 

52 

 

Analysis of results for O&M costs, energy consumption and  levelized costs for 2.5.6pumping stations  

The  fixed O&M costs  for pumping  stations are most often given as a percentage of  the capital  costs,  ranging  from  1.5‐5.0%  (Wildenborg  et  al.,  2004;  Rubin  et  al.,  2008; Kazmierczak et al., 2009; Chandel et al., 2010; ElementEnergy, 2010; Van den Broek et al., 2010a). A different approach  is  taken by Piessens et al.,  (2008) which give besides  fixed capital  costs also a  fixed amount of O&M  costs,  comparable  to an O&M percentage of 1.0%. Furthermore, the IEA GHG (2002) provides a table with different O&M costs. These costs are translated  into a formula by McCollum and Ogden (2006) for pumping stations up to 2 MWe. By comparing the different models with each other, see Figure 2.8, it can be concluded  that  the O&M  costs  of  the  IEA GHG  are  significantly  higher  than  the  other sources for capacities up to 2 MWe.  

Like the O&M costs for pipelines, the fixed O&M costs for pumping stations are strongly influenced  by  the  variation  in  capital  costs  (Figure  2.8).  Consequently,  the  cost  range would  be  even  larger  than  depicted  in  Figure  2.9.  For  instance,  the  highest  costs estimation for a pumping station of 1.25 MWe is 36 M€2010, multiplying this by the highest O&M cost percentage (5%),  leads to fixed O&M costs of 1.8 M€2010/y. Similar the  lowest O&M cost estimation for a 1.25 MWe pumping station is (3.1 x 1.5%=) 0.05 M€2010/y. 

Besides fixed O&M costs, the pumping station will have associated energy costs. Piessens et al., (2008) estimate these on 2.4 M€2010/y, regardless the  installed capacity. The other sources calculate the energy costs with a capacity factor (ranging from 80‐100%), installed 

 

Figure 2.9: O&M costs of pumping station from the different models.37 The boxes represent the ranges  for  the different base  cases  resulting  from  the different energy  consumption  figures  for pumping. 

                                                                 37 The formula derived by McCollum and Ogden for the O&M costs given in a look‐up table of the IEA GHG 2002 

is only applicable for capacities until 2 MWe. 

DEMO

COM

TRUNK

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

O&M costs (M

€2010/y)

Capacity (MWe)

Piessens et al., 2008

Wildenborg et al., 2004

Chandel et al., 2010

IEA GHG, 2002

Rubin et al., 2008

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

53 

 

capacity  and  electricity  costs  (ranging  from  34‐48 €2010/MWh).  The  installed  capacity  is directly related to the energy consumption needed which range from 1.3‐4.5 kWh/t CO2. However, the majority of the range is related to difference in input parameters like the in‐ and outlet pressure and density. Nevertheless, applying the range in energy consumption figures to calculate the installed capacity gives a capacity range of 0.2‐0.8 MWe for DEMO, 0.7‐2.4 MWe  for  COM  and  3.6‐12 MWe  for  TRUNK.  These  ranges  are  also  depicted  in Figure 2.8 and 2.9.  

With the capital, fixed O&M and energy costs, the levelized costs are calculated for a COM mass  flow with  a  common  energy price  (50 €/MWh),  capacity  factor  (95%)  and  capital recovery factor (15%). The results of this are given  in Table 2.5.  It can be concluded that the  levelized  costs  vary  considerably  between  the  different  sources  from  0.16  to 1.9 €/t CO2. Moreover,  the  cost division  varies  significantly.  For  the model of McCollum and Ogden (2006), and to lesser extent of Chandel et al., (2010) the energy costs represent the largest share of pumping costs. However, Piessens et al., (2008), IEA GHG (2002) and Wildenborg  et  al.,  (2004)  estimate  that  capital  has  the  largest  share  in  the  costs. Additional, Piessens et al., (2008) and McCollum and Ogden (2006) estimate that the O&M costs are only a minor share of the total costs while Chandel et al., (2010) estimate  it on almost one third. 

For larger mass flow, the cost division of ElementEnergy (2010) and Piessens et al., (2008) does not change at all and some small changes arise with  the models of Chandel et al., (2010)  and McCollum  and Ogden,  (2006). However,  in  the model of Wildenborg  et  al., (2004) the share of capital costs decrease from 51% to 27% if a TRUNK instead of a COM flow is pumped. For the IEA GHG model, the share of capital costs increase, at expensive of the O&M costs, for larger mass flows.  

Table 2.5: Levelized cost of pumping a COM flow, with a common capacity factor, capital recovery factor and energy price.  

Review of pipeline diameter models applied in literature 2.6

Except  for  the models of Dahowski et al.,  (2009), Dahowski et al.,  (2004), Ogden et al., (2004), McCollum  and Ogden  (2006),  Serpa  et  al.,  (2011)  and Chandel  et  al.,  (2010)  all pipeline cost models depend on  the diameter  rather  than on mass  flow. Therefore,  it  is useful  to  have  insights  into  the  key  underlying  parameters  and  assumptions  which influence the diameter calculation and consequently the capital costs.  

In literature, several different models are used or proposed to calculate pipeline diameter for CO2 transport. A brief overview of the different models is given in Table 2.6.  

  

Share in levelized costs Levelized costs (€2010/tCO2) 

Capital O&M Energy

ElementEnergy, 2010 43% 21% 36% 0.26Wildenborg et al., 2004 52% 26% 22% 0.42IEA GHG, 2002

 54% 28% 18% 0.52

McCollum and Ogden, 2006 23% 9% 67% 0.33Chandel et al., 2010  26% 31% 43% 0.16Piessens et al., 2008  54% 3% 43% 1.9

Chapter 2 

54 

 

  

Table 2.6: O

verview of the different diameter calculation m

ethods in literature.   

Nam

eForm

ula

Abbreviations 

Sources

D = Diameter (m

)

m = Mass flow (kg/s)

v = Velocit y (m

/s)a

ρ = Density (kg/m

3)

f = Fanning friction factor

L = Length (m

)

ΔP = Overall pressure drop (Pa)

n = Manning friction factorb

Δh = Height difference

 (m)

g = Gravity constant (9.81 m/s

2) 

Z ave = Average

 fluid compressibilityc

R =  Gas constant (8.31 Pa*m

3/m

ol*K)

T ave = Average

 fluid temperature (K)

M =  M

olecular weight of flow (kg/km

ol) 

P1 = Pressure at inlet (Pa)

P2 = Pressure at outlet (Pa)

Pave =  Average

 pressure in

 the pipelinec

G  = Specific gravity ( 1.519)

ηpipe =  Pipeline efficiency (assumed to 

be1)

a1 = Constant 1 (= 73.06)

a2 = Constant 2 (= 0.06836)

Velocity 

based 

equation

Wildenborg et al., 2004; 

Kazm

ierczak et al., 2009; 

ElementEnergy, 2010; 

Chandel et al., 2010

Hydraulic 

equation

Heddle et al., 2003; Van 

den Broek et al., 2010b

Extensive

 

hydraulic 

equation

Piessens et al., 2008

McCoy and 

Rubin 

model

McCoy and   Rubin, 2008

Model of 

Ogden et al.,

Ogden et al., 2004

a) Themostcosteffectivevelocityfordense

phase

CO2transportisestim

atedfrom1.5‐2.0

m/s(ElementEnergy,2010)to2‐4m/s

(Ogdenetal.,2004).

Chandel et al., pointed out that the actual velocity (v

act) can be lower than the design

 velocity if the pipeline is not fully occupied.

b) Piessensetal.,adaptedthehydraulicequationto

incorporate

theeffect

ofheightdifference

andlocallossescausedbybendsin

thepipeline

(Piessens et al., 2008). For a fair comparison, the local losses are not taken into account in this analysis.

π

32 π

ρΔ

4 πρ

ΔΔ ρ

64

π2

Δ

2 3

η

1000

1000

1000

Δ

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

55 

 

The velocity based model  is often used for an  initial estimation of the diameter and not for  a  detailed  design.  The  (extensive)  hydraulic  equation  is  only  applicable  for  fluid transport while the model of McCoy and Rubin and the model of Ogden can be used for gaseous  as well  as  for  liquid  transport.  For  an  extensive  overview  and  comparison we refer to Piessens et al., (2008). The different parameters used by the different models for pure CO2 transport are reported in Table 2.7.  

Comparison of diameter models  2.6.1

The diameter models are compared with each other  for a common mass  flow, pipeline length and height difference but using the friction factor, velocity, temperature, density, in‐ and outlet pressure, and specific pressure drop of the sources (Table 2.7). Figure 2.10 shows a comparison of diameter for different mass flows for a transportation distance of 25 and 300 km. Three models (McCoy and Rubin, 2008; Piessens et al., 2008; Chandel et al.,  2010) mention  that  only  specific  pipeline  diameters  are  commonly  available,  and therefore they round the diameter up to the nearest nominal pipe size. This explains the stepwise increase in diameter shown in the figure. For COM‐25, the diameters range from 0.28‐0.41 m, which  is  a difference  of more  than  45%  between  the  lowest  and highest value. If the distance is increased from 25 to 300 km, the diameter range does not change much, see Table 2.8. However, the diameter calculated by some particular models change significantly.  For  instance,  the  diameter  for  a DEMO mass  flow  increases  from  0.22  to 0.32 m  if the distance  is  increased from 25 to 300 km  in the model of McCoy and Rubin (2008).  

The capital and levelized cost implications for the diameter ranges are given in Table 2.8, which are also depicted  in Figure 2.3 and Figure 2.7. Overall, the difference between the highest and lowest cost estimation is a factor ten for all base cases. 

In  the previous analysis,  the  inlet and outlet pressure which  is given  in  the sources was used  for  calculating  the  diameter.  In  fact,  this  leads  to  slightly  different  pipeline configuration but  this  reflects  the uncertainty  in  the optimal  configuration.  For  a  given pipeline  configuration  the  uncertainty  in  diameter  is  estimated  by  assuming  that  the temperature (285 K), the optimal inlet (12 MPa) and required outlet pressure (10 MPa) are known. With  the  inlet  and outlet  pressure,  the  average pressure  is  calculated which  is used to estimate the density (915 kg/m3) and viscosity (96 μPa*s) by using the equation of state  of  Peng  and  Robinson.38  For  a  distance  of  25  km  it  is  assumed  that  no  pumping stations are installed on the route and the average specific pressure drop will be 80 Pa/m. For a distance of 300 km,  it  is assumed  that  two pumping stations are  installed and  the average specific pressure drop will be 20 Pa/m. The diameter range decrease, for instance, 

                                                                 38  In  principle,  it would  be  better  to  calculate  the  physical  properties with  the method  used  in  the  sources. 

However, only for one of the sources an equation of state was stated (namely the Peng and Robinson by McCoy and Rubin (2008)) and for two sources tables and graphs in literature were used (Ogden, 2004 used a graph of Faris and Piessens et al., used the tables of Span and Wagner). Therefore, the physical properties calculated by the equation of state of Peng and Robinson were used for all models.  

Chapter 2 

56 

 

for COM‐25 to 0.29‐0.41 m and for TRUNK‐300 to 0.71‐0.83 m (see Figure A1 in Annex A). Although the diameter range decreases, the uncertainty remains large and the costs range projected by the different models remained a factor 10 for most base cases.39 

 

Figure 2.10: Inner diameter comparison of different models for a transportation distance of 25 km and 300 km. 

   

                                                                 39  For  DEMO‐25,  COM‐25  and  TRUNK‐25  the  cost  range  become  0.10‐0.93;  0.27‐1.9  and  0.11‐1.5 M€/km, 

respectively. This is on average a factor ten difference.  

DEMO

COM

TRUNK

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

Diameter (m

)

Mass flow (kg/s)

25 km Kazmierczak et al., 2009

ElementEnergy, 2010

Wildenborg et al., 2004

Chandel et al., 2010

Heddle et al., 2003

Broek et al., 2010

Piessens et al., 2008

McCoy and Rubin, 2008

Ogden et al., 2004

DEMO

COM

TRUNK

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

Diameter (m

)

Mass flow (kg/s)

300 km Kazmierczak et al., 2009

ElementEnergy, 2010

Wildenborg et al., 2004

Chandel et al., 2010

Heddle et al., 2003

Broek et al., 2010

Piessens et al., 2008

McCoy and Rubin, 2008

Ogden et al., 2004

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

57 

 

    Table 2.7: R

anges of param

eters in

 literature for a distance of 300 km

a .  

Param

eter

Unit

Case

Kazmierczak 

et al., 2009

ElementEnergy, 

2010 

Wildenborg 

et al., 2004

Chandel 

et al., 

Heddle et 

al., 2003 

Broek et 

al., 2010 

Piessens et 

al., 2008

McCoy and 

Rubin, 

Ogden et 

al., 2004

Average

 

Model type

Velocity 

Velocity

Velocity

Velocity

HydraulicHydraulicExtensive

 

Hydraulic

McCoy & 

Rubin 

Model 

Ogden 

DEM

On.a.

3.52b

n.a.

4.06

3.49c

3.75d

n.a.e

3.19f

2.46g

3.41

COM

n.a.

3.16b

n.a.

3.64

3.19c

3.75d

n.a.e

2.46f

2.29g

3.08

TRUNKn.a.

2.72b

n.a.

3.11

2.83c

3.75d

n.a.e

1.83f

2.07g

2.72

Roughness 

height (ε)

μm

All

n.a.

45.7

n.a.

100h

45.7

n.a.

45.0

e45.7

6.35i

48.1

DEM

On.a.

3.45

n.a.

3.2

4.55

n.a.

2.63

2.06

4.12

3.34

COM

n.a.

5.98

n.a.

5.86

8.96

n.a.

5.21

3.92

8.08

6.34

TRUNKn.a.

13.4

n.a.

13.2

24.1

n.a.

14

11

21.7

16.2

Viscosity (μ)

μPa*s

All

n.a.

80

n.a.

82.6

60.6

n.a.

89.2

99.7‐100k

82.6

82.5

Density (ρ)

kg/m

3All

800

800

800

827

884

800

890

928‐930k

827

840

Temperature 

(T)

KAll

n.a.

n.a.

273‐303

300

298

n.a.

288

285

285l

291

DEM

O1.5

1.5

21.33m

1.35

0.98

0.97

0.72

2.2

1.39

COM

1.5

1.5

21.48m

1.75

1.22

1.27

0.87

1.65

1.47

TRUNK1.5

1.5

21.50m

2.53

1.68

1.85

1.35

4.05

2

Pressure 

inlet (P

1)

MPa

All

n.a.

15 (13‐20)n

12

13

15.2

o11.0

o12.5

13.8

15

13.4

Minim

al 

pressure 

MPa

All

n.a.

9.5 (8

‐11)n

810

10.3

o8.0

o7.5

>10.3

p10

9.2

Specific 

pressure loss 

Pa/m

All

n.a.

Variable

q20r

Variable

s16‐49t

>20n

25.0

un.a.

82.7

36

Distance

 

pumps (L

pump)

kmAll

n.a.

Variable

v200

Variable

w100

150

200

n.a.x

60.5

y124

Fannings 

friction factor 

(f)

*10‐3

Reynolds 

number (Re)j

*106

Velocity (v)

m/s

a) The highest and lowest value for each

 parameter are underlined. 

Chapter 2 

58 

 

c) The friction factor is originally based on the Moody Chart, for the analysis the Colebrook‐White equation is used:                                                                           where  ε  is  

the roughness height (m

) and Re is Reynolds number (Heddle et al., 2003).

d) A

constantfrictionfactorof0.015ismentionedin

(VandenBroeketal.,2010b).However,thisistheDarcy‐Weisbach

frictionfactorwhichisfourtimes

e) TheFanningfrictionfactorisreplacedbytheManningcoefficientto

avoid

theiterative

calculationprocess

(Piessensetal.,2008).Amanningfactorof

0.009 is used which is comparable to a Fanning friction factor based on a roughness height of 45 μm.

b) The Darcy‐Weisbach

 friction factor is calculated with                                                                     (ElementEnergy, 2010).

Re < 2000, the flow is laminar (and the viscous forces dominate) and if Re > 3500 the flow is turbulent (and the inertial forces dominate). In

 betw

een, the flow 

is in

  transition (M

arquand and Croft, 1994). 

g) Ogden approached the friction factor with the Nikuradse

 equation for fully turbulent flows (Ogden et al., 2004): 

h) Chandeletal.,(2010)statedthattheroughness

factorfornewsteelpipesis45μmbutthiswillincrease

aspipelinesare

gettingolder.Therefore,they

assume a value of 100 μm. 

i)ThevalueofOgdenisbasedoncoatedpipelinewhiletheothers

use

theroughness

heightofuncoatedpipelines.Mohitpouretal.,(2003)mentionthat

commerciallyavailablepipeswithouthave

roughness

heightsof16.5till19.1

μm.H

owever,thiswillincrease

withapproximately0.76–1.3

μmperyeardue

toerosion,corrosionandcontamination.Forcoatedpipestheinitialeffectiveroughness

islower,namelybetw

een5.1‐7.6

μm,andthedeteriorationrate

is

lower, namely 0.25‐0.38 μm/year (M

ohitpour et al., 2003). These

 values indicate that Ogden use

 coated while other sources use

 uncoated pipelines.

j)  Reynolds number (Re) is the ratio betw

een inertial and viscous forces:                                                                     , w

here  μ  is  the  dynamic  fluid  viscosity (Pa*s).  If 

f) The Zigrang & Sylvester equation is used to calculate the friction factor:                                                                                                                                                       .  In

  this  w

ay,  they 

avoid

theiterative

process

oftheWhiteColebrookequation(M

cCoyandRubin,2008).However,aniterative

process

isstillneededbecause

thefriction

factor and Reynolds number depend on the diameter and the diameter depends on the friction factor. 

k)Theviscosityanddensityiscalculatedbasedontheaverage

pressure.Since

theaverage

pressure

isnotconstantforeach

mass

flowanddistance

(dueto

the higher outlet pressure, see further table‐note p), the viscosity and density vary betw

een the different cases. 

l) Ogdenusedarange

of278‐311Kforthetemperature

andarange

of0.17‐0.30fortheaverage

compressibility(Ogdenetal.,2004).Asstandard

valuesthe

same numbers are used as in the McCoy and Rubin model, namely 285 K and 0.24 (M

cCoy and Rubin, 2008).

m)Theinitialdesign

velocity

is2.0

m/s,howeverthisis

adaptedto

theinnerpipelinediameters

whichare

commonlyavailable

(Chandeletal.,2010).

Because

Chandeletal.,incorporatedonlypipelineswithdiametersfrom0.25monwards,thepipelineisoverdesignedwithmass

flowssm

allerthan74 kg/s.

Ifthepipelineisoverdesigned,thevelocityislowerthanthedesign

velocityof2.0

m/sandthepressure

dropislow.Themaximumpressure

dropis96Pa/m

,

this is reached when a small pipeline operates on full capacity. 

.

...

14.0

ε3.7

1.256

14

ε3.7

5.02

ε3.7

5.02

ε3.7

13

14

3.7

ε

ρμ

π

Table 2.7: R

anges of param

eters in

 literature for a distance of 300 km

a (continued).  

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

59 

 

   

Table 2.7: R

anges of param

eters in

 literature for a distance of 300 km

a (continued).  

   (Chandel et al., 2010). A fully occupied pipeline has a higher pressure drop than a partial occupied pipeline with the same 

o)H

eddleetal.,andBroeketal.,use

fixedinletandoutletpressures.Asaconsequence,thepressure

dropperkm

islargerforshortpipelinesthan

forlongpipelines.VandenBroeketal.,giveamaximumallowable

totalpressure

dropof3MPa.To

realize

this,pumpingstationsare

includeevery

150km

(VandenBroek,15‐03‐2011).Consequently,theminim

umpressure

dropisassumedto

be20Pa/m

.Heddle

etal.,use

adifferentapproach,

theydonotincludepumpingstationsandstate

thatalargerdiameterpipelineisselectedto

keeptheoverallpressure

dropat4.9MPa(Heddleet

al., 2003).

p) Theminim

um

outletpressure

is10.3

MPaandthisisthebasisforthecalculations.However,thisoutletpressure

isadaptedto

thenominal

pipeline diameter available. H

ence, the actual outlet pressure is higher. For instance, for DEM

O‐300 the outlet pressure is 10.66 MPa. 

y)Combiningtheinletandoutletpressure

withtheassumedpressure

dropof82.7

Pa/m

(Ogdenetal.,2004),givesamaximum

distance

betw

een

pumping stations of 60.5 km. 

diameter.Furtherm

ore,afullyoccupiedpipelinewithasm

alldiameterhasahigherspecificpressure

drop,thanafullyoccupiedpipelinewitha

larger diameter. 

u)Theallowable

pressure

loss

is5MPaandpumpingstationshave

tobeinstalledevery

200km

(Piessensetal.,2008),therefrom

followsan

average

 pressure drop of 25 Pa/m

v)Thepressure

dropisnotconstant(seenote

qabove),therefore

themaximalsafe

distance

betw

eenpumpingstationvariesbetw

een38‐262km

for the investigated mass flows. This is calculated with:                                                                 (ElementEnergy, 2010). 

w) The distance

 betw

een pumps is calculated with:                                                                            (Chandel et al., 2010). For the base

 cases, the distance

 betw

een 

pumping stations are 42 km for DEM

O, 89 km for COM and 226 km for TRUNK. 

x)In

thereport,itisstatedthattheoptimalamountofpumpingstationsdependsoneconomic

circumstances(Rubin

etal.,2008),whilein

the

actual article no pumps are included at all (M

cCoy and Rubin, 2008). 

q) Thespecificpressure

dropin

theElementEnergyreport

isnotconstantandis

calculatedwith:

(ElementEnergy,

2010).Asa

consequence,  the pressure drop is related to the mass flow, friction factor and diameter. It varies betw

een 55 Pa/m

 for DEM

O to 11 Pa/m

 for TRUNK. 

r)Theallowablepressure

loss

isoverall4MPaandpumpingstationshave

tobeinstalledevery200km

(Wildenborg

etal.,2004).There

fromfollows

an average

 pressure drop of 20 Pa/m

s) The specific pressure drop depends on the diameter of the pipeline and the velocity of the mass flow through

 the pipeline and is calculated with:     

t)Thelowervalueis

calculatedin

thearticle

from

thesensitivity

case

whichassumesthattheCO2canbetransportedfor300km

without

compression.Thebase

case

consistsofapipelineof100km

withoutpumpingstations(Heddle

etal.,2003).Asaresult,thepressure

dropis49

Pa/m

. Note, that the pipeline in

 the sensitivity case

 has a larger diameter than in

 the base

 case. 

n)Arange

ismentionedinthearticlefortheinletpressure

aswellasfortheminim

alallowable

pressure

(ElementEnergy,2010).Thefigure

outside

the bracket is used for the calculations. 

ΔP

ΔP

Δ2

1000

Δ

Chapter 2 

60 

 

 

 

 

    

Table 2.8: O

verview of diameter range

 and corresponding capital and levelized costs ranges for the different base cases.  

DEM

O‐25

50

25

0.20

0.31

0.14

‐0.72

0.27

‐1.3

0.36

‐0.56

0.14

‐1.3

0.41

‐4.0

COM‐25

150

25

0.31

0.43

0.28

‐1.4

0.38

‐2.3

0.53

‐0.68

0.28

‐2.3

0.28

‐2.3

TRUNK‐25

750

25

0.59

0.89

0.56

‐3.8

1.0

‐7.9

0.93

‐2.1

0.56

‐7.9

0.11

‐1.6

DEM

O‐300

50

300

0.20

0.31

0.14

‐0.66

0.23

‐1.2

0.38

‐0.73

0.14

‐1.2

4.9

‐45

COM‐300

150

300

0.35

0.43

0.25

‐1.5

0.33

‐2.2

0.60

‐1.2

0.25

‐2.2

3.1

‐26

TRUNK‐300

750

300

0.77

0.89

0.77

‐5.9

0.98

‐7.6

0.98

‐2.7

0.77

‐7.6

1.9

‐18

a) Thelevelizedcostsare

calculatedwithacapitalrecoveryfactorof15%andacapacityfactorof95%.Furtherm

ore,theyearlyO&M

costsare

assumedto

be3.0%ofthetotalinvestmentcosts.Asexplainedin

paragraph5.4,theO&M

pipelinecostsare

uncertain.Ifthisuncertaintywas

incorporated,thelevelizedcostsrange

willevenbecomelarger.Nevertheless,here

thisisnotincorporatedbecause

thegivenlevelizedcosts

ranges are only meant for illustration purposes.

Cost range

  D low 

(M€2010/km)

Cost range

 D high 

(M€2010/km)

Mass flow based 

range

 (M€2010/km)

Overall cost range

 

(M€2010/km)

Levelized costsa 

 

(€/t CO2)

Base case 

Mass flow 

(kg/s)

Length 

(km)

D low 

(m)

D high 

(m)

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

61 

 

To provide  some  insights  into which model  is  the most  accurate  for CO2 pipelines,  the results  are  compared  with  simulations  done  with  PIPESIM  which  is  a  commercially available  tool  used  for  calculating  pipeline  diameters  (Schlumberger,  2012).  The  same pipeline  configuration  is modelled  as  specified  above,  see  Figure  A1  in  Annex  A.  The findings indicate that the results of PIPESIM are close to the estimations provided by the model of McCoy and Rubin, the extensive hydraulic equation  (e.g. Piessens et al., 2008) and  to a  lesser extent  to  the hydraulic equation  (e.g. Van den Broek et al., 2010b). The velocity based models are less similar to the results of PIPESIM since they assume a fixed velocity resulting in a constant pressure drop, which may be too conservative or leading to a too low outlet pressure. Note that if the density and viscosity mentioned in the sources were  used  rather  than  the  outcome  of  the  Peng  and  Robinson  equation  of  state,  the results of the models leads to higher diameters than the results of PIPESIM, to ensure that the models are always feasible. 

Sensitivity analysis 2.6.2

To determine if the variation in diameter is mainly caused by differences in parameters or in equations, diameters were calculated with average values for all parameters (Table 2.7). This results  in similar diameters for each type of equation, namely between 0.35‐0.39 m for COM‐25. Hence, the range in diameters is mainly caused by differences in parameters. 

To  examine  which  parameters  have  the  largest  influence,  a  sensitivity  analysis  is conducted by varying one parameter at  the  time between  the minimum and maximum value of each parameter given in Table 2.7.40 The results are given in Figure 2.11. It can be concluded  that  for  four  of  the  five  diameter models,  pressure  drop  causes  the  largest variation  in diameters.  In  the other model,  the  velocity based  equation,  velocity  is  the most  sensitive  parameter.  Other  important  parameters  are  the  compressibility  factor, roughness height, inlet pressure and density.  

The friction factor is not included implicitly in the sensitivity analysis, because all sources, except for Van den Broek et al., (2010a) use the iterative White‐Colebrook equation or an equation which solve the White Colebrook equation without an iterative process. Applying the same roughness, diameter and Reynolds number to all friction equations indicate that the  Nikuradse  equation,  which  Ogden  et  al.,  (2004)  use,  deviates  up  to  5.8%  of  the outcome of  the White Colebrook  law, while  the other equations deviate  less  than 1.5%. This  discrepancy  in  friction  factor  causes  less  than  0.5%  difference  in  the  ultimate diameter  calculation.  Hence,  the  variation  in  friction  factors  is  mainly  caused  by differences in roughness heights and viscosity.  

In  this  sensitivity  analysis,  only  one  parameter  was  varied  at  the  time.  Consequently, correlations between  the different parameters are not  taken  into account. For  instance, 

                                                                 40 Since the specific pressure drop of 82.7 Pa/m is very high compared to the other estimated specific pressure 

drops, this value is excluded from the sensitivity analysis. If it was included, an even larger diameter range would arise.  

Chapter 2 

62 

 

the  roughness height and  the  specific pressure drop are positively correlated. However, the influence of this correlation is small and it will not influence the outcome that velocity and pressure drop are the most critical parameters.  

 

Figure 2.11: Sensitivity of diameter models to parameters with COM‐25 as base case.  

Identification of characteristics for cost models best suited for 2.7specific applications 

Each  techno‐economic  model  analyzed  in  this  study  has  its  own  characteristics. Simultaneously, different requirements in terms of accuracy and input details are needed by different types of studies. Therefore, in this section, characteristics of techno‐economic 

0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

Density

Velocity

Diameter (m)

Velocity based equation

0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

Viscosity

Density

Roughness

Pressure drop

Diameter (m)

Hydraulic equation

0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

Density

Pressure drop

Diameter (m)

Extensive hydraulic equation

0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

Pressure drop

Compressibility

Roughness

Inlet pressure

Temperature

Viscosity

Diameter (m)

Model of McCoy and Rubin

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Pressure drop

Compressibility

Roughness

Inlet pressure

Temperature

Diameter (m)

Model of Ogden

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

63 

 

models are reviewed for a cost comparison of CCS with other technologies and a system analysis over time. The required levels of input details and accuracy are specified for each type  in Table 2.9. Depending on the available details and the needed accuracy, the most important parameters are  identified. By comparing these parameters with  the reviewed cost models, key attributes and models characteristics for cost models are provided.  

General costs comparison of CCS with other technologies 2.7.1

For a general costs comparison of CCS with other technologies, two parameters are key, namely  the CO2 mass  flow or diameter and  the average distance between  sources and sinks. These two parameters determine the size and the length of the pipeline, which are the most  important  parameters  for  estimating  CO2  pipeline  costs. All  costs models  for pipelines  reviewed  in  this  study  include  these  parameters.  Given  the  large  cost  range found in the various cost models as well as in the cost estimations of actual and planned CO2  pipelines,  selecting  one  model  among  the  ones  found  in  literature  is  not straightforward.  However,  some  of  the  examined models  in  this  study  are  purely  the results of fitting historical data to get the highest R2. The resulting parameters don’t have a physical or economic meaning and are, therefore, difficult to interpret and impossible to adjust to changing circumstances or different regions. The quadratic models and the mass flow model of Chandel et al., are examples of this. Consequently, our advice is to use for a general cost comparison a model which  include parameters with a physical or economic meaning, like the linear models, the weight based model of Gao et al., (2011), or the CMU model, which are easier to interpret and can be adjusted more easily to new conditions. 

Furthermore, by observing the raw cost data of FERC (see Figure 2.5), it can be seen that economies of scale related to length have a pronounced effect on the costs for natural gas pipelines  with  distances  less  than  roughly  50  km,  while  with  larger  distances  the economies  of  scale  seems  to  disappear. Hence,  if  the  comparison  has many  distances below 50 km,  the  cost models  should  include economies of  scale,  like  for  instance,  the CMU model. If the comparison contains many pipelines longer than 50 km, economies of scale (almost) disappear and can be ignored, and a simple linear relationship can be used. 

If  the  average  source‐sink  distance  is  large,  pumping  stations  should  be  taken  into account. For  the number of pumps, an average distance between  two pumping  can be used for this goal. In literature, distances between 100 and 200 km are found (Heddle et al., 2003; Wildenborg et al., 2004; Piessens et al., 2008; Van den Broek et al., 2010a). To determine  the  costs  for pumping  stations,  a  relation between  the  capacity on  the one hand and costs on the other would be the most suitable. However, the spread in the costs models  is  so  large  that  it  is  not  possible  to  recommend which model  should  be  used. Therefore, validation of pumping station costs is required before a specific model can be recommended.  

   

Chapter 2 

64 

 

   

Table 2.9: D

esired req

uiremen

t for costs models and key attributes for tw

o specific goals.  

Specific goal

Level of 

engineering 

details 

available

a

Level of 

details of 

pipeline 

trajectory

Required 

level of 

accuracy

Important 

param

eters 

Key attributes for pipeline cost models 

Key attributes for pumping station 

cost models

‐ Mass flows or 

diameter

The cost models which relate 

capacity to costs, give a large range. 

Furtherm

ore, the data on which the 

costs are based on is not clear. 

Therefore, it is advised to validate 

the costs for pumping stations.

‐ (Average) 

length

‐ Mass flow

‐ Pressure level

‐ Thickness

‐ Terrain 

‐ Specific 

pressure drop

‐ Height 

difference

‐ Im

purities 

‐ Steel grade 

development

‐ Material price

 

development

None. M

odels which use

 fixed costs 

regardless the overall capacity are 

deemed to be unrealistic. 

The cost models which relate 

capacity to costs, give a large range. 

Furtherm

ore, the data on which the 

costs are based on is not clear. 

Therefore, it is advised to validate 

the costs for pumping stations.

a) The level of details are scored on a ++/‐‐ scale, w

here ++ refers to very high, + to high, 0

 to moderate, ‐ to low and – to very low.

b) Threelevelsofdetail,each

withtheirownaccuracy,canbeconsidered.First,arough

cost

estim

ationbasedon“rules‐of‐thumb”whichhasan

accuracy

of50‐100%.Second,a

costestim

ationforaconceptualdesign

withanaccuracy

ofabout50%.Thethirdlevelisadetailedeconomicanalysis

andthisleadsto

anestim

atedaccuracy

of30%.Thegeneralcost

comparisonfallsin

thefirstcategory,andhasanestim

atedaccuracy

levelof50‐

100%. The system analysis is in

‐betw

een the second and third  level and has therefore an estim

ated accuracy of 30‐50% (Tarka et al., 2006). 

None. M

odels which use

 fixed costs 

regardless the overall capacity are 

deemed to be unrealistic.

‐ (Average) 

distance

 

betw

een source 

and sink

General 

comparison 

of CCS with 

other 

technologies 

in the energy 

portfolio

‐0

50%‐

100%

All models incorporate  the im

portant 

parameters. H

owever, a model w

ith economic 

or physical relevant parameters is preferred. 

Economies of scale are im

portant for short 

pipelines but can be ignored for longer 

pipelines (> 50 km).

System 

analysis for 

optimizing 

the CCS chain 

of capture, 

transport and 

storage

 or 

optimizing 

future 

infrastructur

al outlines. 

++

30%‐50%

None  of the models incorporate all items but 

the model of Piessens et al., (2008) and Gao et 

al., (2011) include thickness and steel prices. 

For the material costs, one of these

 models 

should be adapted to include the effect of 

impurities, material price

 and steel grade 

development. For ROW, labor and 

miscellaneous costs a model w

ith parameters 

which have

 an economic meaning is 

preferred. Additionally, they should include 

terrain im

pacts. Economies of scale may be 

important for systems with mainly short 

pipelines (< 50 km) but for systems consisting 

of m

ainly long pipelines (> 50 km) they can be 

ignored.

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

65 

 

System analysis over time 2.7.2

If the goal of a study  is to optimize pipeline networks over time, a more detailed design and  cost  model  should  be  used.  So,  besides  length  of  the  pipeline  and  mass  flow, topographical  conditions  should  be  included  to  distinguish  between  favorable  and unfavorable  terrains. Furthermore, wall  thickness should be  taken  into account because this  largely  influences  the material  costs,  and  it  is needed  to  analyze,  for  instance,  the costs consequences of going through populated areas and a different inlet pressure which can be needed  if  impurities are present. Additionally, any CO2  transportation study  that analyzes developments  over  time  should  take  into  account  the  development  of  higher steel grades and fluctuations in material prices.  

None  of  the  pipeline  cost models  found  in  literature  have  taken  into  account  all  key parameters. Although some models  incorporate  thickness  requirements  (Piessens et al., 2008;  Gao  et  al.,  2011)  or  spatial  items  (IEA  GHG,  2002;  Piessens  et  al.,  2008; ElementEnergy,  2010;  Van  den  Broek  et  al.,  2010a;  Serpa  et  al.,  2011),  none  of  them incorporate  pipeline  technology  developments,  changing  material  prices  and  the influences of  impurities. Hence,  it  is advised to adapt a weight based cost model, which includes  already  thickness  and  material  prices,  to  incorporate  also  impurities,  spatial items, changing material prices, and pipeline technology development. From the available weight‐based  models,  the  model  of  Gao  et  al.,  (2011)  assumes  a  rather  simplistic approach  for  the  labor,  ROW  and miscellaneous  costs  (always  50%  of  the  total  costs) without taking into account that these costs will increase at a lower rate than the material costs if e.g., the diameter doubles. The other weight based model of Piessens et al., (2008) have more  complex  formulas  for  labor  and miscellaneous  costs.  These  equations  have been obtained from fitting curves to historical data and the constants in the equation do not  have  and  economic  of  physical meaning.  Hence,  for  estimating material  costs  the weight‐based model seems to be the most appropriate while for costs such as ROW and labor another relation is probably more suitable. Following the same reasoning as by the general  cost  comparison,  economies  of  scale  can  be  ignored  for  a  system  analyses evaluating many long pipelines (> 50 km) and a linear cost relation can be used, while for a system  analyses  examining mainly  short  pipelines  (<  50  km),  a  relation which  include economies of scale is more appropriate. Additionally, the costs model should include the effect of different types of terrain.  

The number of pumping stations should be based on a specific pressure drop, rather than a fixed distance between pumping stations, to take into account the difference between a large versus a small sized pipeline. For the costs of pumping stations, the same advice  is given as by the comparison study, namely to validate the costs for pumping stations.  

Conclusions  2.8

The main aim was to provide a systematic and comprehensive overview and comparison of  capital  and O&M  cost models  for  CO2  pipelines  and  pumping  stations  in  literature. Furthermore,  key  cost  model  characteristics  are  identified  related  to  two  specific applications.  

Chapter 2 

66 

 

For CO2 pipeline  transport  fourteen different  costs models were  found  in  literature. By analyzing the different models, the following conclusions can be drawn:  

‐ The  models  result  in  large  cost  ranges  for  the  calculated  costs  a  CO2  pipeline, especially  with  larger  diameters.  For  instance,  costs  for  a  pipeline  of  300  km  are estimated  at 0.11‐0.64  and  1.5‐13 M€2010/km  for  a diameter of 0.30 m  and 1.30 m, respectively.  

‐ Large cost ranges were also found for a given diameter in the data set of FERC for U.S. natural gas pipelines. For instance, for a diameter of 0.91 m costs were between 0.6 to 11 M€/km. Reasons for the costs variation can be topographic and terrain variations, which  would  influence  among  other  things  the  number  of  drillings,  required  wall thickness, ROW costs, speed of pipeline construction, etc. In this analysis, the regional differences between Europe and  the U.S. were masked  in  the  large cost  range  for a given diameter. 

‐ Length  is  a  key  variable  in  all  cost models. However, doubling  the  length  results  in different  relations, varying  from; no change  in  the specific costs, economies of scale resulting  in  a  cost  advantage  of  1‐10%  or  reverse  economies  of  scale with  a  cost increase of 9‐18%. An explanation for the reported reverse economies of scale  is not found.  

‐ Diameter is another a key variable in almost all cost models. However, large diameter ranges were found by using the equations and parameters of the different sources but with a common mass  flow, distance and a height difference of  zero. For  instance, a diameter range was found of 0.76‐0.91 m for transporting a mass flow of 750 kg/s over 300 km (TRUNK‐300). However, the variation in diameters found for a given mass flow is mainly caused by differences in input parameters rather than differences in models. Sensitivity  analysis  on  the  ranges  of  parameters  found  in  literature  shows  that  the most crucial parameters in diameter calculations are pressure drop with a range of 16‐82.7 Pa/m and velocity of the CO2 flow with a range of 0.97‐4.1 m/s. Other important parameters are the compressibility factor (0.17‐0.30), roughness height (6.35‐100 μm), inlet pressure (11‐15.2 MPa) and density (800‐930 kg/m3). 

‐ The costs  for CO2 pipelines are underestimated because all costs models, except  for the weight‐based models, are directly based on the costs of U.S. natural gas pipelines constructed  in  the  1990s  and  early  2000s,  without  any  adaptation  for  the  higher operation pressure of CO2 pipelines or  increasing material prices. The  level at which this occur  is not  straightforward  to calculate. However,  if  in one of  the  cost models (Parker, 2004) the material costs  is  increased by a factor 3 (representing the average change  in material  prices  between  2000‐2010),  the  specific  investment  costs  for  a pipeline  diameter  of  1.0 m  increases  by  32%  Although  this  number  is  just  a  first estimation that needs to be refined further, it provides an indication of the importance to take price development into account.  

Five different costs models for pumping station were identified in literature, which result in very  large  cost  ranges. For  instance,  the  costs of a pumping  station of 1.25 MWe are estimated  between  3.1  and  36 M€2010.  One  cost models  assume  a  linear  relationship between installed capacity and capital costs, while the other models assume economies of 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

67 

 

scale. However, the specific costs decrease for doubling the installed capacity to 2.5 MWe range from 4% to a perfect inelastic cost behavior, meaning that the total cost remains the same if the capacity changes. This latter relation seems unrealistic.  

After analyzing the different cost models and diameter models, key model characteristics are identified as important considerations for two different applications.  

‐ For a general costs comparison of CCS with other technologies, the key parameters for determining  the  costs are  the CO2 mass  flow or diameter and  the average distance between  sources  and  sinks.  All  costs  models  contain  these  variables,  but  models containing  parameters  with  a  physical  or  economic  meaning  have  a  preference. Furthermore, economies of  scale are  imported  for  short pipelines  (<50 km), but  for long pipelines (>50 km) they can be ignored, making a linear cost relationship the best. For  pumping  stations,  a  relation  where  the  costs  depend  on  the  capacity,  which include  some economies of  scale,  seems  to be  the most  appropriate. However,  the cost  range  found  in  literature  is  very  large.  Therefore,  validation  of  the  pumping station cost is required before a particular model can be recommended. 

‐ With  a  system  analysis over  time,  several parameters  are  key, namely  length, mass flow,  pressure  level,  thickness,  terrain  impacts,  specific  pressure  drop,  height difference,  impurities, pipeline technology and material price development. Although some models  incorporate  thickness  or  spatial  items,  none  of  them  incorporate  the implications of impurities, pipeline technology or material price developments. Hence, it is advised for the material costs to adapt a weight based cost model, which include already  thickness and material prices,  to  incorporate also  the other key parameters. For  ROW,  labor  and  miscellaneous  costs,  a  linear  cost  relationship  for  a  system consisting of many long pipeline (> 50 km) is proposed, while for a system consisting of mainly short pipelines (<50 km) a model with some economies of scale may be better. These models should be adapted to  include the  impacts of different types of terrain. For  the  costs  of  pumping  stations,  the  same  advice  is  given  as  by  the  comparison study,  namely  to  validate  the  costs  for  pumping  stations  before  using  it  in  further research.  

Knowledge gaps 2.9

By conducting this review, knowledge gaps were identified which are not at all or only to a limited extent, covered by the different models: 

‐ CO2 pipelines have typically different characteristics than natural gas pipelines mainly due  to  the higher operation pressure.41 The economic  consequences of  this are not 

                                                                 41  Although  CO2  have  different  characteristics  than  natural  gas  and  oil,  several  old  pipelines  are  currently 

(considered  to be)  re‐used  for CO2  transport.  For  instance,  in  the Netherlands  an old oil pipeline  is used  for transporting  gaseous  CO2  from  a  refinery  to  the  greenhouses  (OCAP).  Another  example,  is  the  Goldeneye pipeline which is an old natural gas pipeline which was considered to transport dense CO2 to a storage location offshore for the Longannet project. The possibility of reusing pipeline will depend on the design pressure of the 

 

Chapter 2 

68 

 

taken  into account because almost all models are based on  the costs of natural gas pipelines without any correction. It is recommended to get additional insight into the cost  difference  between  natural  gas  and  CO2  pipelines  to  improve  the  costs estimations  for  CO2  pipelines.  This  insight  can  be  acquired  by  including  physical parameters  into  the  cost  equation,  getting more  cost  figures of  actual  realized CO2 pipelines or by expert opinions.  

‐ None of the models take into account the economic consequence of impurities in the CO2  stream,  which  would  be  the  case  from  CO2  captured  from  power  plants. Engineering models show that  impurities would  influence, among others, the density of the flow, the specific pressure drop and the critical point (Seevam, 2008; Yan et al., 2009; Wang et al., 2011). As a consequence, the pipeline design regarding diameter, inlet pressure, minimum allowable pressure and distance between pumping stations would change, thereby influencing the costs of the system. It is advised, to develop a model which can analyze the physical consequences of impurities on the outline of the system and link this to an economic model.  

‐ None  of  the models  take  into  account  pipeline  and material  development  and  the economic  consequences of  this. As a  result,  the development of higher  steel grades which  leads  to  thinner walls and  cheaper pipelines  is  ignored. Getting  insight  in  the improvement  options  of  pipelines  and  materials  would  improve  future  cost estimations  for  CO2  pipelines.  This  insight  can  be  acquired  by  analyzing  historical pipeline developments and by interviewing experts of the pipeline industry.  

‐ Most models only  look  to onshore pipeline  costs on  flat  terrain. However, different topographical  conditions,  like  offshore  or mountainous, would  significantly  increase the  costs. Most often  this  is  incorporated with  terrain  factors. However,  the  ranges found  are  quite  large,  making  it  difficult  to  say  what  the  expected  economic consequences  are  of  different  topographical  conditions  with  any  accuracy.  For instance, the terrain factors for offshore pipelines vary from 0.9 to 14 (ElementEnergy, 2010;  NETL,  2010;  Van  den  Broek  et  al.,  2010a),  where  0.9  is  specific  for  the Netherlands  due  to  the  complex  situation  onshore.42  However,  if  we  apply  these factors  the  base  cost mentioned  in  the  sources,  still  a  very  large  range  of  1,300‐13,000 €/m2 is found; a factor 10 difference. A better understanding of the actual costs of offshore pipelines  can be acquired by getting more  cost  figures of actual  realized (natural gas) offshore pipelines or by expert opinions.  

‐ Optimizing the whole CCS chain, consisting of capture, transport or storage should be of  key  importance  in  the  coming  years.  For  instance,  it may  be  overall more  cost‐effective  to  have  very  small  amounts  of  impurities  in  the  CO2  flow,  although  this 

                                                                                                                                                                   pipeline, the remaining wall thickness and age of the pipeline. Only in specific cases, re‐use of old pipelines for CO2 transport will be possible. 42 NETL do not provide  costs  factors, directly, but mention actual  costs  for pipelines  in different  topographic 

conditions, which are provided by KinderMorgan. For instance, investment costs are 912 and 12,744 €2010/m2 for 

flat dry  terrain and offshore,  respectively. These are  converted  to  costs  factors, by  taking  the  flat dry  terrain costs as a base point. So, offshore get a cost factor of 14. 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

69 

 

increases the capture costs. Additionally, none of the transportation models take into account the outlet conditions which would be needed for the different storage fields. For example, a lower initial injection pressure would be needed for a depleted gas field compared to an aquifer. This can be reached by transporting the CO2 in gaseous form, or  by  transporting  it  as  a  liquid  and  decompressing  the  CO2  at  the  storage  site. However,  to  avoid  that  the  temperature  of  the  CO2  becomes  too  low  after depressurizing,  the  CO2  should  be  heated  with  a  heater  at  the  injection  site  or transported  at  a  higher  temperature  in  an  isolated  pipeline.  Whether  gaseous transport, the heater or the isolated pipeline option would be the most cost‐effective should be investigated.  

‐ A large range is given for several transportation conditions, especially the range given for the optimal pressure drop, velocity and inlet pressure. This causes large variations in  diameters,  which  increases  the  costs  range  of  CO2  pipelines.  Hence,  it  is recommended  to determine  the economic optimal pressure drop and  inlet pressure for  several  pipeline  diameters  on  flat  terrain.  For  this,  techno‐economic models  of compression, pipelines and pumping  stations have  to be  linked  to each other. Note that currently, the compression of the CO2 is often included in the capture rather than in  the  transportation  step. However,  for optimizing  the  transportation network  it  is crucial to include the costs and energy consumption of compression. 

‐ Most  sources  assume  a  fixed  distance  between  pumping  stations  of  100‐200 km without taking into account differences in diameter, load and composition of the CO2 flow. Moreover,  the cost comparison of pumping stations made clear  that  there  is a large cost uncertainty in capital costs as well as in operational costs. Consequently, it is recommended  to  validate  costs  for  pumping  stations. With  these  validated  costs, economic optimums between diameter, load and distance of pumping stations can be established. 

‐ Most often the O&M costs for pipeline as well as for pumping stations are given as a percentage  of  the  capital  costs.  These  percentages  differ  between  the  sources  and seems  to  be  common  industrial  estimations  for  O&M  costs  based  on  knowledge arising from experience in analogous projects. Due to the variation in capital costs, the overall range in the operational costs is large. For pipelines, some sources give a fixed amount of O&M costs per km of pipeline. This leads to significantly lower O&M costs for pipelines with a larger diameter than sources which assume that O&M costs are a percentage  of  the  capital  costs.  Hence,  it  is  advised  to  validate  O&M  costs,  for instance, by interviewing experts.  

References  2.10

‐ Bradley,  T.,  2011.  CO2.  Kinder  Morgan  analyst  conference.  Retrieved  from: http://www.kindermorgan.com/investor/presentations/2011_Analysts_Conf_06_CO2.pdf  

‐ Cayrade, P., 2004. Investment in gas pipelines and liquefied natural gas infrastructure. What is the impact on the security of supply? 114.2004, 1‐21. 

‐ Central  Intelligence  Agency  (CIA),  2012.  The World  Factbook.  Last  accessed  in  July 2012. Retrieved from: www.cia.gov/library/publications/the‐world‐factbook/  

Chapter 2 

70 

 

‐ Chandel, M.K., Pratson,  L.F., Williams, E., 2010. Potential economies of  scale  in CO2 transport  through use of  a  trunk pipeline.  Energy Conversion  and Management 51, 2825‐2834.  

‐ ChemicaLogic, 1999. Carbon dioxide phase diagram. Last accessed  in 2012. Retrieved from: www.chemicalogic.com/Pages/DownloadPhaseDiagrams.aspx.  

‐ Cosham, A., Eiber, R.J., 2008. Fracture control  in carbon dioxide pipelines ‐ the effect of impurities. Proceedings of 7th International Pipeline Conference (IPC2008). Calgary, Alberta, Canada.  

‐ Cosham,  A.,  Eiber,  R.J.,  Clar,  E.B.,  2010.  Gasdecom:  Carbon  dioxide  and  other components.  Proceedings  of  the  8th  international  pipeline  conference  (IPC2010). Calgary, Alberta, Canada.  

‐ Cronenberg, C., Rottier R., van der Velde R., Breunese J., Remmelts G., 2009. Potential for CO2 storage  in depleted gas fields on the Netherlands Continental Shelf. Phase 2: Costs of transport and storage. C2051 / MD‐MV20090186, 1‐45.  

‐ Dahowski, R.T., Dooley, J.J., Davidson, C.L., Bachu, S., Gupta, N., 2004. A CO2 storage supply curve for North America. PNWD‐3471, 1‐92.  

‐ Dahowski, R.T., Li, X., Davidson, C.L., Wei, N., Dooley, J.J., 2009. Regional opportunities for  carbon dioxide  capture and  storage  in China. A  comprehensive CO2  storage  cost curve and analysis of the potential for large scale carbon dioxide capture and storage in the people's Republic of China. Prepared for the U.S. Department of Energy. PNNL‐19091, 1‐85.  

‐ Dakota Gasification Company, 2011. CO2 pipeline. Dakota Gasification Company. Last accessed  in  October  2011.  Retrieved  from: http://www.dakotagas.com/Gas_Pipeline/CO2_Pipeline/index.html.  

‐ Damen,  K.,  Faaij,  A.,  Turkenburg,  W.,  2009.  Pathways  towards  large‐scale implementation  of  CO2  capture  and  storage:  A  case  study  for  the  Netherlands. International Journal of Greenhouse Gas Control 3, 217‐236.  

‐ Damen, K., van Troost, M., Faaij, A., Turkenburg, W., 2007. A comparison of electricity and hydrogen production systems with CO2 capture and storage‐Part B: Chain analysis of promising CCS options. Progress in Energy and Combustion Science 33, 576‐605.  

‐ Denbury,  2011.  Denbury  resources  inc.  2010  annual  report.  Shedding  light  on  a transformed Denbury. 1‐83. 

‐ DNV, 2010. Recommended practice. Design and operation of CO2 pipelines. DNV‐RP‐J202, 1‐42.  

‐ Editorial  staff,  1993.  Gas  pipeline  for  Algeria.  The  New  York  Times;  Business  Day. Retrieved  from:  http://www.nytimes.com/1993/08/02/business/gas‐pipeline‐for‐algeria.html 

‐ Editorial staff, 1996. Maghreb‐Europe gas pipeline comes on stream. Europe Energy 8 November 1996.  

‐ ElementEnergy, 2010. CO2 pipeline infrastructure: An analysis of global challenges and opportunities. Final report for IEA Greenhouse Gas Programme, 1‐134.  

‐ EON UK, 2011a. Kingsnorth carbon capture & storage project. Post‐FEED Project Cost Estimates. KCP‐EUK‐FIN‐LIS0002.  

‐ EON UK,  2011b.  Kingsnorth  CCS  project.  Platform &  pipeline  operating  philosophy. 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

71 

 

Gaseous phase operation. KCP‐GNS‐PCD‐DPR‐0005.  ‐ Essandoh‐Yeddu, J., Gülen, G., 2009. Economic modeling of carbon dioxide integrated 

pipeline network  for enhanced oil  recovery and geologic  sequestration  in  the Texas Gulf Coast region. Energy Procedia 1, 1603‐1610.  

‐ European Commission, 2011. Communication  from  the commission  to  the European parliament,  the  council,  the  European  economic  and  social  committee  and  the committee  of  the  regions.  A  roadmap  for  moving  to  a  competitive  low  carbon economy in 2050. COM(2011) 112 final, 1‐16.  

‐ Fang, M., 2011. Personal communication on cost equation. June 2011.  ‐ Felber, S., Loibnegger, F., 2009. The pipeline steels X100 and X120. XI‐929‐09, 1‐24.  ‐ Gao,  L., Fang, M.,  Li, H., Hetland,  J., 2011. Cost analysis of CO2  transportation: Case 

study in China. Energy Procedia 4, 5974‐81.  ‐ Gasunie,  2011.  Gasunie  neemt  nieuw  station  in  gebruik.  Last  accessed  in  October 

2011. Retrieved  from: http://noordzuidroute.gasunie.nl/hoofdmenu/nieuws/gasunie‐neemt‐nieuw‐station‐in‐gebruik.  

‐ Gazprom, 2011.  South  stream  is estimated  to  cost EUR 15.5 billion. Gazprom news. Retrieved from: http://www.south‐stream.info/index.php?id=70&L=1 

‐ GCCSI, 2011. Economic assessment of carbon capture and storage technologies. 2011 update. 1‐58.  

‐ Gräf, M.K., Hillenbrand, H.G., Heckmann,  C.J., Niederhoff,  K.A.,  2003. High‐strength Large‐diameter Pipe for Long‐distance High Pressure Gas Pipelines. Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference, 2347‐2354.  

‐ Greenwell, P., 2010. 69 Bores completed on pipeline project. HDD makes it possible for unique  CO2  pipeline  to  overcome  environmental  and  logistical  issues.  Trenchless technology April.  

‐ Grigoryev,  Y.,  2006.  Pipelines  to  remain  dominant  force  despite  threat  from  LNG. International Energy Journal 7, 161‐177.  

‐ Groot,  M.,  Meerdink  H.,  2007.  Arab  gas  pipeline  projects:  City  Gate  Al  Aqaba  & Rashadeyya. Elster‐Instromet Profiles 1, 15.  

‐ Heddle, G., Herzog, H., Klett, M., 2003. The economics of CO2 storage. MIT LFEE 2003‐003 RP, 1‐115.  

‐ Hendriks, C., Wildenborg T., Feron T., Graus W., Brandsma R., 2003. EC‐CASE. Carbon dioxide sequestration. M70066, 1‐136.  

‐ Hendriks, C., Hagedoorn, S., Warmerhoven, H., 2007. Transportation of carbon dioxide and organisational issues of CCS in the Netherlands. 1‐91.  

‐ Hydrocarbons‐technology, 2011a. Arad‐Szeged gas pipeline. Last accessed  in October 2011.  Retrieved  from:  http://www.hydrocarbons‐technology.com/projects/arad‐szeged‐pipeline.  

‐ Hydrocarbons‐technology,  2011b.  Blue  Stream  Pipeline.  Last  accessed  in  October 2011. Retrieved from: www.hydrocarbons‐technology.com/projects/bluestream/.  

‐ Hydrocarbons‐technology,  2011c.  Gazelle  natural  gas  pipeline,  Czech  Republic.  Last accessed  in  October  2011.  Retrieved  from:  http://www.hydrocarbons‐technology.com/projects/yamal‐europegaspipel/;.  

‐ Hydrocarbons‐technology, 2011d.  Interconnection Turkey Greece  Italy (ITGI) Pipeline. 

Chapter 2 

72 

 

Last  accessed  in  October  2011.  Retrieved  from:  http://www.hydrocarbons‐technology.com/projects/turkeygreeceitalypip/.  

‐ Hydrocarbons‐technology, 2011e. South Wales gas pipeline. Last accessed  in October 2011.  Retrieved  from:  http://www.hydrocarbons‐technology.com/projects/southwalesgas/.  

‐ Hydrocarbons‐technology,  2011f.  Yamal  –  Europe  gas  pipeline.  Last  accessed  in October  2011.  Retrieved  from:  http://www.hydrocarbons‐technology.com/projects/yamal‐europegaspipel/.  

‐ ICF  International,  2009.  Developing  a  pipeline  infrastructure  for  CO2  capture  and storage: Issues and challenges. 1‐97.  

‐ IEA,  2008.  Energy  Technology  Analysis.  CO2  capture  and  storage.  A  key  abatement option.  Economic  Co‐operation  and  Development  (OECD)  /  International  Energy Agency (IEA), Paris.  

‐ IEA, 2010a.  Energy  technology perspectives 2010:  Scenarios  and  strategies  to 2050. OECD / IEA, Paris.  

‐ IEA, 2010b. World energy outlook 2010. OECD / IEA, Paris.  ‐ IEA GHG, 2002. Pipeline  transmission of CO2 and energy. Transmission  study  report. 

PH4/6, 1‐140.  ‐ IEA GHG, 2011. CO2 capture and  storage, RD&D Projects Database. Greenhouse Gas 

R&D  Programme.  Last  accessed  in  April  2011.  Retrieved  from: http://www.co2captureandstorage.info/project_specific.php?project_id=70.  

‐ IHS, 2011. IHS indexes. IHS/CERA upstream capital cost  index (UCCI). Last accessed in April 2011. Retrieved from: http://ihsindexes.com/.  

‐ Inflation Data, 2011. Historical  inflation data.  Last  accessed  in April 2011. Retrieved from: http://inflationdata.com.  

‐ IPCC,  2007.  Climate  change  2007:  Mitigation  of  climate  change.  Summary  for policymakers.  Cambridge  University  Press,  New  York.Jessup,  B.W.J.,  2012.  Personal communication about the Alberta Carbon Trunk Line. Enhance Energy Inc.  

‐ Kampman, B., Croezen, H.J., Verbraak, G.M., Brouwer, F.P.E., 2010. Rijden en varen op gas. Kosten en milieueffecten van aardgas en groen gas  in  transport. 10.4124.43, 1‐102.  

‐ Kazmierczak, T., Brandsma, R., Neele, F., Hendriks, C., 2009. Algorithm to create a CCS low‐cost pipeline network. Energy Procedia 1, 1617‐1623.  

‐ Kinder Morgan, 2011. Kinder Morgan CO2. Kinder Morgan Business. Last accessed  in September 2011. Retrieved from: http://www.kne.com/business/co2.  

‐ Kinder Morgan Energy Partner, 2003. Annual report pursuant to section 13 0r 15(d) of the securities exchange act of 1934  for  the  fiscal year ended December, 31 2003. 1‐11234, 1‐176.  

‐ King,  G.G.,  Kumar,  S.,  2010.  Designing  CO2  transmission  pipelines  without  crack arrestors. Proceedings of the 8th  international pipeline conference (IPC2010). Calgary, Alberta, Canada.  

‐ Marcogaz,  2011.  Activity  report  2010‐2011.  Technical  association  of  the  European natural gas industry, 1‐26.  

‐ McCollum,  D.L.,  Ogden,  J.M.,  2006.  Techno‐economic  models  for  carbon  dioxide 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

73 

 

compression,  transport,  and  storage  &  Correlations  for  estimating  carbon  dioxide density and viscosity. UCD‐ITS‐RR‐06‐14, 1‐87.  

‐ McCoy, S.T., Rubin, E.S., 2008. An engineering‐economic model for pipeline transport of  CO2  with  application  to  carbon  capture  and  storage.  International  Journal  of Greenhouse Gas Control 2, 219‐229.  

‐ Mikunda, T., Van Deurzen,  J., Seebregts, A., Kerssemakers, K., Tetteroo, M., Buit,  L., 2011.  Towards  a  CO2  infrastructure  in  North‐Western  Europe:  Legalities,  costs  and organizational aspects. Energy Procedia 4, 2409‐2416.  

‐ Ministry of Petroleum, 2010. Arab gas pipeline. Strategic Projects. Arabic Republic of Egypt.  Last  accessed  in  October  2012.  Retrieved  from: http://www.petroleum.gov.eg/en/ProjectsandActivities/StrategicProjects/Pages/GasPipeline.aspx.  

‐ Money Express, 2012. Transgaz va alege în februarie compania care va construi partea românească  din  conducta  Giurgiu‐Ruse.  Last  accessed  in  October  2012.  Retrieved from:  http://www.money.ro/transgaz‐va‐alege‐in‐februarie‐compania‐care‐va‐construi‐partea‐romaneasca‐din‐conducta‐giurgiu‐ruse_817336.html.  

‐ Moomaw, W.,  Yamba,  F.,  Kamimoto, M., Maurice,  L., Nyboer,  J.  et  al.,  2011.  IPCC Special  Report  on  Renewable  Energy  Sources  and  ClimateChange  Mitigation. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, USA.  

‐ Nauclér,  T.,  Campbell, W.,  Ruijs,  T.,  2008.  Carbon  capture &  storage: Assessing  the economics. Prepared by McKinsey & Company, 1‐53.  

‐ NEL‐pipeline, 2011. NEL  in  figures. Last accessed  in November 2011. Retrieved  from: http://www.nel‐pipeline.de/public/nel‐en/project/nel‐in‐figures.html.  

‐ NETL,  2010.  Estimating  Carbon  Dioxide  Transport  and  Storage  Costs.  DOE/NETL‐2010/1447, 1‐16.  

‐ OANDA,  2011.  Historical  exchange  rates.  OANDA.  Last  accessed  in  April  2011. Retrieved from: http://www.oanda.com/.  

‐ Ogden,  J.M.,  Yang,  C.,  Johnson,  N.,  Ni,  J.,  Johnson,  J.,  2004.  Conceptual  design  of optimized  fossil  energy  systems with  capture  and  sequestration  of  carbon  dioxide. Final report. DE‐FC26‐02NT41623, 1‐191.  

‐ OPAL‐pipeline, 2011. The OPAL in figures. Last accessed in November 2011. Retrieved from: http://www.opal‐pipeline.com/.  

‐ Parfomak,  P.,  Folger,  P.,  2008.  Pipelines  for  Carbon Dioxide  (CO2)  control:  network needs and costs uncertainties. Congressional Research Service, RL34316, 1‐16.  

‐ Parker, N., 2004. Using natural gas  transmission pipeline costs  to estimate hydrogen pipeline costs. UCD‐ITS‐RR‐04‐35, 1‐85.  

‐ PennEnergy, 1998. Energy demand uncertainties cloud pipeline construction outlook. International petroleum encyclopedia.  

‐ Petrova,  Z.,  2011.  Gazprom  revealed  the  price  of  the most  expensive  gas‐pipeline. Business News, Financial comments.  

‐ Piessens,  K.,  2011.  Personal  Communication  on  costs  equations  and  modelling methods. April 2011  

‐ Piessens, K., Laenen, B., Nijs, W., Mathieu, P., Baele, J.M. et al., 2008. Policy Support System for Carbon Capture and Storage. SD/CP/04A, 1‐269.  

Chapter 2 

74 

 

‐ Pitt,  A.,  2008.  StatoilHydro  takes  place  at  TAP  table.  Upstream  12  February  2008. Retrieved from: http://www.upstreamonline.com/live/article148654.ece.  

‐ PPIAF,  2010.  Public‐Private  Infrastructure  Advisory  Facility  (PPIAF).  The  future  of natural gas market  in South East Europe. Chapter 3: Supply side options. The World Bank. Washington. 

‐ Reuters, 2011. Nabucco  investment seen at 12‐15 bln euros‐sources. Retrieved from: http://www.reuters.com/article/2011/05/05/nabucco‐turkey‐idUSIST00770920110505 

‐ Rubin,  E.S.,  Berkenpas,  M.B.,  McCoy,  S.T.,  2008.  Technical  documentation:  The economics  of  CO2  transport  by  pipeline  storage  in  saline  aquifers  and  oil  reserves. Paper 72, 1‐158.  

‐ Sanderson,  N.,  Ohm,  R.,  Jacobs, M.,  1999.  Study  of  X‐100  line  pipe  costs  point  to potential savings. Oil and Gas Journal 97, 54.  

‐ Sarv, H., 2001. Large‐scale CO2 transportation and deep ocean sequestration. Phase II final report. DE‐AC26‐98FT40412, 1‐30.  

‐ Schlumberger, 2012. Steady‐state multiphase flow simulation (PIPESIM). Last accessed in  October  2012.  Retrieved  from: http://www.slb.com/services/software/production_software/prod_analysis_diagnostics/pipesim.aspx  

‐ Schoots,  K.,  Rivera‐Tinoco,  R.,  Verbong,  G.,  van  der  Zwaan,  B.,  2011.  Historical variation in the capital costs of natural gas, carbon dioxide and hydrogen pipelines and implications for future infrastructure. International Journal of Greenhouse Gas Control 5, 1614‐1623.  

‐ Seevam, P.N., 2008. The next generation of CO2 pipelines. Presented at the  IEA GHG CCS Summerschool, Canada.  

‐ Serpa, J., Morbee, J., Tzimas, E., 2011. Technical and economic characteristics of a CO2 transmission pipeline infrastructure. JRC62502, 1‐43.  

‐ Skovholt, O., 1993. CO2  transportation  system. Energy Conversion and Management 34, 1095‐1103.  

‐ Smith,  C.E.,  2006.  US  gas  carriers'  2005  net  incomes  climb;  construction  costs plummet. Oil and Gas Journal 104, 46‐63.  

‐ Smith, C.E., 2010. Natural  gas pipelines  continue growth despite  lower earnings; oil profits grow. Oil and Gas Journal 108, 102‐118.  

‐ Smith, C.E., 2011. Natural gas pipeline operators' 2010 profits reach record levels. Oil and Gas journal 109.  

‐ Smith, C.E., 2008. Natural gas pipeline profits surge; oil flat. Oil and Gas Journal 106, 50‐64.  

‐ Smith,  C.E.,  2009.  Special  report:  Pipeline  profits,  capacity  expansion  plans  grow despite increased costs. Oil and Gas journal 107, 60‐72.  

‐ Smith,  E.S.,  2011.  Special  report:  Pipeline  construction  plans  continue  slide  despite growth in natural gas. Oil and Gas Journal 109.  

‐ Smith,  C.E.,  2007.  Special  report: US  oil  carriers'  2006  net  incomes  rebound;  labor increases push up construction costs. Oil and Gas Journal 105, 44‐58.  

‐ Span, R., Wagner, W., 1996. A new equation of state for CO2 covering the fluid region 

State‐of‐the‐art review of techno‐economic models 

75 

 

from  the  triple point  to 1100 K at pressures up  to 800 MPa.  Journal of physical and chemical reference data 25, 1509‐1596.  

‐ Steelonthenet,  2011. World  iron  ore  prices  2001‐2010.  Last  accessed  in  September 2011. Retrieved from: www.steelonthenet.com.  

‐ Steelonthenet, 2012.  Steel price  levels  in  years 2010 and 2011. Recent  steel pricing history  ‐  flat  and  long  products.  Last  accessed  in  January  2012.  Retrieved  from: http://www.steelonthenet.com.  

‐ Svensson,  R.,  Odenberger,  M.,  Johnsson,  F.,  Strömberg,  L.,  2004.  Transportation systems  for CO2  ‐ Application  to carbon capture and storage. Energy Conversion and Management 45, 2343‐2353.  

‐ Tarka, T.J., Ciferno, J.P., Gray, M.L., Fauth, D., 2006. CO2 capture systems using amine enhanced  solid  sorbents. 5th Annual  conference on  carbon  capture &  sequestration. Alexandria, Virginia, USA.  

‐ True, W.R., 1995. U.S.  interstate pipelines  ran more efficiently  in 1994. Oil  and Gas Journal 93, 39.  

‐ True, W.R., 1996. U.S. pipelines continue gains  into 1996. Oil and Gas Journal 94, 39‐58.  

‐ True,  W.R.,  1997.  Construction  plans  jump;  operations  skid  in  1996.  Oil  and  Gas Journal 95, 37.  

‐ True,  W.R.,  1998.  Weather,  construction  inflation  could  squeeze  North  American pipelines. Oil and Gas Journal 96, 33‐55.  

‐ True, W.R., 1999. U.S. pipelines experience another tight year, reflect merger frenzy. Oil and Gas Journal 97, 13.  

‐ True, W.R., 2000. More construction, higher costs in store for US pipelines. Oil and Gas Journal 98, 68‐70.  

‐ True, W.R., 2001. Profitable 2000, higher demand push US natural  gas  construction plans. Oil and Gas Journal 99, 66‐80.  

‐ True, W.R., 2002. Special report. Pipeline economics: Fed data show solid 2001 for US pipeline companies, more gas capacity planned. Oil and Gas Journal 100, 52‐60.  

‐ True, W.R., 2003. Special report: Pipeline economics. Oil and Gas Journal 101, 60‐90.  ‐ True, W.R., Stell, J., 2004. US construction plans slide; pipeline companies experience 

flat 2003, continue mergers. Oil and Gas Journal 102, 52‐70.  ‐ Van  den  Broek,  M.,  Brederode,  E.,  Ramírez,  A.,  Kramers,  L.,  van  der  Kuip,  M., 

Wildenborg,  T.,  Turkenburg,  W.,  Faaij,  A.,  2010a.  Designing  a  cost‐effective  CO2 storage  infrastructure  using  a  GIS  based  linear  optimization  energy  model. Environmental Modelling and Software 25, 1754‐1768.  

‐ Van den Broek, M., Ramírez, A., Groenenberg, H., Neele, F., Viebahn, P., Turkenburg, W., Faaij, A., 2010b. Feasibility of storing CO2 in the Utsira formation as part of a long term Dutch CCS strategy: An evaluation based on a GIS/MARKAL toolbox. International Journal of Greenhouse Gas Control 4, 351‐366. 

‐ Van der Zwaan, B.C.C., Schoots, K., Rivera‐Tinoco, R., Verbong, G.P.J., 2011. The cost of pipelining climate change mitigation: An overview of the economics of CH4, CO2 and H2 transportation. Applied Energy 88, 3821‐3831.  

‐ Wang, J., Ryan, D., Anthony, E.J., Wildgust, N., Aiken, T., 2011. Effects of impurities on 

Chapter 2 

76 

 

CO2 transport, injection and storage. Energy Procedia 4, 3071‐3078.  ‐ Wikipedia,  2011.  Iran‐Armenia  gas  pipeline.  Last  accessed  in  December  2011. 

Retrieved from: http://en.wikipedia.org/wiki/Iran%E2%80%93Armenia_gas_pipeline.  ‐ Wildenborg,  T.,  Holloway,  S.,  Hendriks,  C.,  Kreft,  E.,  Lokhorst,  A.  et  al.,  2004.  Cost 

curves for CO2 storage. Part 2: European sector. NITG 04‐238‐B1208, 1‐162.  ‐ Wingas Transport, 2008. Strengthening the Bavarian natural gas supply. Press release. 

Last  accessed  in  January  2012.  Retrieved  from:  http://www.wingas‐transport.de/256.html?&L=1.  

‐ Wong, S., 2005. Module 4: CO2 compression and transportation to storage reservoir, in: Building capacity for CO2 capture and storage project in the APEC regions: a training manual for policy makers and practitioners. APEC Reference #205‐RE‐01.3. 

‐ WorleyParsons,  EcoNomics,  2009.  Small  diameter  pipelines:  Total  installed  costs budget estimates. 401 001 ‐0051 4‐00‐PL‐REP‐0001, 1‐3.  

‐ Yan, J., Anheden, M., Bernstone, C., 2009. Impacts of non‐condensable components on CO2  compression  /  purification,  pipeline  transport  and  geological  storage.  1st  IEA Oxyfuel Combustion Conference. Cottbus, Germany.  

‐ ZEP, 2010. CO2 transport costs. 1‐52.  ‐ Zhang,  Z.X., Wang, G.X., Massarotto, P., Rudolph, V., 2006. Optimization of pipeline 

transport for CO2 sequestration. Energy Conversion and Management 47, 702‐715.  

   

 

77 

 

Chapter 3: Improved cost models for optimizing CO2 pipeline configuration for point‐to‐point pipelines and simple networks1 

Abstract: In this study, a new cost model was developed for CO2 pipeline transport, which start with  the physical properties of CO2  transport and  includes different kinds of  steel grades and up‐to‐date material and construction costs. This pipeline cost model  is used for a new developed tool to determine the configuration  leading to the  lowest  levelized costs  for  CO2  transport  for  point‐to‐point  pipelines  as well  as  for  simple  networks  on different  types  of  terrain  and  for  different  time  frames.  The  model  optimizes  inlet pressure, diameter, steel grade and number of pumping stations.  

Results  show  that gaseous CO2  transport  can give  lower  levelized  costs  than  liquid CO2 

transport  for point‐to‐point pipelines and  for  simple networks,  if  the CO2  is  stored  in a reservoir with a low required injection pressure, like depleted natural gas fields. However, for storage fields with a required injection pressure of 8 MPa or higher (like aquifers), CO2 can be better transported  in a  liquid form. For onshore pipelines transporting  liquid CO2 the optimal  inlet pressure  is 9‐13 MPa and pumping stations are  installed roughly every 50‐100  km.  For  offshore  pipelines,  pumping  stations  are  not  an  option  and  the  inlet pressure is determined by the length of the pipeline. The maximum inlet pressure is about 25 MPa and  for even  longer pipelines, a  larger diameter  is selected. The  levelized costs (excluding  initial compression) for transporting 100 kg/s (about 3 Mt/y) over 100 km are between 1.8 and 3.3 €/t  for  liquid and 4.0‐6.4 €/t  for gaseous CO2  transport. For  larger mass  flows  the  costs  are decreasing,  for  instance  transporting 200 kg/s  (about 6 Mt/y) over 100 km are 1.2‐1.8 €/t for liquid and 3.0‐3.8 €/t for gaseous CO2 transport. 

Furthermore,  results  show  that  higher  steel  grades  lead  to  lower  investment  costs  for onshore  pipelines  transporting  liquid  CO2.  Using  X120  in  the  long  term  reduces  the pipeline costs up to 17%. For gaseous CO2 transport, lower steel grades (like X42 and X52) are  the  best  option.  Also  offshore  pipelines  do  not  benefit  from  the  development  of higher steel grades over time because the thickness should be at least 2.5% of the outer diameter.  

The  results  indicate  that  oversizing  the  pipeline,  to  transport  CO2  from  an  additional source that  is coming available  later,  is not always cost‐attractive. This strongly depends on  the  time  span  of which  further  CO2  sources  are  available  and  on  the mass  flows. Oversizing appears earlier cost‐attractive compared to two point‐to‐point pipelines if the source with the largest mass flow come available first.   

                                                                 1 This article is a slightly adapted version of the article: Knoope, M.M.J.; Guijt. W.; Ramírez, A; Faaij, A.P.C., 2014. Improved  cost models  for  optimizing  CO2  pipeline  configuration  for  point‐to‐point  pipelines  and  simple networks. International Journal of Greenhouse Gas Control 22: 25‐46. 

Chapter 3 

78 

 

Introduction  3.1

Carbon dioxide capture and storage (CCS) is a CO2 abatement option that can contribute significantly  to  the reduction of CO2 emissions  to  limit  temperature  increase  (IEA, 2010; Moomaw et al., 2011; European Commission, 2011). With CCS, CO2  from  industrial and energy‐related  sources  is  captured  and  subsequently  transported  to  an  underground geological  storage  field.  First  estimations  indicate  that  worldwide  around  200,000‐360,000 km pipeline is required to store about 10 Gt/y in 2050 (IEA, 2009). This is a very significant  amount,  especially  in  comparison with  the  current  CO2  pipeline  network  of about 6,000 km, which  is mainly situated  in the United States for enhanced oil recovery purposes  (Mohitpour  et  al.,  2012).  Extending  the  CO2  transportation  network  to  the necessary scale would require a large planning effort and initial investments of about 400‐750 billion euro have been  reported  (IEA, 2009).  In  the  last decade, different economic models have been developed to assess the costs of CO2 pipeline transport. A compile  is presented in Knoope et al., (2013).  

However, these cost models have two main shortcomings as indicated by a previous study (Knoope et al., 2013). Firstly, almost all models use current natural gas pipelines as  the basis  for  their  cost  estimation,  thereby  ignoring  the  different  characteristics  of  CO2 pipelines.  The most  obvious  difference  between  natural  gas  and  CO2  pipelines  is  the higher operation pressure required by the latter. A higher operation pressure means that the wall thickness should be increased or that higher strength steel should be used, which will  increase costs. So far, this effect  is only taken  into account by cost models based on the weight of the pipeline (Piessens et al., 2008; Gao et al., 2011).  

Secondly, none of  the  costs models  take  into account  the development  in  steel grades (Knoope et al., 2013), although some of  the cost models are used  for planning of a CO2 infrastructure over time (Piessens et al., 2008; Van den Broek et al., 2010; ElementEnergy, 2010). Over  the years, higher steel grades are and will be developed which achieve  the same strength with a lower wall thickness (Felber and Loibnegger, 2009). However, it has still  to be proven  if  very high  steel  grades have  the  required  toughness  to  avoid  crack propagation (Brauer et al., 2004). If they would have the required toughness, lower costs could be  realized despite  the higher  costs per metric  ton of  steel, because  less  steel  is required, transportation costs are lower and thinner walls are easier to weld (Gräf et al., 2003;  Cayrade,  2004;  Felber  and  Loibnegger,  2009).  The  first  aim  of  this  study  is  to develop a cost model for CO2 pipeline transport, related to the physical properties of CO2, which include different types of steel grades and use up‐to‐date material and construction costs.  

An additional  issue  identified by Knoope et al.,  (2012), was  the  large uncertainty  in  the costs  and  placement  of  pumping  stations.2  The  installation  (and  location)  of  pumping stations is an economic decision resulting from tradeoffs between enlarging the diameter 

                                                                 2 In several publication, pumping stations are called booster stations. 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

79 

 

of the pipeline,  increasing the  inlet pressure or placing a pumping station. To determine whether  installation  of  one  or  multiple  pumping  stations  makes  economically  sense, Zhang et al., (2012) developed a techno‐economic tool to analyze the number of pumping stations  and  the  diameter  for  point‐to‐point  CO2  pipelines  in  China.  However,  they assume a  fixed  inlet pressure of 13.8 MPa and adapt  it  to a  lower  level  if no pumping stations  are  present.  Another  limitation  of  the  model  of  Zhang  et  al.,  (2012)  is  that different  kind  of  terrains  like  offshore,  sparsely  populated  or  populated  areas  are  not taken  into  account.  This  would  change  the  outline  of  the  system,  because  safety requirements are higher  for pipelines  in populated areas and pumping stations are very expensive  offshore  since  a  platform  with  energy  supply  is  required  (IEA  GHG,  2002). Offshore transport is currently considered very relevant in Europe, because offshore CO2 storage  is  socially more accepted  than onshore and  two‐thirds of  the potential  storage locations are situated offshore (EU GeoCapacity, 2008). 

In the future, it is expected that trunklines will be installed transporting CO2 from multiple sources  to  one  or more  sinks,  thereby  generating  economies  of  scale  (Chandel  et  al., 2010).  A  recent  study  indicates  that  almost  60%  of  potential  CCS  locations worldwide could benefit  from  trunkline configurations,  leading  to an estimated  reduction of about 25%  in  total  pipeline  length  (ElementEnergy,  2010).  Furthermore,  trunklines  would smooth the CO2 flow variations caused by intermittency and can lead to more operational flexibility than stand‐alone pipelines (Fimbres Weihs and Wiley, 2012).  

ElementEnergy (2010) analyses under which conditions a trunkline is more cost‐effective than  point‐to‐point  pipelines.  They  conclude,  for  instance,  that  if  two  sources with  an equal mass flow are 100 km away from the sink, it is more cost‐effective to have point‐to‐point pipelines  if  the angle between  source I –  sink –  source  II  is more  than 60°. Other models analyze not only in which circumstances a trunkline is cost‐effective but also how the  overall  network  will  develop  and  where  trunklines  would  arise  (among  others: Middleton and Bielicki, 2009; Van den Broek et al., 2010; Morbee et al., 2012; Fimbres Weihs and Wiley, 2012). Middleton and Bielicki  (2009), for  instance, developed a spatial tool which determines not only where to build pipelines, but also selects the sources and sinks where to capture and store the CO2. In an updated version, the development of the network is analyzed over time (Middleton et al., 2012). Also Van den Broek et al., (2010) include time and spatial items. They linked the tool to an energy‐bottom up model to see the  influence of  several policy  related decisions on  the  implementation of CCS and  the outline of the CO2 infrastructure. 

Most models do not  take  into  account pumping  stations because  the average distance between  sinks and  sources  is  small  (Dahowski et al., 2004) or  to  simplify  the modeling process  (Middleton  and  Bielicki,  2009; Morbee  et  al.,  2012).  Others  include  pumping stations,  but  they  use  a  simplified  approach  by  fixing  the  distance  between  pumping stations  (Wildenborg et al., 2004; Van den Broek et al., 2010). Two models  incorporate pumping stations if the maximum or minimum pressure would be crossed but they use a fixed  velocity  (ElementEnergy,  2010)  or  use  a  maximum  specific  pressure  drop  to determine  the diameter  (Fimbres Weihs  and Wiley, 2012).  These  kinds of  assumptions lead to a specific diameter and it is not certain that this is the most cost‐effective one.  

Chapter 3 

80 

 

An  additional  point  to  note  is  that  all mentioned models  assume  that  the  CO2 will  be transported in supercritical or dense phase throughout the whole network.3 For low mass flow  rates and short distances, however,  it may be more cost‐effective  to  transport  the CO2 (partly or contemporary)  in the gaseous phase. Gaseous CO2 transport  is considered in  a  study  of  the  IEA  GHG  (2007),  in  a  study  to  CO2  transport  and  storage  in  the Netherlands  (EBN  and Gasunie, 2010),  in  the CCS project  in  the Yorkshire  and Humber area (Yorkshire Forward, 2008) and was considered for the onshore part of the Longannet project  (ScottishPower  CCS  Consortium,  2011)  and  the  initial  phase  of  the  Kingnorth project (E.ON, 2011a).4  

To  summarize,  none  of  the  existing  models  in  literature  performs  a  comprehensive economic minimization  for CO2 pipeline transport with respect to diameter, steel grade, wall thickness, number of pumping station, and inlet pressure incorporating both gaseous and  liquid CO2 transport. Therefore, the second aim of this article  is to develop a model including  these  parameters, which would  lead  to  the most  cost‐effective  solution  and configuration for CO2 pipeline transport. This  is done for point‐to‐point pipelines as well as  for  simple networks  for different  types of  locations  (offshore,  sparsely populated, or populated) and  for different  time  frames, namely  the  short  (2020), medium  (2030) and long term (2040).  

CO2 properties for pipeline transport 3.2

The  critical  point  of  pure  CO2  is  at  31.1°C  and  7.4 MPa,  see  Figure  3.1.  CO2  pipeline transport  is  often  proposed  in  the  dense  phase,  with  pressure  above  7.4 MPa  but temperatures below 31°C. Insulation or heating of the pipeline to ensure that the CO2 is in the supercritical phase does not have an added benefit for the transportation chain and is not cost‐effective according to Zhang et al., (2006; 2012). However,  it can be considered to meet specific storage requirements.5 Nonetheless, insulation or heating of the pipeline is not taken into account in this study.  

The operation  regions, which  are used  in  this  study,  are depicted  in  Figure 3.1.  In  this article,  it  is  assumed  that  the  CO2  is  dehydrated,  (near)  pure  and  at  a  constant 

                                                                 3 Dense phase  is not  a well‐defined  term.  In  this article, dense CO2  refers  to CO2  above  the  critical pressure (7.4 MPa)  independent  of  temperature, while  supercritical  CO2  refers  to  CO2  above  the  critical  pressure  and critical temperature (31.1°C).  4 Gaseous CO2 transport was proposed for the first stage of the Kingsnorth project due to the low initial reservoir pressure of  less than 0.3 MPa  (E.ON, 2011a).  In the Longannet project, gaseous CO2 transport was considered because  part  of  the  existing  onshore  pipeline  would  not  be  suitable  for  liquid  CO2  transport  (namely  the maximum operation pressure of the existing pipeline is 8.5, 8.4 and 7.0 MPa).  5  In  the  ROAD  project,  the Netherlands,  the  low  initial  reservoir  pressure  of  <3 MPa, makes  it  necessary  to transport the CO2 as a gas or throttle the  liquid CO2 before  injection. Gaseous transport was excluded because this would lead to a too high pressure drop in the well. To avoid too low temperatures after throttling the liquid, which  can  cause  hydrates  in  the well,  the  CO2  has  to  be  heated  at  the  platform  or  the  pipeline  has  to  be insulated. The last option is chosen due to the limited length of the pipeline (26 km) which makes it affordable (Read, 2012). 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

81 

 

temperature  of  15°C  (288  K)  for  onshore  pipelines  and  of  4°C  (277  K)  for  offshore pipelines.  The  corresponding  density,  viscosity,  compressibility  factor  and  specific  heat ratio are based on  (NIST, 2012). A mixture of gas and  liquid CO2, a  so‐called  two‐phase flow, should be avoided  in normal operation to avoid boiling, cavitation and operational problems  with  compressors  and  pumps  (Skovholt,  1993;  Svensson  et  al.,  2004; ElementEnergy, 2010; Knoope et al., 2013). Note that a two‐phase flow can still exist for pipeline of short distances  (for  instance  in  the well),  for a short amount of  time  (during start‐up/shut‐down) or in some cases to meet specific storage requirements (DNV, 2010). For normal operation, the minimum pressure level is set to 8 MPa for liquid CO2 transport. For gaseous  transport, pressures between 1.5 and 3 MPa are allowed. Pressures higher than 3 MPa  are not  considered  to  avoid  a  two‐phase  flow, while pressures  lower  than 1.5 MPa are not incorporated because pressure is needed to ensure that the CO2 flows.  

Description of the cost minimization process 3.3

In this study, a new cost model and an economic minimization tool are developed for CO2 pipeline  transport.  All  costs mentioned  in  this  study  are  corrected with  the  upstream capital cost  index (UCCI) to €2010 (IHS, 2013). Note that the UCCI  is only valid for costs  in dollars. Therefore, costs in Euros are first converted to dollars with the average exchange rate of the year where the costs are specific for, subsequently they are converted to $2010 and then back to euros with the average exchange rate of 2010, which  is 0.75 €2010/$2010 (OANDA, 2011).  

 

 Figure 3.1: Phase diagram for pure CO2 (adapted from ChemicaLogic, 1999 and DNV, 2010). 

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Pre

ssu

re,

bar

Temperature, °C

Carbon Dioxide: Temperature - Pressure Diagram

Drawn with CO2Tab V1.0

Copyright © 1999 ChemicaLogic Corporation

Typical operation envelope for liquid CO2 transport.  

Operation region for liquid CO2 transport in this study.  

Operation region for gaseous CO2 transport in this study. 

Chapter 3 

82 

 

In this study, a cost minimization process  is executed, see equation 3.1 for the objective function.  The  decisions  variables  are  the  inlet  pressure  (Pinlet),  a  set  of  steel  grades, number of pumping stations (integer variable, 0‐10) and a set of outer diameters (ODNPS). The main  inputs  for  the cost minimization process are  the mass  flow  (m),  length of  the pipeline  (L),  terrain  type  (offshore,  populated  or  sparsely  populated)  and  time  frame (short, medium or  long term). Additional explanation of the relations and the equations are given in the sections below. 

Although  the  objective  function  remains  (almost6)  the  same,  slightly  different methodologies  are  required  for different  types of pipelines. A distinction  can be made between pipelines over a  single  type of  terrain and pipelines crossing multiple  terrains, like  sparsely  populated  and  populated  terrain  or  onshore  and  offshore.  Furthermore, pipelines can be categorized  into point‐to‐point pipelines which transport CO2  from one source  to one sink and a network which  transport CO2  from different sources  to one or more  sinks.  With  networks,  the  timing  when  capture  units  are  expected  to  become available  is  very  relevant  as  there  maybe  cases  where  it  is  more  cost‐attractive  to construct  two  point‐to‐point  pipelines  rather  than  a  trunkline.  Figure  3.2  depicts  an outline of the methodology.  

.  (3.1) 

Ipump       φ (Pinlet, Poutlet, Npumps, m) Icomp       φ (Poutlet, m)  Ipipe        φ (L, Pinlet, ODNPS, terrain type; time frame) ODNPS     φ (m, v, ∆Pact, terrain type)  

Subject to:  vmin< v <vmax,  Poutlet<Pinlet<Pmax 

Poutlet= Pinlet ‐ ∆Pact x L/(Npumps + 1)  

  where LClow are the lowest possible levelized costs of CO2 transport (€/t CO2); CRF is the capital recovery factor; Ipump/pipe/comp and OMpump/pipe/comp are the investment and operation and  maintenance  (O&M)  costs  of  pumps,  pipeline  and  compressor,  respectively  (€); ECpump/comp are the energy costs of pumps and compressor, respectively (€/y); m is the CO2 mass flow (kg/s); H are the number of operation hours (8760 hr/y); Pinlet and Poutlet are the in‐ and outlet pressure of the pipeline, respectively (Pa); Pmax is the maximum pressure for CO2 transport, which  is 3.0 MPa for gaseous, 24 MPa for onshore  liquid CO2 and 35 MPa for offshore liquid CO2 transport; Npumps is the number of pumping stations; L is the length of the pipeline (m); ODNPS is the outer diameter related to the nominal pipe size; ΔPact is the actual  pressure  drop  (Pa/m);  v,  vmin  and  vmax  is  the  actual,  minimum  and  maximum velocity, respectively (m/s).  

                                                                 6 The formula for the levelized costs is different if timing aspects play a role, see section 3.3.4.  

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

83 

 

 

Figure 3.2: Outline of the methodology for different types of pipelines. 

Cost minimization of one pipeline in a single type of terrain 3.3.1

Gaseous  as  well  as  liquid  CO2  transport  are  included  in  the model.  For  gaseous  CO2 transport,  the  inlet pressure  ranges  from 1.6  to 3 MPa,  in  steps of 0.1 MPa, while  the outlet pressure  is fixed on 1.5 MPa. This  low outlet pressure makes  it only  interesting to store the CO2 in a storage field with a low reservoir pressure, like a depleted natural gas field.  The  possibility  of  recompressing  the  CO2  along  the  pipeline  is  not  included  for gaseous CO2 transport due to the high energy consumption and recompression costs.7 For onshore  liquid CO2  transport,  the  inlet pressures  ranges  from 9  to 24 MPa,  in  steps of 1 MPa,  and with 0  to 10 pumping  stations.  For offshore  liquid CO2  transport, pumping stations are not an option and inlet pressures range from 9‐35 MPa, in steps of 1 MPa. All liquid cases have a fixed outlet pressure of 8.0 MPa. For all cases, the configuration and the levelized costs are calculated. In Figure 3.3, the steps of the cost minimization process are presented in a flow diagram. Additional equations are given in Annex B. 

For  the  cases  transporting  liquid CO2,  the  specific design pressure drop  is  calculated by taking  into  account  the  in‐  and  outlet  pressure,  number  of  pumping  stations  and  the height difference  of  the  trajectory  (equation  3.2).  This  specific  design pressure  drop  is used  to  calculate  the  required  inner  diameter  (IDcalculated),  see  equation  3.3.  Since  the density varies considerably between the in‐ and outlet of gaseous CO2 transport, equation 3.4  is used for calculating the  inner diameter (Mohitpour et al., 2003; McCoy and Rubin, 

                                                                 7  Initial runs showed that  increasing the diameter results  in  lower  levelized costs than adding a recompression station  for  pipelines  transporting  gaseous  CO2.  For  instance,  for  a  gaseous  pipeline  of  100  km  transporting 300 kg/s, the lowest levelized costs of 10.0 €/t are realized with an inlet pressure of 2.3 MPa and a diameter of 1.22 m.  If one  intermediate compressor  is  installed, the  levelized costs  increase to 10.2 €/t, while the optimal diameter remains 1.22 m and the  inlet pressure decreases to 2.0 MPa. By running cases for various mass flows and  lengths,  it was concluded  that  installing an  intermediate compressor  increase  the  levelized costs and  it  is more cost‐effective to increase the inlet pressure or even installing a larger diameter.  

Point‐to‐point pipelines

Simple network

Single terrain

Multiple terrain

§3.3.1

§3.3.2

§3.3.3

Timing 

aspects

§3.3.4

Chapter 3 

84 

 

2008; Chandel et al., 2010).8  

Pipelines are available in so called nominal pipe sizes (NPS)9. NPS are related to the outer rather than the inside diameter, thus the next available outer diameter of the NPS (ODNPS) is selected with respect to  IDcalculated.

  If the calculated diameter  is  larger than the  largest NPS  included  in the model, then the specific combination of  inlet pressure and pumping stations is not taken into account. The possibility of placing multiple pipelines next to each other is currently not considered.    

∆∆  (3.2) 

_   (3.3) 

_ ∆

/

  (3.4)  

  (3.5) 

where, ΔPdesign is the design pressure drop (Pa/m); Pinlet is the pressure inlet (Pa); Poutlet is the pressure outlet  (Pa); Npumps  is  the number of pumping stations; L  is  the  length of the pipeline  (m);  g  is  the  gravity  constant  (9.81 m/s2);  ρ  is  the  density  (kg/m3)10;  Δz  is  the height  at  the  inlet  of  the  pipeline minus  the  height  of  the  outlet  of  the  pipeline  (m)11; IDcalculated_liquid  is  the  inner  diameter  of  the  pipeline  transporting  liquid  CO2  (m);  f  is  the Darcy‐Weisbach friction factor (see Annex B for equation); m is the CO2 mass flow (kg/s); IDcalculated_gaseous  is  the  inner diameter of  the pipeline  transporting gaseous CO2  (m); Zave  is the average  fluid  compressibility12; R  is  the universal gas  constant  (8.31 Pa*m3/mol*K); Tave is the average fluid temperature (K); M is the molecular mass of CO2 flow (kg/mol) and Pave is the average pressure in the pipeline. 

To  relate  ODNPS  to  the  inner  diameter  of  NPS  (IDNPS),  the  thickness  is  calculated  (see equation  3.6)  assuming  that  the maximum  allowable operation pressure  is  10% higher than  the  (steady  state)  inlet  pressure  and  subsequently  rounded  up  to  0.1 MPa.13  To 

                                                                 8 In principle, equation 3.4 can be used for liquid as well as for gaseous cases. However, for liquid cases equation 3.3 is used for simplicity.   9 The following NPS related to outer diameter (ODNPS) are included for onshore and offshore pipeline transport: 0.11; 0.17; 0.22; 0.27; 0.32; 0.41; 0.51; 0.61; 0.76; 0.91; 1.07 and 1.22 m. For onshore pipeline transport, ODNPS of 1.32 and 1.42 m are also included.  10  The  density  is  based  on  the  lowest  pressure  in  the  pipeline  (Poutlet)  to  take  a  conservative  approach.  The 

temperature of the CO2 is 4°C for offshore pipelines and 15°C for onshore pipelines.  11 The formula gives only correct results if the height difference is more or less equally divided at the route. For 

instance, if the pipeline needs to go up a mountain, a pumping station may be needed to compensate the strong pressure drop due to gravity, while when going down a mountain, pressure reducing equipment may be needed. Hence, for such cases the route has to be split up into segments with comparable slopes. 12 The average  fluid  compressibility  factor  is based on  the average pressure and  the  temperature of  the  fluid 

(which is in this study 15°C for onshore pipelines and 4°C for offshore pipelines).  13 The MAOP is often higher than the inlet pressure. A higher MAOP leads to a higher wall thickness and higher 

 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

85 

 

ensure that the wall thickness does not become too thin, a maximum ODNPS/t ratio of 100 for onshore pipelines (Gräf et al., 2003) and 40 for offshore pipelines (Hillenbrand et al., 2001; DNV, 2012) have been set.14 The calculated wall thickness is rounded up to half or whole millimeters.    

  (3.6) 

where, t is the thickness (m); ODNPS is the outer diameter of the nominal pipe size (m); MAOP is the maximum allowable operation pressure (MPa); S is the minimum yield stress (MPa);  F  is  the  design  factor  related  to  the  terrain  and  population  density;  E  is  the longitudinal joint factor (=1) and CA is the corrosion allowance (= 0.001 m)15. 

The thickness depends on a design factor related to the  location of the pipeline and the yield stress of the material. A design factor of 0.72 is used for pipelines in areas having a low  population  density  (sparsely  populated  areas)  and  for  offshore  pipelines  (Code  of Federal Regulation, 2010). For areas having a high population density, the wall thickness of a pipeline should be higher for safety reasons and, therefore, a  lower design factor  is adopted (Code of Federal Regulation, 2010).16 In this study, a design factor of 0.5 is used for onshore areas with a higher population density (populated areas). 

To ensure  that  the  configuration  is  feasible,  the velocity  is  calculated with  the  selected IDNPS  (equation  3.7).  The  velocity  has  to  be  below  a  certain  value  to  avoid  erosion, vibrations and damaging of the pipeline. In the NORSOK standard, a maximum velocity of 6 m/s  is  specified  in  carbon  steel  pipelines  for  the  transport  of  a  liquid without  solid particles,  which  would  be  the  case  with  CO2  transport  (NORSOK,  2006).  A  minimum 

                                                                                                                                                                   capital costs, but it gives some operational freedom. Moreover, it is to ensure that the MAOP is not crossed in all circumstances. For  instance, during an emergency shutdown of a block valve at the end of the pipeline, shock waves are  formed which  increase the pressure significantly. Also operating the pumping stations with a  lower mass flow can  lead to a higher  inlet pressure. These  issues have to be taken  into account  if a (CO2) pipeline  is designed for construction. However, for the purpose of this study, a standard 10% rule‐of‐thumb is used.  14 The wall thickness in offshore pipeline is larger to prevent collapse of the pipeline due to the external pressure 

of the water.  In the DNV standard  for offshore pipelines a OD/t ratio between 15‐45  is stated  (DNV, 2012).  In Hillenbrand et al., (2001), a relation between water depth and OD/t ratio is given, where a ratio of 40 relates to a water depth of 400 m.  15  For pure CO2  transport without  free water no, or  very  limited,  corrosion  is  expected  in  the pipeline.  Field 

experience of CO2 pipelines  installed for enhanced oil recovery  in the U.S., show a  low corrosion rate of 0.25–2.5 μm/year (Cole et al., 2011).  16  In  the U.S. code of Federal Regulation,  four different  types of areas each with a different design  factor are 

distinguished  (Code  of  Federal  Regulation,  2010).  First,  an  area which  has  less  than  10  buildings  for  human occupancy placed within 200 m of each side of the pipeline for any continuous mile (1.6 km) of pipeline length. This type of area would be designed with a design factor 0.72. Second, a design factor of 0.6 is used for an area with more than 10, but fewer than 46 buildings, intended for human occupancy in an area of 200 m around the pipeline  for any continuous mile of pipeline  length. Third, a design  factor of 0.5  is used  for an area which has more than 46 building for human occupancy in an area of 200 m on each side of the pipeline for any continuous mile (1.6 km). Fourth, a design factor of 0.4 is used in an area where there are buildings with four or more stories above the ground present in the near surrounding of the pipeline (< 200 m). In this study, the first type, referred to with sparsely populated terrain, and the third type, referred to with populated area, are incorporated.  

Chapter 3 

86 

 

velocity  is not specified  in the NORSOK standard.  In this article, a velocity range of 0.5 – 6 m/s  is  assumed  for  liquid  cases  and  of  5‐20 m/s  for  gaseous  transport.  If  a  specific combination of inlet pressure, number of pumping stations and diameter gives a velocity outside the identified range, the case is ignored.    

  (3.7)  

where, v  is the actual velocity  (m/s); m  is the CO2 mass flow  (kg/s);  IDNPS  is the  inner diameter of the NPS pipeline (m); and ρ is the density (kg/m3). 

The levelized costs of CO2 transport for all cases are calculated with equation 3.8 and with the economic assumptions given  in Table 3.1. The case with the  lowest  levelized costs  is the most cost‐effective combination of  inlet pressure, diameter, steel grade and number of pumping stations.  

.  (3.8) 

  (3.9) 

   where, LC are the levelized cost of CO2 transport (€/t CO2); CRF is the capital recovery factor;  Ipump/pipe/comp  and  OMpump/pipe/comp  are  the  investment  and  operation  and maintenance (O&M) costs of pumps, pipeline and compressor, respectively (€); ECpump and ECcomp are the energy costs of pumps and compressor, respectively (€/y); m is the CO2 mass flow  (kg/s); H are  the number of operation hours  (8760 hr/y);  r  is  the discount  rate  (%); and z is the lifetime (years). 

Cost minimization of a pipeline crossing different types of terrain 3.3.2

Pipeline through two terrain types 3.3.2.1

If the pipeline is installed partly in populated and partly in sparsely populated terrain, the cost minimization process described  in section 3.3.1  is  first conducted by assuming  that the pipeline was  installed  completely on  sparsely populated  terrain.  Subsequently,  it  is assumed that the optimal configuration with respect to NPS and inlet pressure would not change if the pipeline is partly placed on populated terrain. As the NPS is related to outer diameter,  the  inner  diameter  of  the  pipeline  passing  through  populated  terrain  will decrease because a  larger thickness  is required. Since the  inner diameter  is smaller, the actual  specific  pressure  drop  is  higher.  The  higher  pressure  drop  is  assumed  to  be compensated by the  last pumping station along the route, which  is placed  further away from the sink and will pump the CO2 to a higher pressure level.  

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

87 

 

 

Start

Insert mass  flow;  time frame; terrain type; height difference and length

Set Pinlet on 1.6 MPa  and Poutlet on 1.5 MPa  for gaseous transport.

Set IDcalculated = 0.5 m and LClow = 1000 

Calculate friction factor (eq. 3.18).

Calculate ∆Pdesign and IDcalculated (eq. 3.2 ‐ 3.4)

Set s teel grade on X42 and C0 = 10010

Select next available ODNPS with respect to IDcalculated.

Ca lculate thickness by taking into account terra in conditions (eq. 3.6).

Is  t/ODnps ≤ 100 for onshore or t/ODnps ≤ 40 for 

offshore ?

Is  IDNPS ≥ IDcalculated?

Calcutate the material costs of the pipeline (eq. 3.11)

Calculate the pipeline costs  (§ 3.4.1) 

Are  a l l steel grades covered for the specific 

time  period?

Pipeline costs < C0?

Ca lculate IDNPS (eq. 3.20).

Do changes arise in IDNPS 

compared to previous two runs?

Calculate velocity (eq. 3.7).

Is  the  velocity between vmax and vmin?

Calculate the pressure drop (eq. 3.21).

Ca lculate the distance between and number of pumping stations (eq. 3.22; 3.23). 

Calculate  the pressure  outlet of the l ast pumping s tation (or the  Pinlet if no pumping 

s tations are present) (eq. 3.24; 3.25). 

Calculate capacity requirement for compressor and pumping s tations 

(eq. 3.13; 3.14; 3.16; 3.17).

Ca lculate capital, energy, O&M and LC costs of configuration (eq. 3.8; 3.12; 3.15). 

Are  the  LC lower than LClow?

Pinlet < 3 MPa?

Pinlet = 3 MPa?

For onshore liquid  CO2

transport is Npumps = 10?

Is  Pinlet = 24 MPa  for onshore or Pinlet = 35 MPa  for offshore cases ?

The  remembered configuration of LClow i s the optimal configuration.

END 

Increase Pinlet with 0.1MPa.

Set Npumps to 0 and increase Pinlet with 1.0MPa.

Set Pinlet on 9 MPa, Poutleton 8 MPa  and Npumps on 0 

for l iquid transport.

Increase steel grade to next ava ilable s teel grade. 

Select next available ODnps. 

Ca lculate Renolds number and friction  

factor based on IDNPS (eq. 3.18; 3.19).  

No

Yes

No

Yes

No

No

No

No

No

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

No

Yes

No

No

Yes

Remember configuration (ODNPS; IDNPS; Pinlet; Npumps;   

Xopt) and LClow = LC. 

Pipeline costs = C0;  Steel grade = XoptNo

Yes

Increase thickness to 

1.0% of ODnps for onshore and 2.5% for 

offshore.

Increase  Npumpswi th 1.

Figure 3.3: Flow diagram for a point‐to‐point pipeline over  one kind of terrain.  

Chapter 3 

88 

 

Table 3.1: Economic assumptions 

Pipeline transporting CO2 from onshore to an offshore storage location 3.3.2.2

If the pipeline comprised of an onshore and offshore section, the route  is divided  in two parts, which are optimized separately and then combined. The outlet of the first, onshore, section  is  initially  set  to  8 MPa  for  liquid  CO2  transport.  Subsequently,  the  cost minimization process is followed as described in section 3.3.1. After determining the most cost‐effective case for the first section, the outlet pressure of the first section  is used as inlet pressure  for  the  second, offshore,  section. For  the  second pipeline  section, a  cost minimization  is  conducted with  inlet  pressures  ranging  from  9  to  35 MPa  and  a  fixed outlet pressure of 8 MPa. A pumping station between the onshore and offshore section can be  installed  to pump  the CO2  to a higher  inlet pressure.  In  this study,  it  is assumed that no expansion devices are  installed to reduce pressure. Hence,  if the outlet pressure of the onshore section is higher than the inlet pressure of the offshore section, the case is eliminated.  

Parameter  Unit Base value Sensitivity 

Design lifetime of the pipeline Years 50Design lifetime of compressors and pumping stations Years  25Interest rate  % 10 5‐15 Operation hours  hr/y 8760

a

O&M costs compressors and pumping stations % 4.0O&M costs pipeline  % 1.5Electricity costs

b €/MWh 100  50‐150 

Steel factorc,d 

1 0.5‐1.5 Labor cost

d,e €/m

2825 413‐1,650 

a) In practice, the operation time would be less than 8760 h/y. However, if multiple sources are combined in a pipeline, the pumping stations will operate constantly since it is unlikely that all plants will shut down at the same time.  

b) The  electricity  cost  is not  constant over  time. However,  for  simplicity  it  is  assumed  that  the  costs will remain similar. An electricity cost of about 100 €/MWh is projected for power plants with CCS (ZEP, 2011). However, there is significant uncertainty in the costs of CCS power plants and hence in the electricity cost. In the ZEP report (ZEP, 2011), a literature overview is made of the electricity costs with CO2 capture and electricity costs range from 42 to 157 €/MWh for a N

th of a kind plant. In this study, a sensitivity analysis is 

conducted for electricity costs of 50 and 150 €/MWh.  c) The steel costs used in this study are from April 2012. In the first eight months of 2012 the average CRU 

global  steel  price  index  (CRUspi)  was  191  (CRU,  2012).  In  the  period  2000‐2012,  the  CRUspi  varied between 69 and 293 (CRU, 2012). For the sensitivity analysis, a multiplication factor of 0.5‐1.5 is used. This leads,  for  instance,  to  a  steel  cost  range of  0.53‐2.27  €/kg  for  X80.  In principle,  the  steel  costs would increase if strict climate change policies come in place. It is estimated that the CO2 capture costs for the steel  industry are 45‐73 €2010/t CO2, the avoided CO2 emissions are 0.3‐0.8 t CO2/t steel and the realized CO2 emissions are 0.9‐1.5 t CO2/t steel in the short and medium term (Kuramochi et al., 2012). This would increase  the  steel  costs with  0.01‐0.06  €/kg  due  to  the  CCS  equipment  and with  an  additional  0.09‐0.15 €/kg if a tax of 100 €/t emitted CO2 is raised. Hence, the steel costs would increase with about 5‐15% if strict climate policies and CCS are applied  in the steel  industry. This  increase  is considerably  less than the historical variation and is, therefore, not taken into account further.  

d) The miscellaneous  costs are a percentage of  the  labor and material  costs, and  therefore  they will also increase if the labor or steel costs are increased. 

e) The  range  of  labor  costs  is  calculated  from  the  FERC  cost  database  taking  into  account  pipelines constructed in the period 2008‐2012. Pipelines lengths lower than 10 miles are ignored, because they can have very high (labor) costs. The base value is the average, while the sensitivity range is 50%‐200% due to the higher uncertainty, see 4.1.2. 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

89 

 

The minimum  levelized costs  for  the onshore section, plus  the minimum  levelized costs for the offshore section are the  lowest possible cost solutions for the entire pipeline for an  outlet  pressure  of  8 MPa  of  the  onshore  pipeline  section.  Subsequently,  the  outlet pressure  of  the  onshore  section  is  raised with  1 MPa  and  the  same  cost minimization process  is  performed  again.  This  process  is  repeated  until  the  outlet  pressure  of  the onshore section becomes 23 MPa. The lowest possible levelized cost solutions of all outlet pressures are compared, and the lowest one is selected.  

Since  the  inlet pressures of  the offshore as well as of  the onshore section are  in whole MPa,  this method  is only suitable  for  long onshore and offshore pipelines of more  than 100  km.  Otherwise  the  influence  of  rounding  becomes  too  large.  For  short  distances onshore,  the  pipeline  can  be  better  optimized with  the  feeder  approach  described  in section 3.3.3. 

For gaseous CO2  transport,  the same cost minimization process  is  followed as  for  liquid CO2 transport. However, here the  initial outlet pressure of the onshore section  is set on 1.6 MPa, while the inlet pressure range from 1.7 to 3.0 MPa. The possibility to recompress the flow along the route is excluded. After each round, the outlet pressure of the onshore section  is  raised with 0.1 MPa until 2.9 MPa. The  case  resulting  in  the  lowest  levelized costs for gaseous transport  is compared with the one calculated for  liquid transport and the lowest cost solution is selected.  

Feeders to and distribution pipelines from the trunkline 3.3.3

If multiple pipelines (feeders) are combined to one large pipeline (a trunkline) or multiple distribution  pipelines  are  used,  then  the  cost  minimization  process  gets  too  many variables.  To  limit  the  number  of  possibilities,  the  specific  design  pressure  drop  is assumed to be 10 Pa/m for gaseous and 30 Pa/m for  liquid transport  in the feeders and distribution pipelines. A  sensitivity analysis  is  included  to assess  the  consequences of a 50%  lower  or  higher  specific  pressure  drop.  Furthermore,  all  feeders  and  distribution pipelines are assumed to be constructed from X80 in the short term, X100 in the medium term and X120 in the long term for liquid CO2 transport, and X42 is assumed for gaseous transport  for all time  frames. The steel grade of the trunkline remains a result  from the cost minimization process. Additionally,  the possibility of  installing pumping  stations on feeders and distribution pipelines  is not considered. All  these simplifications would only have a minor  influence on the total  levelized costs because the feeders and distribution pipelines  have  short  distances  compared  to  the  trunkline.  For  the  configurations calculated  in  this  study,  the  distribution  lines  are  10  km,  the  feeders  10‐75  km  and trunklines 100‐1,500 km. 

Network options 3.3.3.1

The  levelized  costs  of  the  following  four  network  options  are  analyzed  and  the  one resulting  in  the  lowest  levelized  costs  is  selected. Additionally, breakeven distances  for feeders are calculated between different network options to assess when certain network options are cost‐effective.  

Chapter 3 

90 

 

I. Gaseous transport in the feeders as well as in the trunkline and distribution pipelines.  II. Gaseous transport  in the feeders and  liquid transport  in the trunkline and distribution 

pipelines.  III. Liquid transport  in the entire network, where the streams  flow  immediately  from the 

feeders into the trunkline without a pumping station.  IV. Liquid  transport  in  the entire network, having a pumping station  installed  just at  the 

inlet of the trunkline.  

For network option  II,  it  is assumed  that  the  feeders  can have a  lower MAOP  than  the trunkline because a compressor is placed in between them. However, for network option I, III and IV, the MAOP of the feeders, distribution pipelines and trunkline are assumed to be similar.  In network option  I and  III, the feeders have a higher  inlet pressure than the trunkline,  and  therefore  the MAOP  of  the  trunkline  increases.  It  is  assumed  that  by changing  the MAOP and  the  thickness of  the  trunkline,  the optimal diameter and  steel grade would not  change. However,  the  location  and  number  of pumping  stations may change  due  to  the  higher  specific  pressure  drop  and  the  higher  operation  pressure. Consequently, these and the costs of the configuration are calculated again.  

For all network options, the trunkline is optimized by assuming a large compressor station at the beginning of the pipeline.17 For calculating the costs of the network configuration, the costs of the  inlet compressor and pump are extracted, while the costs are added of the  compressors  installed  at  the  capture  sites  and  at  the beginning of  the  trunkline,  if applicable.  The  levelized  costs  of  compression  increase with  about  1‐4%  because  one large  compressor  is  replaced  by  two  smaller  compressor  stations.  Nevertheless,  the outcome of the cost minimization process is not expected to be significantly influenced by this simplification because for mass flows above 100 kg/s already two compressors have to be installed in parallel due to the maximum capacity of one compressor of 35 MW. 

 Timing  3.3.4

The  timing  when  CO2  from  different  sources  is  expected  to  become  available  is  very relevant for building a network.  It  is possible to construct a trunkline which  is optimized for the combined mass flows of the sources and, in this way, try to profit from economies of scale. Another option  is to construct point‐to‐point pipelines from each source to the sink,  which  are  optimized  for  their  own  mass  flow  and  length.  In  this  study,  it  is investigated  which  option  is  more  cost‐attractive  for  various  distances  between  the sources,  distances  to  the  storage  location, mass  flows  and  time  difference  when  the sources become available. 

The  outline  of  the  trunkline  and  the  point‐to‐point  pipelines  are  calculated  with  the method presented  in section 3.3.1. The trunkline  is over‐dimensioned and consequently the  specific pressure drop decreases. Assuming  that  the outlet pressure  remains at  the same  level,  less  pumping  stations  have  to  be  installed  initially  along  the  route.  If  no 

                                                                 17 The compressor is often included in the capture plant. 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

91 

 

pumping  stations  are  present  along  the  pipeline,  the  inlet  pressure  can  be  decreased. When the trunkline is constructed, only pumping stations are installed which are required for  the  mass  flow  of  source  A.  Furthermore,  pumping  stations  are  only  installed  at locations where later on, if the mass flow of source B is also transported by the trunkline, also pumping stations would be installed. 

When the second source becomes available, a short feeder is built to connect the source to the trunkline and if additional pumping station capacity is required on the pipeline, this is also  installed.  In principle,  the  location of  the  trunkline could be anywhere. However, for simplicity it is assumed that the trunkline starts from the source which is first coming available, and the feeders are installed to the beginning of the trunkline. 

For  calculating  the  levelized  costs  of  the  point‐to‐point  pipelines  as  well  as  for  the trunkline approach, equation 3.8 cannot be used because the costs are not constant over the  lifetime.  To  take  this  into  account  equation  3.10  is  used.  It  is  assumed  that  both sources will transport CO2 30 years. Hence, the trunkline transport the CO2 from only the second  source  after  thirty  years.  To  make  a  fair  comparison,  also  the  point‐to‐point pipeline are assumed to have lifetimes of 30 years.   

, , , , , , , ,

.      (3.10) 

  where, LC are  levelized cost of CO2 transport (€/t CO2); z  is the  lifetime of the system (y);  Ipump/pipe/comp,i  and  OMpump/pipe/comp,i  are  the  O&M  and  investment  costs  of  pumps, pipeline and inlet compressor in year i, respectively (€); ECpump/comp,i are the energy costs of pumps and initial compression in year i, respectively (€/y); r is the discount rate (%); mi is the mass flow in year i (kg/s) and H are the number of operation hours (8760 hr/y).  

Development of cost models for CO2 transport 3.4

In this section a description is provided of the cost models which were developed for the three main  elements  of  a  pipeline  system,  namely  the  inlet  compressor,  pipeline,  and pumping stations. A literature overview of the cost models for CO2 pipeline transport and pumping  stations  is  given  in  Knoope  et  al.,  (2013).  Furthermore,  key  cost  model characteristics are identified for pumping stations and pipeline for a system analysis over time  in  Knoope  et  al.,  (2013).  These  are  used  in  the  development  of  the  cost models below.  

Pipeline 3.4.1

Material costs  3.4.1.1

Material costs should be based on the weight of the pipeline, see equation 3.11 (Knoope et al., 2013). The material costs are related to the steel grade of the pipeline, where steel grades with a higher yield  stress are more expensive per kilogram,  see Table 3.2. Steel 

Chapter 3 

92 

 

grades  up  to  X70  are  widely  used,  while  X80  has  currently  more  than  1,000  km  of experience  (Hillenbrand et al., 2008),  including at  least one CO2 pipeline  (Pipeline & Gas Journal,  2009).18  Although  X80  is  not  yet  the  dominate  pipeline  material  today,  it  is expected  that the number of X80 pipelines will  increase  in  the next years  to more  than 15,000 km in total (Fonzo et al., 2011). In this article, it is assumed that X80 is available in the short term, while steel grades up to X100 will be available  in the medium term and X120 is expected to become available in the long term.  

  (3.11)  

  where, CMaterial are the material costs of the pipeline (€); t is the thickness (m); ODNPS is the outer diameter of  the nominal pipe  size  (m);  L  is  the pipeline  length  (m);  ρsteel  is de density of steel, which is 7900 kg/m3

 for all steel grades; and Csteel are the steel cost (€/kg). 

Table  3.2:  Yield  stress,  costs  and  availability  of  different  steel  grades  (AG  Der  Dillinger Hüttenwerke and GTS industries SA., 2012). a 

Steel quality  (US standard) 

Steel quality(EU standard) 

Yield stress (MPa) 

Steel costs (€2010/kg)  

Availability 

X42  S275Mb

275  1.17 Short term X52  S355M

b355  1.20 Short term 

X65  S460Mb

460  1.37 Short term X70  S500QL

c500  1.49 Short term 

X80  S550QLc

550  1.51 Short term X90  S620QL

c620  1.53 Medium term 

X100  S690QLc

690  1.54 Medium term X120  S890QL

c890  1.79 Long term 

a) The  costs  are  for  heavy  steel  plates  used  in  the  steel  construction,  which  are made  of  fine  grained structural steel.  It  is assumed  that  these costs are  representative  for steel pipelines. Additional charges related to specific dimensions, testing and certification costs are  ignored  in this study. Costs for forming and welding the plate into a pipeline are not known and are therefore not taken into account. To analyze of  the costs of  steel plates are comparable  to  the costs of  steel pipelines,  they are  compared with  the average costs of constructed double submerged arc‐welded pipeline of ≥ 24  inch (= 0.61 m)  indicated  in (Preston, 2013).  In 2012,  the average pipeline costs were 1.26 €2010/kg  for a mix of applied  steel grade (Preston, 2013). These costs are comparable to the costs of the  lower steel grades given. To analyze the implications of a different  steel price,  the  steel prices are  included  in a  sensitivity analysis  (see  section 3.5.7). 

b) These steel qualities are thermo‐mechanically rolled,  leading to a steel with moderate yield stress, high toughness values and good weldability.  

c) These steel qualities are quenched with water and  tempered,  resulting  in high yield stresses. However, the  toughness of  the  steel  is  lower  than of  thermo‐mechanically  rolled  steel,  increasing  the  chance of fracture propagation and can make crack arrestors necessary. Additionally, the costs of water quenching and tempering are higher than for thermo‐mechanically rolled steel.  

Labor costs  3.4.1.2

Average  labor  costs  for  onshore  pipelines  are  825 €/m2  (21  €/inch/m) with  a  standard 

                                                                 18  The numbers behind  the  X  refers  to  the  yield  strength of  the material  in  ksi. Hence,  X100  refers  that  the 

pipeline can have stress up to 100 ksi (= 690 MPa) before the pipeline is non‐reversible deformed.  

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

93 

 

deviation of 420 €/m2 (11 €/inch/m), based on FERC data from the period 2008‐2012.19,20 These  labor  costs  are  valid  for  developed  countries.  In developing  countries,  the  labor costs  are  lower  and  the  labor  costs  could  be  corrected with  a  location  factor  of,  for instance, the IEA GHG (2002). 

For  offshore  pipelines,  the  labor  costs  are  generally  higher  than  for  onshore  pipelines because special pipelay barges and  risers are needed,  the onshore – offshore  landfall  is costly and the connection to an injection point is more complicated than onshore. These costs are estimated at 35 M€ and  independent of pipeline  length (Austell et al., 2011).

21 For offshore pipelines, less cost data is available than for onshore pipelines and only one offshore  pipeline  is  included  in  the  FERC  database,  that  is  constructed  after  2008  and longer than 10 miles. After reducing the labor costs with the fixed amount of 35 M€, this pipeline has estimated variable labor costs of 845 €/m2. These costs are comparable with the estimated variable labor costs of 830 €/m2 of the Nord Stream project, which are two very  long  parallel  natural  gas  pipelines  in  the  Baltic  Sea  (Nord  Stream,  2012).22  These estimated variable labor costs are almost similar to the average labor costs extracted from the FERC data for onshore pipelines, and therefore,  labor costs of 825 €/m2 are used for onshore as well as offshore pipelines. However, it has to be kept in mind that the offshore labor  costs are only based on  two data points and, hence,  the  labor  costs  for offshore pipelines are even more uncertain than the ones for onshore pipelines.  

Right‐of‐way and miscellaneous costs  3.4.1.3

Almost the same amount of land is needed for construction of a small or a large diameter pipeline. Therefore, a fixed amount per meter  length  is used for the right‐of‐way (ROW) costs, like in Bureau et al., (2011). From the FERC database of the last 5 years, an average amount of 83 €/m is extracted for onshore pipelines.23 Furthermore, 8 of the 14 offshore pipelines have zero ROW, as no land has to be acquisitioned. In this study the ROW costs 

                                                                 19  In  the period 2010‐2012,  the average  labor costs were 950 €/m

2 (24 €/inch/m) with a standard deviation of 

350 €/m2 (9 €/inch/m) and  in  the period 2002‐2012,  the average was 790 €/m

2 (20 €/inch/m) with a standard 

deviation of 490 €/m2 (12 €/inch/m).  

20 The FERC data is reported in the Oil and Gas Journal (True, 2002; True, 2003; True and Stell, 2004; Smith et al., 

2005; Smith, 2006; Smith, 2007; Smith, 2008; Smith, 2009; Smith, 2010; Smith, 2011; Smith, 2012).  21  In  a  network  approach,  where  all  pipelines  are  constructed  simultaneously,  the  fixed  costs  are  only 

incorporated once because the pipelay barge has to be (de)mobilized once. With building up a simple network over  time, where  the second pipeline,  for  instance,  is constructed 5‐10 years  later  than  the  first pipeline,  the fixed costs are included twice.  22 The Nord Stream pipeline consist of two pipelines with a diameter of 1.22 m, each having a length of 1224 km. 

The  total  investment  is 6.4 billion €2010 and 2.6 billion €  is  for  the pipes and pipeline material  (Nord  Stream, 2012). The rest (3.8 billion €) consist of labor, miscellaneous and ROW costs. Since ROW costs are assumed to be zero  for offshore pipelines  and miscellaneous  costs  are  assumed  to be 25% of  labor  and material  costs  (see section 3.4.1.2),  it can be calculated that the  labor costs are 2.5 billion €. Subtracting the fixed costs of 35 M€, result in variable costs of 830 €2010/m

2.  

23 The uncertainty in this amount is relatively large with a standard deviation of 70 €/m. Nevertheless, the data is 

used because there is no better data available and the share of the ROW costs in the overall pipeline costs are only minor (with a maximum of about 15% for small sized pipelines). 

Chapter 3 

94 

 

for offshore pipelines are assumed to be zero (Bureau et al., 2011).  

In this study, the miscellaneous costs are expressed as a fixed percentage of the material and labor costs, as was done in Bureau et al., (2011). From the FERC data of the last five years an average percentage of 25% is calculated, with a standard deviation of 10%. This percentage is used for onshore as well as offshore pipelines.  

Compressor 3.4.2

Capital costs  3.4.2.1

In Figure 3.4, the investment costs are presented for CO2 compressors of several front end engineering design  (FEED)  studies and vendor quotations. The  specific  investment costs vary  significantly  between  the  different  estimations,  but  this  is  largely  caused  by  the difference  in assumed  installation factors. These vary, for  instance, from 1.5 for the cost estimation of the IEA GHG to 6.4 for several cost estimations of CO2 Europipe.  

Based on the available data  it  is difficult to extract a good co‐relation between capacity and costs due to the costs discrepancy and the limited amount of data points. Therefore, the  cost  estimation  of  Kreutz  et  al.,  (2005)  is  used  in  this  study, which  is  close  to  the material  costs  provided  by  a  supplier multiplied with  a  standard  installation  factor  of 2.82.24 The cost  relation, which  is a  standard  scaling  formula,  is given  in equation 3.12. The costs of Kreutz et al., are quite old, but similar costs are found in a more recent study based  on  the  costs  of  natural  gas  compressors  in  the U.S.  (Rui  et  al.,  2012).  The  cost equation of the study of Rui et al., (2012) is not used, since the cost model is based on a quadratic equation which  is simply  the result of  fitting and  the parameters do not have any physical or economic meaning.  

Kreutz et al., (2005; 2008) do not mention a maximum scale. However, from the installed capacities and number of trains in Figure 3.4, it can be estimated that the maximum scale of one compressor is about 35 MWe.

25 Installing two or more compressors in parallel give a cost advantage via a multiplication factor, see equation 3.12 (Meerman et al., 2012). 

,  (3.12) 

  where, Icomp are the investment costs of the compressor including dehydration (M€); I0 are the base costs (21.9 M€); Wcomp is the capacity of the compressor (MWe); Wcomp,0 is the base scale of the compressor  (13 MWe); y  is the scaling factor  (0.67), n  is the number of units in parallel; and me is the multiplication exponent (=0.9).  

                                                                 24  In  literature,  installation factors of 2.25‐2.82 are mentioned (Woods, 2007). The highest  installation factor  is 

used because CO2 compressors are complicated equipment due to the large number of stages. 25  In  several cases  two  trains are  installed  instead of one  train  (for  instance,  for  the Longannet compressors), 

while it could be realized with one compressor. This may be due to operational advantages as the plant can more easily operate on half load. 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

95 

 

Furthermore,  in  the source of Kreutz et al.,  (2005, 2008)  it  is  rather unclear  if  the costs relation they develop  include aftercooling. However, the flow diagrams  indicate that the CO2 after the compressor goes immediately to the pipeline and no additional cost for after cooling  are  included.  Hence,  it  seems  to  be  that  the  costs  of  aftercooling  are  already included in the compressor costs. The cost estimations provided by a supplier, which are almost similar to the costs relation of Kreutz et al.,  included aftercooling to about 30 °C. The  rest  of  the  cooling  (to  10‐15°C)  is  assumed  to  happen  in  the  pipeline.  An  inlet temperature of  about 30°C  is not expected  to be problematic  for CO2  transport  as  the studies  of  ROAD,  Jänschwalde  and  Kingsnorth  all  indicate  higher  inlet  temperatures exceeding  40°C  and  rather  high maximum  design  temperatures  of  70‐80°C  (Vattenfall, 2011;  van Ginkel et  al., 2011; E.ON, 2011b). Only  the  Longannet project, which use  an existing pipeline,  indicates  a  lower maximum design  temperature of  30°C  to  safeguard cracking (ScottishPower CCS Consortium, 2011). 

Energy consumption  3.4.2.2

It  is  assumed  that  the  CO2  inlet  conditions  for  the  compressor  are  slightly  above atmospheric pressure (0.11 MPa) and at a temperature of 30°C. The energy consumption and required capacity for compression is calculated with equation 3.13 and 3.14, adapted from  (Damen  et  al.,  2007;  Kuramochi  et  al.,  2012).  It  is  assumed  that  the maximum compressor  ratio of one  stage  is 2.04. Hence,  six  stages are needed  for pressurizing  to 8 MPa. After the sixth stage, the CO2 is a liquid and can be pumped further to the required outlet pressure.  

 

Figure 3.4:  Investment  costs and  capital  costs  for a  compressor  (The capital  costs are based on (Kreutz et al., 2005;  IEA GHG, 2008; Van Osch et al., 2010; ScottishPower CCS Consortium, 2011; Apeland et al., 2011ab; E.ON, 2011a; Rui et al., 2012), see for an overview Annex D. Note that the RAMGEN compressor is based on a new technology, which is not yet commercially available).  

(1)

(1) (2)

(4)(4)

(1)(1) (1) (1)

(2)(1)

(2) (2)

(1)(1)

(2)

(2)

(2)

(2)(2)

(2)

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0 25 50 75 100 125 150

Investment costs (M

€)

Capacity (MW)

CATO‐2 supplier I

CATO‐2 Ramgen

CO2EuroPipe

Kingsnorth

Longannet

IEA GHG

Kreutz et al., 2005

Rui et al., 2012

(4) = number of trains

Chapter 3 

96 

 

∑ ,

,1   (3.13) 

  (3.14) 

where,  Ecomp  is  the  energy  consumption  of  compression  (kJ/kg);  Xstage  is  the  total number of compression stages; x is the compression stage number; Zx is the compressibility factor of the CO2  in stage x

26; R  is the universal gas constant (= 8.3145 J/mol/K); T  it the inlet  temperature compressor stage  (303.15 K);  γx  is  the specific heat  ratio of  the CO2  in stage x; M is the molecular mass of CO2 (= 44.01 g/mol); ηiso is the isentropic efficiency of the compressor (80%); ηmech is the mechanical efficiency of the compressor (99%); P2,x is the outlet  pressure  of  compression  stage  x  (MPa);  P1,x  is  the  inlet  pressure  of  compression stage x (MPa); P2  is the outlet pressure of the pump; P1  is the  inlet pressure of the pump (=7.7 MPa);  ηpump  is  the  efficiency  of  the  pumping  equipment  (=75%);  ρ  is  the  density (kg/m3); Wcomp is the capacity of the compressor (kWe) and m is the mass flow (kg/s). 

Pumping stations 3.4.3

Capital costs  3.4.3.1

The design between a water and CO2 pump is not significantly different if the CO2 is in the liquid phase. Therefore, the costs of water pumps are used as an approximation for the costs of CO2 pumps in this study (Mallon and Guijt, 2012). The costs for stand‐alone water pumps  are  given  for  several  capacities  in  (Interliance  LLC  for  California  Energy Commission,  2002).  There  are  relatively  strong  economies  of  scale,  see  Figure  3.5  and equation 3.15.  

The maximum capacity of a CO2 pump is 2.0 MWe (IEA GHG, 2002). For larger capacities, two pump units have to be installed in parallel, each with the same capacity. An additional advantage of installing multiple pumps in parallel is that it can better handle variations in mass  flow.  Like with  the  compressors,  a  train  advantage  via  a multiplication  factor  is applied (Meerman et al., 2012).  

74.3 .   (3.15) 

  where, Ipump are the investment costs of pumping stations (k€); Wpump is the capacity of pumping  station  per  unit  (kWe);  n  is  the  number  of  units  in  parallel  and  me  is  the multiplication exponent (=0.9). 

                                                                 26  The  compressibility  factor  and  specific  heat  ratio  are  strongly  related  to  pressure  and  temperature  and 

therefore they are different for each stage. In this study, they are related to the inlet pressure of the CO2 for the specific stage at 30°C. 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

97 

 

 

Figure  3.5:  Specific  costs  for  pumping  stations  (based  on  Interliance  LLC  for  California  Energy Commission, 2002) with the cost uncertainty range found in literature (Knoope et al., 2013).  

Energy consumption 3.4.3.2

The energy requirement and capacity for pumping stations are calculated with equation 3.16 and 3.17 (IEA GHG, 2002). 

  (3.16) 

  (3.17) 

where, Epump  is  the energy consumption of pumping  (MJ/kg); P2  is  the outlet pressure (MPa); P1 is the inlet pressure (MPa); ηpump is the efficiency of the pumping station (75%); ρ is the density (kg/m3); Wpump is the capacity of pumping station (MWe) and m is the mass flow (kg/s). 

Results 3.5

In  section  3.5.1,  the  developed  pipeline  cost  model  is  compared  with  cost  models available  in  literature.  In the sections 3.5.2 to 3.5.5, the results of the cost minimization process for point‐to‐point pipelines, pipelines crossing multiple terrains, simple networks and the effect if sources come available in different years are presented and discussed. In section 3.5.6, the implications of the system boundaries are discussed and in section 3.5.7 a sensitivity analysis is presented.  

Pipeline cost model 3.5.1

In Figure 3.6, a comparison of the pipeline cost model developed in the this study and cost models in literature is given. It shows that the costs estimated by our model for a pipeline of X80 with a MAOP of 15 MPa are in the upper end of the range predicted by the other 

y = 74.3x‐0.42

R² = 0.99

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2.500 5.000 7.500

Specific costs (k€/kW)

Capacity (kW)

Uncertainty literature Pumping station costs used in this study

Chapter 3 

98 

 

costs models. Only the model of Piessens et al., shows larger values, especially for larger diameters27.  Furthermore,  the  cost  estimations  of  our model  are  comparable with  the cost  assessments  made  for  the  Alberta  Carbon  Trunkline,  Kingsnorth,  Weyburn  and Denbury CO2 pipeline.  

In Figure 3.7, the required thickness and costs of all steel grades included in this study are given for a pipeline on sparsely populated terrain with a diameter of 0.61 and a MAOP of 3, 15 and 20 MPa. For a MAOP of 3.0 MPa, using higher steel grades do not deliver a cost advantage  for  a  diameter  of  0.61 m  and  for  all  other  diameters,  because  the minimal thickness  should  be  1.0%  of  the  diameter.  Since  the  costs  of  a  higher  steel  grade  are higher, the (material) costs increase. For MAOP of 15 and 20 MPa, the thickness decreases with higher steel grades and this results in a cost advantage, which is increasing for higher MAOP. For  instance, using X120  instead of X80 for a pipeline diameter of 0.61 m gives a capital  cost  advantage  of  7%  for  a MAOP  of  15 MPa  and  8%  for  20 MPa.  If  the  same pipeline  is placed  in  a populated  area or  the diameter  is  enlarged,  the  cost  advantage increases, due to the higher steel requirements. For example, a cost reduction up to 15% is  realized  in  sparsely populated  areas  and up  to 17%  in populated  areas  for  a 1.42 m pipeline. For offshore pipelines, there is only a cost advantage of using higher steel grades for  large  sized pipelines with  a high MAOP, due  to  the  requirement  that  the  thickness should be minimal 2.5% of ODNPS. 

 

Figure 3.6: Comparison of the developed pipeline cost model with cost models given in literature as well as some cost estimations for planned and existing CO2 pipelines (Knoope et al., 2013). 

                                                                 27 The model of Piessens et al. (2008) give higher costs even if the conservative thickness formula of Piessens et 

al., is adapted to the one used in this study, see ‘Piessens et al., adapted’ in Figure 3.6.  

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

Costs (M

€2010/km)

Outer diameter (m)

Parker et al., 2004

IEA GHG, 2002. ANSI 900#

IEA GHG, 2002. ANSI 1500#

McCoy and Rubin, 2008

Broek et al., 2010

Heddle et al., 2003

ElementEnergy, 2010

Gao et al., 2011.

Piessens et al., 2008

Piessens et al., adapted

This study, X80, 15 MPa

Alberta Carbon Trunk line

Kingsnorth CCS

Kinder Morgan

Weyburn

Denbury

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

99 

 

 

Figure 3.7: Cost estimations and  thickness  required  for different steel grades and MAOP on  flat sparsely populated terrain for a pipeline with a diameter of 0.61 m.  

Notice that for a given mass flow, a higher operation pressure means that the diameter could be decreased. In Annex E, a specific case is included, which lead to similar trends as the ones described above. 

Cost minimization of point‐to‐point pipelines 3.5.2

In Figure 3.8, the  levelized costs are given for each diameter for a fixed  inlet pressure of 12 MPa and the one resulting in the lowest levelized costs is marked. It can clearly be seen that the additional costs of selecting a ODNPS too small are  larger than selecting a ODNPS too large.  

In Table 3.3, the results of the cost minimization process are presented for several point‐to‐point pipelines over one type of terrain. Additional results are given in Annex F. Several observations can be made:  

‐ The levelized costs are increasing for decreasing mass flows. For instance, the levelized costs (excluding compression) are 1.8‐3.3 €/t for transporting 100 kg/s liquid CO2 over 100  km  costs and 1.2‐1.8 €/t  for 200 kg/s.  For gaseous CO2  transport,  the  levelized costs are 4.0‐6.4 €/t and 3.0‐3.8 €/t for 100 kg/s and 200 kg/s, respectively.  

‐ The optimal pressure drop  for  liquid CO2  transport  is 15‐45 Pa/m  for mass  flows of 100 kg/s  or  larger.  For  smaller  mass  flows,  optimal  pressure  drops  can  be  up  to 100 Pa/m.  

‐ The  pipelines  through  populated  terrain  have  a  slightly  higher  pressure  drop  than pipelines through sparsely populated terrain because they have a larger wall thickness and consequently a lower inner diameter (compare case number 1; 4; 6 with 7; 8; 9).  

‐ A significant amount of pumping stations are  installed along the route, roughly every 50‐100 km. This  is more cost‐effective than  increasing the inlet pressure because this means  that  a pipeline with  a  larger wall  thickness  should be  installed which would 

X42

X52

X65

X70

X80

X90

X100

X120

X42

X52

X65

X70

X80

X90

X100

X120

X42

X52

X65

X70

X80

X90

X100

X120

MAOP = 3 MPa MAOP = 15 MPa MAOP = 20 MPa

0

12

24

36

0.0

0.5

1.0

1.5

Thickness (mm)

Costs (M

€2010/km)

ROW and misc. costs Labor costs Material costs Thickness

Chapter 3 

100 

 

increase the material costs.  ‐ For  liquid  offshore  CO2  transport,  the  optimal  specific  pressure  drop  is  about  10‐

50 Pa/m,  where  the  low  specific  pressure  drops  are  for  long  offshore  pipelines transporting  large  volumes.  This  can,  for  instance,  be  observed  by  a  pipeline transporting 300 kg/s liquid CO2 (about 9 Mt/y). With a length of 100 km the optimal inlet pressure is 12 MPa and with 340 km the inlet pressure is increased to 22 MP. For a pipeline  length of 350 km, a  larger diameter  is selected  (namely 0.61 m  instead of 0.51 m) to limit the inlet pressure (to 14 MPa) and the specific pressure drop (from 40 to  14 Pa/m),  see  case  number  11‐13.  Similar  trends  can  be  seen  by  different mass flows, and the maximum inlet pressure is often about 25 MPa. Hence, it is more cost‐effective  to  increase  the diameter  rather  than  to  increase  the  inlet pressure  to very high inlet pressures for long offshore pipelines.  

‐ For  gaseous  CO2  transport,  relatively  large  diameters  are  selected  due  to  the  low density  of  CO2.  Consequently,  the  specific  pressure  drop  is  lower  than  for  liquid transport, namely 5‐10 Pa/m (see case number 14‐16).  

‐ The optimal velocity is about 1‐2 m/s for pipelines transporting liquid CO2 and about 5‐15 m/s for pipelines transporting gaseous CO2.  

‐ For onshore pipelines transporting  liquid CO2, X80  is always selected as optimal steel grade  in  the  short  term, X100  in  the medium  term and X120  in  the  long  term  (case number 1‐3). The levelized cost are decreasing with 3‐12% in the long term, where the largest cost decrease  is realized with  larger diameters. Offshore pipelines have  lower optimal  steel  grades,  especially  for  larger diameters, because of  the 2.5%  thickness requirement. However, for pipelines with high inlet pressures and small diameters (so long distances for small mass flows) higher steel grades are interesting.  

‐ Gaseous  transport  can  be  cost‐effective  compared  to  liquid  transport  because  the higher specific pipeline costs for gaseous CO2 transport are compensated by savings in the compression costs. For instance, with a mass flow of 100 kg/s (about 3.2 Mt/y), the breakeven distance where gaseous and liquid CO2 transport have equal costs is 139 km for  pipelines  over  sparsely  populated  terrain,  146  km  for  pipelines  over  populated terrain  and  94 km  for  offshore  pipelines.  Figure  3.9  shows  that  the  break‐even distance  increases with  increasing mass  flows, until  the  largest NPS  included  in  the model is too small for the gaseous mass flow28. The reason for this is that the pipeline costs have larger economies of scale than the compressor costs and consequently the break‐even  distance  where  the  additional  pipeline  costs  equal  the  savings  in compression costs for gaseous CO2 transport is increasing with increasing mass flows. Note  that  this  comparison  does  not  take  into  account  storage  field  requirements. When the inlet pressure to the sink has to be 8 MPa or higher,29 then it would be more 

                                                                 28 For a pipeline larger than 100 km on sparsely populated terrain and mass flow rates larger than 650 kg/s, the 

largest available NPS in the model (OD = 1.42 m) is not large enough. 29 The  inlet pressure  to  the sink has  to match  the  reservoir pressure corrected  for  the head and  the  frictional 

losses in the well. Although there is some operational freedom by selecting the right diameter for the well and playing with the temperature of the CO2 and the mass flow, the reservoir pressure determines the inlet pressure. 

 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

101 

 

cost‐effective  to  compress  it  at  the  plant  and  transport  it  as  a  liquid  rather  than transporting  it  as  a  gas  and  compress  it  (further)  at  the  storage  location,  see  also section 3.5.6.  

 

Figure 3.8: Optimal diameter  for different mass  flows and distances on  flat,  sparsely populated terrain for a fixed inlet pressure of 12 MPa and no pumping stations.  

 

Figure  3.9:  Breakeven  distance  between  liquid  and  gaseous  CO2  transport  for  pipelines  over sparsely populated terrain.  

                                                                                                                                                                   Typically, depleted gas fields have in the beginning quite a low reservoir pressure (about 1‐5 MPa) while aquifers and  (depleted)  oil  fields  have  a  higher  reservoir  pressure  (about  8‐15 MPa).  Hence,  for  depleted  gas  fields gaseous CO2 transport may be interesting. 

0

2

4

6

8

10

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

LC excluding compression (€/t)

OD (m)

Optimal diameter

150 kg/s; 100 km

300 kg/s; 100 km

300 kg/s; 250 km

50 kg/s 100 kg/s 

300 kg/s 

200 kg/s

7

10

13

16

19

0 100 200 300

LC (€/t)

Length of the pipeline (km)

50 kg/s Gaseous

50 kg/s Liquid

100 kg/s Gaseous

100 kg/s Liquid

200 kg/s Gaseous

200 kg/s Liquid

300 kg/s Gaseous

300 kg/s Liquid

Break‐even distances

Chapter 3 

102 

 

Table 3.3: Results for the cost minimization process for pure CO2. The outlet pressure is fixed on 8 MPa for liquid transport and on 1.5 MPa for gaseous transport.  

No.  Time frame

a Terrain

bMass flow (kg/s)

Length (km) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa)Npumps Lpump

(km) LCALL

c

(€/t) LCtrans

(€/t) ΔPact

(Pa/m) Steel grade 

Phase 

1  Short  S. Pop. 100 100 0.32 13 0 114 13.1 1.91 44 X80  Liq. 2  Mid  S. Pop. 100 100 0.32 12 1 96 13.0 1.87 42 X100  Liq. 3  Long  S. Pop. 100 100 0.32 12 1 99 13.0 1.84 40 X120  Liq. 4  Short  S. Pop. 150 100 0.41 11 0 102 12.7 1.57 29 X80  Liq. 5  Short  S. Pop. 250 100 0.51 11 0 118 12.2 1.20 25 X80  Liq. 6  Short  S. Pop. 500 100 0.61 10 1 52 11.6 0.84 38 X80  Liq. 7  Short  Popu.  100 100 0.32 13 0 105 13.2 2.05 48 X80  Liq. 8  Short  Popu.  150 100 0.41 11 1 96 12.9 1.71 31 X80  Liq. 9  Short  Popu.  500 100 0.61 10 2 49 11.7 0.95 41 X80  Liq. 10  Short  Offsh.  100 100 0.32 13 n.a. n.a. 14.4 3.25 43 X65  Liq. 11  Short   Offsh.  300 100 0.51 12 n.a. n.a. 12.4 1.43 38 X52  Liq. 12  Short   Offsh.  300 340 0.51 22 n.a. n.a. 15.7 4.35 40 X80  Liq. 13  Short   Offsh.  300 350 0.61 14 n.a. n.a. 15.9 4.91 14 X65  Liq. 14  S/M/L  S. Pop. 100 100 0.76 2.5 n.a. n.a. 12.2 4.00 9.6 X42  Gas. 15  S/M/L  Popu.  100 100 0.76 2.5 n.a. n.a. 12.2 4.02 9.6 X52  Gas. 16  S/M/L  Offsh.  100 100 0.76 2.6 n.a. n.a. 14.6 6.43 10 X42  Gas. 

a) S/M/L stands for short, medium and long term. b) S. Pop., popu. and offsh. refers to sparsely populated, populated terrain and offshore pipelines, respectively.  c) LCALL refers to the  levelized costs associated with  initial compression, pipeline and pumping stations, while 

LCtrans refer to the costs associated with only pipeline and pumping stations. 

Pipeline crossing different types of terrain  3.5.3

In Figure 3.10, the  levelized costs are depicted for a pipeline of 100 km, where different shares of  the pipeline  transverse  through  sparsely populated  areas. The  levelized  costs decrease  if a  larger  share of  the pipeline passes  through  sparsely populated  instead of populated  terrain.  Changing  the  terrain  from  sparsely  populated  to  populated  terrain increase the  levelized cost with 8% (for 100 kg/s) up to 18% (for 750 kg/s) for a 100 km pipeline. With longer distances, the cost increase is slightly less, because pumping stations have (assumed) similar costs on sparsely populated and populated terrain.  

In Figure 3.10,  the consequence of only higher material costs are  included  for pipelines through populated areas. However, it is likely that the ROW cost would also increase if the pipeline  is  installed on populated  instead of  sparsely populated area. Unfortunately, no data is available on the exact increase. By assuming that the ROW costs would double in populated areas, the levelized costs excluding compression would increase with 20% (for mass  flows of 500 kg/s)  to 31%  (for mass  flows of 50 kg/s). With a  tripling of  the ROW costs, the levelized costs would increase with 27% (for mass flows of 500 kg/s) to 53% (for mass flows of 50 kg/s). In the rest of the article, ROW costs are assumed to be equal on populated and sparsely populated terrain, due to the lack of better data.  

In Table 3.4, the results are presented of several pipelines transporting CO2 from onshore sources to offshore storage locations. In all cases a pumping station is installed just before the  pipeline  transits  offshore.  This  is  more  cost‐effective  than  increase  the  pressure immediately at the capture plant because this leads to higher material costs.  

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

103 

 

 

Figure 3.10: Levelized costs (excluding compression) for a pipeline of 100 km passes partly through sparsely populated and partly through populated areas for different mass flows in the short term.  

Simple network approach 3.5.4

In  this  section,  the  configuration  of  a  simple  network  is  optimized  and  it  is  evaluated which  of  the  four  configuration  stated  in  the  methodology  appears  the  most  cost‐effective. In literature, several outlines of networks for CCS are proposed and analyzed. In this study, we used an outline of a simple network proposed by ZEP, which is a consortium consisting of stakeholders of CCS. The simple network contains of two 10 km long feeders of  1,330  t/h  (≈  370  kg/s),  one  trunkline  of  180,  500,  750  or  1,500  km  transporting 2,660 t/h  (≈ 740 kg/s) and two distribution pipelines of 1,330 t/h and 10 km, see Figure 3.11  (ZEP, 2010). The model developed  in this study  is used to optimize these networks and the results of this are compared with the configurations given by ZEP. The results of the ZEP study as well as for this study are listed in Table 3.5. 

It is important to point out several differences between the configuration of ZEP and the model developed in this study: 

‐ In  the  ZEP  study,  fixed  inlet  (10  MPa  onshore  and  20  MPa  offshore)  and  outlet pressures  (8 MPa  onshore  and  6 MPa  offshore)  are  assumed.  Consequently,  for  an offshore trunkline of 180 km a very high specific pressure drop can be realized, leading to a relatively small diameter  (case 29). However,  it would be more cost‐effective to increase the diameter and decrease the inlet pressure.  

‐ In  the ZEP study,  it  is assumed  that always a pumping station  is  installed before  the pipeline  goes  offshore  and  no  pumping  station  before  the  trunkline  for  onshore situations. However, the results of this study show that compression at the plant  is a more cost‐effective alternative with short feeders of 10 km for 370 kg/s for offshore pipelines. Additionally,  installing a pumping station  just before the onshore trunkline may have a costs advantage for long feeders and trunklines. 

   

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

LC exluding compression (€/t)

Share of the pipeline through sparsely populated area

50 kg/s

100 kg/s

250 kg/s

500 kg/s

750 kg/s

Chapter 3 

104 

 

 

    

Table 3.4: Results of the m

inim

ization process for a pipelin

e partly onshore and partly offshore. Th

e outlet pressure of the entire 

pipelin

e is fixed on 8 M

Pa.  

TerrainLength (km)OD (m

)Pinlet (MPa)

Steel grade

Poutlet (MPa)

Length (km)OD (m

)Pinlet (MPa)

Steel grade

17

Short

250

S. pop.

100

0.51

11

X80

8100

0.51

11

X52

0+1

14.2

3.16

18

Mid

250

S. pop.

100

0.51

11

X100

8100

0.51

11

X52

0+1

14.1

3.11

19

Long 

250

S. pop.

100

0.51

11

X120

8100

0.51

11

X52

0+1

14.1

3.09

20

Short

100

S.  pop.

250

0.32

11

X80

8750

0.41

19

X80

3+1

36.3

25.2

21

Short

250

S.  pop.

250

0.51

9X80

8750

0.61

16

X80

6+1

27.1

16.1

22

Short

250

S. pop.

250

0.51

9X80

8500

0.51

22

X80

6+1

22.5

11.5

23

Short

250

S.  pop.

250

0.51

9X80

8250

0.51

15

X65

6+1

18.3

7.4

24

Short

250

S.  pop.

250

0.51

9X80

8100

0.51

11

X52

6+1

16.2

5.29

25

Short

100

S.  pop.

100

0.32

13

X80

8100

0.32

13

X65

0+1

16.7

5.48

26

Short

500

S.  pop.

100

0.61

10

X80

8100

0.61

12

X65

1+1

12.9

2.16

27

Short

750

S. pop.

100

0.76

10

X80

9100

0.76

11

X52

1+1

12.5

1.72

28

Short

250

Popu.

100

0.51

10

X80

8100

0.51

11

X52

1+1

14.3

3.3

b) LCALLrefers

tothelevelizedcostsassociatedwithinitialcompression,pipelineandpumpingstations,whileLC

transreferto

thecostsassociatedwithonly

pipeline and pumping stations.

Onshore section

No.Time 

fram

e

Mass flow 

(kg/s)

LCAllb 

(€/t)

LCTransportb 

(€/t)

Npumpsa

a)Thefirstnumberrefers

tothenumberofpumpingstationsinstalledontheonshore

track,thesecondnumberrefersifapumpingstationisinstalledjust

before the pipeline goes offshore. 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

105 

 

 

Figure 3.11: Overview of a simple complete onshore (above) and partly offshore (below) network with one  trunkline of 740 kg/s,  two onshore  feeders of 370 kg/s and  two offshore distribution pipelines of 370 kg/s (ZEP, 2010). 

For offshore  trunklines, option  IV  (see  section 3.3.3.1) becomes  the most  cost‐effective option if the distance between the feeders and the trunkline is long. For instance, for an offshore  trunkline  of  180  km,  transporting  740  kg/s  (about  20 Mt/y)  and  distribution pipelines  of  10  km,  option  III  is  the  best  option  for  feeders  up  to  84  km  on  sparsely populated  terrain and up  to 78 km  for populated  terrain. For  longer  feeders, option  IV becomes economically the best alternative.  If the specific design pressure  in the feeders and  the distribution  lines  is  increased,  the MAOP of  the  trunklines has  to be  increased already with shorter feeder distances. Hence, the average breakeven distances decrease with higher specific pressure drops, see Figure 3.12. In Figure 3.12, it can also be assessed that for longer trunklines the breakeven distance is decreasing. The reason for this is that the  total steel costs  for option  III  increase considerably due  to  the higher MAOP of  the entire system. Additionally, there  is no relation between mass  flow  in  the  trunkline and the  break‐even  distance,  see  Figure  3.12.  The  variation  of  the  breakeven  distances  is caused by the limit number of NPS available and the rounding of the thickness and MAOP. 

For  onshore  pipelines,  the  situation  is  less  straight  forward  because  the  length  of  the feeder has consequences for the operation pressure of the trunkline in network option III. Hence, pumping stations along the pipeline can pump  the CO2  to a higher pressure and one or more pumping  stations may be eliminated. Consequently,  the  levelized  costs of option  III  have  a  “jumpy”  character  and multiple  breakeven  points  can  exist  between network option III and option IV.  

 

Chapter 3 

106 

 

No.

OD 

trunkline 

(m)

OD 

feeders 

(m) 

LCb 

(€/t)

OD 

trunkline 

(m)

OD 

feeders 

(m)

P_ inlet 

(MPa)

Poutlet 

(MPa)

cNpumps 

Netw

ork 

optiond

LCAlle 

(€/t)

LCtranse

 

(€/t)

0.76

0.61

14

80

III

13.3

1.97

0.76

0.61

12

60

III

13.2

1.92

0.91

0.61

14

80

III

17.1

5.77

0.76

0.61

21

60

III

17.0

5.23

0.91

0.61

17

80

III

20.3

8.81

0.91

0.61

15

60

III

20.0

8.57

1.07

0.61

16

80

III

32.9

21.4

1.07

0.61

14

60

III

31.8

20.5

33

180

Onshore

2 x 1,330

10

0.81

0.51

1.5

0.76

0.61

98

4III

13.1

1.96

34

500

Onshore

2 x 1,330

10

0.81

0.51

0.76

0.61

10

86

III

15.8

4.64

35

750

Onshore

2 x 1,330

10

0.81

0.51

0.76

0.61

10

810

III

17.9

6.74

This modela

ZEP 

Length 

feeders & 

distribution 

lines (km)

Mass flow 

(t/h)

Location 

trunkline

Length 

trunkline 

(km)

II = Gaseous transport in

 the feeders and liquid transport at the trunkline and distribution pipelines; 

III = Liquid transport in

 the entire netw

ork, w

here the streams flow im

mediately from the feeders into the trunkline without a pumping  station;

IV = Liquid transport in

 the entire netw

ork, having a pumping station installed just before at the inlet of the trunkline. 

e)LCALLrefersto

thelevelizedcostsassociatedwithinitialcompression,pipelineandpumpingstations,whileLC

transreferto

thecostsassociatedwith

only pipeline and pumping stations.

2 x 1,330

2 x 1,330

2 x 1,330

2 x 1,330

a) Theonshore

pipelinecostsgivenin

theZEPrapportare

specificforflattopography,simplesoilconditionsandunobstructedROW.Therefore,the

resultsofthismodelforonshore

pipelinesare

basedonsparselypopulatedterrainandsteelgradesavailablein

theshortterm

.Furtherm

ore,inthe

ZEPreportitisassumedthattheyearlyoperationtimeis7500hours.Thisnumberisalsousedforcalculatingthecostsandconfigurationsin

this

table. 

b) Thelevelizedcost

oftheZEPstudyincludesthepipelineitselfandinterm

ediate

pumpingstations.

Thecost

forcompressiontill11MPaand

dehydrationoftheCO2are

includedin

thecapture

costsandnotin

thetransportationcosts.

Thenumberofpumpingstationsincludedin

the

configuration is not mentioned.

c) In

thisstudy,thestandard

outletpressure

is8MPa.In

theZEPstudy,theoutletpressure

is8MPaforonshore

pipelinesand6MPaforoffshore

pipelines. Hence, the results of the model are calculated for 8 as well as for 6 MPa for the offshore cases. 

d) A

s described in

 the methodology: 

I = Gaseous transport in

 the feeders as well as in the trunkline and distribution pipelines; 

5.3

3.7

0.51

8.2

16.3

31

750

Offshore

10

0.66

0.51

32

1,500

Offshore

10

0.76

0.51

3.4

6.0

29

180

Offshore

10

0.56

0.51

30

500

Offshore

10

0.66

 

   

Table 3.5: C

omparison of diameters and costs of an

 onshore netw

ork from ZEP

 and this m

odel.  

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

107 

 

 

Figure 3.12: Breakeven feeder distance between option III (no pumping station before trunkline) and  IV  (pumping station before trunkline)  for an offshore trunkline transporting  liquid CO2 with two  distribution  lines  of  10  km with  an  average  (30  Pa/m  for  liquid  CO2),  high  (+50%)  or  low  (‐50%) design pressure drop. On the left, the distance of the trunkline is varied and the mass flow is kept constant at 740 kg/s (= 20 Mt/y with an operation time of 7,500 hours). On the right, the length of  the  trunkline  is  fixed at 180 km and  the mass  flows  (with an operation  time of 7,500 hours) is varied.  

For  networks with  short  trunklines  and  low mass  flow  rates,  gaseous CO2  transport  in whole the network (option I) can be the most cost‐effective. In Figure 3.13, the breakeven distance between gaseous transport in whole the network (option I) and liquid transport in part of or whole  the network  (option  II,  III or  IV)  can be  seen  for different  trunkline lengths, various mass flows and three different design pressure drops. It is clear that the breakeven feeder distance is decreasing with increasing trunkline lengths until liquid CO2 transport in the trunkline is the most cost‐effective option regardless the feeder distance. Furthermore, the breakeven feeder distance is increasing with increasing mass flows. 

Option II, where the CO2 is transported as a gas through the feeders and compressed to a liquid  just before  the  trunkline,  is  in  a  few  cases  the most  cost‐effective.  For  instance, option  II gives  the  lowest  levelized  costs  for a mass  flow of 2  x 75  kg/s, a  trunkline of 200 km,  feeders  and  distribution  lines  of  10 km  on  sparsely  populated  terrain,  namely 16.0 €/t compared to 19.9 €/t, 16.2 €/t and 16.4 €/t for option I, III and IV, respectively. The main reason for this is that the overall compression capacity required for this option (46 MW)  is  slightly  lower  than  for  complete  liquid CO2  transport  (50 MW), due  to  the lower pressure drop  in the feeders. However, this  is mainly the result of the assumption that the specific pressure drop is lower for gaseous than for liquid CO2 transport.  

0

20

40

60

80

100

120

140

0 500 1000 1500

Break

 even feeder distance (km

)

Length of trunkline (km)

Average ΔP High ΔP Low ΔP

0

20

40

60

80

100

120

140

0 200 400 600 800

Break

 even feeder distance (km

)

Mass flow (kg/s)

Average ΔP High ΔP Low ΔP

Chapter 3 

108 

 

 

Figure 3.13: Breakeven feeder distance between gaseous transport in whole the network (option I) and liquid CO2 transport in part of or whole the network (option II, III or IV) with a trunkline and distribution lines of 10 km on sparsely populated terrain. On the left, the distance of the trunkline is varied  for three different mass  flows  (100, 150 and 300 kg/s with an operation time of 7,500 hours). On  the  right,  the  length of  the  trunkline  is  fixed at 50 km and  the mass  flows  (with an operation time of 7,500 hours)  is varied for three different specific design pressure drops  in the feeders and distribution lines. 

Timing aspects  3.5.5

In  the previous section,  it was assumed  that  two sources are  transporting CO2  from the same moment onwards. However, in reality it is likely that one source wants to transport from,  for  instance, 2020 onwards while  the second source starts  from 2025 or 2030.  In Table 3.6, the configurations and levelized costs are calculated for several combinations of distances between the sources, distances of the trunkline and mass flows of two different sources. Several observations can be made: 

‐ It  appears more  cost‐effective  to  combine  the  sources  in  a  trunkline  if  the  sink  is further away from the sources (case 36‐37). Consequently, the sources can be further apart from each other. 

‐ If  the  sources  have  unequal  mass  flows,  it  is  often  cost‐effective  to  construct  a trunkline,  if the source which come available first has the  largest mass flow (case 38‐41).  

‐ Two  point‐to‐point‐pipelines  of  100  km  have  in most  cases  slightly  lower  levelized costs than a trunkline of 100 km for two equally sized sources separated 10 km from each  other  coming  available  10  years  after  each  other  (case  42‐45).  Hence,  the additional  costs  of  over‐dimensioning  a  pipeline  are  almost  similar  to  the  costs  of constructing a complete new point‐to‐pipeline in 2030 due to discounting. This effect will become stronger  if the time difference between the availability of the sources  is enlarged. For similar distances and mass  flows, but now with a  time difference of 5 

0

20

40

60

80

100

120

0 25 50 75 100

Break

‐even feeder distance

Length of trunkline

 Mass = 100 kg/s  Mass = 150 kg/s Mass = 200 kg/s

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200 250

Break‐even feed

er distance

Mass flow (kg/s)

Average ΔP High ΔP Low ΔP

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

109 

 

years, the trunkline configuration results in all cases (48‐51) in slightly lower levelized costs than the point‐to‐point pipeline configuration. The differences in LC between the trunkline  and  point‐to‐point  pipeline  configuration  are  however  small,  especially considering  the  uncertainties  in  the  different  cost models.  Nevertheless,  it  can  be concluded  that a  trunkline  configuration becomes  less  cost‐effective with  increasing time delays and two point‐to‐point pipelines are preferred after a time delay of about 5‐10 years. 

‐ With a  time difference of 5 years,  the sources can be  further apart  from each other and still be cost‐effectively combined in a trunkline (compare 46‐47 with 52‐53).  

If  the  trunkline option  is  the most cost‐effective approach and  the second source  is not coming available, then the levelized costs will increase to above the level of the point‐to‐point pipeline approach. For instance, for a trunkline length of 100 km, feeders of 10 km on sparsely populated  terrain and  two mass  flows of 100 kg/s coming available 5 years after  each  other,  the  levelized  costs  of  combining  the  two  sources would  be  12.3  €/t (1.7 €/t excluding compression) but if the second source would not become available they will  increase  to 13.3 €/t  (2.6 €/t excluding  compression) while  the  levelized  costs  for a separate point‐to‐point pipeline would be 12.5 €/t (2.0 €/t excluding compression).  

Implications of the system boundaries 3.5.6

In this study, gaseous and liquid CO2 transport are compared and in several cases gaseous transport resulted in lower levelized costs than liquid CO2 transport. However, the system boundaries have been placed before  the  injection well.  If CO2 storage requirements are taken  into  account  the  preference  between  gaseous  and  liquid  CO2  transport  could change. To analyze this, two different cases are explored. Firstly, a case with a required injection  pressure  of  8 MPa, which  represents  injection  in  an  aquifer.  Secondly,  a  case representing  injection  in  a  depleted  gas  field,  where  the  required  injection  pressure increase linearly in three years from 1.5 MPa to 8 MPa and then remains on 8 MPa for the rest of the  lifetime.30 For this analysis,  it  is assumed that a stand‐alone compressor  is as expensive as the initial compressor near the capture plant. 

For the first case, the gaseous CO2 has to be compressed at the storage location from the original pressure of 1.5 MPa to  the required  injection pressure of 8 MPa. This results  in costs of 5.1 €/t for 100 kg/s CO2. These additional costs are enough to cancel out the cost advantage of gaseous compared to liquid CO2 transport, which was 0.9 €/t for 100 km and 2.3 €/t  for a 50 km pipeline over  sparsely populated  land. Similar  results are  found  for other mass flows and pipeline length. Thus, if the CO2 has to be injected with a pressure of 8 MPa, it is more cost‐effective to transport CO2 as a liquid than as a gas.  

   

                                                                 30 In practice, the required injection pressure will further increase. However, this will be similar for the gaseous 

and liquid CO2 case and does not change the preference. Therefore, it is not included.  

Chapter 3 

110 

 

   

Table 3.6: Netw

ork optimization for tw

o sources which become available in different time frames, w

here the first source becomes 

available in

 2020. 

Length 

trunk 

Length 

feeder 

 (km

) (km

)I

IITr.

PtP I

PtP II

Tr.PtP IPtP II

Tr.

PtP IPtP II

LCALL 

PtP 

LCtrans 

PtP

LCALL 

Trunk 

LCtrans 

Trunk

36200

10200

2030

S. Pop.

150

150

1211

111

11

0.51

0.41

0.41

14.6

3.45

14.5

3.36

37500

10500

2030

S. Pop.

150

150

1110

106

76

0.51

0.41

0.41

20.1

9.00 

19.6

8.52

38200

10200

2030

S. Pop.

200

100

1212

111

22

0.51

0.41

0.32

14.1

3.16

13.9

2.93

39200

10200

2030

S. Pop.

100

200

1211

121

22

0.51

0.32

0.41

14.7

3.68

15.0

3.95

40200

10200

2030

S. Pop.

50100

1113

111

32

0.41

0.22

0.32

16.9

5.53

17.3

5.95

41200

10200

2030

S. Pop.

100

5011

1114

12

20.41

0.32

0.22

15.8

4.65

15.5

4.39

42100

10100

2030

S. Pop.

5050

1318

170

00

0.32

0.22

0.22

14.7

2.84

14.5

2.97

43100

10100

2030

S. Pop.

100

100

1413

120

01

0.41

0.32

0.32

13.1

1.98

13.0

1.92

44100

10100

2030

S. Pop.

200

200

1014

131

01

0.61

0.41

0.41

12.3

1.27

12.4

1.49

45100

10100

2030

S. Pop.

500

500

910

121

10

0.91

0.61

0.61

11.6

0.84

11.7

0.98

46200

25200

2030

S. Pop.

100

100

1211

112

22

0.41

0.32

0.32

15.4

4.3

15.2

4.13

47200

50200

2030

S. Pop.

100

100

1211

112

22

0.41

0.32

0.32

15.4

4.3

15.4

4.31

48100

10100

2025

S. Pop.

5050

1318

180

00

0.32

0.22

0.22

14.7

2.85

14.2

2.59

49100

10100

2025

S. Pop.

100

100

1413

130

00

0.41

0.32

0.32

13.1

1.99

12.8

1.68

50100

10100

2025

S. Pop.

200

200

1014

141

00

0.61

0.41

0.41

12.3

1.28

12.2

1.35

51100

10100

2025

S. Pop.

500

500

910

101

11

0.91

0.61

0.61

11.6

0.87

11.5

0.87

52200

50200

2025

S. Pop.

100

100

1211

112

22

0.41

0.32

0.32

15.4

4.33

15.2

4.05

53200

75200

2025

S. Pop.

100

100

1211

112

22

0.41

0.32

0.32

15.4

4.33

15.5

4.33

b)

S. Pop., popu. and offsh. refers to sparsely populated, populated terrain and offshore pipelines, respectively. 

c) TheabbreviationsTr,PtP

I,andPtP

IIreferto

trunkline,

point‐to‐pointpipelinefrom

sourceI,andpoint‐to‐pointpipelinefrom

sourceIIto

thesink,

d)

LCALLrefers

tothelevelizedcostsassociatedwithinitialcompression,pipelineandpumpingstations,whileLC

transreferto

thecostsassociatedwithonly

pipeline and pumping stations. The network approach

 (point‐to‐point pipelines or trunkline) which result in the lowest LC

ALL, is italic and bold.

Npumpsc

Diameterc

Levelized costs (€/t CO2)c,d

Mass flow 

(kg/s)

a)

In 2025, the same steel grades are available as in the short term.

No.

Distance 

source II ‐

sink (km)

Source II

availa‐

bility 

Terrainb 

Inlet pressure

c

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

111 

 

For the second case, a compressor has to be installed in the second year which is able to compress the gaseous flow to 3.7 MPa in the second year, to 5.8 MPa in the third year and to 8 MPa from year four onwards. For a mass flow of 100 kg/s, a compressor of 11 MWe is needed. This  increases the  levelized costs with 3.5 €/t and results  in total  levelized costs of 13.2 €/t and 15.6 €/t for 50 and 100 km pipeline on sparsely populated terrain. Note that in the first few years, liquid CO2 has to be decompressed so that it can injected in the depleted gas field. However, this will lead to a large drop in temperature and injection of cold  CO2  can  lead  to  hydrate  formation  in  the  well  and  to  thermal  cracking  of  the surrounding  rocks  in  the  well  formation.  Therefore,  an  electric  heater  is  required  to increase the injection temperature to 0°C, which is estimated to be high enough to avoid hydrate formation and thermal cracking (E.ON, 2011d). A heater of 20 MW is installed and used  for  two  years.31 With  estimated  heater  costs  of  1 M€/MW  (E.ON,  2011cd)32  and O&M costs of 4% of the capital costs, the heater increases the levelized costs with 1.6 €/t for  a mass  flow  of  100  kg/s.  Combining  these  costs with  the  initial  compression  and transportation  costs,  leads  to  levelized  costs  for  liquid  CO2  transport  of  13.4  €/t  and 14.1 €/t for 100 kg/s over 50 and 100 km sparsely populated terrain, respectively. If these costs are compared with the levelized costs for gaseous CO2 transport, the costs for liquid CO2 transport are lower for the 100 km but higher for 50 km case.  

To  conclude,  for  storage  reservoirs with  a high  reservoir pressure,  liquid CO2  transport appear  the best option.  For depleted  gas  fields with  a  low  reservoir pressure,  the  cost effectiveness  of  liquid  or  gaseous  CO2  transport  depends  on  the  source‐sink  distance, mass flow and on how quickly the required injection pressure increase over time. Gaseous CO2  transport  seems  to  be  especially  interesting  for  small  CO2 mass  flows  on  a  close distance from a depleted gas field with a low reservoir pressure. 

Sensitivity analysis  3.5.7

A sensitivity analysis  is conducted  to assess  the  robustness of  the optimal configuration and  the  impact  on  the  levelized  costs  for  point‐to‐point  pipelines.  Four  of  the  main economic  input  parameters  are  varied,  namely  the  interest  rate,  electricity,  steel  and labor  costs  (Table  3.1).  The  sensitivity  analysis  is  conducted  for  different mass  flows,  

                                                                 31 Isobaric heating and adiabatically expansion is assumed by calculating the energy required for heating up the 

CO2.  In the  first year, the CO2  is  injected with a pressure of 1.5 MPa and temperature of 0°C and delivered at 8.0 MPa and temperature of 15°C. To ensure similar enthalpy levels before and after expansion, the CO2 has to be  first  heated  up  to  72°C.  Because  the  specific  heat  under  isobaric  conditions  varies  quite  a  lot  over  this temperature range (Span and Wagner, 1996), a weighted average of the heat capacity is used. Subsequently, the required heater capacity  is calculated by assuming a heater efficiency of 100%,  (m x Cp x  ΔT  /  η = 100 kg/s x 3.44 kg/kJ/K x (72‐15) / 100% = ) 19.6 MW.  32 In literature, costs for large electric heaters are not available, as far as the authors know. In the FEED study of 

E.ON, 4 heaters of 1.05 MW are included (E.ON, 2011d). The costs for this are probably included in the category ‘well interface’, together with the choke valve, safety valve and metering equipment. In total, this category costs 4.66 M€2010 (E.ON, 2011c). Based on this information the costs of the heater are estimated at 1 M€/MW.   

Chapter 3 

112 

 

lengths,  time  frames  and  terrain  types.  In  total  about 50  cases  are  analyzed  and 20 of them  focus  on  pipelines  transporting  liquid  CO2  over  sparsely  populated  terrain  in  the short  term.  The  results  of  one  case  are  given  in  Table  3.7,  but  results  of  all  runs  are reported in Annex G.  

The  average  consequences of  a 50%  increase  in  interest  rate,  steel price,  electricity or labor costs on the levelized costs including and excluding compression are shown in Figure 3.14.  The  results  indicate  that  the  total  levelized  costs  are mostly  influenced  by  the electricity  costs  due  to  the  high  compression  energy.  If  the  compression  costs  are excluded,  the  interest  rate  and  labor  have  the  largest  impact  followed  by  steel  and electricity  costs.  Similar  trends  can  be  seen when  the  parameters  are  all  increased  by 100%.  

However,  the  labor  costs  are more  uncertain  than  the  other  three  variables. Hence,  a 100%  increase  in  the  labor  costs  is  assumed  to  be  as  likely  as  a  50%  increase  in  the interest  rate, electricity and  steel costs.  If  these  realistic  ranges are  taken  into account, the  levelized  costs  including  compression  are  still mostly  influenced  by  the  electricity costs, see Figure 3.14. However,  the  levelized costs without compression are now most influenced by the uncertainty in labor costs.  

Besides  influencing  the  levelized  costs, varying a parameter e.g. with 50% or 100%  can also  lead  to  a  different  optimal  pipeline  configuration  (see  Table  3.7  and  Annex  G). Overall, changings on the steel price has the largest impact on the optimal inlet pressure. For instance, at a lower steel price, it is more cost‐effective to invest in a pipeline with a thicker wall and install less pumping stations along the route.  

Table  3.7:  Sensitivity  results  of  one  case  for  transporting  500  kg/s  CO2  over  100  km  sparsely populated terrain. A complete overview of all cases can be found in Annex F.  

    OD (m) 

Pinlet

(MPa) Npumps  LCALL

a

 (€/t CO2) 

LCtrans

(€/t CO2) Pressure drop (Pa/m) 

Lpump  (km) 

Base case    0.61 10 1 11.6 0.84 38 52 Electricity costs  ‐50% 0.61 10 1 7.02 0.81 38 52 

+50% 0.76 9 1 16.2 0.95 12 84 Steel costs  ‐50% 0.61 12 0 11.5 0.64 40 101 

+50% 0.61 10 1 11.7 0.94 38 52 Labor costs  ‐50% 0.76 9 1 11.4 0.66 12 84 

+50% 0.61 10 1 11.9 1.08 38 52 +100% 0.61 10 1 12.1 1.31 38 52 

Interest rate  ‐50% 0.76 9 1 10.9 0.57 12 84 +50% 0.61 10 1 12.4 1.16 38 52 

a) LCALL refers to the levelized costs associated with initial compression, pipeline and pumping stations, while LCtrans refer to the costs associated with only pipeline and pumping stations. 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

113 

 

 

Figure 3.14: The average consequences of an increase in interest rate, steel, electricity, and labor costs on the  levelized costs,  for CO2 transport on  flat sparsely populated terrain,  including  (left) and excluding compression costs (right).  

In  contrast,  it  is  often  cost‐effective  to  install  a  larger  diameter  to  limit  the  specific pressure drop if the interest rate or labor costs decrease or the electricity costs increase. The  initial higher  investment  costs  are  compensated by  the  lower energy  consumption during the lifetime. In most cases, the optimal configuration does not change with a 50% increase  in  the  interest  rate or  labor costs. However, with a 100%  increase  in  the  labor costs or with a 50% reduction in the electricity costs, the selection of a smaller diameter is cost‐effective in several cases.  

Overall, offshore  cases  appear  less  sensitive  to  changes  in  the  interest  rate, electricity, steel and labor costs than onshore cases, because the option to add or eliminate pumping stations is not available. Hence, the cost minimization is only driven by the NPS available. This argument is also valid for gaseous CO2 transport.  

Additionally, it has also been examined whether a different interest rate could affect the cost‐effectiveness of a trunkline versus point‐to‐point pipelines when two sources come available in different time frames. For this, 35 cases were run with a time difference of 5 or 10 years between the availability of the first and second CO2 source (see Annex G for the results per case). If the interest rate is increased to 15%, the cost‐effectiveness of the trunkline decreases compared to the point‐to‐point pipeline configuration. The reason for this  is  the  strong  discount  effect  of,  in  particular,  the  second  point‐to‐point  pipeline. Consequently, even with a  time difference of only  five years between two equally sized sources 10 km apart from each other, several cases prefer two point‐to point pipelines to a  trunkline. The opposite  is also  true, a  lower  interest  rate has a positive effect on  the trunkline  configuration.  With  respect  to  configuration  changes,  similar  trends  were observed as described above  for  the  trunkline as well as  for  the point‐to‐point pipeline configurations.  

0%

10%

20%

30%

40%Steel 

Electricity

Labor

Interest rate

Realistic ranges

50% increase for all variables

0%

20%

40%

60%Steel 

Electricity

Labor

Interest rate

Realistic ranges

50% increase for all variables

Chapter 3 

114 

 

Conclusion 3.6

This  study  had  two main  aims.  Firstly,  to  develop  a  new  cost model  for  CO2  pipeline transport  related  to  the  physical  properties  of  CO2,  and  secondly  to  develop  a  cost minimization model to determine the optimal configuration for point‐to‐point pipelines as well as for simple networks.  

The  new  pipeline  cost  model  explicitly  takes  into  account  differences  in  operation pressure and materials. The results  indicate that  low steel grades, such as X42 and X52, lead to the lowest capital costs for pipelines transporting gaseous CO2, while higher steel grades  lead to the  lowest capital costs for onshore pipelines transporting  liquid CO2. For instance, for an onshore pipeline with a diameter of 0.61 m and a MAOP of 15MPa, using X120  instead of X80  results  reduces  the capital costs with 7‐8%. As a consequence,  the highest available steel grades are selected for onshore pipelines transporting  liquid CO2, namely  X80  in  the  short  term,  X100  in  the medium  term  and  X120  in  the  long  term. Offshore pipelines remain mainly based on lower steel grades because for these pipelines the thickness should be minimal 2.5% of the outer diameter. Also pipelines transporting gaseous CO2 do not benefit from higher steel grades, due to the low operation pressure.  

A  cost minimization model was  developed which  include  initial  compression,  pipeline, steel grades and pumping stations to determine the most cost‐effective configuration for CO2 pipeline transport. Slightly different methodologies were developed for point‐to‐point pipelines and simple networks over one or multiple kinds of terrain (sparsely populated, populated  and  offshore).  Figure  3.15  summarizes  the  key  conclusions  for  each  type  of pipeline.  

From  a  chain  perspective,  gaseous  CO2  transport  can  have  lower  levelized  costs  than liquid CO2 transport point‐to‐point pipelines as well as for simple networks. Gaseous CO2 transport seems to be especially  interesting for small CO2 mass flows on a close distance from a depleted gas  field with a  low  reservoir pressure. The  reason  for  this  is  that  the lower  initial  compression  costs  compensate  the  higher  pipeline  costs.  However,  for storage  reservoirs with  a  high  reservoir  pressure  (like  aquifers),  liquid  CO2  transport  is more cost‐effective than gaseous CO2 transport. 

For  offshore  pipelines,  the  optimal  inlet  pressure  is  directly  influenced  by  the  length, because  in this case pumping stations are not an option. The  inlet pressure can become up to about 25 MPa. For even  longer pipelines, a  larger diameter  is selected to  limit the specific pressure drop. For instance, for a pipeline transporting 300 kg/s liquid CO2 (about 9 Mt/y) the optimal inlet pressure is 12 MPa for 100 km and 22 MPa for 340 km, leading to  an  average  pressure  drop  of  about  45  Pa/m.  If  the distance  increases  to  350 km,  a larger diameter  is selected  (namely 0.61 m  instead of 0.41 m) to  limit the  inlet pressure (to 14 MPa)  and  the  specific pressure drop  (to 14 Pa/m).  This  results  in  levelized  costs (excluding  compression) of 1.4  and 4.8 €/t  for  transporting 300 kg/s CO2 over 100  and 350 km, respectively. For larger mass flow rates, the levelized costs are decreasing.  

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

115 

 

Simple network Point‐to‐point pipelines

Single

 terrain

 

‐ Gaseous CO2 transport can result in lower levelized costs than liquid CO2 transport, if the CO2 is stored in reservoirs with a low pressure. Gaseous CO2 transport is especially interesting for small CO2 mass flow and short distances. 

‐ Liquid onshore CO2 transport:  Pinlet = 9‐13 MPa; ΔP = 15‐45 Pa/m 

‐ Liquid offshore CO2 transport:  ΔP = 10‐50 Pa/m,  

‐ Gaseous transport:  ΔP = 5‐20 Pa/m 

‐ All four network options result for some combination of mass flow and length in the lowest levelized costs.   

‐ However, transporting gaseous CO2 and compress it to a liquid just before the trunkline is only interesting in a few cases and this is mainly due to the assumptions made about design pressure drop.  

‐ The maximum distance of feeders ‐ without a pumping 

stations before the offshore trunk‐line increases with decreasing trunkline lengths.  For instance, the max. distance is 75 km for a 100 km and 40 km for a 1,000 km long offshore trunkline.  

Break‐even distances are independent of mass flow, but variation is present due to the  limited NPS available.  

‐ Gaseous CO2 transport in whole the network can be  cost‐effective for short networks and limited mass flows.   

‐ The levelized costs increase with 8% to 18% for a 100 km  pipeline when the  terrain change from  sparsely populated  to populated terrain.  

‐ For longer pipelines the cost increase is slightly less due to similar costs for pumping stations in different types of terrain.  

‐ The ΔP is slightly higher on populated than on sparsely populated terrain.  

Timing aspectsTwo  point‐to‐point  pipelines  are cost‐attractive  compared  to  a trunkline: ‐ With Δt = 5‐10 years ‐ If the source with the smallest mass flow come available first.   

‐ When the distance between the source and the sink is small. 

Multip

le te

rrain 

Figure 3.15: Main conclusions of the cost minimization model, divided in point‐to‐point pipelines and simple networks over a single or multiple terrain types.  

The assessment also indicates that the optimal diameter, and hence the specific pressure drop, is mainly influenced by a decrease in the labor costs and interest rate or a change in electricity costs. Changes  in the steel costs affect primarily the optimal  inlet pressure of the pipeline, and consequently the distance between pumping stations. Furthermore, the sensitivity analysis showed that changes in the electricity costs have the largest influence on  the  total  levelized  costs  due  to  the  high  compression  costs.  However,  if  the compression costs are excluded from the levelized costs, the labor costs and interest rate have the largest impact followed by the steel and electricity costs.  

There  are  still  a  number  of  points  in which way  the  cost minimization model  can  be improved further: 

 

Chapter 3 

116 

 

‐ A network design will not only be based on economic optimums but will also depend on legislation, operational preference, risk and safety aspects. Furthermore, reliability considerations will be important.  

‐ The current version of the model was not  linked to topographical maps and different types of terrain (offshore, sparsely populated and populated) serve as a manual input.  

‐ Impurities were not taken into account and these would influence the phase envelope and the physical properties of the CO2. Hence, it will affect the capacity, the minimum pressure and the material requirements of the pipeline.  

References 3.7‐ AG Der Dillinger Hüttenwerke, GTS  industries SA., 2012. Heavy plate  steel price  list. 

Last accessed in 2012.  ‐ Apeland, S., Belfroid, S., Santen, S., Hustad, C.W., Tettero, M. et al., 2011a. Towards a 

transport  infrastructure  for  large‐scale  CCS  in  Europe.  Kårstø  CO2  pipeline  project: Extension to a European case. CO2 Europipe D4.3.2, 1‐84.  

‐ Apeland,  S.,  Belfroid,  S.,  Santen,  S.,  Hustad,  C.W.,  Tettero,  M.,  Klein,  K.,  2011b. Towards a transport  infrastructure for  large‐scale CCS  in Europe. Kårstø offshore CO2 pipeline design. CO2 Europipe D4.3.1, 1‐95.  

‐ Austell, M., Van der Brugt, A., Neele, F., Tetteroo, M., Ros, M. et al., 2011. Towards a transport infrastructure for large‐scale CCS in Europe. Development of large scale CCS in The North Sea via Rotterdam as CO2 hub. CO2 Europipe D4.1.1, 1‐102.  

‐ Brauer,  H.,  Knauf,  G.,  Hillenbrand,  H.G.,  2004.  Crack  arrestors.  4th  International conference on pipeline technology.  

‐ Bureau, G., Roussanaly, S., Husebye,  J., 2011. Cocate. Large‐scale CCS  transportation infrastructure in Europe. Economic assessment of CO2 export systems and comparison of implementation strategies. COCATE D4.1.2, 1‐181.  

‐ Cayrade, P., 2004. Investment in gas pipelines and liquefied natural gas infrastructure. What is the impact on the security of supply? INDES Working paper no.3, 1‐12.  

‐ Chandel, M.K., Pratson,  L.F., Williams, E., 2010. Potential economies of  scale  in CO2 transport  through use of  a  trunk pipeline.  Energy Conversion  and Management 51, 2825‐34.  

‐ Code  of  Federal  Regulation,  2010.  Title  49:  Transportation.  Last  accessed  in  2013. Retrieved  from:  http://cfr.vlex.com/source/code‐federal‐regulations‐transportation‐1098/toc/02.01.  

‐ ChemicaLogic, 1999. Carbon dioxide phase diagram. Last accessed  in 2013. Retrieved from: www.chemicalogic.com/Pages/DownloadPhaseDiagrams.aspx.  

‐ Cole, I.S., Corrigan, P., Sim, S., Birbilis, N., 2011. Review. Corrosion of pipelines used for CO2  transport  in CCS:  Is  it a  real problem?  International  Journal of Greenhouse Gas Control 5, 749‐56.  

‐ CRU,  2012.  CRU  steel  price  index.  Last  accessed  in  2012.  Retrieved  from: 

www.cruonline.crugroup.com.  ‐ Dahowski, R.T., Dooley, J.J., Davidson, C.L., Bachu, S., Gupta, N., 2004. A CO2 storage 

supply curve for North America. PNWD‐3471, 1‐92.  ‐ Damen, K., van Troost, M., Faaij, A., Turkenburg, W., 2007. A comparison of electricity 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

117 

 

and hydrogen production systems with CO2 capture and storage‐Part B: Chain analysis of promising CCS options. Progress in Energy and Combustion Science 33, 576‐605.  

‐ DNV, 2010. Recommended practice. Design and operation of CO2 pipelines. DNV‐RP‐J202, 1‐42.  

‐ DNV, 2012. Offshore standard. Submarine pipeline systems. DNV‐OS‐F101, 1‐215.  ‐ Downie, M.,  2011.  CO2  transport  in  CCS.  UKCCS Winter  School,  School  of Marine 

Technology. University of Newcastle.  ‐ E.ON, 2011a. Kingsnorth Carbon Dioxide Capture and Storage Demonstration Project. 

Key Knowledge Reference Book. 1‐66.  ‐ E.ON,  2011b.  Kingsnorth  Carbon  Capture  and  Storage  Project.  Onshore  Pipeline 

Project Data. Rev. 4. KCP‐GNS‐PLD‐DPR‐0005. 1‐14.  ‐ E.ON.  2011c.  Kingsnorth  Carbon  Capture &  Storage  Project.  Post‐FEED  Project  Cost 

Estimates. Rev. 1. KCP‐EUK‐FIN‐LIS‐0002. 1‐2. ‐ E.ON. 2011d. Kingsnorth Carbon Capture & Storage Project. Offshore Heater Option 

Evaluation & Concept Design Report (Gaseous Phase). Rev. 2. KCP‐GNS‐PCD‐DRP‐0002. 1‐6. 

‐ EBN and Gasunie, 2010. CO2 transport‐ en opslagstrategie. EBN / Gasunie advies, 1‐95.  ‐ ElementEnergy, 2010. CO2 pipeline infrastructure: An analysis of global challenges and 

opportunities. IEA GHG 1‐134.  ‐ EU GeoCapacity, 2008. Assessing European capacity  for geological  storage of carbon 

dioxide. Publishable final activity report. SES6‐518318, 1‐37.  ‐ European Commission, 2011. Communication  from  the commission  to  the European 

parliament,  the  council,  the  European  economic  and  social  committee  and  the committee  of  the  regions.  A  roadmap  for  moving  to  a  competitive  low  carbon economy in 2050. COM(2011) 112 final, 1‐16.  

‐ Felber, S., Loibnegger, F., 2009. The pipeline steels X100 and X120. XI‐929‐09, 1‐24.  ‐ Fimbres Weihs, G.A., Wiley, G.A., 2012. Steady‐state design of CO2 pipeline networks 

for minimal cost per  tonne of CO2 avoided.  International  Journal of Greenhouse Gas Control 8, 150‐168.  

‐ Gao,  L., Fang, M.,  Li, H., Hetland,  J., 2011. Cost analysis of CO2  transportation: Case study in China. Energy Procedia 4, 5974‐81.  

‐ GCCSI, 2012. The global status of CCS 2012. 1‐218.  ‐ Gräf, M.K., Hillenbrand, H.G., Heckmann,  C.J., Niederhoff,  K.A.,  2003. High‐strength 

large‐diameter pipe  for  long‐distance high pressure gas pipelines. Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference, 2347‐54.  

‐ Hillenbrand,  H.G.,  Graef,  M.K.,  Gross‐Weege,  J.,  Knauf,  G.,  Marewski,  U.,  2001. Development of line pipe for deep water applications. Europipe, 1‐9.  

‐ Hillenbrand, H.G.,  Liessem,  A.,  Kalwa,  C.,  Erdelen‐Peppler, M.,  Stallybrass,  C.,  2008. Technological solutions for high strength gas pipeline. Europipe technical paper, 1‐16.  

‐ IEA, 2009. Technology Roadmap. Carbon capture and storage.  IEA publications, Paris, France.  

‐ IEA, 2010. World energy outlook 2010. Organisation  for Economic Co‐operation and Development (OECD) / International Energy Agency (IEA).  

‐ IEA GHG, 2002. Pipeline  transmission of CO2 and energy. Transmission  study  report. 

Chapter 3 

118 

 

PH4/6, 1‐140.  ‐ IEA GHG, 2007. Distributed collection of CO2. 2007/12, 1‐109.  ‐ IEA GHG, 2008. Co‐production of hydrogen and electricity by coal gasification with CO2 

capture ‐ updated economic analysis. 2008/9, 1‐528.  ‐ IHS, 2013. IHS indexes. IHS/CERA upstream capital cost  index (UCCI). Last accessed in 

2013. Retrieved from: http://www.ihs.com/info/cera/ihsindexes/index.aspx.  ‐ Interliance  LLC  for  California  Energy  Commission,  2002.  Gulf  coast  to  California 

pipeline feasibility study. Consultant report P699‐02‐010DCR, 1‐32.  ‐ Knoope, M.M.J., Ramírez, A., Faaij, A.P.C., 2013. A state‐of‐the‐art  review of  techno‐

economic models predicting the costs of CO2 pipeline transport. International Journal of Greenhouse Gas Control 16, 241‐70.  

‐ Kreutz, T.G., Larson, E.D., Liu, G., Williams, R.H., 2008. Fischer‐Tropsch fuels from coal and biomass. Princeton Environmental Institute Prepared for 25th Annual International Pittsburgh Coal Conference. 29 September – 2 October, 2008 Pittsburgh, Pennsylvania, USA, 1‐86.  

‐ Kreutz, T.G., Williams, R., Consonni, S., Chiesa, P., 2005. Co‐production of hydrogen, electricity and CO2  from  coal with  commercially  ready  technology. Part B: Economic analysis. International Journal of Hydrogen Energy 30, 769‐784.  

‐ Kuramochi, T., Ramírez, A., Turkenburg, W., Faaij, A., 2012. Comparative assessment of CO2 capture technologies for carbon‐intensive industrial processes. Progress in Energy and Combustion Science 38, 87‐112.  

‐ Mallon, W., Guijt, W., 2012. Personal communication with W. Mallon (of DNV KEMA) and W. Guijt (of Shell) about costs and modeling of CO2 pipeline transport.  

‐ McCoy,  S.  T.,  &  Rubin,  E.  S.  (2008).  An  engineering‐economic  model  for  pipeline transport of CO2 with application to carbon capture and storage. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2, 219‐229. 

‐ Meerman,  J.C.,  Ramírez,  A.,  Turkenburg, W.C.,  Faaij,  A.P.C.,  2012.  Performance  of Flexible Multi‐fuel  Integrated Gasification Poly‐Generation Facilities with CCS. Part B: An Economic Evaluation.  International  Journal of Greenhouse Gas Control 16, 6083‐102.  

‐ Middleton, R.S., Bielicki, J.M., 2009. A scalable infrastructure model for carbon capture and storage: SimCCS. Energy Policy 37, 1052‐60.  

‐ Middleton, R.S., Kuby, M.J., Wei, R., Keating, G.N., Pawar, R.J., 2012. A dynamic model for  optimally  phasing  in  CO2  capture  and  storage  infrastructure.  Environmental Modelling and Software 37, 193‐205. 

‐ Mohitpour,  M.,  Golshan,  H.,  Murray,  A.,  2003.  Pipeline  design  &  construction.  A practical approach. Second edition. ASME press, United States.  

‐ Mohitpour,  M.,  Seevam,  P.,  Botros,  K.K.,  Rothwell,  B.,  Ennis,  C.,  2012.  Pipeline transportation of carbon dioxide containing  impurities. 1st edition. ASME Press, New York, USA.  

‐ Moomaw, W.,  Yamba,  F.,  Kamimoto, M., Maurice,  L., Nyboer,  J.  et  al.,  2011.  IPCC Special  Report  on  Renewable  Energy  Sources  and  ClimateChange  Mitigation. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, USA.  

‐ Morbee,  J.,  Serpa,  J.,  Tzimas,  E.,  2012.  Optimised  deployment  of  a  European  CO2 

Improved cost models for optimizing pipeline configurations 

119 

 

transport network. International Journal of Greenhouse Gas Control 7, 48‐61.  ‐ NIST, 2012. National Institute of Standards and Technology (NIST) standard reference 

data.  Thermophysical  properties  of  fluid  systems.  Last  accessed  in  2012.  Retrieved from: http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/.  

‐ Nord Stream, 2012. Fact sheet Nord Stream by numbers. Last accessed in 2012.  ‐ NORSOK, 2006. NORSOK standard. Process design. Edition 5 P‐001, 1‐22.  ‐ OANDA,  2011.  Historical  exchange  rates.  Last  accessed  in  2011.  Retrieved  from: 

http://www.oanda.com/.  ‐ Piessens, K., Laenen, B., Nijs, W., Mathieu, P., Baele, J.M. et al., 2008. Policy Support 

System for Carbon Capture and Storage. SD/CP/04A, 1‐269.  ‐ Pipeline  &  Gas  Journal,  2009.  New  low‐hydrogen  stick  electrode  helps  pipeline 

contractor. Pipeline & Gas Journal 236.  ‐ Preston, 2013. Preson pipe & tube report. United States & Canada. Preston Publishing 

Company 31, 1‐69. ‐ Read, A., 2012. Case 1: ROAD project, Rotterdam. System  integration challenges. CCS 

system integration workshop; Calgary, Canada.  ‐ Rui, Z., Metz, P.A., Chen, G., Zhou, X., Wang, X., 2012. Regressions allow development 

of compressor cost estimation models. Oil and Gas Journal 101, 110‐115.  ‐ ScottishPower CCS Consortium, 2011. UK Carbon Capture and Storage Demonstration 

Competition. FEED Close Out Report. SP‐SP 6.0 ‐ RT015, 1‐65.  ‐ Skovholt, O., 1993. CO2  transportation  system. Energy Conversion and Management 

34, 1095‐1103. ‐ Smith,  C.E.,  2006.  US  gas  carriers'  2005  net  incomes  climb;  construction  costs 

plummet. Oil and Gas Journal 104, 46‐63.  ‐ Smith, C.E., 2010. Natural  gas pipelines  continue growth despite  lower earnings; oil 

profits grow. Oil and Gas Journal 108, 102‐118.  ‐ Smith, C.E., True, W.R., Stell, J., 2005. US gas carriers see 2004 net jump; construction 

plans rebound. Oil and Gas Journal 103, 50‐54.  ‐ Smith, C.E., 2008. Natural gas pipeline profits surge; oil flat. Oil and Gas Journal 106, 

50‐64.  ‐ Smith,  C.E.,  2009.  Special  report:  Pipeline  profits,  capacity  expansion  plans  grow 

despite increased costs. Oil and Gas Journal 107, 60‐72.  ‐ Smith,  C.E.,  2012.  Oil  pipeline  operators'  2011  profits  soar  to  record.  Oil  and  Gas 

Journal 110, 112‐31.  ‐ Smith,  C.E.,  2011.  Special  report:  Pipeline  construction  plans  continue  slide  despite 

growth in natural gas. Oil and Gas Journal 109, 110‐121.  ‐ Smith,  C.E.,  2007.  Special  report: US  oil  carriers'  2006  net  incomes  rebound;  labor 

increases push up construction costs. Oil and Gas Journal 105, 44‐58.  ‐ Span, R., Wagner, W., 1996. A new equation of state for CO2 covering the fluid region 

from  the  triple point  to 1100 K at pressures up  to 800 MPa.  Journal of physical and chemical reference data 25, 1509‐1596. 

‐ Spinelli, C.M., Demofonti, G.,  Fonzo, A.,  Lucci, A.,  Ferino,  J., Di Biagio, M.,  Flaxa, V., Zimmermann,  S.,  Kalwa,  C.,  Knoop,  F.M.,  2011.  Full  scale  investigation  on  strain capacity of high grade  large diameter pipes. 18th  Joint  technical meeting on pipeline 

Chapter 3 

120 

 

research, San Fransisco, USA, pp. 1‐16. ‐ Svensson,  R.,  Odenberger,  M.,  Johnsson,  F.,  Strömberg,  L.,  2004.  Transportation 

systems  for CO2  ‐ Application  to carbon capture and storage. Energy Conversion and Management 45, 2343‐53. 

‐ True, W.R., 2002. Special report. Pipeline economics: Fed data show solid 2001 for US pipeline companies, more gas capacity planned. Oil and Gas Journal 100, 52‐60.  

‐ True, W.R., 2003. Special report: Pipeline economics. Oil and Gas Journal 101, 60‐90.  ‐ True, W.R., Stell, J., 2004. US construction plans slide; pipeline companies experience 

flat 2003, continue mergers. Oil and Gas Journal 102, 52‐70.  ‐ Van den Broek, M., Brederode, E., Ramírez, A., Kramers,  L.,  van der Kuip, M. et al., 

2010. Designing  a  cost‐effective CO2  storage  infrastructure using  a GIS based  linear optimization energy model. Environmental Modelling and Software 25, 1754‐68.  

‐ Van Ginkel, M.,  Speets,  R., Holleman,  E.,  Thonon,  I.,  2011. Milieueffectrapport  CCS Maasvlakte (ROAD‐project). Royal Haskoning for ROAD. 9V7319.20, 1‐168.  

‐ Van  Osch,  M.,  Smeulders,  J.,  Veltin,  J.,  2010.  Inventory  and  quantitative characterization  of  technologies  available  for  each  part  of  the  CO2  infrastructure system. CATO‐2 Deliverable WP 2.1‐D03, 1‐42.  

‐ Vattenfall,  2011.  CCS  demonstration  project  Jänschwalde.  CO2  transport  pipeline. FEED study. Non‐ confidential study co‐financed by the EU rev. 1. No. P10111.2011, 1‐142.  

‐ Wildenborg,  T.,  Holloway,  S.,  Hendriks,  C.,  Kreft,  E.,  Lokhorst,  A.  et  al.,  2004.  Cost curves for CO2 storage. Part 2: European sector. NITG 04‐238‐B1208, 1‐162.  

‐ Woods, D.R., 2007. Rules of thumb in engineering practice. Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany. 

‐ Yorkshire  Forward,  2008.  A  carbon  capture  and  storage  network  for  Yorkshire  and Humber. An  introduction  to understanding  the  transportation of CO2  from Yorkshire and Humber emitters into offshore storage sites. 05_08 100203, 1‐60.  

‐ ZEP, 2010. CO2 transport costs. 1‐52.  ‐ ZEP, 2011. The costs of CO2 Capture. Post‐demonstration CCS in the EU. 1‐81.  ‐ Zhang, D., Wang, Z., Sun, J., Zhang, L., Li, Z., 2012. Economic evaluation of CO2 pipeline 

transport in China. Energy Conversion and Management 55, 127‐35.  ‐ Zhang,  Z.X., Wang, G.X., Massarotto, P., Rudolph, V., 2006. Optimization of pipeline 

transport for CO2 sequestration. Energy Conversion and Management 47, 702‐15.  

 

 

121 

 

Chapter 4: The influence of risk mitigation measures on the risks, costs and routing of CO2 pipelines

Abstract: The aim of this study was to analyze whether, and if so, in what way risks would influence  the design,  costs and  routing of CO2 pipelines. This article assesses  locational and  societal  risks  of  CO2  pipeline  transport  and  analyses  whether  rerouting  or implementing additional  risk mitigation measures  is  the most  cost‐effective option. The models  EFFECTS  and  RISKCURVES  are  used  to  estimate  the  dispersion  and  risk, respectively. The pipeline  routes are optimized by using  the  least  cost path  function  in ArcGIS.  

This  article  evaluates  three  case  studies  in  the  Netherlands.  The  results  show  that pipelines  transporting  dense  phase  CO2  (8‐17 MPa)  with  a  minimal  amount  of  risk mitigation measures  already meet  the  10‐6 locational  risk  required  in  the Netherlands.  10‐6  locational risks of 135 m are calculated for  intermediate pumping stations, handling 450  kg CO2/s  (about 14 Mt CO2/y).  In  all  the  cases, pumping  stations  could be  located along the pipeline route without any problem.  

For the cases studied transporting gaseous CO2 (1.5‐3 MPa) leads to larger 10‐6 locational risk distances than transporting dense phase CO2. This is caused by the large momentum behind a dense phase CO2 release, leading to smaller but higher jet and to a higher mixing rate with the surrounding air than for a gaseous CO2 release.  

Based on our analysis,  it can be concluded that dense phase CO2 transport  is safe  if  it  is well organized. The risks are manageable and widely accepted under current legislation. In addition,  risk  mitigation  measures,  like  marker  tape  and  increased  surveillance,  are available which reduce the risk significantly and  increase the costs only slightly. Pipeline routing for gaseous CO2 transport appears more challenging  in densely populated areas, because larger safety zones are attached to it.  

   

                                                                 1  This  article  is  a  slightly  adapted  version  of  the  article:  Knoope, M.M.J.;  Raben,  I.M.E.;  Ramírez, A.;  Spruijt, M.P.N.;  Faaij,  A.P.C.,  2014.  The  influence  of  risk mitigation measures  on  the  risks,  costs  and  routing  of  CO2 pipelines. International Journal of Greenhouse Gas Control 29: 104‐24.  

Chapter 4 

122 

 

Introduction 4.1

A recent study of the International Energy Agency has estimated that around 100,000 km of CO2 pipelines are expected to be built by 2030 worldwide, if carbon dioxide capture and storage  (CCS)  is applied on a  large scale  (IEA, 2010). Currently, around 7,000 km of CO2 pipelines have already been built, mainly for enhanced oil recovery purposes in the United States. These pipelines are mostly installed in areas with a rather low population density. However,  it  is expected that CO2 pipelines  for CCS purposes will also be routed through densely populated areas, e.g. in Western Europe (Yorkshire Forward, 2008; Van den Broek et al., 2010; Koornneef et al., 2010; Vianello et al., 2013). Therefore, risk considerations for new CO2 pipelines could be significantly different than those for existing CO2 pipelines (IPCC, 2005). 

Several studies  in  literature have conducted quantitative risk assessments  (QRA) for CO2 pipelines  (Kruse and Tekiela, 1996; Vendrig et al., 2003; Turner et al., 2006; Molag and Raben, 2006; Vianello et al., 2013).2 In these studies, locational risks vary between < 1 m to 7.2 km assuming different exposure thresholds (Koornneef et al., 2010). Koornneef et al.,  (2010)  also  found  that  the  locational  10‐6  risks  can  vary  between  0  and  204 m, depending on assumptions made regarding mainly the dose‐effect relation (the so‐called probit curve), the direction and momentum of release. 

Safety of pipeline transport can be enhanced by  implementing additional risk mitigation measures. These are  typically aimed  to  reduce  the  failure  frequency of a pipeline or  to limit  the  consequences  of  a  failure.  Examples  of  measures  which  reduce  the  failure frequency are  increasing the wall thickness, marker tape above the pipeline, burying the pipeline deeper or covering the pipeline with protective concrete slabs (Molag and Raben, 2006; Koornneef et al., 2010). Examples of measures  that  reduce  the consequence of a failure are installing block valves on the pipeline, avoiding (densely) populated areas and, for CO2 pipelines, also avoiding areas with topographical depressions (Molag and Raben, 2006;  Koornneef  et  al.,  2010).  The  need  to  apply  (additional)  risk mitigation measures depends on  the  type of substance being  transported,  the characteristics of  the pipeline (e.g.  diameter,  wall  thickness,  material),  operational  conditions  (e.g.  pressure, temperature) and the location of the pipeline (e.g. population density).  

The  consequences  of  several  risk mitigation measures  for  the  locational  risks  of  CO2 pipelines have been analyzed  in  literature  (Kruse and Tekiela, 1996; Turner et al., 2006; Molag and Raben, 2006; Mazzoldi et al., 2013). Kruse and Tekiela (1996) investigated the effect of installing block valves every 5 km instead of every 30 km on the safety distance, which  is defined as  the distance where CO2 concentration exceed 5%vol  for minimal one 

                                                                 2 The different QRA are difficult  to  compare with each other because different assumptions are made about mainly  the dose‐effect  relations, dispersion models  and  failure  frequency.  Furthermore,  several QRA  are  not explicit  about  the  used  assumptions.  Nevertheless,  an  overview  of  several  QRA  is  provided  in  Annex  I.  In addition,  an  overview  of  the  1%  lethality  distances  is  given  in  Annex  I,  which  can  be  considered  as  an intermediate result of the QRA.  

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

123 

 

minute.  For  a  full  bore  rupture  of  a  pipeline  transporting  70 kg/s,  the  safety  distance decrease  from 600  to 150 m  for dense phase CO2  transport  (through a 0.40 m pipeline) and  from  750  to  250 m  for  gaseous  CO2  transport  (through  a  0.65 m  pipeline).  Also, Mazzoldi  et  al.,  (2013)  looked  to  the  effect  of  a  full  bore  rupture  of  dense  phase  CO2 transport using computational fluid dynamics. They calculated that the distance where the CO2 concentration exceeds 10%vol  is 580, 600 and 850 m  for pipeline segments of 5, 10 and 20 km, respectively, for a pipeline of 0.81 m containing 400 tonne CO2 per kilometer. For  a  rupture  of  a  smaller  CO2  pipeline  (of  0.15 m  containing  14  t  CO2  per km),  the distances decrease to 75, 80 and 140 m, respectively (Mazzoldi et al., 2013). Turner et al., (2006)  indicated  that block  valves have  almost no  effect on  the  risk distance  for  small punctures  of  5‐25 mm  but  have  a  positive  effect  on  the  risk  distance  for  a  full  bore pipeline  rupture.  Molag  and  Raben  (2006)  investigated  the  consequences  of  risk mitigation measures for an existing gaseous CO2 pipeline with a diameter of 0.66 m near Zoetermeer, the Netherlands. They indicated that the 10‐6 locational risk would decrease from 21 to 13 m  if an additional block valve  is  installed,3  leading  to a distance between two block valves of about 4 km.4 Additionally, the authors also found that the  locational 10‐6 risk is eliminated if the pipeline is covered with an additional meter of soil, protective concrete slabs are installed, or a digging permit is introduced.  

However,  none  of  these  studies  linked  the  expected  reduction  in  locational  risks  by installing  risk mitigation measures  to  additional  costs.  This  is,  however,  an  important aspect in infrastructure design, as a balance has to be found between risks and economics (Koornneef et al., 2010). For natural gas pipelines, the reduction in failure frequency and cost  of  several  risk mitigation measures  has  been  examined  by  Van  der  Heden  et  al., (2003). The  results  indicate  that  the most cost‐effective measure  for pipeline diameters up  to 0.81 m  is  to  increase  the wall  thickness and,  for  larger diameters,  to  install  slabs above the pipeline. However, the characteristics of natural gas are different than for CO2, i.e. natural gas is combustible and leads to thermal radiation while CO2 is heavier than air and has a toxic element. Hence, conclusions drawn on natural gas pipelines may not apply to  CO2  pipelines.  A  comprehensive  techno‐economic  overview  of  the  effects  of  risk mitigation measures on  the  risk distances and costs of CO2 pipelines  is  lacking  in public literature. 

The risk  level for CO2 pipelines (with or without additional risk mitigation measures) can affect the routing and design of the pipeline (Koornneef et al., 2010; Van den Broek et al., 2010; Vianello et al., 2013). For example, a CO2 pipeline can be  rerouted  in such a way that built‐up areas are avoided. Also the design of the CO2 pipeline system can be changed with respect to operational pressure as gaseous CO2 may have a (dis)advantage compared 

                                                                 3 Molag and Raben (2006) developed the TNO probit for determining locational risks. This probit leads to a lower mortality rate than the ones used by Mazzoldi et al., (2013) and Kruse and Tekiela (1996), see Figure 4.3 further on in the article.  4 The block valves have a reaction and closure time of 10 minutes and, therefore, the effective distance is 5.8 km.  

Chapter 4 

124 

 

to dense phase CO2 transport.5  

In this context, this paper aims to answer the following research question: “How do risk and safety considerations affect the design, routing and costs of CO2 pipeline transport?”. To answer this question, three case studies are investigated. The first case study evaluates a pipeline on  sparsely populated  terrain. The  second  case examines  a pipeline  through more populated area. These two case studies are based on the study of Van den Broek et al., (2010), who planned outlines for CO2 infrastructure in the Netherlands. The third case study  examines  a  CO2  pipeline  placed  in  a  pipeline  corridor  running  from  Antwerp, Belgium to Rotterdam, the Netherlands. A pipeline failure in a corridor can result in other failures  from nearby pipelines.  In  this study,  it  is analyzed what  the risk  implications  for the CO2 pipeline would be if there is a failure of a nearby natural gas pipeline.  

Methodology and data 4.2

In this study, locational and societal risks6 are calculated with and without additional risk mitigation  measures  for  three  different  case  studies. Moreover,  it  is  analyzed  if  risk considerations would change the routing and design of the CO2 pipeline and what the cost implications  would  be.  The  methodology  consists  of  four  steps  and  can  be  briefly summarized as follows. Firstly, the pipeline configurations of three different case studies are  optimized  using  a  model  developed  in  a  previous  study  (Knoope  et  al.,  2014). Secondly, the dispersion and the consequences of a CO2 release to human mortality are determined. Subsequently,  the risk and costs of  the pipeline  for  the base case and with additional risk mitigation measures are calculated. Lastly, the different risk distances and pipeline costs are used to analyze the effect on the routing. In Figure 4.1, a flow diagram of the methodology is given as well as the used software packages. 

Optimal configuration of specific case studies 4.2.1

The  first  case  study  evaluates  a  pipeline  from  the  industrial Dutch  Eemsmond  area  to storage fields in the Wadden Sea based on the work of Van den Broek et al., (2010), see Figure  4.2AB.  This  pipeline  is  71 km  in  length  and  transverses  through mainly  sparsely populated  terrain.7 Van den Broek et al.,  (2010)  indicate a mass  flow of 6 Mt/y  in 2035 and  14 Mt/y  in  2050  for  this  pipeline. Hence,  a  pipeline with  a  capacity  of  15 Mt/y  is proposed. However, at the start of CCS deployment, it would be very likely that point‐to‐point  pipelines  are  installed  rather  than  trunklines.  Therefore,  it  is  assumed  that  the pipeline  would  be  designed  to  transport  the  CO2  of  one  coal‐fired  power  plant  of 750 MWe. The corresponding CO2 mass flow is 150 kg/s (about 4.5 Mt/y), assuming a CO2  

                                                                 5 Dense phase CO2  is not a well‐defined  term.  In  this article, dense phase CO2  refers  to CO2 above  the critical pressure (7.4 MPa) independent of temperature.  6 The locational and societal risks are defined as the probability that a hypothetical person (locational risk) or an actual  group  of more  than N  persons  (societal  risk) would  get  killed  as  a  consequence  of  a  pipeline  failure, respectively. For more information, see section 4.2.3. 7 Less than 2% of the route (≈1 km) transverse populated area with a population density >250 persons/km

2. 

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

125 

 

 

 

   

Figure 4.1: Flow diagram

 of the m

ethodology. Th

e dashed boxes indicate in

puts to the methodological steps indicated with the solid

 boxes. The numbers refer to relevant sections.  

Chapter 4 

126 

 

intensity  of  800 kg/MWh  (before  capture)  and  a  capture  ratio  of  90%  (Knoope  et  al., 2013). 

The  second  case  study  is  also based on  a  trunkline proposed by Van den Broek  et  al., (2010),  namely  a  pipeline  from  the  Rijnmond  area  to Groningen,  see  Figure  4.2A.  This pipeline  is 239 km  long and  transverses  for a major part  sparsely populated  terrain but also  several  populated  areas.8  For  instance,  the  pipelines  go  through  the  Dutch  cities Maarssen,  Nijkerk  and  Zwolle.  In  Figure  4.2D,  the  situation  in  the  area  of  Zwolle  is presented  in more detail. This pipeline will transport CO2  from several sources  from the Rijnmond area to the North of the Netherlands. The assumed mass flow  is 450 kg/s CO2 (about 14 Mt/y), which is equivalent to the CO2 emitted by three coal‐fired power plants. 

The last case study is a pipeline of 73 km installed in a pipeline corridor from Antwerp to Rotterdam,  see  Figure 4.2A  and 4.2C.  This  is,  for  instance, projected  in Piessens  et  al., (2012), and  included  in a scenario analysis  for the CCS development  in the Rotterdam – Antwerp area (RCI et al., 2013) and discussed for the future plans of the Rotterdam harbor area  (Havenbedrijf  Rotterdam,  2013;  Van  Heel,  2013).  In  the  Antwerp  region,  four industrial plants emit  together 34 kg/s  (about 1.1 Mt/y) of almost pure CO2  (Piessens et al.,  2012).9  This  CO2  could  be  transported  to  Rotterdam  within  the  existing  pipeline corridor, which contains pipelines for crude oil, natural gas and hydrogen (LSNed, 2013). This case study only incorporates the Dutch part of the pipeline, which corresponds to the majority of the pipeline, because no detailed spatially explicit data of Belgium is available to the authors.  

An overview of all cases is given in Table 4.1. For all case studies, the most cost‐effective configuration  is  determined  with  an  optimization  tool  developed  in  a  previous  study (Knoope et al., 2014). With this tool, the designs and costs are calculated for 191 different pipeline configurations consisting of dense phase as well as gaseous CO2 transport. For the dense phase  cases,  the outlet pressure  is  fixed on 8 MPa  and  the  inlet pressure  range from  9‐24 MPa,  in  steps  of  1 MPa,  and  0‐10  pumping  stations  are  installed  along  the route. For gaseous CO2  transport,  the outlet pressure  is  fixed on 1.5 MPa and  the  inlet pressure range from 1.6‐3.0 MPa, in steps of 0.1 MPa. For each of the configurations, the most  cost  effective  steel  grade,  the  required  thickness  and  nominal  pipe  size  is determined. Subsequently, the levelized costs for CO2 compression and transportation are calculated for each configuration and the one resulting in the lowest levelized costs can be found. The optimization process can be done for different types of terrain.  In this study, the  configurations  are  optimized  assuming  that  the  pipeline  transverses  only  sparsely populated  terrain.  After  calculating  risks  (section  4.2.3),  it  is  determined  whether increasing the wall thickness is necessary for reducing the risk level to an acceptable level or if rerouting or other risk mitigation measures may be more cost‐effective.  

                                                                 8 About 15% of the route (≈35 km) transverse populated area with a population density >250 persons/km

2.  

9 One ammonia, one hydrogen plant and  two ethylene oxide production plants are  located  in Antwerp and  in Zwijndrecht (Belgium).  

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

127 

 

 

Figure  4.2:  (A)  Overview  of  the  different  pipeline  routes  analyzed  in  this  study;  (B)  detailed pipeline route of case study I; (C) detailed pipeline route of case study III and (D) detailed picture of part of the route of case study II: Zwolle.10 

 

 

                                                                 10 The TOP‐10NL map contains many more different terrain categories than given in the figure. For instance, four 

different types of forest are distinguished; these are merged into one category forest to make the map clearer.  

LegendBuildings     Forest Cultivated land      Heather Orchard     Sand Pasture     Lakes, rivers and seas  

(A) 

Chapter 4 

128 

 

For each case study, not only  the most cost effective configuration  is analyzed but also others to assess the dissimilarities  in risks for different configurations, see Table 4.1. For case  I and  II, gaseous and dense phase CO2  transport are analyzed and  for  case  II,  two additional scenarios are analyzed with  less pumping stations, because pumping stations have a higher failure frequency than pipelines (Vendrig et al., 2003; RIVM, 2009).  

Table 4.1: An overview of the different case studies. 

Parameter  Unit  Case study I, point‐to‐point pipeline in the North of the Netherlands 

Case study II, trunkline through the Netherlands 

Case study III, pipeline corridor 

Length  km  71 239  75Mass flow  

Mt/y  4.5 14 1.1kg/s  150 450  34

Scenarios    Gaseous versus dense phase CO2 transport 

Influence of no or less pumping stations 

Gaseous versus dense phase CO2 transport 

Dispersion and consequences of a CO2 release 4.2.2

In  this  study,  locational  and  societal  risks  are  calculated  by  using  two  commercially available  software packages developed by TNO namely EFFECTS and RISKCURVES  (TNO, 2013ab).  These  software  packages  are  based  on  the  Colored  Books,  which  are internationally recognized guidelines for quantitative risk assessment.11 With EFFECTS, the physical  effects  of  a  single  accident  are  calculated.  Subsequently,  RISKCURVES12 incorporates  the consequences of multiple accident scenarios and  the probability of  the scenarios, to quantify the  locational and societal risks. The main  inputs and assumptions for the calculation of the dispersion, release and effects of a CO2 release are given below, while the inputs and assumptions for the calculation of the locational and societal risks are given in section 4.2.3.  

Release 4.2.2.1

At the inlet of the pipeline, the temperature of the CO2 is about 30‐50°C depending on the amount  of  cooling  present  near  the  capture  plant.  However,  in  a  non‐insulated  steel pipeline  the CO2 will  cool down  to  the ground  temperature, which equalizes  the Dutch annual average daily  temperature of 9.8°C  (RIVM, 2009). The QRA  is executed with  the lowest temperature  (9.8°C) when the CO2 has the highest possible density, because this will lead to the largest risk distance and is, therefore, a conservative approach.  

                                                                 11 The ‘Red’ book describes the methods for determining and processing probabilities. The ‘Yellow’ book contains 

methods  to  calculate  the physical  effects due  to  release of hazardous materials.  The  ‘Green’ book describes methods to determine possible damage to people of objects resulting from release of hazardous materials. The ‘Purple’ book contains guidelines with respect to assumptions for a QRA (TNO, 2013c).  12  SAFETI‐NL  is  the  current  standard  package  for QRAs  for  establishments  in  the Netherlands. However,  this 

package  is  not  suitable  for  dispersion  of  CO2  and  hence  RISKCURVES  is  used.  This  could  lead  to  different outcomes  compared  to  SAFETI‐NL  but  the  comparison  and  implications  of  risk mitigation measures will  not change significantly.  

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

129 

 

The wall roughness of uncoated carbon steel pipelines varies between 16.5 to 100 μm in literature (Knoope et al., 2013). In this study, a value of 50 μm is used. For the release of CO2  from a  long pipeline,  two  standard  scenarios are  run, namely one with a complete rupture of  the pipeline  and one with  a puncture of 20 mm  (RIVM, 2009). A  rupture  is assumed to occur in the middle of the pipeline section, meaning that a two‐sided outflow will occur. Furthermore, it is assumed that the two flows do not interact with each other and, consequently, the total flow rate and the jet surface is doubled compared to an one‐sided outflow.13 

The  typical  distribution  between  leakage  and  rupture  is  75:25  (RIVM,  2009). Historical data shows that the average  leakage – rupture distribution  is about 80:20 and especially small‐sized pipeline have  a  larger  chance of  rupture  (EGIG, 2011). Although  the  typical distribution seems to be on the conservative side, especially for large‐sized pipelines, the typical distribution of 75:25 is used in this study to take a conservative approach. 

Dispersion 4.2.2.2

A  vertically  oriented  release  is  the  standard  release  for  buried  pipelines  (RIVM,  2009). However, a more horizontally oriented release may occur depending on the orientation of the ruptured pipeline section and due to obstruction of the jet. Therefore, the impact of a horizontally oriented release is also analyzed for case study I in a sensitivity analysis.  

The dispersion of CO2 depends on the meteorological conditions. For all case studies, the meteorological conditions are taken from the weather station Soesterberg, which is in the center of the Netherlands. For a complete QRA, six different weather classes have to be calculated  according  to  regulation.  However,  for  simplicity  only  two  situations  are calculated here, namely the most common weather type, D5 (Pasquill stability class D and a maximum  wind  speed  of  5 m/s)  and  the most  conservative  type,  F1.5  (very  stable atmosphere and wind speeds up  to 1.5 m/s). For  the calculations,  it  is assumed  that D5 occurs 77% of the time.14  

The roughness length of the terrain influences the turbulence of the wind and, in this way, the dispersion of  the CO2.  In  this  study,  this value  is based on  the  LGN‐4 map  (Alterra, 2001) and the corresponding roughness  length per  land type (KNMI, 2005). The average roughness length is calculated based on the 100 m surrounding the pipeline. This leads to average  roughness  length of 0.099 m; 0.242 m  and 0.138 m  for  case  study  I,  II  and  III, respectively.15 

                                                                 13 Several previous QRA  incorporate an  interaction component. For  instance, Molag and Raben  (2006) assume 

that  the  two opposite  jets neutralize each other  to  a  large extent, and  consequently  the CO2  release  can be considered as a low velocity source.  14 In all cases, D5 is used as representative for the situation B3; D1.5 and D9, while F1.5 is representative for E5. 

Furthermore, 44% of the time is day.  15 These values are all lower than the standard value of 0.3 m, which is set as default for the Netherlands (RIVM, 

2009). A lower value leads to higher risks, because there is less turbulence and dispersion of the CO2. Hence, the adaptation results in a more conservative value.  

Chapter 4 

130 

 

Human mortality rate 4.2.2.3

Generally,  a  relation  between  concentration,  exposure  time  and  lethality,  a  so‐called probit function, is used for quantitative risk assessments. Several probit functions for CO2 exist  in  literature,  see  Figure  4.3.  However,  none  of  them  is  based  on  extensive experimental work. According  to  the Dutch National  Institute  for Public Health and  the Environment  (RIVM), not enough data  is currently available to establish a reliable probit function  for  CO2  exposure  to  humans  (Burg  and  Bos,  2009).  RIVM  advises  to  use  the following semi‐quantitative estimates as conservative guidelines  for up to one hour CO2 exposure to humans:  

‐ No deaths are expected at CO2 concentrations of up to 5‐10 %vol; ‐ Serious effects and possible mortality may start to occur at about 10‐15 %vol; ‐ A high level of mortality may occur at about 20‐25 %vol. 

This implies that a concentration of 10%vol is the maximum concentration of CO2 where no death occurs.  In  this study, a QRA  is conducted where concentrations below 10%vol CO2 are never lethal and concentrations above 10%vol are always lethal.  

Locational and societal risk  4.2.3

Locational risk is defined as the likelihood per year that a person who is continuously and without protection at a certain location, is fatally injured as a consequence of an event at the transportation route leading to the release of a dangerous good. In the Netherlands, locational  risk  of  10‐6  per  year  is  considered  the  limit  value  for  vulnerable  buildings (houses, hospitals, schools etc.), while for less vulnerable buildings like offices, recreation activities  and  shops,  the  locational  risk  level of  10‐6  is  a  target  value.  In  this  study, no distinction  is  made  between  vulnerable  and  less  vulnerable  buildings,  and  the  10‐6  requirement  is used as  limit value  in all cases. For new pipelines containing natural gas or other flammable and combustible  liquids, the 10‐6  locational risk should be within 5 m distance of the heart of the pipeline  (IenM, 2012). For chemicals,  like CO2, this may not be feasible (at reasonable costs) and exceptions can be made (IenM, 2012).  

Societal risk refers to the cumulative probability per kilometer of pipeline that a group of at  least N persons  is fatally  injured as a direct consequence of their presence within the impact  area  of  the  pipeline  during  a  failure.  In  contrast  to  the  locational  risk,  which assumes a hypothetical person which  is present all  the  time,  the societal  risk  takes  into account the actual presence of persons and is, therefore, site specific. So, the societal risk can be nil if no people are present around the pipeline, whereas the locational risk may be high  (Bottelberghs, 2000). The acceptability of  the societal  risk depends not only on  the probability but also on the number of fatalities, see Figure 4.4. Furthermore, the criteria vary between different countries. In the Netherlands, the societal risk criterion of fN2>10‐2 

is an orientation value, where  f  is  the  frequency and N  the number of  fatalities. Hence, societal  risk  exceeding  the  criterion may  be  allowed  if  all  risk mitigation measures  are applied which are not unreasonable with respect to costs or other aspects, i.e., the “as low as reasonably achievable” principle (Bottelberghs, 2000).  

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

131 

 

 

Figure  4.3:  Comparison  of  four  different  probit  functions  of  the  concentration  of  CO2  versus mortality, namely Lievense (Lievense, 2005), TNO (Molag and Raben, 2006), HSE (McGillivray and Wilday, 2009), and Tebodin (Dijkshoorn and Kaman, 2011), for two different exposure times.  

 

Figure 4.4: Societal risk criteria in the Netherlands, Hong Kong and the United Kingdom (Center for Chemical Process Safety, 2009; VROM et al., 2012). 

People present 4.2.3.1

For the societal risk, the actual presence of persons needs to be taken into account. In this study, the population density map on a 100 x 100 meter scale is used (CBS, 2013), thereby underestimating the societal risk in business and recreational areas. For the societal risks, it is of importance if people are in‐ or outdoors, because persons indoors are protected up to a certain  level against  toxic clouds and heat radiation.  In  the guideline,  it  is assumed that the lethality inside due to toxic exposure is 10 times lower than outside, independent of the concentration (RIVM, 2009). Additionally,  inhabitants are 93% of the day and 99% of the night indoors (RIVM, 2009). These assumptions are also used in this study.  

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

Mortality (%

)

CO2 concentration (vol%)

1 min Tebodin

1 min HSE

1 min TNO

1 min Lievense

60 min Tebodin

60 min HSE

60 min TNO

60 min Lievense

10%

ACCEPTABLE

1.0E‐10

1.0E‐09

1.0E‐08

1.0E‐07

1.0E‐06

1.0E‐05

1.0E‐04

1.0E‐03

1.0E‐02

1.0E‐01

1 10 100 1000 10000

Freq

uen

cy

Number of fatalities 

Netherlands

Hong Kong

United Kingdom

Chapter 4 

132 

 

Failure frequency of base scenario 4.2.4

Pipeline 4.2.4.1

In Table 4.2, average failure frequencies are given for natural gas pipelines  in the United States (based on PHMSA data), the United Kingdom (based on UKOPA data) and for whole Europe (based on EGIG data). For  instance, the U.S. reported on average 0.105  incidents per 1,000 km per year in the period 1993‐2012 whereas the EU reported on average 0.162 incidents  per  1,000  km  per  year  in  the  period  2006‐2010.  The  difference  in  failure frequency  found  between  the  databases  is  partly  caused  by  the  dissimilarity  in  the definition of a failure16 and the stricter design regulation for pipelines in populated areas in the United Kingdom.17 

For CO2 pipelines, 10 significant and 18 non‐significant incidents with CO2 pipelines were reported in the United States in the period 1986 to mid‐2013 (PHMSA, 2013a). This results in  an  estimated  failure  frequency  of  0.063  and  0.175  per  1,000  km  per  year  for  only significant  and  for  both  significant  and  non‐significant  incidents  respectively,  see  Table 4.2.  The  experience  of  CO2  pipelines  is  too  limited  to  provide  insight  into  the  failure frequency of CO2 pipelines for different diameters and wall thicknesses.  

Therefore, failure rates based on natural gas pipelines are used in this study, although it is acknowledged that CO2 pipelines have different characteristics than natural gas pipelines (Koornneef  et  al.,  2010;  Knoope  et  al.,  2013).  This  can  be  justified  because  pipelines transporting dense phase CO2 have on average a  larger wall  thickness  than natural gas pipelines making  them more  resistant  to  external  interference  and  corrosion.  Hence, failure frequencies based on natural gas pipelines are expected to provide a conservative indication of  failure  frequencies of pipelines  transposing dense phase CO2. For pipelines transporting  gaseous  CO2,  the  failure  frequencies  are  based  on  the  same  approach because  no  other  method  is  known.  This  may,  however,  lead  to  too  low  failure frequencies. 

The  failure  frequencies  of  pipelines  decrease with  increasing  thickness  (Cosham  et  al., 2008; EGIG, 2011; McConnel and Haswell, 2012). To take this into account, the method of BSi  (2008)  is  used  for  estimating  the  external  interference  failure  frequency  of  a   

                                                                 16 EGIG and UKOPA data include all failures related to unintentional gas release while only significant incidents in 

the  PHMSA  database  are  included,  i.e.,  incidents  with  a  minimum  loss  of  50 barrels,  with  economic  costs exceeding 50,000 $1984 (about 80,000 €2010) or with victims. Before 1984, there was no threshold and all incidents were  reported by  the PHMSA. There were  five  times more  incidents  reported  in  the period 1979‐1983  (0.90 incidents/year  per  1,000  km)  than  in  the  period  after  1985‐1989  (0.18  incidents/year  per  1,000  km).  This  is probably largely caused by the introduction of the threshold (Guijt, 2004). 17 In the United Kingdom a design factor of 0.72 is used for non‐populated areas (<250 persons/km

2) and 0.3 for 

populated areas  (≥250 persons/km2), while  in the USA and the rest of Europe a more gradual  increase  from a 

design  factor of 0.72  to 0.4  is  regulated  (Van der Heden et al., 2003; Code of Federal Regulation, 2010). The design  factor determines  the  required  thickness of  the pipeline.  For  instance,  a  50%  reduction  in  the design factor leads to a doubling in the required thickness.  

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

133 

 

Table 4.2: Historical failure frequencies (per 1,000 km per year) of pipelines. 

  UKa

2007‐2011 UK

a

1962‐2011EU

b

2006‐2010 EU

b

1970‐2010 U.S.

c,

natural gas

 

1993‐2012

U.S.d, CO2 

1986‐2013 

Sig.  Both 

Pipeline exposure (1,000 km * year) 

111 812 654 3,550 27,595 160 

 Total failure frequency 

0.108 

0.230 

0.162(0.133‐0.196)

0.351(0.332‐0.371)

0.105 0.063  0.175 

‐ External interference 

0.028 0.050 0.057(0.040‐0.078)

0.170(0.157‐0.184)

0.028 0.006  0.013 

‐ Corrosion  0.054 0.050 0.040(0.026‐0.058)

0.057(0.049‐0.065)

0.015 0.000  0.013 

‐ Unknown / other 0.017 0.058 0.008 0.022 0.036 0.031  0.075 ‐ Pipe or weld defect 

n.a. 0.062 0.042(0.023‐0.069)

0.076(0.064‐0.089)

0.014 0.019  0.069 

‐ Natural hazards  0.009 0.009 0.015(0.007‐0.028)

0.026(0.021‐0.032)

0.011 0.006  0.006 

 Source  Arunakumar, 2007; McConnel and Haswell, 2012 

McConnel and Haswell, 2012 

EGIG, 2011 EGIG, 2011 PHMSA, 2013b; 2013c 

PHMSA, 2013a 

a) In  the  UK,  failures  of major  accident  hazard  pipelines  are  collected  by  the  United  Kingdom  Onshore Pipeline Operators’ Association (UKOPA). More than 90% of all included pipelines are natural gas pipelines, but  also  ethylene,  propylene,  hydrogen  and  (spiked)  crude  oil  are  included.  Incidents  leading  to  an unintentional gas release are included if they are related to the pipeline (and not to associated equipment like valves and compressors) in the public domain. 

b) Fifteen major  gas  transmission  system  operators  in  Europe,  covering  about  50%  of  all  gas  pipelines  in Europe,  report  their  pipeline  failures  to  the  European  gas  pipeline  incident  data  group  (EGIG).  Only onshore pipelines are included which are made of steel, have a design pressure of 15 bars or more, and are placed outside  the  fences of a plant. All  incidents  related  to  the pipeline are  incorporated  (and not  the incidents associated with equipment  like valves and compressors)  resulting  in unintentional gas  release. The 95% confidence interval of the failure frequencies is given within brackets.  

c) The failure rates in the table are related to significant incidents on gathering, transmission and distribution pipelines transporting natural gas  in the United States. An  incident  is significant  if  it  leads to a fatality or injury requiring in‐patient hospitalization, if the costs exceed 50,000$1984 (about 80,000 €2010), if more than 50 barrels of liquid are lost (or 5 barrels of highly volatile liquid) or if the release leads to an unintentional fire or explosion. The actual failure rates are not given but these can be calculated from the incident data (PHMSA, 2013c) and the total mileage (PHMSA, 2013b). 

d) The data  in  the  table  for  significant and both  significant and non‐significant accidents  is extracted  from (PHMSA,  2013a).  Four of  the  ten  significant  and  six of  the  18 non‐significant  incidents were  related  to (safety relief) valves. Since valves will also be included in the CO2 pipelines, these are incorporated in the table  under  the  category  ‘others’.  For  calculating  the  failure  frequency,  it  is  assumed  that  on  average 5,600 km pipeline was  installed  in the period  from the beginning of 1986 to mid‐2013  (Mohitpour et al., 2012). The number of replaced pipelines is assumed to be negligible, due to the long lifetime of pipelines. Hence, the failure frequency is based on a total installed capacity of 159,600 km.  

 

Chapter 4 

134 

 

pipeline.18 They give a ‘base’ failure probability caused by external interference for several diameters and multiply this with reduction factors dependent on the thickness and on the design factor, see equation 4.1. The method is in principle only valid for steel grades up to, and including, X65. However, in this study it is also used for higher steel grades, like X80, because  no  better method  is  known. As  a  consequence,  the  overall  failure  probability would  be  underestimated.  It  is  expected  that  this  is  (partly)  compensated  by  the  on average  larger wall  thickness of CO2 pipelines,  since  the  reduction  factors are  relatively conservative with increasing wall thickness (Cosham et al., 2008).  

_ _    (4.1) 

_ _   (4.2) 

where,  Pfailure_ext  is  the external  failure  frequency; Pfailure_base  is  the  ‘base’  failure frequency due to external interference for a specific diameter19; RFdf is the reduction factor of 1.0 for a design factor of 0.72 and 0.81 for a factor of 0.5; t is the thickness (mm); X is a constant of ‐0.24 for a design factor of 0.72 and ‐0.31 for a factor of 0.5; RFmiti is the risk reduction factor if risk mitigation measures are installed, see Table 4.5; Pfailure refers to the total  estimated  failure  frequency;  and  Pfailure_other  is  the  failure  frequency  due  to  other causes than external interference, see Table 4.3. 

Table  4.3:  Estimated  failure  frequencies  (per  1,000  km  per  year)  related  to wall  thickness  for external and internal corrosion, ground movement, material and construction defects. 

  <5 mm 5 ‐ 8 mm 8 ‐ 10 mm 10 ‐ 12 mm 12 ‐ 15 mm  >15 mm 

External corrosiona 

0.0302 0.0046 0.0046 0.0 0.0 0.0 Internal corrosion

b  0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 

Material and construction defects

c 0.101 0.0128 0.0092 0.0062 0.0014 0.0008 

Ground movementd 

0.00009 0.00009 0.00009 0.00009 0.00009 0.00009 Total   0.131 0.017 0.014 0.006 0.001 0.001 

a) The values given  in  the  table are historical external corrosion  rates  reduced by a  factor  ten, because  it  is assumed that corrosion control procedures are in place (BSi, 2008). 

b) Internal  corrosion  rates depend on  the  substance  transported,  the  corrosion  control procedures and  the frequency  of  in‐line  inspection  (BSi,  2008).  No  (significant  or  insignificant)  incidents  related  to  internal corrosion  for CO2 occurred  in  the past  (PHMSA, 2013a). Assuming  that  the  transported CO2  is effectively dried before entering the pipeline, the  internal corrosion rate  is estimated to be zero for all wall thickness categories.  

c) Material  and  construction  defects  occur more  frequently  on  older  pipelines.  Therefore,  historical  failure rates are reduced by a factor 5 for pipelines commissioned after 1980 (BSi, 2008).  

d) In the Netherlands, ground movements hardly occur due to the lack of slopes. Therefore, the highest value of the lowest risk category is used (BSi, 2008), to make ground movement unlikely but still possible. 

                                                                 18 Two methods are given in the BSI code, a generic failure model and a more precise model. For this study, the 

generic model is used because this gives conservative estimations, is suitable for all thicknesses and is easier to apply.  19 The ‘base’ failure frequencies are for a wall thickness of 5 mm and depend on the diameter. For a diameter of 

0.22; 0.27; 0.32; 0.41; 0.48; 0.61; 0.76 and 0.91 m,  the  failure  frequency  is 0.223; 0.219; 0.217; 0.214; 0.212; 0.208; 0.203; and 0.199 per 1,000 km per year, respectively.  

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

135 

 

Besides  the  failure  frequency  for external  interference, estimations are given  for  failure frequencies  caused  by  external  corrosion,  ground  movement  and  material  and construction  defects  in  the  BSi  (2008).  These  factors  are  related  to wall  thickness  and estimations  are  given  in  Table 4.3. With  equation 4.2,  the  total  failure  frequency  for  a pipeline can be estimated. 

Pumping stations 4.2.4.2

Pump defects caused 3 significant and 6 non‐significant incidents on CO2 pipelines in the United States  in  the period 1986‐2013  (PHMSA, 2013a). However,  it  is not  known how many CO2 pumps are  installed,  so no  failure  frequency  can be calculated based on  this data. Nevertheless, it is clear that pumps are the cause of several leakages.  

The  annual  failure  frequency  of  centrifugal  pumps  and  compressors  with  casing  is estimated at 4.5 x 10‐3,  independent of pressure (RIVM, 2009). Most of these failures are related  to punctures of 10% of  the diameter, namely 4.4  x 10‐3. The  rest  (1.0  x 10‐4)  is related to a catastrophic failure, which is modeled as a rupture in the pipeline going to the pump  (RIVM,  2009).  This  is  assumed  to  result  in  an  one‐sided,  horizontally  oriented release because of the aboveground location of the pumping station. 

The influence of risk mitigation measures on costs and failure frequency 4.2.5

The  energy  consumption,  operation  and maintenance  (O&M)  and  capital  costs  for  the compressor at the capture site, pumping station and the pipeline are based on Knoope et al., (2014). The cost equations for the capital costs are given in equations 4.3, 4.4 and 4.5, while other cost related assumptions are given in Table 4.4.  

21.9.

.   (4.3) 

74.3 . .   (4.4) 

1   (4.5) 

  (4.6) 

  (4.7) 

where, Icomp are the investment costs of compressor (M€2010); Wcomp is the capacity of the compressor (MWe), with a maximum of 35 MWe; n is the number of units in parallel; Ipumpare  the  investment  costs  of  pumping  station  (M€2010);  Wpump  is  the  capacity  of pumping station per unit (kWe) with a maximum of 2 MWe; Ipipe are the investment costs of pipeline  (M€2010); CMaterial  refers  to  the material costs of  the pipeline  (€2010); CLabor are  the costs for labor (825 €/m2); L is the length of the pipeline (m); ODNPS is the outer diameter of the nominal pipe size (m); CFixed are the fixed costs (0 for onshore pipelines and 35 M€ for offshore pipelines); CMisc are the miscellaneous costs (25 %); CROW are the right‐of‐way costs (83 €/m); t is the wall thickness (m); ρsteel is the density of steel (7900 kg/m

3); Csteel refers to the  steel  cost,(1.17  €/kg  X42  and  1.50  €/kg  X80);  MAOP  is  the  maximum  allowable operation pressure, which  is 10% higher  than  the  inlet pressure; S  is  the minimum yield 

Chapter 4 

136 

 

stress ( 550 MPa for pipelines made of X80 transporting dense phase CO2 and 275 MPa for pipelines of X42 transporting gaseous CO2); F is the design factor; E is the longitudinal joint factor (=1); and CA is the corrosion allowance (= 0.001 m).  

As base  case,  the pipeline  is designed with  a design  factor of 0.72, has  a  soil  cover of 1.0 m, block valves are  installed every 32 km and a surveillance  inspection  is conducted every two weeks.20,21 If (additional) risk mitigation measures are applied, the costs of the pipeline will increase and the failure frequency will decrease. The following risk mitigation measures are included in this study: 

‐ Bright‐colored marker tape can warn an excavator driver that there is a pipeline under the ground. 

‐ Protective concrete slabs reduce the possibility of external interference by warning an excavator driver that there is something below the concrete slab. 

‐ Burying  the pipeline deeper at 2.0 m  reduces  the chance  that an excavator hits  the pipeline. 

‐ Designing  the  pipeline  with  a  lower  design  factor  of  0.5  leads  to  a  higher  wall thickness, which gives resistance to excavators and other construction equipment. 

‐ Weekly surveillance frequency to detect unauthorized excavations along the pipeline route and action can be taken before the pipeline is damaged.  

‐ Installation  of  additional  automatic  block  valves  every  16  km  to  isolate  a  pipeline section if a leakage occurs and thereby limit the amount of CO2 released.

22 

The  last measure does not decrease the failure frequency of the pipeline but diminishes the  consequence  of  a  release.  The  other  risk mitigation measures  focus  primarily  on diminishing  the  failure  frequency  of  external  interference,  as  this  is  one  of  the major causes  of  pipeline  failure.  For  each  measure,  the  reduction  factor  on  the  external interference  frequency  is given  in Table 4.5 and  the cost  implications are given  in Table 4.6.  

Table 4.4: Economic assumptions (Knoope et al., 2014). 

Parameter  Unit Value 

Lifetime of the pipeline including safety measures Years 50 Lifetime of compressors and pumping stations Years  25 Discount rate  % 10 Operation hours  hr/y 8760

 

O&M costs pumping stations and compressors % of Ipump and Icomp 4.0 O&M costs pipeline including safety measures % of Ipipe 1.5 Cost of electricity

 €/MWh 100 

                                                                 20 According to the code of federal regulation, block valves have to be installed at least every 32 km for pipelines 

transporting a (liquefied) gas (Code of Federal Regulation, 2010). 21 Helicopter surveillance is carried out once every two weeks for natural gas pipelines in the Netherlands (Laheij 

et al., 2008). This frequency is also assumed for CO2 pipelines.  22 A  distance  between  block  valves  of  16  km  is  comparable  to  the  distance  between  block  valves  of  15  km 

planned  for  the QUEST  CO2  pipeline  in  Canada  (Shell  et  al.,  2010)  and  to  the  15‐23  km  proposed  for  a  CO2 pipeline in the Yorkshire and Humber area, United Kingdom (NationalGrid, 2012).  

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

137 

 

Table 4.5: Failure frequency reduction factor. 

Risk mitigation measure Reduction factora

Source

Marker tape  0.599 RIVM, 2010Concrete slabs  0.200 RIVM, 2010Concrete slabs & marker tape 0.033 RIVM, 2010Burying pipeline at 2.0 m instead of 1.0 m

b0.091 Jager et al., 2002

Lower design factorc

Equation 4.1 Cosham et al., 2008; Haswell et al., 2009 

Surveillance interval 0.70 Haswell et al., 2009Block valves

d 1.0 Tiemessen et al., 2005

 

a) The reduction factor (RFmiti) has to be multiplied with the external failure frequency for the base case, to get  the new  failure  frequency, see equation 4.1.  In principle, multiple measures can be  installed and  in that  case  the different  reduction  factors  are multiplied with  each other. However,  this will  lead  to  an overestimation of the total risk reduction.  

b) Several sources estimate the reduction in failure frequency due to external interference if the cover depth is  increased from 1 to 2 m. Guijt (2004) estimated a reduction factor of 0.10 for pipelines  in rural areas and of 0.29  in  suburban areas. A  similar  reduction  factor of 0.091  is estimated  for Dutch  transmission pipelines, which transverse mostly through rural areas, as well as for regional distribution pipelines which go  through more populated areas  (Jager et al., 2002). The  relationship derived by  Jager et al.,  (2002)  is advised  to use  in  risk  calculations by  the RIVM  (Laheij  et  al., 2008; Gielisse  et  al., 2008a). However,  a considerable higher  reduction  factor of 0.5  is estimated by Haswell et  al.,  (2009), which  is based on  a report prepared for HSE (Mather et al., 2001). In this report, the pipeline depth is not exactly known but only three different depth categories are distinguished. Furthermore, there is a relatively large amount of data points with an unknown depth, and these are assumed to belong to the category with the least cover depth. In contrast, the depth per point is known in the study of Jager et al., (2002) and this serves as the basis for the analysis. This seems to be a more precise approach and, therefore, the results of Jager et al., (2002) are used in this study.  

c) The external  failure  frequency with a higher wall  thickness  is calculated by equation 4.1. The  reduction factor  varies  from  1.0  for  pipelines  transporting  gaseous  CO2  to  0.1  for  large  diameters  with  a  high maximum allowable operation pressure (MAOP).  

d) Automatic block valves isolate a pipeline section if a pressure drop is detected. For model simplicity, the closure time for block valves (about 2 minutes for automatic block valves)  is not taken  into account and block  valves  are  assumed  to  close  immediately.  This will have  a  limited  influence because  the  volume between two block valves is rather large (even in the additional block valve case) compared to the volume going  through  the block valve during closure. The block valve system  fails  to close  in 0.1% of  the cases (Tiemessen  et  al.,  2005).  Finally, block  valves  are  assumed not  to  change  the  failure  frequency of  the pipeline. 

Multiple  risk  mitigation  measures  can  be  installed  simultaneously  and  therefore  two additional scenarios are included in this study. Firstly, a scenario where the two cheapest measures  are  combined,  namely marker  tape  and  increased  surveillance.  Secondly,  a scenario which  combines  a  design  factor  of  0.5,  burying  the  pipeline  on  2.0 m  depth, marker  tape, and  increased surveillance.  In both scenarios,  the corresponding reduction factors  are  multiplied.  This  could  lead  to  an  overestimation  of  the  reduction  factor because an  incident can only be prevented once. For  instance, similar  incidents could be avoided  by  surveillance  than  by  burying  the  pipeline  deeper. However,  this method  is applied because no better method is known.  

   

Chapter 4 

138 

 

   

Table 4.6: C

osts of risk m

itigation m

easuresa

Risk mitigation measure

Material costs

Additional installation costs

Total costs 

Sources

Marker tapeb

200 (50‐300) €/km

20 €/km

220 €/km

Boddingtons, 2013; Brady, 2013; SETON, 2013; 

UK Tapes Ltd., 2013; G

uijt, 2013

Concrete slabsc

35 (20‐70) €/m

240,000 €/km

110,000 €/km

Van der Heden et al., 2003; Billet and 

Pognonec, 2008; Slimbestraten, 2013; M

holf, 

2013; Constarbeton, 2013; Van der Wal, 2013

41,500 – 61,500 €/km

41,500 – 61,500 €/km

(dependent on diameter)

 (dependent on diameter)

Lower design

 factore

see equation 4.5‐ 4.7

not applicable

see equation 4.5‐ 4.7

Knoope et al., 2014

Surveillance

 intervalf

n.a.

135 €/km/y

1,337 €/km

Andrew Palm

er and Associates, 2003

Block valvesg

23,000 ‐ 350,000 €/ valve

3,000 ‐ 14,000 €/ valve

26,000 ‐ 365,000 €/ valve

Schippers, 2013; Bor, 2013

c) Theaverage

materialcostsofthedifferentsourcesare

31€/m

2.A

slightlyhighermaterialprice

of35€/m

2isusedto

take

aconservative

approach.Theconcrete

slab has to be 0.5 m

 longer at both sides of the pipeline for effective protection of the pipeline (Sällström et al., 2013). The most common sizes of concrete slabs are 

1.0 x 1.0

mand2.0

x2.0

m(VanderWal,2013;D

am

Beton,2013).The1.0

x1.0

mslabistoosm

allevenforthesm

allestdiameteravailable.O

therless

common

sizesare

(alm

ost)asexpensive

permeterofpipelinelengthasthe2.0

mwidth

slabs.Therefore,onlyonesize

isusedforsimplicity,in

thisstudy.This

leadsto

materialcostsof70,000€/km.Fortheinstallation(includingtransportation)cost

ofconcrete

slabsonanewto

buildpipeline,alm

ost

nodata

isava

ilable

inthe

public domain and the cost estim

ation of Van der Heden et al., (2003) is used. 

Burying the pipeline at 2.0 m

 

(instead of 1.0 m)d

not applicable

Van der Heden et al., 2003

a) Inthisarticle,allcostsare

correctedto

€2010usingtheupstreamcapitalcostindex(UCCI)(IHS,2013).Thecostsin

eurosare

firstconvertedto

dollars

withthe

average

exchange

rate

oftheyearwhere

thecostsare

specificfor,subsequentlytheyare

convertedto

$2010withtherelevantUCCIandthenback

toeuroswiththe

average

 exchange

 rate of 2010, w

hich is 0.75 €

2010/$

2010 (O

ANDA, 2011).

b) Twotypesofmarkertapeexist,detectable

andnon‐detectable

tape.D

etectable

markertapecanbefoundwithametaldetectorandismore

expensive

than

non‐detectabletape,namelymaterialcostsofabout275‐400€/kmcomparedto

50‐300€/km(Boddingtons,2013;Brady,2013;SETO

N,2013;UKTapesLtd.,2013).

Forthis

study,

detectable

tapeis

consideredto

beunnecessary

andtheaverage

materialcostsfornon‐detectable

tapeare

usedforthecalculation.For

installation,anemployersimplyunrollsthetapeabove

the(partial)buriedpipelinewithanaverage

walkingspeedofabout5km

/hour(Guijt,2013).Withlabor

costs of 100 €/h, the installation costs are about 20 €/km. This leads to total costs of 220 €/km. 

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

139 

 

 

 

Table 4.6: C

osts of risk m

itigation m

easures (continued).. 

d) Thecostsforburyingthepipelineare

assumedto

dependlinearlyontheamountofsoilthathasto

beexcavated.To

calculate

theamountofsoilthathasto

be

displaced,theanglebetw

eenthebottomoftheditch

andthegroundisassumedto

be45degreesandthetrench

width

istheouterdiameterplus0.5m

(Vander

Hedenetal.,2003).Thecostsforexcavating,refillingandconsolidatingthegroundare

estim

atedat5€2010/m

3(VanderHedenetal.,2003).Hence,theadditional

costsforburyingthepipelineat2minsteadof1

mrange

from19,000€/kmto

39,000 €/kmforpipelinediameters

from0.11 m

to1.42 m.IntheNetherlands,the

costsforburyingthepipelineat2.0mwouldbehigherbecause

thegroundwaterlevelisratherhigh.Hence,additionalpumpingcostshave

tobemade,whichare

independentofthediameter.Thepumpingcostsare

estim

atedat30€permeterpipeline(VanderHedenetal.,2003).Pumpingisalreadynecessaryfor25%of

thepipelinelengthwithaburyingdepth

of1.0mintheNetherlands.Foradepth

coverof2.0m,thewatershould

bepumpedawayalongtheentire

pipelinelength

(Van der Heden et al., 2003). This increases the costs with 22,500 €/km to 41,500 – 61,500 €/km.

e) Theadditional(m

aterial)costsare

stronglyrelatedto

MAOPanddiameter.Forexample,thecostsdonotincrease

foradiameterof0.41mandaMAOPof2.5

MPadueto

the1.0%thickness

requirement.However,in

thiscase

alsonoreductionin

failure

frequency

isrealized.Astrongcostincrease

isrealizedwithlarge

diametersandhighMAOP.Forinstance,foradiameterof0.91mandaMAOPof15MPa,thecostincrease

is0.24 M€/km

leadingto

areductionof0.165per1,000

km/year in failure frequency. 

f) Thecostsofconductinganadditionalhelicopterinspectionare

5.1€2010/km

andindependentofdiameter(AndrewPalm

erandAssociates,2003).Additionally,

furtherinvestigationcostsofindicatedincidentsare

about87€2010perincident.Onapipelinenetw

orkof11,000km

,there

are

17,000activitiesreportedperyear.

Only60%oftheactivitiesare

reported,makingthetotalnumberofactivities28,333(AndrewPalm

erandAssociates,2003).Onaverage

39%ofallactivitiesis

indicatedwithahelicoptersurveillance

conductedevery

twoweeks

and49%

withweeklysurveillance.From

theindicatedincidents,10%

needsfurther

investigation.Thismakestheyearlyinvestigationcosts[(87x28,333x39%x10%)/11,000/26]=0.34€2010/km

persurveillance

withasurveillance

every

twoweeks

and0.21 €

2010/kmpersurveillance

withaweeklysurveillance

(AndrewPalm

erandAssociates,2003).Hence,thedifference

inannualinvestigationcostsandtotal

costsbetw

eenaweeklyhelicoptersurveillance

andasurveillance

everytw

oweeks

is2.1€/km/y

and135 €/km/y,respectively.Toconverttheyearlycostsinan

equivalentofinvestmentcosts,theyearlycostsare

dividedbythecapitalrecovery

factor,whichis

,where

ris

thediscountrate

(%);andzisthe

g) Thematerialcostsforblock

valvesare

basedonfullbore

ballvalves,ANSIclass

1500#rated,withapneumaticclosure

system.Thematerialcostsforblock

valvesare

23k€

for0.22m;44k€

for0.41m;60k€

for0.51m;88k€

for0.61m;and343k€

for0.91m

pipeline,excludingvalueaddedtax(Schippers,2013).The

installationcostsforinstallingablock

valveduringconstructionofthepipelineare

estim

atedat14 k€/block

valvefora0.91mpipeline(Bor,2013).Thisincludes

thecostsoffittingwelding,weldingcheck,supervisionandthecostsofwrappingtheblock

valvein

plasticandsealant,to

avoid

currency

loss

ofthecathodic

protectionsystem.Forasm

allersizedpipelineof0.22m,theinstallationcostsare

less

andare

estim

atedat3.2 k€/block

valve(Bor,2013).Theinstallationcosts

oftheinterm

ediate

diameters

are

foundbyinterpolation.Thisleadsto

constructioncostsof6.2k€/block

valvefor0.41 m;7.8 k€/block

valvefor0.51m;and9.3

k€/block valve for 0.61 m. The costs exclude purchase

 of land, foundation, engineering, project and site management, commissioning and contingencies. 

Sällström

etal.,(2013)estim

ate

thecostsforburyingapipelinewithadiameterof0.16mat2.0m

insteadof1.0m

at30,000€/kmiffillingmaterialispresent.

These

costsare

(forthesamediameter)in‐betw

eenthecostsestim

atedinthisstudy,namely20,000 €/kmexcludingand42,000 €/km

includingpumpingcosts.It

is unclear if the costs of Sällström et al., (2013) in‐ or exclude pumping costs.

11

Chapter 4 

140 

 

Analyzing the consequences of risks on the routing and costs of pipelines 4.2.6

For  routing  the pipelines,  the  software program ArcGIS  is used which  is a geographical information system appropriate for conducting spatial analysis and visualization purposes. As  input  for  the routing analysis,  the TOP‐10NL map  is used, which  is  the most detailed map  of  the  Netherlands  (GEODAN,  2013).  On  this  map,  separate  buildings  can  be distinguished,  but  no  distinction  can  be  made  between  types  of  buildings  (barns, companies, houses, etc.). Therefore, all buildings are treated as houses.  

To  assess  if  rerouting  or  implementing  one  or multiple  risk mitigation measures  is  the most cost‐effective option, the pipeline route is optimized (again) with the least‐cost‐path function  in  ArcGIS  in  a  four  step  procedure.  As  a  first  stage  approach,  only  the  10‐6 locational risk distances are used for selecting pipeline routes. Subsequently, it is checked if the pipeline routes meet the societal risk criteria.  

The  first  step  in  the  route  selection  is aggregating  the buildings  to  limit  the number of individual buildings  and  to diminish  the  calculation power. Buildings  standing  less  than 50 m  from  each  other  are  merged  and  spaces  less  than  10  m2  are  ignored.  This aggregation  step  reduces  the  number  of  buildings with  90%,  but  does  not  change  the layout of the map considerably as can be seen in Figure 4.5. 

 

Figure 4.5: Map of Zwolle used for the routing before (left) and after (right) the aggregation step.  

Secondly, a buffer equalizing the distance of the  locational 10‐6 risk  is placed around the buildings for each risk mitigation measure (or combination of measures). If there is a risk mitigation  measure  that  is  more  expensive,  and  results  in  a  lower  reduction  in  risk distance  than another measure,  the measure  is omitted. A schematic  result of different locational  risks around a building  is given  in Figure 4.6. The most  inner  circle  (with  the lowest  safety  distance)  is  realized  if  multiple  safety  measures  are  implemented simultaneously. Consequently,  the pipeline  in  the  inner  zone has  the highest  costs per kilometer.  If no 10‐6  locational risks are present, pipelines can be  in principle be  located near  houses.  However,  in  practice,  construction  is  easier  if  there  is  space  between buildings and the pipeline. It is estimated that the total right‐of‐way requirements during 

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

141 

 

construction for a diameter smaller than 0.41 m is 25 m; 30 m for 0.46‐0.61 m; 35 m for 0.76‐0.91 m and 40 m for  larger diameters (Gulf  Interstate Engineering, 1999).23  If no or very small 10‐6 locational risks are calculated, these distances are used for determining the optimal route, thereby it is assumed that the distance is equally spread between the two sides of the pipeline and  it would cost three times as much to construct pipelines  in this area.  

 

Figure 4.6: Schematic representation of the influence of different measures on the buffer distance of a building and the costs of the pipeline. 

Thirdly, a cost raster is constructed for the Netherlands with a grid size of 25 m. The cost raster takes into account the higher investment costs of the pipelines with risk mitigation measures  in  the  safety  distance  areas.  Besides  the  higher  costs  for  the  risk mitigation measures, the cost raster also includes terrain factors (Van den Broek et al., 2010). A cost factor  of  1.8  is  used  for  rivers,  lakes,  railways,  highways  and  other  major  roads.24 Furthermore,  a  factor  of  10  is  used  for  nature  reserves.  This  factor  is  only  used  for modelling purposes to avoid pipeline construction through nature reserves, but does not necessarily reflect the actual pipeline costs. Additionally, 50 m around major bridges are considered as a no‐go area, because  initial runs show that pipelines were often planned below  bridges  or  immediately  next  to  the  bridge  to  take  advantage  of  the  smaller waterway. However, pipeline construction in this area is unlikely because it can make the foundation  of  the  bridge  unstable.  The  location  of water  bodies  and  infrastructure  is based on the TOP‐10NL map (GEODAN, 2013) and of nature reserves on the Natura 2000 map  (Natura 2000, 2013). Combining  the different  terrain  factors,  results  in a different cost raster for each case, because the costs for several risk mitigation measures depend on the diameter. 

Fourthly, the costs raster served as an input for the least cost routing function in ArcGIS. This function is used to analyze the most cost‐effective route from the source to the sink. 

                                                                 23 The distances were given  in  feet, namely 80, 95, 110 and 125  feet  for  the different diameter  classes  (Gulf 

Interstate Engineering, 1999). These are converted to meters and rounded up to whole numbers.  24 The costs for crossing a railway, highway or other major road are assumed to be similar as crossing a river or 

lake.  

Chapter 4 

142 

 

Zooming  in on  the  route  can determine how much of  the pipeline goes  through which buffer zone and hence which safety measures are applicable. Furthermore, the ‘old’ route can be compared to the new route to assess whether the routing changed.  

After the pipeline route  is established, the locations of pumping stations are determined for case study II. Initially, pumping stations are placed on the pipeline by only taking into account  the  maximum  distance  between  them,  starting  from  the  pipeline  outlet. However,  pumping  stations  also  have  10‐6  locational  risks.  Therefore,  a  spatial  buffer equalizing the 10‐6 locational risk of the pumping station is placed around the buildings. All locations on the pipeline route that are not covered by the buffer zones, by water bodies or  infrastructure  are possible  locations  for pumping  stations. The pumping  stations are placed  to  the  nearest  possible  location  downstream  the  original  location,  thereby ensuring that the maximum distance between pumping stations and the  in‐ or outlet of the pipeline is not exceeded.  

Pipeline in corridor 4.2.6.1

Rerouting  is  not  considered  to  be  an  option  for  the  case  study  Antwerp‐Rotterdam, because a pipeline corridor  is already  installed and  it  is obliged  to  install  the pipeline  in the corridor if there is one present (Hendriks et al., 2007). Therefore, a different method is used for case study III. In principle, pipeline corridors have a width of 70 m but some parts of the corridor can be 30 m due to spatial constraints (IenM, 2012). Immediately outside the  pipeline  corridor,  houses  can  be  present  or  may  be  constructed  in  the  future. Consequently,  the  locational 10‐6  risks  for newly constructed pipelines should  fall  inside the corridor (IenM, 2012), which means 10‐6 locational risks of maximal 15 m. Hence, risk measures should be applied until this criterion is met.  

However, several risk mitigation measures are not an option in the pipeline corridor from Rotterdam to Antwerp. A 2.0 m cover is not considered an option because the pipelines in this corridor should be buried at a depth of 1.0 m to 1.2 m according to the guidelines of the  corridor  (LSned,  2011).  Additionally,  surveillance  is  already  intensive,  namely helicopter  surveillance  is  conducted  every  two  weeks  and  car  surveillance  is  also conducted every two weeks (Vissenberg, 2013). Consequently, the measures that can be implemented  on  the  CO2  pipeline  in  the  corridor  are  marker  tape,  concrete  slabs, increasing the wall thickness or transporting the CO2 under a different pressure. 

Note that if there is a pipeline failure, there can be interaction (like a domino effect) with the other pipelines  installed  in the corridor. Failure of another pipeline can occur almost simultaneously with the first pipeline, due to the crater formation of the first pipeline, or delayed, due  to  a  strong heating or  cooling  effect.  In principle,  the pipeline  should be designed in such a way that by a failure of the pipeline, the nearby installed pipelines do not  fail  (IenM, 2012). However, this  is not possible  if the pipelines are  installed at short distance from each other (IenM, 2012). If this is the case, additional measures have to be taken to avoid a failure from happening, like additional surveillance. Currently, research is going on to develop concrete guidelines to avoid or reduce interaction (IenM, 2012).  

In the risk assessment of the CO2 pipeline for the ROAD project, the interaction between a 

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

143 

 

CO2 pipeline and a natural gas pipeline are calculated  (Dijkshoorn and Kaman, 2011).  In the  ROAD  study,  it  is  assumed  that  the  CO2  pipeline will  fail  if  the  nearby  natural  gas pipeline  fails. This  is a very conservative assumption because hardly any domino‐effects with pipelines occurred in the past.25 Nevertheless, also in this study it is assumed that the CO2 will fail if the nearby pipeline fails.  

The  failure  frequencies  of  parallel  pipelines  are  not  independent  because,  with horizontally oriented construction activities, only one of the pipelines  in the corridor will be hit and thereby ‘protect’ the other pipelines (Gielisse et al., 2008b). It is estimated that about 70% of all construction activities has a horizontal orientation (Gielisse et al., 2008b). Hence, the failure frequency of the CO2 pipeline in a corridor is calculated using equation 4.8.  

_ _ _ _ _ _ 0.3 _ _ _ _  (4.8) 

  where,   Pfailure_cor  is the pipeline failure frequency of a CO2 pipeline  in a corridor, Pfailure_ext  is the external  interference failure frequency (see equation 4.1); Pfailure_other  is the failure  frequency  due  to  other  causes  as  external  interference,  see  Table  4.3;  and subscripts 1 and 2 refer to the CO2 pipeline and nearby pipeline, respectively 

As it is unknown where the pipeline would be installed in the corridor, it is assumed that the CO2 pipeline would be placed next to an existing natural gas pipeline of 0.76 m with a MAOP of 8.0 MPa and a design factor of 0.72. The total failure frequency of this pipeline is estimated at 0.082 per 1,000 km/year.26  In  this study, only  the  lethality and  risks of  the CO2 pipeline are calculated and not of the natural gas pipeline. 

Societal risk  4.2.6.2

The  societal  risk  depends  on  the  actual  population  density  and  is  therefore  location dependent. A screening methodology  for  routing CO2 pipelines by using  societal  risks  is proposed by Cleaver and Hopkins (2012). They propose to calculate the distance from the pipeline where the expectation value drops below a certain value  for a scattered village 

                                                                 25 There are two  (recent) examples of pipeline accidents were a domino‐effect occurred. Firstly, a gas pipeline 

with a diameter of 0.32 m ruptured because of external corrosion, on the beach of Veranus Island, Australia, in June 2008. Almost  immediately after  the  first  rupture, a second natural gas pipeline of 0.32 m also  ruptured, which was separated 0.23 m  from  the other  (Bills and Agostini, 2009). The gas of both pipelines  ignited. As a consequence of the heat exposure,  four nearby aboveground pipelines  (of 2x0.41 m and 2x0.11 m)  failed one hour after the first rupture (Bills and Agostini, 2009). Secondly, a natural gas pipeline of 1.07 m ruptured and the gas ignited near Rapid City, Canada, in July 1995 (Transportation safety board, 1997). After about 50 min. of heat exposure, a second natural gas pipeline of 0.41 m, separated 7 m from the first pipeline also ruptured. A third natural gas pipeline with a diameter of 1.22 m did not break but  the coating was damaged. This pipeline was passing under the first and second pipeline on a 1.0 m distance. Pipelines located on a distance of 9.1 m from the ruptured pipelines, did not have damage (Transportation safety board, 1997).  26  The wall  thickness  of  the  natural  gas  pipeline  is  calculated with  equation  4.7.  The  corresponding  external 

failure frequency (0.068 per 1,000 km/year including the reduction factor of 0.7 for increased surveillance) and failure  frequency  due  to  other  causes  (0.014  per  1,000 km/year)  are  calculated with  equation  4.1  and  4.2, respectively.  

Chapter 4 

144 

 

(up to 10 persons per hectare), a suburban area  (about 40 persons per hectare) and an urban area  (about 100 persons per hectare). These distances are  subsequently used as minimal distance between the pipeline and the scattered village, suburban or urban area. The approach of Cleaver and Hopkins (2012) is suitable as a first estimation of the pipeline route, because for selecting a final pipeline route the actual population density should be taken into account. 

In this study, the pipeline route is established based on the locational risks. Subsequently, it  is  checked  for  every  kilometer  of  the  pipeline whether  it matches  the  societal  risk criterion.  If  one  or more  kilometer  of  pipeline  exceeds  the  criterion,  it  is  assessed  if additional risk mitigation measures can be applied to ensure that the societal risk criterion is met. In this stage, it is not taken into account that the pipeline can be rerouted to meet the societal risk criterion of fN2 > 10‐2.  

Results 4.3

Optimization process 4.3.1

The results of the optimization process are given in Table 4.7. For case study I and III, the lowest levelized costs including compression (LCinc. compression) are realized with gaseous CO2 transport. However, also the most cost effective dense phase configuration is evaluated in this study to analyze the difference from a safety perspective.  

For  case  study  II,  the  most  cost‐effective  solution  contains  three  pumping  stations. However,  two  additional  configurations  are  analyzed,  one  with  one  pumping  station (which  is  the  third  best  cost‐effective  option27)  and  one without  pumping  stations  to assess the influence of a higher operation pressure and less pumping stations.  

Pipeline costs and failure frequency with additional mitigation measures 4.3.2

In Figure 4.7,  the  failure  frequency and pipeline costs  for  the base scenario and  for  the different  risk mitigation measures are given  for all case studies.28  In principle, scenarios with low failure frequencies and low investment costs are preferred. It can be seen that I‐dense;  III‐dense and  III‐gas have higher failure frequencies but also  lower costs than the other four scenarios. Furthermore, the reduction in failure frequency is the strongest for these  scenarios. The  largest  reduction  in  failure  frequency  is  realized  for concrete  slabs with marker tape (53%‐92%) and burying the pipeline (75%‐86%), while the cost increase for marker tape (<0.1%) and weekly surveillance interval (<0.5%) is only limited compared to the base scenario. 

 

                                                                 27 The second most cost‐effective configuration  is a pipeline with 7 pumping stations and an  inlet pressure of 

9 MPa.  28 For the exact data, we refer to Annex I.  

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

145 

 

Table 4.7: The different configurations that are analyzed for each case study. 

 

Figure 4.7: The failure frequency and the costs per kilometer for the base scenario and for cases with additional risk mitigation measures, (left) for cases I and III and (right) for case II. 

 

 

12

3

4

56

789

123

4

5

678

9 123

4

5

123

45

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.00 0.10 0.20 0.30

Costs (M

€/km)

Failure frequency (per 1,000 km per year)

I‐gas I‐dense III‐gas III‐dense

1

23

4

5

6

78

81

2

3

4

5

6

7

9

91

2

3

4

5

6

78

9

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

0.00 0.03 0.06 0.09

Costs (M

€/km)

Failure frequency (per 1,000 km per year)

II‐3 II‐1 II‐0

  Parameter Unit Case study I, North Netherlands 

Case  study  II,  trunkline through the Netherlands 

Case  study  III, pipeline corridor 

Input 

Scenario  I‐gas I‐dense II‐3 II‐1 II‐0 III‐gas III‐dense Phase   Gaseous Dense 

phase Dense phase 

Dense phase 

Dense phase 

Gaseous  Dense phase 

Length  km 71 71 239 239 239 75 75 Mass flow kg/s 150 150 450 450 450 34 34 

Design 

Pressure inlet MPa 2.2 10.1a

10 12 17 2.3 11 ODNPS  m 0.91 0.41 0.61 0.61 0.61 0.51 0.22 Thickness  mm 9.5 7.0 9.5 11.5 15.5 5.5 4.5 Inner diameter 

m 0.90 0.39 0.59 0.59 0.58 0.50 0.21 

Steel grade X42 X80 X80 X80 X80 X42 X80 Npump

b 0 0 3 1 0 0 0 

Lpumpb 

km (76) (73) 64 123 (261) (82) (78) 

Costs LCinc. compression €/t 10.0 12.2 13.1 13.2 13.4 14.3 14.8 LCexc. compression €/t 2.33 1.10 2.29 2.27 2.23 5.73 2.87 

a) In the  first round of the optimization tool, a pumping station was  installed 2 km before the end of the pipeline, because  inlet pressures of only whole MPa were considered.  If the  inlet pressure  is  increased from 10 MPa to 10.1 MPa, the additional pumping stations is not needed to ensure that the CO2 remains in  the  dense  phase.  This  option  is  less  expensive  than  installing  a  pumping  station  and  is  therefore included in this study. 

b) Npump and Lpump refers to the number of and maximum distance between pumping stations, respectively. The  distances  in  brackets  are  below  the  length  of  the  pipeline  and  hence  no  pumping  stations  are installed.   

1 = Base scenario 2 = Design factor of 0.5 3 = Concrete slabs 4 = Marker tape 5 = Concrete & marker tape 6 = Burying the pipe at 2.0 m 7 = Weekly surveillance 8 = Marker tape & surveillance9 = Multiple measures

1 = Base scenario 2 = Design factor of 0.5 3 = Concrete slabs 4 = Marker tape 5 = Concrete & marker tape 6 = Burying the pipe at 2.0 m 7 = Weekly surveillance 8 = Marker tape & surveillance 9 = Multiple measures 

Chapter 4 

146 

 

Additional  surveillance  leads  to  higher  costs  and  a  higher  failure  frequency  than  the installation  of marker  tape  for  all  cases.  Burying  the  pipeline  is  a more  cost‐effective measure than concrete slabs or a design factor of 0.5 for case study I and II. For case study I, the scenario with multiple risk measures  is more cost‐effective than the scenario with concrete slabs and marker tape. Lastly, a design factor of 0.5  is more cost‐effective than concrete  slabs  for  case  III‐dense.  These  scenarios  are  omitted  from  further  analysis because they lead to higher costs and higher failure frequency. 

Lethality distances  4.3.3

In Table 4.8, the 1% lethality distances are given for a critical CO2 concentration of 10%vol for all cases.29 The 1% lethality distance is defined as the distance where the probability of fatal  injuries drops below 1%  if  there  is a pipeline  failure. The  results  indicate  that  the dense phase cases have 1%  lethality distances up  to 2 m  for a pipeline  rupture and no lethality distances are present for a  leakage. For case study  II, the  lethality distances are similar  for each  scenario, meaning  that a different operation pressure does not  lead  to significant  differences  in  lethality  distances.  This  was  also  the  case  for  the  lethality distance  of  the  different  pumping  stations  and  therefore  only  one  pumping  station  is incorporated  in Table 4.8, which  is  valid  for all  three  cases. The pumping  station has a lethality  distance  up  to  155  m.  This  is  considerably  larger  than  for  the  pipeline transporting dense phase CO2, because of the assumed horizontal release.  

The  gaseous  cases  have  1%  lethality  distance  up  to  1,355  m.  The  reason  for  the considerably higher lethality distance for gaseous than for dense phase cases is that there is a large momentum behind a dense phase CO2 release. The large momentum leads to a smaller  but  higher  jet  and  to  a  higher mixing  rate with  the  surrounding  air  than  for  a gaseous CO2 release. Under influence of gravity, part of the former dense phase CO2 will return to ground level, but the CO2 is then diluted to concentrations below 10%.  

Table 4.8: 1% lethality distance in meters for all cases, for a vertical release for the pipelines and a horizontal release for the pump with an assumed fatal CO2 concentration of 10%vol. 

                                                                 29  Intermediate  results  from  the  EFFECTS model,  like  the  representative  flow  rate  and  the  diameter  of  the 

expanded jet can be found in Annex I.  

Scenario  Class  Section length (km) 

Case study I, North Netherlands 

Case study II, trunkline through the Netherlands 

Case study III,  pipeline corridor 

I‐gas I‐dense II‐3 II‐1 II‐0 Pump III‐gas III‐ dense 

Leakage  D5  32 <1 ‐ ‐  ‐ ‐ 50 x 6 <1 ‐ Leakage  F1.5  32 <1 ‐ ‐  ‐ ‐ 53 x 6 <1 ‐ Rupture  D5  32 170 x 260 (6)

a1x1 1x2 1x2 1x2 135 x 18 70 x 90(4)a  1x1 

Rupture  F1.5  32 775 x 1,355 1x1 1x2 1x2 1x2 155 x 20 185 x 465 1x1 Rupture  D5  16 215 x 355 (7)

a1x1 1x2 1x2 1x2 140 x 18 80 x 120(5)a  ‐ 

Rupture  F1.5  16 245 x 1,350 (5)a

1x1 1x2 1x2 1x2 155 x 20 215 x 615(2)a  ‐ 

a) Figures  in  brackets  are  related  to  the  offset, meaning  that  the  lethality  distance  starts  from  that  point onwards.  

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

147 

 

The lethality distances for the additional block valve scenario are higher than for the base case for III‐gas, despite the lower amount of CO2 released. The reason for this is that the release  rate,  used  to  calculate  the  lethality  distance,  is  based  on  the  average  amount released in the second time segment (Tiemessen et al., 2005). In each time segment, 20% of the mass is released. Initially, the release rate of the base case and the additional block valve  scenario  are  similar,  but  the  time  period  wherein  the  first  20%  of  the mass  is released is shorter for the additional block valve scenario. Hence, the average release rate is,  in  this  specific  case, higher  if additional block valves are  installed and  therefore,  the lethality  distances  are  also  higher.  In  reality,  the  amount  of  CO2  released  in  the  initial phase is similar between the two cases, and the impact on the lethality distances (and on the locational risks) of installing additional block valves would be small.  

An  additional  implication  of  using  the  average  amount  released  in  the  second  time segment,  for establishing  the  lethality  contours,  is  that  the  consequences of  later  time periods are not  incorporated. The pressure and  temperature of  the CO2 present  in  the pipeline will drop if CO2 is released and this would influence, for instance, the release rate and  jet diameter. At  the end of a dense phase CO2  release,  the momentum of  the CO2 outflow will be significantly reduced and the release could have similarities with a gaseous CO2 release. This effect is not included in the guidelines for calculating lethality distances of CO2 or any other toxic substances, and is therefore also ignored in this study.  

Locational risk 4.3.4

Pipelines transporting dense phase CO2 have no 10‐6 locational risks due to a combination 

of a small lethality distance and a low failure frequency. The pumping stations have a 10‐6 locational  risk  distance  of  135 m, mainly  due  to  the  higher  failure  frequency  and  the assumed horizontal outflow.  

Pipelines transporting gaseous CO2 have locational risks exceeding 10‐6, which are merely 

caused by pipeline ruptures. In Figure 4.8 and Figure 4.9, the 10‐6 locational risk distances are  given  for  case  I‐gas  and  case  III‐gas,  respectively.  It  can be  seen  that  all  scenarios, except  the  block  valve  scenario,  follow  the  same  pattern,  indicating  that  the  lethality distances  are  similar but  the  failure  frequencies  are different.  For  case  I‐gas,  it  can be assessed  that  the 10‐6  locational  risks  can be  reduced  from 770 m  for  the base  case  to 100 m by  implementing multiple measures  (design  factor of 0.5; burying  the pipeline at 2.0 m; marker tape and increased surveillance).  

For case  III‐gas, two figures are given one with and one without taking  into account the possible  interaction  between  the  natural  gas  pipeline  and  the  CO2  pipeline.  The interaction effect increases the 10‐6 location risk from 125 m to 145 m in the base case. If concrete slabs are used as mitigation measure, the 10‐6 requirement  is met for the case which  ignores  the  interaction  with  the  natural  gas  pipeline.  If  the  interaction  is incorporated,  a  combination  of  concrete  slabs  and marker  tape  has  to  be  installed  to ensure that the 10‐6 requirement is not exceeded. The cost increase for installing concrete slabs  is  110,000  €/km,  which  is  a  cost  increase  of  15%  compared  to  the  base  case. Installing also marker  tape  increases  the costs with an additional 220 €/km. Hence,  the 

Chapter 4 

148 

 

cost difference  to  ensure  that  the 10‐6  locational  risk  requirement  is met between  the cases  incorporating or  ignoring the  interaction effect  is very small, although there was a significant difference of 20 m in 10‐6 locational risk distance in the base scenario.  

Implementation of risk mitigation measures or rerouting 4.3.5

Case study I 4.3.5.1

For case  I‐dense, the results show that no 10‐6  locational risks are present and therefore the minimum construction distance of 12.5 m on each  side of  the pipeline  is used. The routing is depicted in Figure 4.10, which is 70 km long and would cost 47 M€, which is on average 0.68 M€/km. This  is 7% higher  than  the base  costs of 0.64 M€/km due  to  the crossings of several waterways, railways and major roads. 

 

Figure 4.8: Locational risks for case I‐gas with a vertical release.  

 

Figure 4.9: Locational  risks  for case  III‐gas with a vertical  release, without  (left) and with  (right) the interaction with the nearby natural gas pipeline.  

1.E‐08

1.E‐07

1.E‐06

1.E‐05

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Risk (‐/yr)

Distance (m)

1 = Base scenario4 = Marker tape6 = Burying 2.0 m8 = Tape & surveillance9 = Multiple measures10 = Block valvesThreshold 10‐6

1.E‐07

1.E‐06

1.E‐05

0 100 200 300 400

Risk (‐/yr)

Distance (m)

1 =  Base scenario2 =  Design factor of 0.53 =  Concrete slabs4 =  Marker tape5 =  Slabs &  tape10 =  Block valvesThreshold 10‐6

1.E‐07

1.E‐06

1.E‐05

0 100 200 300 400

Risk (‐/yr)

Distance (m)

1 =  Base scenario2 =  Design factor of 0.53 =  Concrete slabs4 =  Marker tape5 =  Slabs & tape10 =  Block valvesThreshold 10‐6

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

149 

 

 

Figure  4.10:  Established  route  for  case  study  I  for  dense  phase  and  gaseous  CO2  transport  by taking into account the locational risks and terrain factors. 

For  I‐gas,  relatively  large  10‐6  locational  risks  are  calculated  ranging  from  100‐770 m. Taking into account the higher pipeline costs for lower locational risks, leads to the route presented  in Figure 4.10. This route  is 70 km  long.  In Figure 4.11, a detail of the route  is given  with  the  different  safety  distances  of  the  risk mitigation  measures  around  the buildings.  It  is  clearly  shown  that  the  pipeline  route  tries  to  avoid  the  expensive  area (where concrete slabs and marker tape are needed). This results in many bends which will increase the pressure drop. Avoiding the area where multiple measures (design factor of 0.5; burying the pipeline at 2.0 m; marker tape and increased surveillance) are needed is not always possible. In this case, multiple measures are implemented on about 6 km (9%) of the route, see Table 4.9. The table also shows that only about 2 km (3%) of the route can  be built without  any  additional  risk mitigation measure  and  especially  burying  the pipeline  at  2.0  m  depth  appears  a  very  cost‐effective  measure.  The  different  risk mitigation measures  increase  the  total  transportation  costs with  3.1%  to  96 M€  or  on average 1.4 M€/km compared  to  the base case.  If also  terrain  factors are  incorporated, the pipeline  costs  increase by 13%  to 106 M€  (1.5 M€/km)  compared  to  the base  case, which exclude terrain factors and does not contain risk mitigation measures.  

It  is much more practical to bury the gaseous CO2 pipeline at 2.0 m for the entire route and install also concrete slabs on the pipeline parts where the 10‐6 locational risks should be further reduced to 100 m. This would increase the total pipeline cost with about 18% to 110 M€ (1.6 M€/km) compared to the base case. 

The gaseous case has higher pipeline costs but  lower compression costs than the dense phase case. With the pipeline costs including risk mitigation measures and terrain effects, the  levelized  costs  are  10.3 €/t  and  12.2  €/t  for  the  gaseous  and  dense  phase  case, respectively. Hence, the cost increase for the gaseous cases is higher due to the required risk  mitigation  measures,  but  the  increase  is  not  enough  to  compensate  the  cost difference with the dense phase case. Note, however, that the cases have different outlet 

Chapter 4 

150 

 

pressures, namely 1.5 MPa for gaseous and 8 MPa for dense phase CO2 transport. Which of them is the most cost‐effective will be determined largely by the storage requirements, see Knoope et al., (2014) for a further discussion on this issue. Based on the results of this study, gaseous CO2 appears to have more safety issues than dense phase CO2 transport. If gaseous CO2 pipeline transport is allowed would depend on regulation, but this is also the case for dense phase CO2 transport. 

 

Figure  4.11:  Detail  of  the  pipeline  route  for  case  I‐gas,  to  show  the  influence  of  the  safety distances for the different risk mitigation measures on the routing.  

Table 4.9: The distance of  the pipeline  that has  to be equipped with additional  risk mitigation measures to ensure that no houses are exposed to a higher than 10

‐6 locational risk. 

  I‐gas III‐gas

Scenario with vertical release 

Scenario without interaction 

Scenario with interaction 

Length (km) 

Share (%) 

Length (km) 

Share (%) 

Length (km) 

Share (%) 

1  Without additional risk mitigation measures 

2.1 3.0 51 68 45 60 

2  Design factor 0.5 0 0 0 0 0 0 3  Concrete slabs 0 0 11 15 11 14 4  Marker tape 0.7 1.0 13 17 14 18 5  Concrete slabs & marker tape 0 0 0 0 5.8 7.8 6  Burying the pipeline at 2.0 m 44 62 0 0 0 0 7  Weekly surveillance  0 0 0 0 0 0 8  Marker tape and surveillance 2.3 3.2 0 0 0 0 9  Multiple measures 6.3 9.0 0 0 0 0 10  Installing block valves  15 22 0 0 0 0   Total   70 100 75 100 75 100 

Case study II 4.3.5.2

For  case  II,  no  10‐6  locational  risks  are  present  and  therefore  a minimum  construction distance of 15 m on each side of the pipeline is used. As there is no difference in locational risks between case II‐3; II‐1 and II‐0, the pipeline route is the same for each case. In Figure 4.12,  an  overview  of  the  proposed  pipeline  route  (209 km)  is  given.  In  Figure  4.12B,  a detailed  view on  the water  crossings  is given  to  reach  the  sparsely populated province Flevoland. This appears more cost‐effective than remaining on the other side of the water 

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

151 

 

(like  the pipeline  route proposed by Van den Broek et al., 2010) because  this  is a more densely  populated  area.  In  some  cases  densely  populated  areas  are  not  avoided.  For instance, Figure 4.12C shows that the pipeline route transverses through the city Utrecht, but mainly through business areas. Also the Rotterdam area cannot be avoided, because the source location is situated there. Figure 4.12D shows that the major part of the route is planned next to the highway and railway in Rotterdam.  

The costs of the pipeline for case II‐3 are 219 M€ (including terrain factors), which is a cost increase of 7% compared to the base case. This cost increase is mainly caused by crossings of several water bodies, major roads and railways. However, also part of the cost increase is caused by the fact that the 15 m distance from buildings could not be avoided for part of the pipeline route, especially near Rotterdam and Utrecht. The costs increase by 6% to 231 M€ for case II‐1 and with 17% to 255 M€ for case II‐0, compared to case II‐3.  

 

Figure 4.12: The pipeline route for case study  II.  (A) a complete overview; and  (B) details of the crossing of several water bodies; (C) the pipeline route in Utrecht; and (D) in Rotterdam.  

Legend Buildings     Forest Cultivated land      Heather Orchard     Sand Pasture     Lakes, rivers and seas  

 

Chapter 4 

152 

 

Subsequently,  it  is  analyzed  if  the  required  amount  of  pumping  stations  with  a  10‐6 locational risk distance of 135 m could be placed on the proposed pipeline route. In Figure 4.13A, an overview  is given of possible  locations for pumping stations along the pipeline route.  For  II‐3,  three  pumping  stations  should  be  placed with  a maximum  distance  of 64 km  between  the  pumping  stations,  the  beginning  and  the  end  point.  These  can  be placed without any problems, see Figure 4.13BCD. Also the pumping station for case II‐1 can be located, see Figure 4.13E. Since all pumping stations could be located without any problems and there are no requirements for additional safety measures, case II‐3 remains the  cheapest  option.  However,  case  II‐1  or  II‐0  could  be  considered  to  limit  potential public concerns.  

 

Figure 4.13: Possible  locations  for pumping stations  (A) on the entire route between Rotterdam and Groningen (B) for the first (C) second and (D) third pumping stations for case II‐3 and (E) for case II‐1 by taking into account the locational risks, nature reserves and presence of water bodies. 

LegendBuildings Cultivated land Orchard  Pasture Forest Heather Sand  Lakes, rivers and seas  Possible pump locations Pipeline route Pump locations based on distance only Proposed pump locations 

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

153 

 

Case study III 4.3.5.3

Case III‐dense has no 10‐6 locational risks and can therefore be constructed in the pipeline corridor  without  additional  risk  mitigation  measures.  For  III‐gas  without  interaction, marker  tape  and  concrete  slabs  are  the  most  applied  measures  (Table  4.9).  These measures, together with the concrete slabs combined with marker tape, are also applied when the interaction with the nearby natural gas pipeline is taken into account. If safety measures  are  only  applied  where  needed,  then  the  pipeline  costs  increase  by  2.2% without  and  3.5%  with  considering  interaction  between  the  pipelines  in  the  corridor, compared  to  the  base  case. However,  in  principle  the  10‐6  locational  risks  have  to  be located within  the pipeline corridor because  in  the  future houses could be built directly next to the pipeline corridor. This means that the entire pipeline should be covered with concrete slabs without taking  into account the  interaction and with slabs  in combination with marker tape when incorporating the interaction effect. This increases the costs with 11% for both gaseous cases. In Figure 4.14, the pipeline costs for the gaseous and dense phase cases are pictured. Dense phase CO2 transport is in all cases the most cost‐effective. However, Figure 4.14 does not take  into account the  initial compression costs.  In Figure 4.15,  levelized costs  including compression costs are given.  It can be concluded that the gaseous  case  is most  cost  effective  if  risk mitigation measures  are  excluded,  or  only incorporated  where  strictly  needed.  However,  dense  phase  CO2  transport  is  the  best option  with  the  requirement  that  the  10‐6  locational  risks  should  be  located  on  the pipeline. 

Implication of societal risk contours 4.3.6

For dense phase CO2 transport, the societal risks do not exceed the orientation value of fN2>10‐2. In fact, the frequency of any number of fatalities for dense phase CO2 transport is below 10‐10 and therefore no societal risk diagram  is given. However, the societal risks criterion  is exceeded for case  I‐gas as can be seen  in Figure 4.16. Furthermore,  it can be assessed that none of the risk mitigation scenarios analyzed is suitable for decreasing the societal risk below the orientation value. For the other gaseous CO2 transportation case, III‐gas, the societal risk criterion is already met for the base case, see Figure 4.16.  

Vertical versus horizontal release 4.3.7

In  this study, a vertically oriented CO2  release was assumed  for buried pipelines.  In  this section, the consequences for a horizontal release are assessed for case study  I. A more horizontally oriented release may occur due to obstruction of the jet by, for instance, the crater.  Table  4.10  shows  the  1%  lethality  distances  for  a  vertically  and  horizontally oriented release. The values  indicate that the 1%  lethality distances  for a horizontal are larger than for a vertical release. For instance, the maximum 1% lethality distance for case I‐dense increases from 1 m for a vertical to 145 m for a horizontal release.  

Chapter 4 

154 

 

 

Figure 4.14: Cost increase for the pipeline investment costs for case study III.  

 

Figure 4.15: Cost increase for the levelized costs (including compression costs) for case study III.  

In Figure 4.17, the locational risks are given for a vertical and for a horizontal release for the  base  case  of  case  study  I.  The  locational  risks  are  slightly  larger  for  a  horizontal release, but for dense phase CO2 transport still below the target value of 10

‐6. In contrast, for a gaseous  release,  the distance where  the 10‐6  locational  risks are  reached  increase from 770 m for a vertical to 900 m for a horizontal release.  

 

0

10

20

30

40

50

60

70

No additional safetymeasures

Safety measureswere needed

Risk contour on thepipeline

Investment costs for pipelin

e (M€)

Gas ‐ without interaction

Gas ‐ with interaction

Dense phase

14.2

14.4

14.6

14.8

15.0

15.2

15.4

No additionalsafety measures

Safety measureswere needed

Risk contour onthe pipeline

Levelized costs including compression  

(€/t CO2)

Gas ‐ without interaction

Gas ‐ with interaction

Dense phase

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

155 

 

 

Figure 4.16: Societal risk for the worst kilometer for case study I‐gas (left) and III‐gas (right). 

 

Figure 4.17: Locational risks for case  I‐dense (left) and  I‐gas (right) with a vertical and horizontal release for the base case.  

Table 4.10: 1% lethality distances in meters for case I, for a horizontal or vertical release assuming a fatal CO2 concentration of 10%vol. 

1.E‐09

1.E‐08

1.E‐07

1.E‐06

1.E‐05

1.E‐04

1.E‐03

10 100 1000 10000

Freq

uency (‐/yr)

Number of fatalities

1 = Base scenario4 = Marker tape6 = Burying 2.0 m8 = Tape & surveillance9 = Multiple measures10 = Block valvesGuide value

1.E‐09

1.E‐08

1.E‐07

1.E‐06

1.E‐05

1.E‐04

1.E‐03

10 100 1000 10000

Frequency (‐/yr)

Number of fatalities 

1 =  Base scenario2 =  Design factor of 0.53 =  Concrete slabs4 =  Marker tape5 =  Slabs & tape10 =  Block valvesGuide value

1.E‐08

1.E‐07

1.E‐06

1.E‐05

0 250 500 750 1000 1250

Risk (‐/yr)

Distance (m)

Vertical Horizontal Threshold 10‐6

1.E‐08

1.E‐07

1.E‐06

1.E‐05

0 50 100 150

Risk (‐/yr)

Distance (m)

Vertical Horizontal Threshold 10‐6

Scenario  Weather class I‐gas I‐dense

Vertical Horizontal Vertical Horizontal 

Rupture  D5 170 x 260 (6)a

260 x 230 (17)a

1 x 1 125 x 16 F1.5 775 x 1,355 1,015 x 1,605 (17)

a1 x 1 145 x 17 

Leakage  D5 <1 1 x 18 (12)a

‐ 12 x 1 F1.5 <1 1 x 18 (12)

a‐ 12 x 1 

a) Figures  in brackets are  related  to  the offset, meaning that the  locational  risk distance starts  from  that distance onwards. 

Chapter 4 

156 

 

Discussion  4.4

Throughout  the presentation of  results, numerous  items were discussed  related  to  the different  case  studies.  In  this  discussion  section,  the  focus  is  on  placing  the  calculated lethality and locational risks of CO2 pipelines in perspective. Therefore, they are compared with  lethality  and  locational  risks  of  natural  gas  pipelines  and QRAs  for  CO2  pipelines available in literature.  

For newly constructed natural gas pipelines, 10‐6 locational risks are often located on the pipeline, mainly due  to  the  low  failure  frequency  (IenM, 2012). This  is comparable with the  10‐6  locational  risks  calculated  for  dense  phase  CO2  pipelines  in  this  study.  The distance where people could be harmed (e.g. the hazard or lethality distance) is less than 20 m  for  a  small  natural  gas  pipeline  at  low  pressures  up  to  over  300 m  for  a  large diameter pipeline  at higher pressures  (Jo  and Crowl, 2008). These distances  are higher than the calculated 1% lethality distances of <2 m for dense phase CO2 transport. For the gaseous transportation cases modelled, 1% lethality distances are up to 1,350 m, which is substantially higher than for natural gas transport. However, this distance is only reached if  the wind  speed  is  low,  is  oriented  perpendicular  to  the  pipeline,  the  atmosphere  is stable and calm and if a full rupture is occurring (Quest Consultants, 2010). Nonetheless, it has to be considered that people living within the lethality distance of the pipeline could feel insecure, regardless of the low failure probability of the pipeline.  

Comparison  between  QRA  for  CO2  pipeline  transport  available  in  literature  is  difficult because  input parameters  and  assumptions differ, which  cannot be  easily harmonized. Nevertheless,  the  results  that  dense  phase  CO2  give  very  low  lethality  distances  is supported by Koers et al., (2010). Furthermore, no or very  low 10‐6  locational risks were found  for dense phase CO2  transport by Koornneef et al.,  (2010),  Shell Canada  Limited (2011),  and  Dijkshoorn  and  Kaman  (2011)  for  onshore  CO2  pipelines.  In  addition,  our findings that gaseous CO2 results  in higher  lethality and risk distances than dense phase CO2  transport has  also been  reported by  Kruse  and  Tekiela  (1996)  and Dijkshoorn  and Kaman (2011). However, the QRA conducted for pipelines transporting gaseous CO2 in the port of Rotterdam and near Barendrecht show significantly lower distances than the ones calculated  in this study (Heijne and Kaman, 2008; Koers et al., 2010). The pipeline  in the port of Rotterdam  is comparable with case  III‐gas30 and  for  this pipeline  it  is calculated that  the CO2  concentration drops  to 5% within 1.5 m  (Koers et al., 2010). This  is much lower  than  the  up  to  465 m  calculated  in  this  study  needed  to  dilute  the  CO2 concentrations  to  10%.  The  reason  for  this  large  difference  is  unclear  but  is  probably caused  by  the  different  dispersion models  used.  It  is  expected  that  in  the  near  future more  information  will  be  available  from  recent  conducted  experimental  work,  like COOLTRANS  (Barnett,  2013),  CO2PipeHaz  (CO2PipeHaz,  2014),  and  COSHER  (COSHER, 

                                                                 30  The modelled  pipeline  in  the  port  of  Rotterdam  has  a  similar  diameter  (0.50 m),  pipeline  segment  length 

(32 km),  temperature  (10°C), a slightly different mass  flow  (39 k/s  instead of 34 kg/s) and pressure  (3.45 MPa instead of 2.2 MPa) than case III‐gas. 

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

157 

 

2014), which could help to address the issue of CO2 dispersion in more detail.  

Conclusions 4.5

The aim of this study was to analyze whether, and if so, in what way risks would influence the design, costs and routing of CO2 pipelines.  

Under  the  scenarios  studies,  the  findings  of  this  study  indicate  that  dense  phase  CO2 pipeline  transport  leads  to  smaller  lethality distances  and  locational  risks  than  gaseous CO2 pipeline transport. This is caused by the large momentum behind a dense phase CO2 

release, leading to smaller but higher jet and to a higher mixing rate with the surrounding air  than  for a gaseous CO2  release.  For  instance,  the 10

‐6  locational  risks  for  a pipeline without additional risk mitigation measures are calculated to be 0 m for dense phase and 770 m  for  gaseous  CO2  transport  for  a mass  flow  of  150  kg/s  (about  4.5 Mt/y)  and  a vertical release. The absence of 10‐6 locational risks are caused by the limited 1% lethality distance of  about  2 m  combined with  the  low  failure  frequency. Hence,  for  the dense phase  cases, no additional  risk mitigation measures are  required  to  comply with Dutch regulation. Nevertheless, marker tape can be considered as a no regret option, because it reduces  the  failure  frequency with  about 20‐40% and  increases  the pipeline  costs with less than 0.1%. 

Locational  risks  for  gaseous  CO2  pipeline  transport  can  be  significantly  reduced  if  risk mitigation measures are applied. For case  I‐gas,  the 10‐6  locational  risks can be  reduced from 770 m to 100 m if the pipeline is buried at 2.0 m depth, marker tape is installed and increased  surveillance  is applied. This would  increase  the pipeline costs with about 4%. Notice  that  installing  risk  mitigation  measures  increase  the  pipeline  costs  but  would decrease the amount of land where no houses can be built in the future, which can be an advantage in densely populated areas such as the Netherlands.  

This article also examines the impact of risks on the routes of the pipelines. The routes of case  study  I  and  II  are both  adapted  to  avoid populated  areas  as much  as possible.  In contrast,  case  study  III  is  not  rerouted  because  it  is  obligated  to  place  a  pipeline  in  a corridor  if one  is present. Additionally, the 10‐6  locational risks have to be  located  inside the pipeline corridor because next to the corridor houses can (in the future) be present. This means that  for gaseous CO2 transport concrete slabs would have to be  installed on top  of  the  pipeline.  If  the  interaction  effect  with  a  nearby  natural  gas  pipeline  is incorporated, also marker  tape has  to be  installed. Concrete slabs  increase  the costs by 15%,  which  counteract  any  initial  cost  advantage  of  gaseous  CO2  transport.  Hence, gaseous CO2 transport appears not attractive for case study III from an economic point of view, if the impact of risk mitigation measures is taken into account.  

Although pipelines transporting dense phase CO2 do not have 10‐6  locational risks  in this 

study, pumping stations handling 450 kg CO2/s (about 14 Mt CO2/y) have a 10‐6 locational 

risk distance of about 135 m. This  is due  to  the higher  failure  frequency combined with the horizontally oriented release assumed in this study. For the trunkline case through the Netherlands,  pumping  stations  could  be  located  along  the  pipeline  at minimal  135 m distance of houses without any problem. Nevertheless,  if  there are problems with  land 

Chapter 4 

158 

 

availability,  it  can be  interesting  to  increase  the operational pressure  to avoid pumping stations, although this will increase the pipeline costs with 17%. 

Based on  the  findings  from  the  three  conducted  case  studies,  it  can be  concluded  that dense  phase  CO2  transport  is  safe  if  it  is well  organized.  Even without  additional  risk mitigation measures,  the  risks  are manageable  and within  the  limits  established under current Dutch  legislation, which  is stricter or comparable with  regulation  in many other European  countries.  In  addition,  several  risk  mitigation  measures  are  commercially available  which  can  be  applied  in  densely  populated  areas,  especially  marker  tape, increased  surveillance and burying  the pipeline deeper are  interesting measures. These measures reduce the risk significantly and have a minor impact on the costs. It is expected that pipeline route selection for dense phase CO2 transport  is comparable to natural gas transport.  In  contrast,  pipeline  routing  for  gaseous  CO2  transport  appears  more challenging in densely populated areas because larger safety zones are attached to it.  

Throughout  this  study,  a  couple  limitations  and  knowledge  gaps  have  been  identified which require further attention in the near future:  

‐ Detailed outcomes  from CO2 release experiments, such as COOLTRANS and COSHER, should be made publically available to validate dispersion models. During the release experiments and validation of the dispersion models, attention has to be paid to near and  far  field dispersion  of dense  phase  as well  as  gaseous  CO2  and  the  interaction between the jet and crater. Nevertheless, many of the already conducted experiments have  focused on  small  scale dense phase CO2  release, and hence more experiments are needed for gaseous CO2 and large scale dense phase CO2 release.  

‐ The  entire  release  process  (and  not  only  the  second  time  segment)  should  be modelled, because this could influence the lethality and risk distances of mainly dense phase CO2 transport. 

‐ The dose‐response relation, or in other words the toxicity, of CO2 should be validated. ‐ The calculated risks for this study are based on pure CO2. If CCS is applied, impurities 

(like H2S, NOx, SO2, etc.) will be present, which could increase the calculated risks.  ‐ The  societal  risk  calculated  in  this  study  should  be  considered  as  a  starting  point 

because in practice they should be taken into account by the route selection (and not only as checking tool) and based on more accurate data.  

‐ Cost data  for  the  risk mitigation measures are often based on only one or  two cost estimations,  and more  research  is needed  to  validate  these  costs.  This  is  especially valid for the costs of burying the pipeline deeper, because this measure seems to be very cost effective.  

References 4.6‐ Alterra, 2001. National land use in the Netherlands (in Dutch). Wageningen University 

and  Research  centre.  Retrieved  from:  www.wageningenur.nl/nl/Expertises‐Dienstverlening/Onderzoeksinstituten/Alterra/Faciliteiten‐Producten/Kaarten‐en‐GISbestanden/LGN‐1.htm (Last accessed in 2013).  

‐ Andrew  Palmer  and  Associates,  2003.  A  cost  benefit  study  of  satellite  surveillance. Volume I. Prepared for the Health and Safety Executive 2002. Research report 056, 1‐

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

159 

 

19. ‐ Arunakumar, G., 2007. UKOPA pipeline fault database. Pipeline product loss incidents 

(1962‐2006).  United  Kingdom  onshore  pipeline  operators'  association  (UKOPA) Advantica report reference 6957, 1‐18. 

‐ Barnett, J., 2013. COOLTRANS Research Programme. The 13th annual advanced power generation technology forum workshop: Carbon capture & storage – a showcase of UK research and development.  

‐ Billet, P., Pognonec, G., 2008. Two mechanical protection for natural gas transmission pipelines. International Gas Union Research Conference (IGRC), 1‐11. 

‐ Bills,  K.,  Agostini,  D.,  2009.  Offshore  petroleum  safety  regulation.  Varanus  Island incident investigation. Government of Western Australia. ISBN: 978‐1‐921602‐56‐6, 1‐470. 

‐ Boddingtons,  2013.  Plastic  tape.  Retrieved  from:  www.boddingtons‐ltd.com/acatalog/plastic‐tapes‐introduction.html (Last accessed in 2013). 

‐ Bor,  A.H.,  2013.  Personal  communication  with  A.H.  Bor  (Operational  Manager  by Visser & Smit Hanab bv.) about the construction cost of block valves.  

‐ Bottelberghs,  P.H.,  2000.  Risk  analysis  and  safety  policy  developments  in  the Netherlands. Journal of hazardous materials 71, 59‐84. 

‐ Brady,  2013.  Underground  warning  tape.  Retrieved  from: www.bradyid.com/bradyid/scpv/Labels‐and‐Tapes~Tapes~Underground‐Warning‐Tape.html. (Last accessed in 2013). 

‐ BSi, 2008. Code of practice for pipelines. Part 3: Steel pipelines on land ‐ guide to the application  of pipeline  risk  assessment  to proposed  developments  in  the  vicinity  of major  accident  hazard  pipeline  containing  flammables.  Supplement  to  PD  8010‐1:2004. BSi British standards PD 8010‐3:2009, 1‐56. 

‐ Burg, W., Bos, P.M.J., 2009. Evaluation of  the  acute  toxicity of CO2. RIVM, Centrum voor Stoffen en Integrale Risicoschatting (SIR) revised, update of 2007 version, 1‐7. 

‐ CBS, 2013.  Statistical data  for  squares of 100 by 100 m  (in Dutch). Centraal bureau voor  de  statistiek.  Retrieved  from:  www.cbs.nl/nl‐NL/menu/themas/dossiers/nederland‐regionaal/publicaties/geografische‐data/archief/2013/2013‐kaart‐vierkanten‐art.htm (Last accessed 2013).  

‐ Center  for  Chemical  Process  Safety,  2009.  Guidelines  for  developing  quantitative safety risk criteria. John Wiley & Sons, Inc., New Jersey, USA.  

‐ Cleaver,  P.,  Hopkins,  H.,  2012.  The  application  of  individual  and  societal  risk assessment to CO2 pipelines. The Journal of Pipeline Engineering 11, 191‐9. 

‐ CO2PipeHaz, 2014. CO2PipeHaz. Quantitative failure consequences hazard assessment for  next  generation  CO2  pipelines:  The  missing  link.  Retrieved  from: www.co2pipehaz.eu (Last accessed in 2014). 

‐ Code  of  Federal  Regulation,  2010.  Title  49:  Transportation.  Subtitle  B:  Other Regulations  Relating  to  Transportation.  Chapter  I:  Pipeline  and  hazardous materials safety administration, department of transportation.  

‐ Constarbeton,  2013.  Betonplaten.  Constar  Betonwaren  BV.  Retrieved  from www.constarbeton.nl/betonplaten_zonder_hoekrand (Last accessed in 2013).  

‐ Cosham,  A.,  Haswell,  J.,  Jackson,  N.,  2008.  Reduction  factors  for  estimating  the 

Chapter 4 

160 

 

probability of failure of mechanical damage due to external interference. Proceedings of the 7th International Pipeline Conference IPC2008‐64345, 1‐7. 

‐ COSHER, 2014. COSHER.  Safe  and  innovative CO2 pipeline  transportation. Retrieved from: www.cosher.net (Last accessed in 2014). 

‐ Dam  Beton,  2013.  Stelconplaten.  Dam  Handelsonderneming  B.V.  Retrieved  from: www.dambeton.nl (Last accessed in 2013). 

‐ Dijkshoorn, J.S.P., 2009. Addendum control check Barendrecht: CO2 concentrations on critical locations; maximum effect distance (in Dutch). Tebodin B.V, 3412028, 1‐15. 

‐ Dijkshoorn,  J.S.P., Kaman, F.J.H., 2011. QRA CO2  transport ROAD  (in Dutch). Tebodin B.V, 3413184, 1‐47. 

‐ EGIG, 2011. Gas pipeline  incidents 8th  report of  the European gas pipeline  incident data group. European gas pipeline incident data group (EGIG) 11.R.0402 (version 2), 1‐43. 

‐ GEODAN,  2013.  TOP10NL.  Retrieved  from: www.geodan.nl/producten/geografische‐data/producten/top10nl/ (Last accessed in 2013). 

‐ Gielisse, M., Dröge, M.T., Kuik, G.R., 2008a. Risk analysis of natural gas pipelines  (in Dutch). N.V. Nederlandse Gasunie DEI 2008.R.0939, 1‐37. 

‐ Gielisse,  M.,  Triezenberg,  D.M.,  Dröge,  M.T.,  2008b.  Quantitative  risk  analysis  for natural gas transport pipelines  for TAQA gas storage Bergermeer  (in Dutch). Gasunie engineering B.V. DET 2007.R.0791, 1‐49. 

‐ Guijt, W.,  2004.  Analyses  of  incident  data  show  US,  European  pipelines  becoming safer. Oil and Gas Journal 102, 68‐73. 

‐ Guijt, W.,  2013.  Personal  communication with W. Guijt  (Lead  pipeline  engineering, Shell) about the usage and costs of risk mitigation measures.  

‐ Gulf  Interstate  Engineering,  1999.  Temporary  right‐of‐way  width  requirements  for pipeline construction. Prepared for the INGAA Foundation Inc. F‐9902, 1‐45. 

‐ Haswell,  J.V., Goodfellow, G.D.,  Jackson, N.W., McConnel, R., 2009. New UK pipeline risk assessment codes ‐ IGEM TD/2 and PD 8010 part 3. Hazards XXI, 308‐317. 

‐ Havenbedrijf Rotterdam, 2013. Antwerp and Rotterdam stimulate the construction of pipelines  (in Dutch).  Retrieved  from: www.portofrotterdam.com/nl/actueel/pers‐en‐nieuwsberichten/Pages/antwerpen‐rotterdam‐stimuleren‐aanleg‐pijpleidingen.aspx (last accessed 2014). 

‐ Heijne, M.A.M.,  Kaman,  F.J.H.,  2008.  Safety  analysis underground  storage of CO2  in Barendrecht. Tebodin B.V. 3800784, 1‐78 

‐ Hendriks, C., Hagedoorn, S., Warmerhoven, H., 2007. Transportation of carbon dioxide and organisational issues of CCS in the Netherlands. Ecofys, 1‐91. 

‐ IEA,  2010.  Energy  technology  perspectives  2010:  Scenarios  and  strategies  to  2050. Organisation  for  Economic  Co‐operation  and  Development  (OECD)  /  International Energy Agency (IEA), Paris, France.  

‐ IenM,  2012.  Structural  vision  of  pipelines  2012‐2035  (in  Dutch).  Ministerie  van Infrastructuur en Milieu (IenM) and Ministerie van Economische zaken, Landbouw en Innovatie (EL&I), Den Haag, The Netherlands, 1‐101.  

‐ IHS, 2013.  IHS  indexes.  IHS/CERA upstream capital cost  index (UCCI). Retrieved from: www.ihs.com/info/cera/ihsindexes/index.aspx (Last accessed in 2013). 

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

161 

 

‐ IPCC,  2005.  IPCC  special  report  on  carbon  dioxide  capture  and  storage.  Cambridge University Press, USA.  

‐ Jager, E., Kuik, R., Stallenberg, G., Zanting, J., 2002. A qualitative risk assessment of the gas  transport  services  pipeline  system  network  based  on  GIS  data.  Institute  of Chemical Technology (ICT), Prague, 1‐6. 

‐ Jo,  Y.D.,  Crowl,  D.A.,  2008.  Individual  risk  analysis  of  high‐pressure  natural  gas pipelines. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 21, 589‐95. 

‐ KNMI,  2005.  Land‐use  and  roughness  classes  in  LGN3+.  Retrieved  from: www.knmi.nl/samenw/hydra/energy/classes.htm (Last accessed in 2013). 

‐ Knoope, M.M.J., Guijt, W., Ramírez, A., Faaij, A.P.C., 2014.  Improved cost models  for optimizing  CO2  pipeline  configurations  for  point‐to‐point  pipelines  and  simple networks. International Journal of Greenhouse Gas Control 22, 25‐46. 

‐ Knoope, M.M.J., Ramírez, A., Faaij, A.P.C., 2013. A state‐of‐the‐art  review of  techno‐economic models predicting the costs of CO2 pipeline transport. International Journal of Greenhouse Gas Control 16, 241‐70. 

‐ Koers,  P.,  de  Looij, M.,  Engbø, A.,  Bakker, M.,  Schouwenaars,  E.,  2010.  Final  public report: Safety study for liquid logistics shipping concept. Prepared by DNV for Vopak / Anthony Veder. 12TUIBY‐3, 1‐126. 

‐ Koornneef,  J.,  Spruijt, M., Molag, M.,  Ramírez,  A.,  Turkenburg, W.,  Faaij,  A.,  2010. Quantitative risk assessment of CO2 transport by pipelines ‐ A review of uncertainties and their impacts. J Hazard Mater 177, 12‐27. 

‐ Kruse, H., Tekiela, M., 1996. Calculating the consequences of a CO2 pipeline rupture. Energy Conversion and Management 37, 1013‐1018. 

‐ Laheij, G.M.H., van Vliet, A.A.C., Kooi, E.S., 2008. Backgrounds of the replacement of the proximity distances  for high pressure natural gas pipeline transport of the Dutch gas transmission company Gasunie N.V. (in Dutch). RIVM rapport 620121001/2008, 1‐65. 

‐ Lievense, 2005. OCAP CO2 v.o.f. CO2 greengas project – risk analysis document of the NPM pipeline  (in Dutch). Raadgevend  Ingenieursbureau  Lievense B.V. Breda 042282 rev. 3, 1‐31. 

‐ LSned,  2011.  Specifications  accompanied  by  the  agreement  for  using  the  pipeline corridor  and  exploitation  of  the  pipeline  laying  in  the  corridor  (in  Dutch). Buisleidingenstraat Nederland Revisie april 2011, 1‐36. 

‐ LSNed, 2013. Leidingstraat Nederland. Retrieved from: www.lsned.nl (Last accessed in 2013).  

‐ Mather,  J., Blackmore, C., Petrie, A., Treves, C., 2001. An assessment of measures  in use  for  gas  pipelines  to  mitigate  against  damage  caused  by  third  party  activity. Contract  research  report prepared by WS Atkins Consultants  Ltd  for  the Health and Safety Executive 372/2001, 1‐75. 

‐ Mazzoldi,  A.,  Picard,  D.,  Sriram,  P.G.,  Oldenburg,  C.M.,  2013.  Simulation‐based estimates  of  safety  distances  for  pipeline  transportation  of  carbon  dioxide. Greenhouse Gases: Science and Technology 3, 66‐83. 

‐ McConnel, R.A., Haswell, J.V., 2012. UKOPA pipeline product  loss  incidents and faults report  1962‐2011.  United  Kingdom  onshore  pipeline  operators'  association 

Chapter 4 

162 

 

UKOPA/12/0046, 1‐27. ‐ McGillivray, A., Wilday, J., 2009. Comparison of risks from carbon dioxide and natural 

gas pipelines. Prepared by the Health and Safety Laboratory for the Health and Safety Executive RR749, 1‐25. 

‐ Mholf,  2013.  Betonplaten  /  stelconplaten.  Retrieved  from:  www.mholf‐bestrating.nl/betonplatenstelconplaten‐industrieplaten/betonplaten‐zonder‐hoekrand (Last accessed in 2013).  

‐ Mohitpour,  M.,  Seevam,  P.,  Botros,  K.K.,  Rothwell,  B.,  Ennis,  C.,  2012.  Pipeline transportation of carbon dioxide containing  impurities. 1st edition. ASME Press, New York, USA.  

‐ Molag, M., Raben, I.M.E., 2006. External safety  investigation of the CO2 pipeline near Zoetermeer (in Dutch). TNO‐report 2006‐A‐R0144/B, 1‐46. 

‐ NationalGrid, 2012. Yorkshire and Humber carbon capture, transportation and storage project. Block valve site options appraisal. National Grid 10‐2574‐RPT‐0013 Rev 1, 1‐219. 

‐ Natura 2000, 2013. Natura 2000‐gebieden. Peildatum 4  september 2013. Ministerie van Economische Zaken. Retrieved from: www.natura2000.nl (Last accessed 2013). 

‐ OANDA,  2013.  Historical  exchange  rates.  Retrieved  from:  www.oanda.com  (Last accessed in 2013). 

‐ PHMSA, 2013a.  Incident data access. U.S. department of transportation. Pipeline and hazardous  materials  and  safety  administration  (PHMSA).  Retrieved  from: primis.phmsa.dot.gov/comm/reports/safety/sida.html?nocache=8520  (Last  accessed in 2013). 

‐ PHMSA,  2013b.  Annual  report  mileage  summary  statistics.  U.S.  department  of transportation. Pipeline and hazardous materials and safety administration  (PHMSA). Retrieved  from: www.phmsa.dot.gov/portal/site/PHMSA/menuitem.ebdc7a8a7e39f2e55cf2031050248a0c/?vgnextoid=78e4f5448a359310VgnVCM1000001ecb7898RCRD&vgnextchannel=3b6c03347e4d8210VgnVCM1000001ecb7898RCRD&vgnextfmt=print (Last accessed  in 2013). 

‐ PHMSA,  2013c.  Significant  pipeline  incidents.  U.S.  department  of  transportation. Pipeline and hazardous materials and safety administration (PHMSA). Retrieved from: primis.phmsa.dot.gov/comm/reports/safety/sigpsi.html?nocache=3697  (Last accessed in 2013). 

‐ Piessens,  K., Welkenhuysen,  K.,  Laenen,  B.,  Ferket,  H.,  Nijs, W.  et  al.,  2012.  Policy Support System for Carbon Capture and Storage and collaboration between Belgium ‐ The Netherlands ‐ "PSS‐CCS". Final report. Belgian Science Policy, Brussels. 1‐335. 

‐ Quest  Consultants,  2010.  Preliminary  quantitative  risk  analysis  of  the  Texas  clean energy project. Prepared by Quest consultants Inc. for CH2M Hill. 10‐11‐6773, 1‐119. 

‐ RCI, Deltalings Energy Forum, Clinton Foundation, Clinton Climate Initiative, Ecofys et al.,  2013.  Transport  &  storage  economics  of  CCS  networks  in  the  Netherlands. Supported by Global CCS institute, 1‐75. 

‐ RIVM, 2009. Regulation risk calculation for installations (in Dutch). RIVM versie 3.2, 1‐188. 

Influence of risk mitigation measures on CO2 pipelines 

163 

 

‐ RIVM, 2010. Regulation risk calculation for pipelines (in Dutch). RIVM versie 1.0, revisie 1, 1‐67. 

‐ Sällström, J.H., Thörnblom, K., Bolin, L., Andersson, H., 2013. Reducing the risks for gas pipe  damages  through  deep  digging  and  the  use  of  protective  plates.  Svenskt Gastekniskt Center AB (SGC) SGC Rapport 2013:254, 1‐52. 

‐ Schippers,  A.,  2013.  Personal  communication  with  A.  Schippers  (Manager  pipeline products by PEB pipeline equipment.) about the costs of block valves for CO2 pipeline transport.  

‐ SETON, 2013. Underground warning tape. Retrieved from: www.seton.net.au/barriers‐tapes‐treads/tapes/underground‐warning‐tape.html (Last accessed in 2013). 

‐ Shell Canada Limited, 2011. QUEST carbon capture and storage project. Quantitative risk assessment: CO2 pipeline and injection wells. Shell Canada Limited, 1‐55. 

‐ Shell, Chevron, Marathon, 2010. QUEST CCS project. Pipeline construction & operation Greenhouse Gas management pathway, 1‐6. 

‐ Slimbestraten,  2013.  Betonplaten  200  x  200  cm.  Retrieved  from: www.slimbestraten.nl/betonplaten/prijslijst/ (Last accessed in 2013).  

‐ Tiemessen, G.W.M., Heitink,  J., Wiekema, B.L.,  Janssen,  L.A.M., 2005. Guidelines  for quantitative  risk  assessment.  "Purple  book".  PGS  3.  VROM,  The  Hague,  the Netherlands.  

‐ TNO, 2013a. TNO safety software EFFECTS. User and reference manual. Version 9, 1‐211. 

‐ TNO,  2013b.  TNO  safety  software  RISKCURVES. Quick  start  guide  and  user manual. Version 9, 1‐162. 

‐ TNO,  2013c.  The  colored  books  ‐  yellow,  green,  purple,  red.  Retrieved  from: www.tno.nl/colouredbooks (Last accessed in 2013). 

‐ Transportation  safety  board,  1997.  Commodity  pipeline  occurrence  report  ‐  natural gas  pipeline  ruptures  TransCanada  pipeline  limited.  Transportation  safety  board  of Canada P95H0036, 1‐25. 

‐ Turner, R., Hardy, H., Hooper, B., 2006. Quantifying  the  risks  associated with  a CO2 sequestration pipeline: a methodology &  case  study. 8th  conference on greenhouse gas control technologies Trondheim, 1‐7. 

‐ UK  Tapes  Ltd.,  2013.  Utility  marking,  underground  tapes.  Retrieved  from: www.tapesandmesh.com/products.asp?cat=17 (Last accessed in 2013).  

‐ Van  den  Bosch,  C.J.H., Weterings,  R.A.P.M.,  2005. Methods  for  the  calculation  of physical effects  ‐ due to releases of hazardous materials  (liquids and gases)  ‐  'Yellow Book'. Third edition Second revised print. Publication Series on Dangerous Substances (PGS 3), The Netherlands. 

‐ Van den Broek, M., Brederode, E., Ramírez, A., Kramers,  L.,  van der Kuip, M. et al., 2010. Designing  a  cost‐effective CO2  storage  infrastructure using  a GIS based  linear optimization energy model. Environmental Modelling and Software 25, 1754‐68. 

‐ Van der Heden, H., Van Leeuwen, J.C.M., Van den Houten, H.M., 2003. Risk mitigation measures  for  natural  gas  transport  pipelines  (in  Dutch).  Tebodin  B.V,  30757‐00/190636, 1‐47.  

Chapter 4 

164 

 

‐ Van  der  Wal  F.,  2013.  Betonplaten.  Retrieved  from: www.vanderwalbeton.nl/?betonproducten/betonplaten/ (Last accessed in 2013).  

‐ Van Heel,  L., 2013. CO2 pipeline  through  residential area  (in Dutch). AD Rotterdams Dagblad; Regio Rotterdam:1. 

‐ Vendrig, M.,  Spouge,  J., Bird, A., Daycock,  J.,  Johnsen, O., 2003. Risk analysis of  the geological  sequestration  of  carbon  dioxide.  DNV  consulting  R246  DTI/PUB  URN 03/1320, 1‐86. 

‐ Vianello,  C.,  Macchietto,  S.,  Maschio,  G.,  2013.  Risk  assessment  of  CO2  pipeline network for CCS ‐ A UK case study. Chemical Engineering Transactions 31, 13‐8. 

‐ Vissenberg, M., 2013. Personal  communication with M. Vissenberg  (GIS  specialist of LSned) about the pipeline corridor Antwerp – Rotterdam.  

‐ VROM, V&W, BZ, 2012. Circular risk standards for transportation of dangerous goods (in Dutch). Ministerie van VROM, Verkeer & Waterstaat (V&W) en Binnenlandse Zaken (BZ).  Retrieved  from:  wetten.overheid.nl/BWBR0016249/1/geldigheidsdatum_02‐09‐2013 (Last accessed in 2013). 

‐ Yorkshire  Forward,  2008.  A  carbon  capture  and  storage  network  for  Yorkshire  and Humber. An  introduction  to understanding  the  transportation of CO2  from Yorkshire and  Humber  emitters  into  offshore  storage  sites.  Yorkshire  Forward,  the  region's development agency 05_08 100203, 1‐60.   

 

165 

 

Chapter 5: Investing in CO2 transport infrastructure under uncertainty: A comparison between ships and pipelines1 

Abstract: The aim of this study  is to assess whether the value of flexibility can  influence the investment decision between CO2 ship and pipeline transport and, therefore, the way the infrastructure develops. For this, the value of a carbon capture and storage project are calculated with  the standard net present value  (NPV) and with  the  least‐squares Monte Carlo method, which is a real option approach (ROA). 

Results of  the NPV and ROA approach  show  that  ships are preferred  for  small volumes over  large  distances.  For  instance,  for  a  design  capacity  of  2.5  Mt/y,  pipelines  are preferred  for  250  km  and  ships  for  500  km.  The  ROA  shows  that  the  option  value  to abandon the project and to switch off the CO2 capture unit temporarily are about 2‐4 and 5  times  as high  for  the  ship  compared  to  the pipeline  configurations,  respectively. The option  to  connect  to  another  storage  reservoir  has  a  value  of  >1,000 M€  for  the 10 MtCO2/y configurations. Consequently, this option turns the project values positive for the 10 MtCO2/y pipeline and shipping configurations over a distance of 250 and 500 km. 

Overall,  the  value of  flexibility did not  change  the preferred  transportation mode  from pipeline  to  ship  transport,  at  least  for  the  considered  options  to  abandon  the  project, switch off the capture unit temporarily and switch to another storage reservoir. However, under  the  assumptions made,  all  10 MtCO2/y  cases were  not  profitable with  the NPV approach, while they were profitable with the ROA.  

   

                                                                 1 This article is a slightly adapted version of the article: Knoope, M.M.J.; Ramírez, A.; Faaij, A.P.C., 2015. Investing in  CO2  transport  infrastructure  under  uncertainty:  A  comparison  between  ships  and  pipelines.  International Journal of Greenhouse Gas Control 41, 174‐193.  

Chapter 5 

166 

 

Introduction 5.1

Carbon capture and storage (CCS) has been identified as an essential technology to cost‐effectively limit the average global temperature increase to 2°C above pre‐industrial levels (IEA,  2013).  In  CCS,  CO2  from  industrial  and  energy‐combustion  related  sources  is captured from flue gases, and subsequently transported to a geological storage  location. CO2  storage  in  offshore  reservoirs  is  considered  very  relevant  in  Europe  because  two‐thirds of the potential storage locations are situated offshore (EU GeoCapacity, 2008) and offshore CO2 storage  is socially more accepted  than onshore CO2 storage  (Mabon et al., 2014; Prangnell, 2013).  

There are two modes for offshore CO2 transport, namely pipeline and ship transport. Both modes are (or have been) evaluated. For  instance, the Green Hydrogen project, which  is currently  on  hold,  considered  shipping  for  transporting  CO2  from  the  Netherlands  to mature oil fields in Denmark (ZeroCO2, 2015). In contrast,  the ROAD and White Rose CCS project, both currently under evaluation, aim to transport CO2 via pipeline to an offshore reservoir (ROAD CCS, 2015; White Rose, 2015). However, there is limited experience with offshore  CO2  pipeline  and  ship  transport.  Nowadays,  only  one  CO2  pipeline  has  been installed  offshore,  namely  the  150  km  long  Snøhvit  pipeline,  which  transports  about 0.7 MtCO2 per year (GCCSI, 2013). For shipping, about 3 MtCO2 is annually transported for the  (food)  industry  with  small  scale  ships  of  800‐1200 m3  (Decarre  et  al.,  2010; Vermeulen, 2011). These volumes are  limited  if compared to e.g., the projected amount of 226 MtCO2/y  to be  captured  and  stored  globally  in 2025,  in  the 2°C  scenario of  the International Energy Agency (IEA, 2014a).  

Both, large scale CO2 pipeline and ship transport have been studied in the last few years. The  configuration  and  costs of  ship  transport  are  reported by,  among others,  IEA GHG (2004);  Aspelund  et  al.,  (2006);  Decarre  et  al.,  (2010);  Vermeulen,  (2011), Nam  et  al., (2013)  and  Skagestad  et  al.,  (2014).  The  economics  of  pipeline  transport  have  been researched by, among others, McCollum and Ogden (2006); McCoy and Rubin (2008); IEA GHG  (2002) and Knoope et al.,  (2013). Comparisons between both  transport modes are also available, for instance, by the European Technology Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power Plants  (ZEP)  (2010), Roussanaly et al.,  (2013a; 2014),  Jung et al.,  (2013) and Svensson  et  al.,  (2004).  These  studies  show  that  pipelines  realize  lower  levelized  costs than  ships  for  transporting  large  quantities  of  CO2  (>  5 MtCO2/y)  over  short  distances (< 200 km), while ships realize lower levelized costs over long distances (> 1,000 km). The break‐even distance is estimated at about 700 km for 6.2 MtCO2 per year (IEA GHG, 2004) and  it  increases with  increasing mass  flows  (IPCC, 2005; Roussanaly et  al., 2013b). The costs of CO2  transport are,  for  instance, 9.3 €/tCO2 and 14 €/tCO2  for 2.5 MtCO2/y over 180 km for pipeline and ship transport, respectively (ZEP, 2010). For a distance of 500 km, ships are reported to have  levelized costs of 15 €/tCO2  in comparison with 20 €/tCO2 for pipelines  (ZEP,  2010).  At  larger  distances  ship  transport  is  cheaper;  the  capital expenditures  (CAPEX)  remain  similar while  a  lower  time  fraction  is  spent  on mooring, (un)loading and waiting, therefore decreasing the operational expenditures (OPEX) (Nam et al., 2013; Yoo et al., 2013b; ZEP, 2010). 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

167 

 

A main difference in the cost structure between ships and pipeline transport is the share of  CAPEX  and  OPEX  in  the  levelized  costs.  The  levelized  costs  of  a  pipeline  generally consist  for about 75‐95% of CAPEX, while  the costs of ships consist of about 60‐80% of OPEX (Bureau et al., 2011; Loeve et al., 2013; Skagestad et al., 2014; ZEP, 2010). Due to the  different  CAPEX  – OPEX  structure,  it  is  expected  that  ships would  have  a  financial advantage compared to pipelines, if the duration of the entire CCS project is shorter than originally anticipated or uncertain altogether (Vermeulen, 2011). The financial advantage of ships could even be enhanced by the residual value of ships (Aspelund et al., 2006)  in comparison with  significant  decommissioning  costs  for  pipelines  and  platforms  (ARUP, 2014; Oil & Gas UK, 2014).2 Without incorporating the decommissioning costs, Roussanaly et  al.,  (2014)  showed  that  the  break‐even  distance  for  an  offshore  pipeline  and  ship decreases  from  about  350  km  to  250 km  for  a mass  flow  of  5 MtCO2/y,  if  the  project duration decreases from 30 to 10 years.  

Another comparative advantage of ship transport  is  its flexibility. If a storage reservoir  is not as large as expected, the ship can route to another storage reservoir (Skagestad et al., 2014; Yoo et al., 2013a). For pipelines, rerouting  is more difficult and costly, because an additional section or even a complete new pipeline has to be constructed.  

Flexibility has a significant value, which should be taken into account when evaluating the economics  of  a  project  (Dixit  and  Pindyck,  1994).  However,  the  value  of  flexibility  is ignored in the standard net present value (NPV) approach currently used in literature for comparing  ships  and  pipelines.  In  principle,  the NPV  approach  assumes  that  volumes, costs,  and  revenues  of  a  project  over  the  complete  project  duration  are  known  and adaptation after the investment decision is not possible (or required). In reality, this is not the case, volumes, costs, revenues, and project duration are uncertain and companies will adapt  to  changing  situations. Therefore, a  flexible asset  is more valuable  than an asset which  cannot  be  (easily)  adapted  to  changing  situations  (Dixit  and  Pindyck,  1994).  A flexible  asset  gives  the  option  (but  not  the  obligation)  to  adapt.  These  options  can increase  the  value of  a project,  and  could  lead  to  a different  investment decision  than when the value of flexibility is not incorporated.  

A method  used  to  evaluate  the  economic  value  of  options  is  called  the  Real  Option Approach  (ROA). ROA originates  from  the  financial world, but  a  translation  is made  to analyze the value of options for  investments  in tangible assets (Dixit and Pindyck, 1994). Nowadays,  ROA  has  been  used  to  calculate  the  value  of  flexibility  for  different applications  ranging  from  construction management  (Ford  et  al., 2002),  investments  in existing  and  new  highways  (Zhao  et  al.,  2004),  to  strategies  for managing  flood  risks (Gersonius et al., 2013).  

 

                                                                 2 About 15 billion € are  forecasted  to be  spent on decommissioning of about 100 platforms, 1,000 wells, and 3,300 km pipelines on the UK continental shelf in the period 2014‐2023 (Oil & Gas UK, 2014).  

Chapter 5 

168 

 

From the available  literature,  it  is not clear whether the explicit  inclusion of the value of flexibility will affect the  investment decision of ship versus pipeline transport. Therefore, the  aim of  this  study  is  to  investigate  the  value  of  flexibility  for  CO2  ship  and pipeline transport and assess whether this flexibility value influences the investment decision. For this, a whole CCS chain  is analyzed consisting of a coal power plant with a CO2 capture unit, a ship or an offshore pipeline, and storage facilities. For this chain, the project value is calculated with the NPV and with the ROA. Uncertainty is present in many aspects, but the  focus  in  this study  is on seven key uncertainties namely,  the storage volume of  the reservoir, coal price, electricity price,  fuel oil price, CO2 price, and  the utilization rate of the  coal power plant, which may decrease  in  the  future due  to  a  large penetration of renewables.  

Real option theory 5.2

Real  options  can  be  considered  as  possibilities,  and  not  obligations,  to  buy,  sell  or abandon an asset at a given time for a certain price (Dixit and Pindyck, 1994; Hull, 1993). Real  options  can  be  exercised when  the  (economic)  situation  turns  out  different  than initially  expected.  There  are different  kinds of  real options,  like  the option  to defer or stage an investment, abandon or expand a project (Fichman et al., 2005). Options improve the potential profit  and  / or  limit  losses  (Trigeorgis,  1993).  For  instance,  the option  to abandon  a  project  can  be  exercised  if  the  project  is  unprofitable,  thereby  limiting  the potential  losses and  increasing the average value of the project. To give a more specific example,  de Weck  et  al.,  (2004)  showed  that  staged  development  in  the  amount  of communication  satellites  reduce  the  life  cycle  costs with  about  20%  compared  to  the traditional way of designing a large scale satellite at once. Hence, options can change the value of the project and therefore, they should be taken  into account when alternatives are compared and investment decisions are taken. 

Note that when an option is exercised, the company gives up the possibility of waiting for new information that might affect the desirability or timing of executing the option (Dixit and Pindyck, 1994). For example, after a project is abandoned, it is very costly to restart it when  future  circumstances  improve.  Therefore,  a  certain  amount  of  losses  will  be tolerated  to  keep  the  project  alive,  before  the  abandon  option  is  exercised.  For more information  over  the  real  option  theory,  see  (Dixit  and  Pindyck,  1994;  Hull,  1993).  A description of the methodology used in this paper to estimate ROA is provided in section 5.4.2. 

CO2 transportation chains 5.3

With CCS, CO2  is  captured  from  industrial or energy‐related  sources. After  capture,  the CO2 is dried, cleaned and compressed. Capture locations are often not located directly at the coast. Therefore, an onshore pipeline often needs to be constructed to transport the CO2 to the coastline. At the coastline, the CO2 can be further transported with an offshore pipeline or a ship to a suitable offshore storage reservoir.  

 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

169 

 

CO2 pipeline  transport  is often proposed  in  the  liquid  (dense) phase, which  is  the most efficient for  long distances (Knoope et al., 2014). Suitable operation conditions for  liquid CO2 pipeline  transport  are depicted  in  Figure 5.1. As  transporting CO2  in  two phases  is undesirable, pumping stations can be  installed along the onshore pipeline or before the pipeline goes offshore to compensate for the pressure drop which occur  in the pipeline. At  the  injection  site  a  (unmanned)  platform  needs  to  be  present.  The  CO2  pipeline transport chain is shown in Figure 5.2.  

CO2 ship transport is more efficient when the density of the CO2 is very high. The highest density  is reached when  the CO2  is  in solid phase. However,  transporting solid CO2 with ships  seems  to  be  economically  unfeasible  due  to  the  complex  (un)loading  process (Aspelund et al., 2006). Therefore, CO2 transport via ships is proposed in liquid form, near the triple point, see Figure 5.1. To get the CO2 into the required conditions, the CO2 has to be liquefied. There are multiple ways to liquefy CO2. In this study, the compressed CO2 is liquefied  by  first  depressurizing  the  CO2  through  expansion  valves  and,  subsequently, separating the liquid CO2 from the formed gaseous CO2 by using flash tanks. The gaseous CO2, which can be 20‐40% of the entire CO2 flow, is recompressed and recycled (Yoo et al., 2013b).  

 

Figure 5.1: Phase diagram for pure CO2 (adapted from ChemicaLogic, 1999) with typical operation 

envelopes  for CO2 pipeline  (based on DNV, 2010; ZEP, 2010) and  ship  transport  (based on ZEP, 

2010).  

 

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Pre

ssu

re, b

ar

Temperature, °C

Carbon Dioxide: Temperature - Pressure Diagram

Drawn with CO2Tab V1.0

Copyright © 1999 ChemicaLogic Corporation

Triple Point

Critical Point

Solid Liquid

Vapor

CO2 pipeline 

ship transport

Chapter 5 

170 

 

 

                                                                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Figure 5.2: Schematic overview of the transport chains. On the left side, the transportation chain for the offshore pipeline solution  is given and on the right side the transportation chain for ship transport  is  pictured.  The  processes within  the  dotted  system  boundaries  are  included  in  this study.  

CO2 capture

Compression & drying

Pipeline transport

Compression & drying

Processes included  in this study  

Processes excluded in this study  

System boundaries  

Injection through the well

Injection through the well

Industrial facility or power plant 

Industrial facility or power plant

Ship transport

Temporary storage 

Ship transport

Heating & pumping 

Offloading system

CO2 capture 

Offshore temporary storage 

Onshore pipeline transport 

Onshore pipeline transport

Pumping  Liquefaction 

Offshore pipeline transport

Platform

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

171 

 

CO2  capture and  liquefaction  is a  continuous process, while  shipping  is a batch process (Roussanaly et al., 2013a). Therefore, the  liquefied CO2  is temporarily stored until a ship arrives (ZEP, 2010). The ship will load the liquefied CO2 on the ship and sail to the injection site. At the  injection site, the ship unloads the CO2 as quickly as possible to a temporary storage vessel.3 The CO2  is not  injected directly  into  the  reservoir because  the  injection process prefers to have a continuous and stable CO2 flow (Roussanaly et al., 2014).  

Moreover, the storage reservoir cannot handle the low pressure and low temperature of the liquefied CO2. Consequently, the CO2 is first pumped and subsequently heated before the CO2  is offloaded  to  the  injection wells  (Roussanaly et al., 2013a; Vermeulen, 2011). The CO2 ship transport chain is shown in Figure 5.2. 

Method 5.4

In this study, the decision is analyzed to invest in CO2 pipeline or ship transport. Although this article  focusses on  the  transportation  chain,  the  capture unit and  the platform are incorporated to be able to analyze the costs of the CCS chain and compare them to the CO2  price.  This  study  excludes  the  costs  of  the  industrial  facility  or  power  plant, well drilling and abandoning, and monitoring of the storage reservoir, see Figure 5.2.  

Net present value approach 5.4.1

An investment decision in the NPV approach is based on whether the project generates a positive NPV. Required inputs for the NPV approach are the estimated costs and revenues or benefits during  the project duration. With  respect  to CCS, benefits will be present  in the form of less CO2 emission allowances that have to be bought. Besides calculating the NPV,  the  levelized  costs  (LC)  are  calculated,  reflecting  the  average  costs  of  capturing, transporting and storing one tonne of CO2 throughout the project lifetime.  

The NPV and  the  LC are  calculated with equation 5.1 and 5.3,  respectively. Summation formulas are used because the utilization rate is expected to decrease and the CO2 price is expected to increase over time. Consequently, the operational expenditures and benefits are not  constant over  time.  In Table 5.1,  the different CAPEX, OPEX and abandonment expenditures  (ABEX), which  are  included  in  this  study,  are  given  for  ship  and  pipeline transport. The transportation alternative with the highest NPV (or lowest LC) is selected.  

A sensitivity analysis  is performed  to assess  the  impact on  the NPV of higher and  lower initial utilization  rate,  coal price,  initial CO2 price, electricity price, or  fuel oil price. The included uncertainty ranges are given in Table 5.2.  

                                                                 3 Some literature sources state that a floating vessel is not needed and that the CO2 can be (after been heated and  pumped)  directly  injected  from  the  ship  into  the  reservoir  (Aspelund  et  al.,  2006; Decarre  et  al.,  2010; Vermeulen, 2011; ZEP, 2010). However, transient operation could lead to depressurization of the well. This can result in associated problems like thermal stress and the formation of hydrates in the well (Koeijer et al., 2014).  Therefore, to avoid these problems it is conservatively assumed that an offshore storage vessel is required. 

Chapter 5 

172 

 

∑ _ _ _.  

  (5.1) 

1 α   (5.2) 

∑_

.   (5.3) 

Where,  NPV  is  the  net  present  value;  T  is  the  project  duration  (y)  and  the abandonment expenditures are realized in the period T+0.25; Pct is the CO2 price in period t (€/tCO2); mno_CCS_t is the CO2 emitted when CCS is not applied in period t (tCO2/y); mCCS_t is the CO2 emitted when applying CCS in period t (tCO2/y); OPEXt, CAPEXt and ABEXt refer to the operational, capital and abandonment expenditures in period t, respectively (€/y); r is the discount rate; Pc0 is the CO2 price in year 0 (€/tCO2); αc is the growth rate or constant drift of the CO2 price  (%); LC are the  levelized costs (€/tCO2); and mcap_t  is the amount of CO2 captured in period t (tCO2/y).  

Real option approach  5.4.2

In  this  study,  the  real option approach  is used  to analyze  the  value of  flexibility. Three different flexibility options are analyzed in this study. Firstly, there is the option to switch to another storage reservoir when the original reservoir  is full. The consequences of this for  the  two  transportation  solutions  are  different.  For  the  pipeline  solution,  a  new pipeline has to be extended from the old to the new storage location, a new platform has to  be  constructed,  and  the  old  platform  has  to  be  decommissioned.  For  the  shipping solution,  the  floating  vessel  has  to  be moved  and  the  ship  has  to  sail  to  a  different location.  

Table 5.1: Different CAPEX, OPEX and ABEX  included  in  this study  for  the shipping and pipeline solution.  

  CAPEX OPEX ABEXa

Pipeline   ‐ Capture and compression ‐ Pumping station ‐ Offshore pipeline ‐ Platform 

‐ Fixed operation and maintenance (O&M) costs capture plant 

‐ Variable capture costs ‐ Electricity (pumps) ‐ O&M costs pipeline ‐ O&M costs platform 

‐ Capture and compression plant 

‐ Pumping station ‐ Offshore pipeline ‐ Platform 

Ship  ‐ Capture and compression ‐ Liquefaction unit ‐ Temporal storage ‐ (Un)loading equipment ‐ Ship including cargo pumps ‐ Floating vessel with conditioning equipment 

‐ Fixed O&M costs capture plant 

‐ Variable capture costs ‐ Electricity (liquefaction) ‐ O&M costs ship  ‐ Fuel oil for ship ‐ O&M costs floating vessel and conditioning equipment 

‐ Conditioning energy 

‐ Capture and compression plant 

‐ Liquefaction unit ‐ Temporal storage ‐ (Un)loading equipment ‐ Ship  ‐ Floating vessel with conditioning equipment 

a) ABEX can be negative if the residual value is higher than the costs of decommissioning.

 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

173 

 

Secondly, the CO2 capture unit can be temporarily switched off  if the CO2 price does not compensate  the variable capture, transport and storage costs.  If  this happens,  the  fixed OPEX still have to be paid (e.g., permanent staff, insurance), but the unit can be turned on if the CO2 price increases (or the variable OPEX decreases) in the next period.  

Thirdly, the CCS project can be abandoned during the entire lifetime of the project. In this case, the ship is assumed to be sold for a residual value, as it can also be used for different purposes.  The  other  infrastructure  components  (like  the  capture  and  compressor  unit, liquefaction unit, pumps, pipelines, and platforms) for the ship as well as for the pipeline solution have to be decommissioned. In this case, starting up the CCS project again would be very costly and is assumed to be unfeasible.  

The  value of  the different options are  calculated  for each option  separately and  for all options combined.  

Least‐squaresMonteCarloapproach5.4.2.1

In  this  study,  the  different  options  cannot  only  be  exercised  on  a  fixed  date,  but  also during the entire project duration. Furthermore, multiple uncertainties are assessed and many of them have a stochastic behavior. Simulation techniques are the best method for analyzing problems with these characteristics  (Abdel Sabour and Dimitrakopoulos, 2011; Longstaff  and  Schwartz,  2001).  In  this  study,  the  least‐squares  Monte  Carlo  (LSMC) approach,  developed  by  Longstaff  and  Schwartz  (2001),  is  used  to  value  the  different options and compare the pipeline and ship solutions.  

In  this  study,  different  uncertainties  are  included  and  are modeled  stochastically.  This means that expectations of future values are based on the current value, but elements of randomization are present in predicting the future. Two different stochastic relations are used in this study. Firstly, the Geometric Brownian Motion (GBM), given in equation 5.4, is used for the  load factor, CO2, coal and fuel oil prices. Coal and oil prices are assumed to follow a GBM, because  the mean reversion rate  is rather slow  (Pindyck, 1999). Also the CO2 price  is assumed  to  follow a GBM, which  is consistent with  (Abadie and Chamorro, 2008; Fuss et al., 2008; Zhang et al., 2014; Zhu& Fan, 2011). Furthermore, the utilization rate  of  the  coal  power  plant  is  also  assumed  to  follow  a GBM.  Currently,  (most)  coal power plants operate on base  load. However,  if more  renewables penetrate  the power system over time, then base load plants have to operate with more flexibility. Hence, the utilization  rate  would  decrease  over  time  (i.e.,  a  negative  drift).  In  addition,  there  is uncertainty in the utilization rate of the coal power plant due to variation in the generated electricity by renewables, variation  in the allocation of (different types of) power plants, etc.  

Secondly, the electricity price is described with a GBM with mean reversion, see equation 5.5, implying that the electricity price has a tendency to merge to a long term mean level (Abadie and Chamorro, 2008). Besides the two different GBM models, the uncertainty in the  storage  reservoir  is modeled with a normal distribution,  to make outcomes around the mean most likely, but also include that considerably lower or higher values may occur. 

Note  that different variables can be correlated. For  instance,  it  is  likely  that a high coal 

Chapter 5 

174 

 

price would result in an increase in the electricity price. Therefore, correlation coefficients have been defined. 

α σ   (5.4) 

σ   (5.5) 

Where Xi is the value of i and i can reflect coal (f), CO2 (c), electricity (e), fuel oil (o) or utilization  rate  (u);  αi  is  the  constant drift or growth  rate of  i  (%);  σi  is  the  constant volatility or standard deviation of i (%); dWi is the increment to a standard Wiener process, which is normally distributed with a mean of zero and a variance of dt; ke is reverse rate of the electricity price; and Le is the long‐run equilibrium electricity price.  

Based on the stochastic relations, 10,000 runs are generated with a Monte Carlo analysis. For  each  run  and  each  period,  the  cash  flows  for  the  pipeline  and  ship  solution  are calculated,  see equation 5.6. Thereby, a distinction  is made between  fixed and variable OPEX, because the variable OPEX can be avoided  if no CO2  is captured, transported and stored when  the option  is present  to  temporarily switch off  the capture unit. Following Fleten and Näsäkkälä (2010) and Abadie (2015), the ramping down and starting up costs are assumed to have only a minor effect on the overall valuation, and they are therefore ignored  in this study. This  implies that  it  is best to switch off the capture unit,  if the CO2 price  does  not  compensate  the  variable  OPEX.  The  option  value  of  switching  off  the capture unit temporarily can be found by comparing the sum of the discounted cash flows with and without the option to switch off the CO2 capture unit.  

For the abandoning option, the question is whether is better to abandon or continue with the  project  in  each  period  t.  Note  that  in  the  final  period,  the  project  has  to  be abandoned,  see  equation  5.7.  Prior  to  the  final  period,  the  value  of  the  project  is  the current cash  flow plus  the  sum of  the  future cash  flow(s),  see equation 5.8. The  future cash  flows are estimated by using  the  simulation  results  from  the Monte Carlo analysis and  a  least  square  regression  (Longstaff  and  Schwartz, 2001). More  specifically,  the  ex post  realized cash  flows of all  individual simulation paths  from continuing at period  t+1 are regressed by using the values of the stochastic variables as independent parameters at period t. After the future cash flows are estimated for each period,  it  is evaluated, along each path for each discrete time period from time zero till the end of the project duration, if  abandoning  is more  cost‐effective  than  continuing  (Abdel  Sabour  and  Poulin,  2006; Longstaff and Schwartz, 2001; Zhu and Fan, 2011). If the sum of the estimated future cash flows  is  lower  than  the  ABEX  of  the  overall  project,  than  it  is  better  to  abandon  the project, see equation 5.9. Subsequently, the value of the project  is found by discounting all resulting cash flows with the risk free rate to time zero and calculating the average of the project value from all paths.  

For estimating  the  future cash  flows  for  the abandoning option, only  simulation  results are used for the regression exercise with a cash flow of zero or  lower. This gives a more 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

175 

 

accurate  approximation  of  the  value  of  continuing  the  project  and  increases  process efficiency.4 Note  that  for  each  time  period  the  actual  discounted  cash  flows  are  used rather than the conditional expected value estimated in the previous period, because this would lead to an upward bias in the option value (Longstaff and Schwartz, 2001).  

In  this  study,  the  regression  functions  are  based  on  the  first  three weighted  Laguerre polynomials, see equations 5.10‐5.12, as these provide more accurate results than other polynomial relations (Areal et al., 2008; Moreno and Navas, 2003). Besides the weighted Laguerre polynomials, also cross‐products of the variables are included to improve the fit of  the  regression  function.  Initial analysis  shows  that  the electricity price has very  little prediction power, most probably due  to  the strong  reverse  rate  in  the GBM with mean reversion. Hence, the electricity price  is not  included  in the regression function. Overall, this leads to the regression function shown in equation 5.13.  

_ _ _ _ ; 0 _

  (5.6) 

,   (5.7) 

, , ,∆   (5.8) 

, ,

, ,  (5.9) 

  (5.10) 

1   (5.11) 

1 2 /2   (5.12) 

∑ ∑  (5.13) 

Where, CFt  is the cash  flows  in period t; Pct  is the CO2 price  in period t  (€/tCO2); 

mno_CCS_t  is the CO2 emitted when CCS  is not applied  in period t (tCO2/y); mCCS_t  is the CO2 emitted when  applying  CCS  in  period  t  (tCO2/y); OPEXvar_t  are  the  variable  operational expenditures per  tonne of CO2 captured  in period  t  (€/tCO2); mcap_t  is  the captured mass flow  (tCO2/y);  OPEXfixed_t,  CAPEXt  and  ABEXt  refer  to  the  fixed  operational,  capital  and abandonment  expenditures  in  period  t,  respectively  (€/y);  CFg,t  is  the  cash  flow  of simulation path g in time period t; T is the project duration (y); Q (g,t) is the value of the 

CCS project of path g  in period t; rf  is the risk free rate; Δt is the time step;  ,   is the estimated continuation value of path g in time period t; Lj are the Laguerre polynomials of order j; Xi is the value of i, where i can reflect coal (f), CO2 (c), fuel oil (o) or utilization rate 

                                                                 4 For financial options, Longstaff and Schwartz (2001) use for the regression exercise only results which are  in‐the‐money. An option is in‐the‐money, if it would lead to a positive cash flow, when it is exercised immediately. For real options, it is not visible if the option is in‐the‐money with the information at a certain moment, because it depends on unknown future cash  flows. First runs  indicate that using only paths with a cash flow of zero or lower give better  results and decrease  the calculation  time of  the process, compared  to a  regression exercise using all simulation paths.   

Chapter 5 

176 

 

(u); Ft is the regression function estimated for each time period t; aij and cn are coefficients estimated by the regression analysis.  

The value of the option to switch to another storage reservoir  is determined  in a similar way than the abandoning option.  If the first reservoir  is full, a switch to another storage reservoir can be made. If the option is not present or not exercised, the project has to be abandoned. It is valuable to exercise the option when the estimated future cash flows are higher  than  the  costs  for making  a  connection  to  the  new  storage  reservoir.  For  this option, the regression exercise is based on all simulation results.  

By comparing the project value without any options with the project value including one or multiple options,  the option value  is  found.  In addition,  the probability and  timing of abandoning, switching temporarily off the capture unit or connecting to another storage reservoir can be derived (Zhu and Fan, 2013).  

Input data for the case study 5.5

In this article, all costs are expressed in €2010 and corrected with the upstream capital cost index (IHS, 2014). However as this index is only valid for dollars, costs quoted in literature in euros with another base year are first converted to dollars with the average exchange rate of the year where the costs are specific for. Subsequently, they are converted to $2010 with the relevant upstream capital cost index (IHS, 2014) and then back to euros with the average exchange rate of 2010, which  is 0.75 €2010/$2010 (OANDA, 2014). Other economic assumptions are given in Table 5.2 while the correlation coefficients used for the different variables are given in Table 5.3.  

The  preference  for  ship  or  pipeline  transport  is  analyzed  for  a  case  study  under uncertainty. It  is acknowledged that also the CAPEX, fixed OPEX and ABEX are uncertain. Nevertheless, in this study, it is assumed that they are known in order to assess clearly the influence  of  uncertainty  in  storage  volume,  utilization  rate  and  commodity  prices.  The characteristics of the case study are given in section 5.5.1 and the design and cost inputs for pipeline and ship transport are given in section 5.5.2 and 5.5.3, respectively. 

Table 5.2: Economic parameters for ship and pipeline transport used in this study. 

Parameter  Unit Value Comment / Source 

Both ship and pipeline

Design lifetime CCS project year 25a

Time step (Δt)  year 0.25 Own assumption  

Construction and decommissioning period 

year 0.25b

Risk free rate (rf)  % 5c

Discount rate (r) 

% 10d

Uncertainty range discount rate for sensitivity analysis 

% 50%‐150%(5‐15%) 

d

Initial CO2 price  €/tCO2 35e

Volatility CO2 price % 47e

Drift CO2 price   % 3.1e

Uncertainty range initial CO2 price for sensitivity analysis  

% (€/tCO2) 

50%‐200%(17.5‐70) 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

177 

 

Table 5.2: Economic parameters for ship and pipeline transport used in this study (continued). 

Parameter  Unit Value Comment / Source 

Initial coal price   €/GJ 2.5g

Volatility coal price % 8g

Drift coal price   % 0g

Uncertainty range coal price for sensitivity analysis  

% (€/GJ) 

80%‐120%(2.0‐3.0) 

f

Initial utilization rate coal power plant % 85h

Volatility utilization rate % 5i

Drift utilization rate % ‐2i

Uncertainty range utilization rate for sensitivity analysis  

% (%) 

75%‐106%(64%‐90%) 

f

 Initial cost of electricity €/MWh 60

j

Volatility electricity pricel

% 50 Abadie and Chamorro, 2008 

Reverse rate of the electricity pricel

0.96 Abadie and Chamorro, 2008 

Long‐run equilibrium electricity price €/MWh 70j

Uncertainty range electricity price for sensitivity analysis  

% (€/MWh) 

70%‐260%(42‐156) 

k

Ship 

Price of fuel oill 

€/tfuel 500 INSEE, 2014 Volatility fuel oil price % 18

l

Drift fuel oil price   % 0l

Uncertainty range fuel oil price for sensitivity analysis  

% (€/tfuel) 

60%‐150%(300‐750) 

f

Ship speed (independent of size) knots 16.5 Roussanaly et al., 2013a Harbor fee   €/tCO2 1 Roussanaly et al., 2013a Availability ship

m days 350 Roussanaly et al., 2013b 

(Un)loading time   hours 12 ZEP, 2010Liquefaction energy

nkWh/tCO2 39 Yoo et al., 2013b 

Cooling water use for liquefaction m3/tCO2 3.38 ZEP, 2010

Costs of cooling water  €/m3

0.14 ZEP, 2010Conditioning energy

otfuel/tCO2 0.66 Apeland et al., 2011b 

Pipeline 

Pumpingp  kWh/tCO2 per MPa 0.44 Knoope et al., 2014 

Fixed OPEX costs pipeline  % of CAPEX 1.5 Knoope et al., 2014 Fixed OPEX costs pumping stations % of CAPEX 4.0 Knoope et al., 2014 Fixed OPEX platform costs  % of CAPEX 5.0 Van den Broek et al., 2010 

a) In  literature, design  lifetimes of pipelines vary between 20‐50 years  (Chandel et al., 2010; ElementEnergy, 2010; Knoope et al., 2014; McCollum and Ogden, 2006; McCoy and Rubin, 2008; Van den Broek et al., 2010; ZEP, 2010), while  lifetime of CO2 ships vary between 15‐40 years  (Apeland et al., 2011ab; Aspelund et al., 2006; Decarre et al., 2010; Nam et al., 2013; Roussanaly et al., 2013a; ZEP, 2010). In this study, the lifetime of ships and pipelines are assumed to be the same for the sake of simplicity and comparison. Note that the actual  lifetime of the project may be shorter than the design  lifetime of 25 years because the CCS project could be abandoned earlier. 

b) For simplicity reasons, the construction  (and abandonment) period  is assumed to be equal to Δt, which  is 3 months. However, it is acknowledge that, in reality, planning and construction (or abandonment) activities could take several years. 

c) The risk free rate is within the range of 4‐5% used for CCS projects in literature (Abadie and Chamorro, 2008; Ho and Liu, 2002; Sarkis and Tamarkin, 2005; Zhang et al., 2014; Zhu and Fan, 2011).  

      

Chapter 5 

178 

 

Table 5.2: Economic parameters for ship and pipeline transport used in this study (continued). 

d) The continuously compounded discount rate is set at 10%, which equals the risk free rate plus a market risk premium of 5% to incorporate that a higher return is required for investments, which are not risk free. This is  comparable  to  the  risk  premium  of  4.5‐5.5%  estimated  by  several  models  (Koller  et  al.,  2010). Furthermore,  the  resulting  discount  range  is within  the  discount  rate  used  for  ship  transport  of  5‐10% (Apeland et al., 2011b; Aspelund et al., 2006; Decarre et al., 2010; Nam et al., 2013; Roussanaly et al., 2013a; ZEP,  2010)  and  for  pipelines  of  5‐15%  (Chandel  et  al.,  2010;  ElementEnergy,  2010;  Knoope  et  al.,  2014; McCollum& Ogden, 2006; McCoy& Rubin, 2008; Van den Broek et al., 2010; ZEP, 2010). For the sensitivity analysis, a discount range of 5%‐15% is used. In this study, the risk premium and discount rate for ships and pipelines are assumed to be the same for the sake of simplicity and comparison.  

e) In 2014, the CO2 price was about 5 €/tCO2 in the European Union Emissions Trading Scheme (EU ETS). This price  is too  low to cover the variable costs of capture, transport and storage.  It  is estimated by ZEP that a price of at least about 35 €/tCO2 is needed to make CCS commercially viable, which is in accordance with the expected EU ETS price of 2025 (ZEP, 2011b). The volatility and drift are based on the CO2 allowances traded in the context of the second phase (Dec‐08 and Dec‐2012) of the EU ETS (Abadie and Chamorro, 2008). 

f) The uncertainty  ranges  for  the sensitivity analysis of  the coal and  fuel oil price  for  the NPV approach are based on  the  5%‐95%  confidence  interval of  the  average  value of  the Monte Carlo  simulation  runs.  The uncertainty ranges of the CO2 price and utilization rate are based on the 5%‐95% confidence interval of the projected values  in year 25, which are  subsequently  converted  to an estimated  initial value by using  the corresponding drifts. To avoid that the utilization rate becomes higher than 100%, the upper value of the utilization  rate  is based on  the average utilization  rate of a coal power plant with CCS estimated by Mott MacDonald (2010).  

g) The  coal price  is based on  the average price of  imported  coal  (from overseas)  to  the Netherlands  in  the period 2003‐2013 (Statline, 2014). The historical volatility of the coal price is estimated to be 7‐9% and the growth rate is close to zero (Pindyck, 1999). In this study, the average of the volatility range is used. 

h) The utilization rate  is similar to the 7,500 hours assumed by ZEP (2011a).  It  is assumed that the operation hours of the coal power plant are spread evenly throughout the year.  

i) The volatility for the utilization rate  is based on quarterly utilization rates of coal power plants from 2000‐2012 in the United States (EIA, 2015ab). A slightly lower utilization rate of 50% is found for coal power plants with CCS in Europe, where 80% of the electricity is generated by renewables (Brouwer et al., submitted). A slightly  lower utilization rate of 50%  is found for coal power plants with CCS  in Europe, where 80% of the electricity is generated by renewables (Bertsch et al., 2012). The International Energy Agency (IEA) projects average utilization rates for coal power plants with CCS of 69%‐85% in 2020‐2040 and of 53%‐85% in 2050 (IEA, 2014a). In this study, the average utilization rate is assumed to decline over time from 85% to 50% in 25 years, i.e., a growth rate of ‐2% per year. 

j) The electricity price  is based on the average price of  large  industrial consumers (>20 GWh/y)  in the EU‐28 (weighted according  to  their  total electricity  consumption)  in  the period 2007‐2012  (Eurostat, 2014). The electricity price is very dynamic, but there is a difference in the dynamics of the short (hour / day) and long term  (month  /  year).  In  this  study,  the  long  term  dynamics  are  considered  relevant,  and  the  drift  and volatility are based on monthly data (Abadie and Chamorro, 2008). The mean reverting long term electricity price  is  assumed  to  increase  linearly  from  the  current  level of  60 €/MWh  to  70 €/MWh  in  year  25.  This increase is comparable to the average electricity price increase foreseen in Europe, China and the U.S. from 2012 to 2040 (IEA, 2014b).  

k) The  electricity  price  range  is  based  on  the  uncertainty  range  for  the  electricity  costs with  CO2  capture indicated by ZEP (2011a), of 42‐157 €/MWh for a n

th kind of a plant.  

l) The  costs  are  based  on  heavy  fuel  oil  with  1%  sulfur.  These  costs  are  within  the  range mentioned  in literature, which is 430 ‐ 790 €/tfuel (Apeland et al., 2011b; Roussanaly et al., 2013a; ZEP, 2010). The price of fuel oil  is assumed  to be  fully positively  correlated  to oil price. The historical volatility of  the oil prices  is estimated to be 16‐21% and the growth rate is close to zero (Pindyck, 1999). In this study, the average of the volatility range is used. 

m) 15 days per year are used for maintenance. It is assumed that this take place during off‐peak periods.     

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

179 

 

Table 5.2: Economic parameters for ship and pipeline transport used in this study (continued). 

n) Different  energy  consumption  values  for  liquefaction  are  quoted  in  literature. However,  the majority  of studies  starts with CO2 at atmospheric pressures, while  the  configuration  in  this  study  starts with CO2 of 10 MPa, which  is similar to the  inlet conditions of Yoo et al., (2013b), ZEP (2010) and  IEA GHG (2004).  IEA GHG  (2004) mentions  an  energy  consumption of  14.4  kWh/tCO2, but  the  formed  gaseous CO2  is  vented instead of recompressed. Yoo et al.,  (2013b)  indicate an energy consumption of 17 kWh/tCO2  for a multi‐stage compression configuration. They indicate that a multi‐stage configuration is 44% more efficient than a one‐stage  configuration.  This  implies  that  with  a  one‐stage  compressor  configuration,  the  energy consumption would  be  39  kWh/tCO2.  Unfortunately,  the  CAPEX  of  the  different  configurations  are  not indicated by Yoo et al.,  (2013b). The CAPEX  (but not  the energy consumption of) a one‐stage compressor configuration  is given  in ZEP (2010). Hence, the CAPEX of ZEP and energy consumption of Yoo et al., for a one  stage  compressor  configuration  are  used.  The  required  energy  for  liquefaction  is  assumed  to  be purchased from the grid (ZEP, 2010). 

o) The  conditioning  energy  for  pumping  and  heating  CO2 from  ‐50°C  and  0.7 MPa  to  0°C  and  7 MPa  is estimated on 3 kWh/tCO2  (Apeland et al., 2011b). This electricity  is consumed by pumps. The electricity  is generated by the engine of the vessel, which leads to an additional fuel oil consumption of 0.220 kgfuel/kWh and  consequently  to  a  conditioning  energy  of  0.66 kgfuel/tCO2  (Apeland  et  al.,  2011b).  The  CO2  will  be warmed up by heat exchangers, which will use waste heat of the engine and seawater. 

p) The pumping energy is based on an efficiency of 75% and on a CO2 density of 850 kg/m3, which is related to 

CO2 of 10 MPa and 20°C. 

Table  5.3:  Correlation  coefficients  between  the  different  stochastic  variables  included  in  this study.  

  CO2 price Coal price Oil price Electricity price Utilization rate 

CO2 price  1 ‐0.46a

0.26b

0.39b

0c

Coal price  ‐0.46a

1 0.32d

0.56a

0c

Oil price  0.26b

0.32d

1 0.18b

0c

Electricity price  0.39b

0.56a

0.18b

1 0c

Utilization rate  0c

0c

0c  0

c1

a) Based on (Roques et al., 2008).b) Based on (Abadie et al., 2014). c) In this study, the utilization rate of the coal power plant with CCS  is strongly related to the penetration 

rate of renewables. Currently, renewables are subsidized and most renewables have a strong intermittent character.  This  implies  that  the  utilization  rate  of  the  coal  power  plant  is mostly  determined  by  the electricity  generated  by  the  renewables,  rather  than  by  the  prices  for  coal,  CO2  and  electricity. Consequently, the correlation coefficients related to the utilization rate are set to zero.  

d) Based on (Rothe, 2011). 

Case study 5.5.1

The case study included in this article represents a typical coal power plant with a capture unit near a harbor. Although, the focus of this article  is on the transportation chain, the capture unit as well as the storage facility are incorporated to be able to analyze when it is cost‐effective  to  switch  off  the  capture  unit  temporarily  or  abandon  the  CCS  project. Hence, the capture as well as the storage part are included, but are less detailed modelled than the transportation chain. The following assumptions for the case study were made: 

‐ Three different design capacities are considered, representing a small demonstration, a large demonstration and a commercial coal‐fired power plant with CCS. These design capacities  are  133,  333  and  1,330 tCO2/hr,  which  are  equivalent  to  1 MtCO2/y, 2.5 MtCO2/y  and  10 MtCO2/y  with  7,500  operating  hours  per  year,  respectively.   

Chapter 5 

180 

 

‐ It is assumed that there is a coal power plant with a CCS unit under construction. The specifications of  this plant are based on a  study of ZEP  (ZEP, 2011a). By assuming a scale factor of 0.7 (Kuramochi et al., 2010), the  investment costs for the CO2 capture and compression unit are 215 M€, 408 M€ and 1,076 M€ for design capacities of 1.0, 2.5 and 10 MtCO2/y,  respectively. The  corresponding  fixed OPEX are 5.6 M€, 11 M€ and 28 M€. Furthermore, the variable OPEX for the capture unit are 3 €/tCO2 captured and  the  additional  fuel  use  (including  compression  to  10‐11 MPa)  is  2 GJpr/tCO2 captured. Due to the additional energy use  induced by capturing CO2, the amount of CO2 avoided is lower than the amount of CO2 captured. For every tonne CO2 captured, 0.81 tonne CO2 is avoided.

5  ‐ The costs  for ramping up or down  the capture plant have only a slight effect on  the 

valuation  and  they  are  therefore  not  taken  into  account  (Abadie,  2015;  Fleten  and Näsäkkälä, 2010). 

‐ There  is  not  much  cost  data  available  for  the  costs  of  decommissioning  the  CO2 capture  unit.  It  this  study,  it  is  assumed  that  the  residual  value  equals  the decommissioning costs (Malley and Zarider, 2012).  

‐ It  is  assumed  that  after  compression  and  drying,  the  CO2  only  contains  traces  of impurities and it behaves as pure CO2.  

‐ The CO2 source is assumed to be located 10 km from the harbor, wherefrom the ships would  depart  or  a  suitable  onshore  –  offshore  connection  could  be made  for  the pipeline configurations. The outlet pressure of the onshore pipeline  is set at 10 MPa and 20°C (Yoo et al., 2013b). The onshore pipeline is designed by assuming a pressure drop of 30 Pa/m and a carbon steel grade of X80 (Knoope et al., 2014). The CAPEX for the onshore pipeline are 4.6, 7.1 M€ and 11 M€ for design capacities of 1.0 MtCO2/y, 2.5 MtCO2/y  and  10 MtCO2/y,  respectively  (Knoope  et  al.,  2014).  In  this  study,  the ABEX  for  this  onshore  pipeline  of  limited  length  is  assumed  to  be  negligible.  This assumption would not  influence the choice between pipeline and ship, because both configurations include this pipeline. 

‐ The distance from the harbor to the offshore reservoir is assumed to be 250 km, which is a  typical distance  to  suitable  large  scale  storage  reservoirs on  the North Sea,  like from Kårstø to Utsira, from Rotterdam to J06A and from Peterhead to Brae (Apeland et al., 2011a; Austell et al., 2011; SCCS, 2009).  In addition, the effect of a distance of 500 km  is also  investigated, which  is approximately  the distance  from Rotterdam  to (almost) depleted oil  fields  in Denmark  (RCI, 2011). An additional  reason  to analyze 250 and 500 km is that the choice between pipeline and ship is not as straightforward as it would be for a distance below 100 km or above 1,000 km. 

‐ All CO2 from the source is assumed to be transported to the same storage reservoir. ‐ Even after exploration of the storage reservoir, there will be uncertainty in the storage 

capacity, because perfectly mapping of the subsurface is neither possible nor desirable 

                                                                 5 In addition, CO2 emissions are emitted downstream due to burning fuel oil, generating electricity and CO2 that boils off. For the shipping solution, this will be about 2.5% of the total amount of CO2 transported for a distance of 200  km (IEA GHG, 2004). These CO2 emissions are ignored in this study.  

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

181 

 

(Friedmann, 2007). Hence, part of the reservoir properties determining injectivity and capacity will  be  revealed  during  operation  (Ringrose,  2013).  The  uncertainty  in  the storage  capacity  before  actual  site  development  is  not  known.  It  is  stated  that  an accuracy of 30% should be realized in estimating the CO2 storage capacity in geologic formations (NETL, 2013). By assuming that this reflects the 95% confidence interval of the  normal  distribution’s  probability  density,  the  standard  deviation  is  15%.  The average  storage  capacity  is  set  at  100 Mt, which  is  considered  to  be  the minimum capacity for economical offshore CO2 storage (Wildgust, 2009).  

‐ Due  to geological  factors,  there are natural clusters of storage  reservoirs, at  least  in the North Sea (SCCS, 2009; Van den Broek et al., 2010). Hence, the distance from one storage reservoir to another is expected to be less than the (assumed) 250 or 500 km from the harbor to the storage reservoir. The distance between storage reservoirs will be very case specific, but is assumed to be 25 km in this study.  

Pipeline design and costs 5.5.2

The  design  and  costs  of  the  offshore  pipeline  are  obtained  from  a  cost minimization model developed  in  a previous  study  (Knoope et  al., 2014). The outlet pressure of  the offshore pipeline is set at 7 MPa, which is assumed to be high enough for direct injection (Apeland et al., 2011b).  Increasing  the pressure by  installing pumping stations would be very expensive offshore, because a platform with an electricity connection is needed (IEA GHG, 2002). Consequently, if the inlet pressure of the offshore pipeline is higher than the outlet pressure of  the onshore pipeline  (10 MPa), a pumping station has  to be  installed before going offshore. For offshore pipelines and inlet pressures ranging from 10‐35 MPa (in steps of 1 MPa), the most cost effective steel grade, required thickness and nominal pipe size is determined. The required thickness is based on maximum allowable operation pressure  (MAOP), which  is  assumed  to  be  20%  (instead  of  10%)  higher  than  the  inlet pressure,  to have some operational  freedom  to extend  the  length of  the pipeline  if  the first  storage  reservoir  is  full.6  For  each  inlet pressure,  the  total  and  levelized  costs  are calculated and the one resulting in the lowest levelized costs is selected. In this way, the optimal  combination  of  inlet  pressure,  diameter  and  steel  grade  is  found.  The  main outputs of the cost minimization model and costs data for the considered capacities and distances are given in Table 5.4.  

If a connection has to be made to the next storage reservoir, the old platform would need to be decommissioned and a (new) platform needs to be installed at the new CO2 injection location. In addition, a new pipeline section would be added to the original pipeline to the new  storage  location.  It  is  assumed  that  the  CO2  also  has  to  be  delivered  to  the  new storage reservoir with a pressure of 7 MPa. To compensate for the pressure drop  in the   

                                                                 6 The MAOP always have to be 10% higher than the inlet pressure for safety reasons (Knoope et al., 2014). With a MAOP  of  20%  higher  than  the  inlet  pressure,  extension  of  the  pipeline  with  25  km  is  possible  without exceeding the MAOP requirement.  

Chapter 5 

182 

 

Table 5.4: Details and capital costs  for the offshore pipeline solutions  for the considered design capacities and distances. 

  1 MtCO2/y 2.5 MtCO2/y 10 MtCO2/y Comment / Source 250 km 500 km 250 km 500 km 250 km 500 km

Steel grade   X80 X80 X80 X65 X65 X80a 

Outer diameter   m 0.22 0.27 0.32 0.41 0.61 0.61a 

Pressure drop   Pa/m 51 15 40 12 24 24a 

Inlet pressure  MPa 20 15 17 13 13 19a 

CAPEX pumping station

M€ 2.8 1.8 3.8  2.3 4.8 14 Knoope et al., 2014 

Length depended CAPEX for offshore pipeline

M€/km 0.31 0.38 0.47 0.60 1.0 1.2 Knoope et al., 2014 

Fixed CAPEX for offshore pipeline

c M€ 35 35 35 35 35 35 Austell et al., 

2011 CAPEX platform

e  M€ 68 68 68 68 68 68 Van den Broek 

et al., 2010 

a) Outcomes of the cost minimization model of Knoope et al., (2014).b) Pumping costs are calculated with Ipump = 74.3 x Wpump

0.58, where Ipump are the investment costs of pumping 

stations (k€) and Wpump is the capacity of pumping station per unit (kWe). c) The fixed costs are for mobilization of the required pipelay barges, construction of the onshore – offshore 

connection and the connection of the pipeline to the injection facility. These costs are estimated at 35 M€ 

and independent of pipeline length (Austell et al., 2011). d) The  length depended CAPEX  for  the offshore pipeline consist of material,  labor and miscellaneous costs. 

For the cost formulas, we refer to previous work (Knoope et al., 2014). e) No platform  is  assumed  to be present  and,  therefore,  all  surface  facilities have  to be  constructed.  The 

CAPEX for this are based on offshore aquifers and are estimated at 68 M€ (Van den Broek et al., 2010). The costs for site development (0‐27 M€) and monitoring (0‐1.7 M€) are excluded.  

extended  pipeline,  the  inlet  pressure  of  the  offshore  pipeline  has  to  be  higher  and additional pump capacity needs to be  installed. This higher  inlet pressure  is no problem for the existing pipeline, because the MAOP was initially assumed to be 20% higher than the inlet pressure. 

The  abandonment  expenditures  (ABEX)  are  based  on  reports  submitted  to  the  British Department of Energy and Climate Change  (DECC), which regulate the decommissioning of offshore oil and gas  installations and pipelines  in  the continental  shelf of  the United Kingdom  (DECC,  2015).  Redundant  platforms  at  the North  Sea  have  to  be  completely removed  (DECC,  2011).7  In  Figure  5.3,  an  overview  is  given  of  the  different  cost estimations and realized costs for decommissioning of different platform weights. There is a  relation  between  the  decommissioning  costs  and  the weight  of  the platform.  In  this study, the CO2 injection is assumed to be conducted from a small platform, which weighs about 1.2 kt.8 For this platform, the ABEX are estimated at 13 M€ with the derived power 

                                                                 7 Exceptions can be made for platforms with a concrete structure or large scale steel platforms with a weight of more than 10 ktonne, if they are installed before 1999 (DECC, 2011) 8 This is about the average weight of the five smallest platforms (Juliet‐P, Mike, and November platforms of the Indefatigable field; Welland, and Hron &Wren platform). These platforms support on average four wells.  

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

183 

 

relation.9  

The pipelines are assumed to be decommissioned by flushing the pipelines with seawater and burying  the ends of  the pipelines  (i.e.,  left  in‐situ).  From  the  information  available from  the DECC,  it  is not possible  to predict  the decommissioning  costs of pipelines by looking to the length, diameter or number of pipelines decommissioned. Hence, the costs relation derived for decommissioning offshore structures in the Gulf of Mexico was used, see equation 5.14 (Kaiser and Liu, 2014). The decommissioning costs depend on the water depth.  In  this  study,  a water  depth  of  100 m  is  assumed, which  is  comparable  to  the average depth of the North Sea (Ecomare, 2014).  

  

Figure 5.3: Decommissioning costs for platforms.10  

For  the  pumping  station,  it  is  conservatively  assumed  that  the  decommissioning  costs equal the residual value.  

_ 34,160 4,043 1,355,429 7,919   (5.14) 

Where,  Cdecom_pipe  are  the  decommissioning  costs  of  the  pipeline  (€2010); WD  is  the water depth (m); OD is the outer diameter of the nominal pipe size (m) and L is the length of the pipeline (km). 

 

                                                                 9 By conducting a sensitivity analysis by removing one data point at the time, the ABEX would vary between 11‐15 M€. This range is within the 30% uncertainty range often assumed present in feasibility studies (McCoy, 2012; U.S. Environmental Protection Agency & U.S. Army Corps of Engineers, 2000). 10  The  following  sources  are  used  for  the  platform  costs  (Blacklaws  et  al.,  2014; Davies  et  al.,  2014;  Energy 

Resource  Technology  (UK)  Limited,  2012;  Harvey  and  Walton,  2013;  Maureen  Owners,  2001;  Shell,  2004; Sparreboom and Zant, 2014; TOTAL, 2011; Tucker et al., 2010; Tullow Oil, 2014).  

y = 10.903x0.8367

R² = 0.8533

0

100

200

300

400

500

600

0 25 50 75 100

Decommissioning costs (M

€2010)

Weight (ktonne)

Actual Estimated Power (All costs)

Chapter 5 

184 

 

Ship design and costs 5.5.3

Different cost estimations for ship costs are available in literature (Apeland et al., 2011a; IEA GHG,  2004; Nam  et  al.,  2013;  Roussanaly  et  al.,  2013a;  Skagestad  et  al.,  2014).  In Figure  5.4,  an  overview  is  given  and  a  power  function  is  drawn  based  on  all  cost estimations.11  In  this  study,  the  shipping  costs  of  Roussanaly  et  al.,  (2013a)  are  used, because  the costs are  relatively close  to  the power  function and, moreover,  the  fuel oil consumption of these ships are clearly stated. The fuel oil consumptions are 6.2, 5.7 and 5.4 gfuel/tCO2/km for ship capacities of 25, 35 and 45 ktonne, respectively  (Roussanaly et al., 2014). Fixed OPEX and CAPEX  for  the ships as well as  for  the other components are given in Table 5.5. The ships and floating vessels are assumed to be only available in three sizes. The other components can be scaled to the required size with equation 5.15.  

  (5.15) 

  Where C are the costs of the component; S is the size of component; y is the scale factor; and the subscripts 1 and 0 refer to the required and reference scale, respectively.  

 

Figure 5.4: CAPEX for CO2 ships available in literature (Apeland et al., 2011b; IEA GHG, 2004; Nam 

et al., 2013; Roussanaly et al., 2013a; Skagestad et al., 2014).  

 

                                                                 11 Nam et al.,  (2013) give shipping costs  for different  target pressures and speeds.  In Figure 5.4,  the costs are 

given  for a  target pressure of 5 bars and a speed of 15 knots. The capacities of  the ships were given  in cubic meters for Nam et al., (2013), Apeland et al., (2011b), and Skagestad et al., (2014). These are converted with a density of 1,155 kg/m

3. 

y = 10.245x0.4799

R² = 0.8437

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60

Costs (M

€)

Size (kt)

Skagestad et al., Roussanaly et al.,IEA GHG Nam et al.,Apeland et al., Power (All)

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

185 

 

Table 5.5: Selected capital costs of the different components for ship transport.  

Component  Base scale 

Scale unit 

Scale factor 

Base costs (M€2010) 

Max. size of unit 

Fixed O&M cost 

Source

Liquefactiona  20 MtCO2/y 0.90 147 n.a. 5% ZEP, 2010 

Temporary storage at the harbour

b 1,000 m

31.0 1.0 n.a. 5% ZEP, 2010 

Loading equipmentc

3  MtCO2/y 0.0 9.5 5 2% Apeland et al., 2011b Ships

d  25 

(21,825) ktCO2 

(m3)

n.a. 44  n.a. 2.2 M€/y Roussanaly et al., 2013a; 2013b  35

(30,555) ktCO2 

(m3)

n.a. 52  n.a. 2.5 M€/y

45 (39,285) 

ktCO2 

(m3) 

n.a. 60  n.a. 2.7 M€/y

Floating vessele  25 ktCO2 n.a. 23  n.a. 5% Business news, 2014; 

Simic, 2013 35 ktCO2 n.a. 28  n.a.45  ktCO2 n.a. 33  n.a.

Offloading systemf

1,200 tCO2/h 0.29 30  1,200 5% Apeland et al., 2011b; Skagestad et al., 2014 

Conditioningg 

350 tCO2/h 0.56 2.0 n.a. 5% Apeland et al., 2011b 

a) The  IEA  GHG  (2004) estimated  the  costs  for  a  stand‐alone  liquefaction  unit  receiving  6.2  Mt  pre‐pressurized CO2 per year on 28 M€. ZEP (2010) estimated the capital costs including construction interest for a 2.5 MtCO2/y and a 20 MtCO2/y  liquefaction unit on 22.7 and 147 M€, respectively. These costs are used to estimate the scale factor of 0.9. By using this derived sale factor, the costs of ZEP for a 6.2 MtCO2/y unit would be 51 M€. Hence, the costs of ZEP are 80% higher than from IEA GHG. The costs of ZEP are used in  this  study  because  they  are more  recent  and  it  is  clearly  stated  that  also  the  recompression  of  the gaseous CO2 is included. The fixed O&M costs are not stated in the study of ZEP and are therefore based on IEA GHG (2004).  

b) The  cost of  temporary  storage  in  the harbor  is based on utilizing a  floating  storage vessel permanently located between the ship and the quay  (ZEP, 2010). This option  is expected be the  least cost alternative when  sufficient harbor  space  is available, because  construction  can  take place outside  the harbor  (ZEP, 2010). Therefore, this storage option is also used in this study. The volume of temporary storage should be similar as the cargo volume of the largest ship in use (Skagestad et al., 2014; ZEP, 2010). This assumption is also used in this study.  

c) Not many cost estimations are available  for  loading equipment.  It  is assumed  that  loading equipment  is already installed in the harbor (ZEP, 2010) or that the costs are negligible (Decarre et al., 2010). Apeland et al.,  (2011b) assume  that  the costs  for  loading equipment are 9.5 M€  for handling mass  flows of 1, 3 or 5 MtCO2/y. Skagestad et al.,  (2014) mention substantially  lower costs of 1.1 M€  for  loading 0.8 MtCO2/y and  IEA GHG  (2004)  estimated  the  costs on 7.5 M€2010  for  loading 6.2 MtCO2/y.  In  this  study,  the  cost estimation of Apeland et al., (2011b)  is conservatively used and the maximum unit size  is assumed to be 5 MtCO2/y.  

d) For ships, three sizes are assumed to be available and no intermediate sizes can be purchased.  e) A floating vessel is used as offshore temporary storage and as location for the conditioning equipment. This 

can be a converted (old) ship (Choi and Chang, 2011). Similar to the onshore temporary storage, the size of the floating vessel is assumed to be similar as the size of the largest ship in use. Not much cost information is publically available on the costs of floating vessels. It is known that the conversion costs for a 40,000 m

oil tanker were 25 M€ (Business news, 2014) and 40 M€ for an oil tanker of almost 80,000 m3 (Simic, 2013). 

Based on these data points, a scale factor of 0.69 can be derived. This scale factor and the two data points are  used  to  estimate  the  conversion  costs.  In  addition  to  the  conversion  costs,  an  old  ship  has  to  be purchased. The purchasing cost of an old ship of 40,000 m

3 is 10 M€ (Simic, 2013), which is approximately 

15% of  its  initial value  (see Figure 5.4). Hence,  it  is estimated that old ships can be purchased of 15% of their  initial value. The O&M costs are assumed to be the same percentage as  for the temporary storage near the harbor and the offshore loading system.  

Chapter 5 

186 

 

Table 5.5: Selected capital costs of the different components for ship transport (continued).  

f) The floating vessel is connected to the storage reservoir with an internal dis‐connectable submerged turret loading system (STL) and a spread mooring system. The CAPEX for a large STL system capable of handling 1200 tCO2/h are estimated at 30 M€ and  the  fixed OPEX at 5% of  the CAPEX by Apeland et al.,  (2011b). Skagestad et al., (2014) estimated the investment costs at 21.9 M€ for a STL system with a throughput of 400  tCO2/h. With  these  two  points  the  scale  factor  is  estimated  at  0.29,  which  indicates  very  large economies  of  scale.  No  other  cost  estimations  are  found  for  a  STL  in  publically  available  sources  and therefore  this  relation  is  used.  To  avoid  unrealistic  large  economies  of  scale,  the  maximum  scale  is conservatively set at 1200 tCO2/h.  

g) In this study, the minimal temperature and pressure at which the CO2 can be injected in the reservoir is set at  0°C  and  7 MPa  (Apeland  et  al.,  2011b).  To  reach  these  conditions  for  ship  transport,  two  heat exchangers and three pumps are installed on the floating vessel. The energy required for this is provided by burning  fuel  oil, which  has  to  be  supplied  to  the  injection  site.  The  CAPEX  for  the  entire  conditioning process are estimated at 2 M€ for a flow of 350 tCO2/h and 4 M€ for a flow of 1200 tCO2/h (Apeland et al., 2011b). This leads to a scaling factor of 0.56. 

After the ship has run his economic lifetime, the residual value of the ship is estimated to be 200 € per tonne, based on the scrap iron price (Return, 2011a; Return, 2011b). A ship transporting  16,000 m3  CO2 weights  about  19.5  ktonne  and  a  ship  of  32,000 m

3  about 39 ktonne (Apeland et al., 2011a). Hence, the residual value would be 3.9 M€ and 7.8 M€,  respectively.  This  is  about  10%  of  the  initial  investment  costs, which  is  similar  to  the residual value of 10% stated by Bingsong et al., (2014). In this study, it is assumed that the residual value of ships is at least 10%. However, if the ship is sold already after a few years  of  operation  it  is  probably worth more,  because  it  can  be  used  for  transport  of  other commodities. Aspelund et al., (2006) estimated the residual value of a ship on 35% after 15 years. Assuming linear depreciation, and extrapolating the trend of Aspelund et al., the ship  is  assumed  to depreciate  to 10% of  the  initial  investment  after 21  years. After 21 years,  the  residual  value  is  assumed  to  remain  10%.  For  the  other  components (liquefaction  unit,  temporary  storage  unit,  floating  vessel,  heaters  and  pumps),  it  is assumed that the decommissioning costs equal the residual value.  

The optimal ship configuration  is determined by a simple cost minimization model made in Excel. First, the minimum required number of ships  is calculated for each ship size, by taking  into account  the  (un)loading  time,  the availability and  the  sailing  speed. Second, the  required  capacities,  CAPEX  and  OPEX  are  calculated  for  each  component. Subsequently, the configuration leading to the lowest total costs is selected. In this study, it  is  not  taken  into  account  that  configurations  of  ships  with  different  sizes  can  be combined.  

If the storage reservoir is full, the ships can sail to another reservoir, which is further away from  the harbor. The  storage  vessel  and  the offloading  system has  to be disconnected from  the  old  storage  location,  towed  to  and  moored  at  the  new  storage  reservoir. Unfortunately, not much cost data  for  this operation  is available. The  realized costs  for disconnecting  and  towing  a  floating  production,  storage  and  offloading  (FPSO)  unit  to another location are estimated to be 9.1 M€ (Premier Oil, 2012). To incorporate also the reinstallation of the floating vessel, the costs are assumed to be 10 M€ in this study.  

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

187 

 

Results  5.6

The results for the net present value (NPV) approach,  including a sensitivity analysis, are presented for the ship and pipeline solution in section 5.6.1. In section 5.6.2, the results of the real option approach are given and compared with the NPV approach.  

Pipeline versus ships with the NPV approach 5.6.1

In Figure 5.5,  the  levelized  transport and storage costs are given  for different ship sizes and  compared  to  the  costs  of  pipeline  transport  for  a  design  capacity  of  1,  2.5  and 10 MtCO2/y over 250 km. The costs directly related to the ship represent about 20%‐30% of the total levelized shipping costs. The other 70‐80% of the costs is mainly related to the harbor  facilities,  liquefaction  unit,  offloading  and  conditioning  equipment.  The liquefaction  costs  are  relatively  independent of mass  flow, due  to  the  constant  energy consumption  per  tonne  of  CO2,  while  the  costs  of  the  harbor  facilities,  ships  and offloading and conditioning equipment decrease with  increasing mass flows. Overall, the levelized costs for shipping increase with ship size for all three mass flows with a distance of 250 km. The reason for this  is that the ships can transport with a distance of 250 km, maximal 5.2, 7.5 and 9.4 MtCO2/y for ship sizes of 25, 35 and 45 kt, respectively. Hence, one  ship  is  needed  for  1  and  2.5 MtCO2/y  and  two  ships  are  needed  for  10 MtCO2/y, independent  of  the  size  of  the  ships.  If  the  distance  increases  to  500  km,  the  1  and 2.5 MtCO2/y configurations remain based on one ship of 25 kt, while for the 10 MtCO2/y configuration it is most cost‐effective to be based on two ships of 35 kt.  

For 250 km, ships realize lower levelized transport and storage costs than pipelines for a design capacity of 1 Mt/y, while pipelines  realize  lower  levelized costs  for a capacity of 10 Mt/y, see Figure 5.5. For a capacity of 2.5 Mt/y, pipelines also realize  lower  levelized costs, but the difference with ships is only 2%.  

In  Table  5.6  and  Table  5.7,  the  economic  figures  are  given  for  the most  cost‐effective pipeline  and  ship  configuration  for  1,  2.5  and  10 MtCO2/y  over  250 km  and  500  km, respectively.  Two  different  sets  of  economic  figures  are  given  for  a  design  capacity  of 10 MtCO2/y,  one  incorporating  the  fact  that  the  CO2  storage  reservoir  has  a  limited capacity of 100 Mt and the other representing a project with a fixed duration of 25 years. The  consequences  of  having  only  a  limited  storage  capacity  available  are  significant. It  increases  the overall  levelized  costs with 16% and 13%  for  the pipeline and  shipping configuration,  respectively.  In  addition,  it  changes  the  preferred  transportation mode from pipeline  to ship  transport  in  the 500 km case. Moreover,  it changes  the NPV  from positive to negative for the pipeline configuration with a distance of 250 km. For the rest of the article, only the cases with limited storage capacity are considered.  

   

Chapter 5 

188 

 

048

1216202428323640

25 kt

35 kt

45 kt

Levelized costs (€/t)

1 M

t/y

Offloading & conditioning

Ship transport (including residual value)

Harbor facilities

Liquefaction

Onshore pipeline

LC pipeline transport and storage

048

12

16

20

24

28

32

36

40

25 kt

35 kt

45 kt

Levelized costs (€/t)

10 M

t/y

Offloading & conditioning

Ship transport (including residual value)

Harbor facilities

Liquefaction

Onshore pipeline

LC pipeline transport and storage

048

12

16

20

24

28

32

36

40

25 kt

35 kt

45 kt

Levelized costs (€/t)

2.5 M

t/y

Offload

ing & conditioning

Ship transport (including residual value)

Harbor facilities

Liquefaction

Onshore pipeline

LC pipeline transport and storage

 

Figure 5.5: Estimated levelized transport and storage

 costs calculated with the NVP approach of pipelin

e (dotted line) an

d ship transport 

(bars) for a design

 cap

acity of 1.0 M

tCO2/y (left); 2.5 M

tCO2/y (middle) an

d 10 M

tCO2/y (right) over 250 km.  

 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

189 

 

Table 5.6: Results of the NPV approach  for the pipeline and ship configuration  for a distance of 250 km.  

  1.0 MtCO2/y 2.5 MtCO2/y 10 MtCO2/y –limited storage capacity  

10 MtCO2/y – fixed project duration of 25 y 

Pipeline Ship Pipeline Ship Pipeline Ship Pipeline  Ship 

NPV whole CCS project (M€) ‐301 ‐275 ‐273 ‐280 ‐233 ‐456 333  ‐1.3 Levelized transport & storage costs (€/tCO2) 

32.4 29.0 15.7 16.1 7.5 11.2 6.1  10.4 

Overall levelized costs (€/tCO2) 75.0 71.6 50.0 50.4 36.5 40.3 31.4  35.8 Required initial CO2 price (€/tCO2) 

73.4 70.1 48.9 49.3 39.2 43.2 30.7  35.0 

Table 5.7: Results of the NPV approach  for the pipeline and ship configuration  for a distance of 500 km.  

  1.0 MtCO2/y 2.5 MtCO2/y 10 MtCO2/y –limited storage capacity  

10 MtCO2/y – fixed project duration of 25 y 

Pipeline Ship Pipeline Ship Pipeline Ship Pipeline  Ship 

NPV whole CCS project (M€) ‐425 ‐281 ‐478 ‐294 ‐609 ‐531 ‐57.2  ‐92.9 Levelized transport & storage costs (€/tCO2) 

48.6 29.8 26.4 16.8 13.7 12.4 11.2  11.6 

Overall levelized costs (€/tCO2) 91.2 72.4 60.7 51.1 42.8 41.5 36.5  37.0 Required initial CO2 price (€/tCO2) 

89.3 70.9 59.4 50.0 45.9 44.5 35.7  36.6 

Two different  trends  can be noticed  from Table 5.6 and Table 5.7. Firstly,  the  levelized costs decrease with  increasing mass  flows  for ship as well as  for pipeline  transport, but the  economies  of  scale  are  larger  for  pipeline  than  for  ship  transport.  Secondly,  the levelized costs increase with distance, but the shipping costs are less sensitive to distance than the pipeline costs. Consequently, ship transport is more cost‐effective than pipeline transport for a distance of 250 km for the smallest design capacity and for all capacities on a  distance  of  500  km  (at  least  with  limited  storage  capacity).  However,  none  of  the considered  cases has  a positive NPV with  a  limited  storage  capacity of 100 Mt  and  an initial CO2 price of 35 €/t, which increase with 3% per year. 

A sensitivity analysis was performed for the NPV of the entire CCS chain. In Figure 5.6, the results of this analysis are presented for 2.5 MtCO2/y and 10 MtCO2/y over 250 km, where similar relations are seen for the smallest capacity and a distance of 500 km. The NPVs of both  the  shipping  and pipeline  configuration  are  sensitive  to  changes  in  the  initial CO2 price, utilization and interest rate. The NPV turns positive in the 10 MtCO2/y pipeline and shipping cases with a distance of 250 km, when the  initial CO2 price  increases to 39 and 43 €/t,  respectively.  In addition,  the project value of  the 10 MtCO2/y – 250 km pipeline case turns positive if the interest rate decreases to 6.6%. The decision between ship and pipeline transport is the most sensitive for the 2.5 MtCO2/y – 250 km case. For this case, the preference switches from pipeline to ship transport if the electricity price reduces to 50 €/MWh,  the utilization  rate decreases  to 78% or  the  interest  rate  increases  to 11%. Also, the 10 MtCO2/y – 500 km case is sensitive to changes. For this case, the preference switches to pipeline transport if the electricity price increase from 60 to 97 €/MWh. 

Chapter 5 

190 

 

 

Figure 5.6: Sensitivity analysis of  the NPV  for  the entire CCS chain based on pipeline  (upper) or ship  transport  (lower)  for  a design  capacity  of  2.5 MtCO2/y  (left)  and  10 MtCO2/y  (right)  over 250 km. 

Pipeline versus ships with real option approach 5.6.2

In  this  study,  three  options were  considered,  namely  the  option  to  switch  to  another reservoir,  to abandon  the project, and  the option  to switch  temporarily off  the capture unit. In Table 5.8 and Table 5.9, the results of the ROA with and without options are given for 250 and 500 km, respectively. Without options, similar trends can be seen as by the NPV approach, namely  the costs of ship  transport are  less sensitive  to  length and mass flow than pipeline transport. In addition, for the 1.0 and 2.5 MtCO2/y cases the preferred 

‐800

‐600

‐400

‐200

0

200

50% 100% 150% 200%NPV (M€)

Parameter variation

NPV pipeline 2.5 Mt/y

Coal price CO2 price

Utilization rate Interest rate

‐800

‐600

‐400

‐200

0

200

50% 100% 150% 200%

NPV (M€)

Parameter variation

NPV pipeline 10 Mt/y

Coal price CO2 price

Utilization rate Interest rate

‐800

‐600

‐400

‐200

0

200

50% 100% 150% 200%NPV (M€)

Parameter variation

NPV ship 2.5 Mt/y

Coal price Electricity price

CO2 price Utilization rate

Shipping fuel price Interest rate

‐800

‐600

‐400

‐200

0

200

50% 100% 150% 200%NPV (M€)

Parameter variation

NPV ship 10 Mt/y

Coal price Electricity price

CO2 price Utilization rate

Shipping fuel price Interest rate

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

191 

 

transportation mode does not change as well as the fact that investing with the assumed initial price of 35 €/tCO2 is not profitable. For the 10 MtCO2/y cases, things change. With a distance of 250 km,  the 10 MtCO2/y pipeline case has a positive project value with  the ROA, meaning that  investing  is profitable with an  initial price of 35 €/t CO2. For 500 km, the preferred transportation mode switches  from ship to pipeline, but the project value remains negative. These changes are  the consequence of using  the  risk  free  rate of 5% instead of the discount rate of 10%. 

In the following sections, the effects of the options are first analyzed separately and then the effect of the three combined options is evaluated.  

Table 5.8: The project value (in M€) with and without options for the pipeline and ship solution for a distance of 250 kma.  

  1.0 MtCO2/y 2.5 MtCO2/y 10 MtCO2/y  

Pipeline Ship Pipeline Ship Pipeline  Ship 

Project value without options ‐223 ‐208 ‐27.5 ‐47.7 130 ‐142 Switch to another reservoir ‐223

(0) ‐208(0) 

‐27.5(0.003) 

‐47.7(0.006) 

1,307(1,177) 

919 (1,061) 

Switch off the capture unit ‐223 ‐208 ‐27.5 ‐47.7 

130 ‐142 

Abandon the project ‐223(0) 

‐208(0) 

‐27.5(0.003) 

‐47.7(0.006) 

1,307(1,177) 

919 (1,061) 

Switch off the capture unit ‐223(0.5) 

‐206(2.2) 

‐26.4(1.1) 

‐42.3(5.4) 

130(0) 

‐142 (0) 

Abandon the project ‐213 (10.6) 

‐177(31.0) 

‐17.0(10.6) 

‐20.6b

(27.1) 134(3.6) 

‐120 (22.4) 

All options combined  ‐213 (10.6) 

‐177(31.0) 

‐16.9(10.6) 

‐20.7b

(27.0) 1,313 (1,183) 

948 (1,090) 

a) The option values of the different options are given in brackets in M€. The project and option value of the 

transportation mode resulting in the highest project value is presented in italics.  

b) In the 2.5 Mt pipeline configuration, the option value for the only abandoning option is 6 k€ higher than the 

option value for all options combined. This is caused by the slightly higher share (0.01%) of incorrect 

abandoning decision in the latter. 

Table 5.9: The project value (in M€) with and without options for the pipeline and ship solution for a distance 500 km

a.  

  1.0 MtCO2/y 2.5 MtCO2/y 10 MtCO2/y 

Pipeline Ship Pipeline Ship Pipeline  Ship 

Project value without options ‐356 ‐217 ‐246 ‐70.0 ‐258 ‐278 Switch to another reservoir ‐356 

(0) ‐217(0) 

‐246(0.002) 

‐70.0(0.005) 

888(1,146) 

734 (1,012) 

Switch off the capture unit ‐356(0.5) 

‐215(2.8) 

‐245(1.1) 

‐63.3(6.7) 

‐258(0) 

‐278 (0) 

Abandon the project ‐342 (13.8) 

‐184(33.5) 

‐232(13.8) 

‐39.9(30.1) 

‐253(4.9) 

‐246 (32.6) 

Switch off the capture unit ‐342(13.8)  

‐183 (33.6) 

‐232(13.8) 

‐39.6(30.3) 

896(1,154) 

771 (1,050) 

Abandon the project ‐356 ‐217 ‐246 ‐70.0 ‐258 ‐278 All options combined  ‐356 

(0) ‐217(0) 

‐246(0.002) 

‐70.0(0.005) 

888(1,146) 

734 (1,012) 

a) The option values of the different options are given in brackets in M€. The project and option value of the 

transportation mode resulting in the highest project value is presented in italics.  

Chapter 5 

192 

 

Option to switch to another storage reservoir 5.6.2.1

The switching option is not very relevant for the 1.0 and 2.5 MtCO2/y cases, because the CO2 can be stored  in  the  first storage  reservoir  for 25 years  in 100% and >99.9% of  the cases, respectively. Consequently,  the value of switching  is zero  for a design capacity of 1.0 MtCO2/y and close to zero for a design capacity of 2.5 MtCO2/y for both transportation modes,  see Table 5.8 and Table 5.9.  In  the 2.5 MtCO2/y case,  the option value  is about twice as high for the ship than for the pipeline configuration, due to the lower investment costs required for the ship configuration combined with the limited time available to earn back the investment.  

For  the  10 MtCO2/y  case,  the  option  to  switch  to  another  reservoir  is  very  relevant, because the CO2 can only be stored in the first storage reservoir for on average 11 years. Note that even with the switching option, the CCS project has to be abandoned with the 10 MtCO2/y configuration in almost 40% of the runs before year 25, because both storage reservoirs  are  full.  In  Figure  5.7,  the  cumulative  probability  that  a  switch  to  another storage  reservoir  has  to  be  made  is  given  for  the  10  MtCO2/y  pipeline  and  ship configuration  over  a  distance  of  250  km.  A  division  is  made  between  a  correct  and incorrect switching decision. The project  is stated to be correctly switched,  if the project value  is  higher  than  it  would  be  without  making  the  connection  to  another  storage reservoir. Similarly,  the project  is  stated  to be  incorrectly  switched,  if  the project value would be higher if a switch to another reservoir was not made. It can be assessed that the option to switch to another storage reservoir is more frequently made for the 10 MtCO2/y pipeline  than  for  the  ship  configuration, namely a probability of 89% against 85%  for a distance of 250 km. The probability that the switch is incorrectly made is about 7%‐points and 10%‐points, respectively.  

The reason that the option to switch to another reservoir is more frequently exercised for the pipeline  than  for the ship configuration  is  the  lower OPEX of  the  former. This  lower OPEX results  in higher expected revenues after the switch  is made. The higher expected revenues more than compensate the higher switching costs for the pipeline (129 M€2010) compared to the ship configuration (10 M€2010). Consequently, the value for the option to switch  to  another  reservoir  is  about  10%  higher  for  the  pipeline  than  for  the  ship configuration with a capacity of 10 MtCO2/y, as  is shown  in Table 5.8 and Table 5.9. By incorporating  the  value  of  the  switching  option,  all  10 MtCO2/y  case  have  a  positive project  value.  However,  the  project  value  of  the  pipeline  remains  higher  for  both distances.  

If the distance  increase from 250 km to 500 km, the option to switch to another storage reservoir becomes  less valuable. The expected revenues after  the switch are  lower and, consequently,  the  connection  to  another  storage  reservoir  is  made  less  often.  For instance,  the  cumulative  probability  is  reducing  from  89%  to  87%  in  the  10 MtCO2/y pipeline configuration and from 85% to 82%  in the 10 MtCO2/y shipping configuration,  if the distance increase from 250 to 500 km.  

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

193 

 

 

Figure 5.7: Cumulative probability that a switch to another storage reservoir has to be made for the  10 MtCO2/y  pipeline  (left)  and  ship  (right)  configuration  over  250  km.  A  division  is made between  the probability  that a switch  to another  reservoir  is mad, and  the probability  that  the switch to another reservoir is not made and that the CCS project is abandoned.  

Option to switch off the CO2 capture unit temporarily 5.6.2.2

The  costs  associated  with  switching  the  capture  unit  on  and  off  are  assumed  to  be negligible.  Hence,  when  the  CO2  price  does  not  compensate  the  variable  capture, transport and storage costs the CO2 capture unit is switched off. The probability that the variable CO2 capture, transport and storage costs are below the CO2 price is about 3% and 7‐10%  of  the  runs  for  the  pipeline  and  ship  configuration,  respectively.  The  option  to switch  off  the  CO2  capture  unit  is more  often  exercised  with  the  ship  configuration, because  the  variable  costs  are  about  50%  higher  for  the  ship  than  for  the  pipeline configuration. So, the option to switch off the CO2 capture unit  is more valuable for the ship  than  for  the pipeline solution.  In addition,  the option value  increases with distance for  the  shipping  configurations because  the variable OPEX also  increases with distance. For  the  pipeline  configurations  almost  no  changes  arise  in  the  variable  OPEX  and consequently,  the  option  value  of  switching  off  the  capture  unit  for  the  pipeline configurations is unaffected by distance.  

For 1.0 and 2.5 MtCO2/y cases, the value of the option is about five times as high for the ship  than  for  the  pipeline  configurations,  see  Table  5.8  and  Table  5.9.  However,  this difference  is  not  enough  to  make  ship  transport  more  cost‐effective  than  pipeline transport for the 2.5 MtCO2/y case over 250 km. Furthermore, the option value is in none of the analyzed cases high enough to turn the project value positive.  

For 10 MtCO2/y, it is not cost‐effective to switch off the CO2 capture unit, if the option is evaluated  separately  and  the  entire  lifetime  of  the  project  is  taken  into  account.  The 

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5 10 15 20 25Year switch required

Pipeline ‐ 10 MtCO2/y 

Incorrectly switch not madeCorrectly switch not madeIncorrectly switch madeCorrectly switch made

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5 10 15 20 25

Year switch required

Ship ‐ 10 MtCO2/y 

Incorrectly switch not madeCorrectly switch not madeIncorrectly switch madeCorrectly switch made

Chapter 5 

194 

 

reason  for  this  is  that  if  the CO2  capture unit  is  switched off, no CO2  is  stored  into  the storage reservoir. This implies that the fixed costs have to be paid longer. These additional fixed costs are on average higher than the cost savings made by switching temporarily off the capture unit, especially when CO2 prices drop below  the variable capture,  transport and storage costs for a longer period of time. Overall, the option to temporarily switch off the CO2 capture unit does not have an additional value for the 10 MtCO2/y cases, at least when it is analyzed without the option to abandon the project before the reservoir is full.  

Option to abandon the project 5.6.2.3

In Figure 5.8, the cumulative probabilities are given that a project is abandoned before the end of the lifetime for a distance of 250 km. A distinction is made between paths, which have  to  be  abandoned  because  the  reservoir  is  full  and  projects  that  are  correctly  or incorrectly  abandoned before  the  reservoir  is  full.  The project  is  stated  to be  correctly abandoned  if  the  total project value after abandoning  is higher  than  it would be  if  the project was continued. The ratio between correctly and incorrectly abandoned projects is about 85:15 for the pipeline and ship configurations. 

The cumulative probability that CCS projects are abandoned before the reservoir is full is lower  for pipeline  than  for ship  transport, see Figure 5.8. Abandoning  the ships  is more attractive  because  of  the  higher OPEX  combined with  the  residual  value  of  the  ships. Furthermore,  the  abandoning  probability  is  increasing with  decreasing mass  flows  and with longer distances. This is mainly caused by the overall higher average project value of configurations handling  larger mass flows over shorter distances. Overall, the probability that the CCS project is abandoned before the reservoir is full varies between 11% for the 10 MtCO2/y – 250 km pipeline configuration  till 64%  for  the 1.0 MtCO2/y – 500 km ship configuration. 

In Table 5.8 and Table 5.9, the values of the abandoning option are given. The option to abandon the project is more valuable for the ship than for the pipeline configurations and more valuable for larger distances. The large difference between the option value for the 10 Mt/y ship configurations over 250 and 500 km is caused by the lower residual value of the 25 kt ships, which are used in the 250 km configuration, compared to the 35 kt ships, which are used in the 500 km configuration. For all analyzed cases, the option to abandon does  neither  turn  negative  project  values  into  positive  ones  nor  does  it  change  the preferred transport mode.  

All three options combined  5.6.2.4

In Table 5.8 and Table 5.9, the values of all options separately and combined are given. For the 1.0 and 2.5 MtCO2/y cases, the option value of all three options combined is less than  the  sum  of  the  individual  options.  The  main  reason  for  this  is  that  instead  of switching  off  the  capture  unit  for  a  long  time,  the  project  is  now  abandoned. Consequently, the probability that the option is exercised to temporarily switching off the capture unit is decreasing, for instance, from 7.8% to 0.15% and from 2.9% to 0.02% in the in  the  2.5  MtCO2/y  ship  and  pipeline  configuration,  respectively,  with  a  distance  of 250 km.  In  addition,  the  probability  that  the  CCS  project  is  abandoned  is  slightly 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

195 

 

decreasing with 0.1%‐points and 0.2%‐points, respectively.  

In the 10 MtCO2/y cases, the value of all options combined is higher than the sum of the individual  options,  see  Table  5.8  and  Table  5.9.  The  reason  for  this  is  that  now  it  is profitable  in several cases  to switch  temporarily off  the capture unit, because  this does not automatically mean that the  lifetime of the project  increases. Moreover, the project can also be abandoned after a switch  is made to the second storage reservoir.  In Figure 5.9, the abandonment probabilities are given for the pipeline and ship configuration for a design  capacity  of  10  MtCO2/y  and  250  km.  By  comparing  the  pipeline  and  ship  

 

 

Figure 5.8: Cumulative probability that a CCS project is abandoned before the end of lifetime and before the reservoir is full, when only the abandoning option is present for the pipeline (left) and ship (right) configuration with a design capacity of 1.0 MtCO2/y (upper) and 10 MtCO2/y (below) over 250 km. 

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 5 10 15 20 25

Year of abandonment

Pipeline ‐ 1.0 MtCO2/y 

Not correctly abandoned Correctly abandoned

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 5 10 15 20 25

Year of abandonment

Ship ‐ 1.0 MtCO2/y

Not correctly abandoned Correctly abandoned

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5 10 15 20 25

Year of abandonment

Pipeline ‐ 10 MtCO2/y 

Abandoned because reservoir is fullNot correctly abandonedCorrectly abandoned

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5 10 15 20 25

Year of abandonment

Ship ‐ 10 MtCO2/y

Abandoned because reservoir fullNot correctly abandonedCorrectly abandoned

Chapter 5 

196 

 

configuration,  it can be assessed  that  the ship configuration has a higher abandonment probability before  the  storage  reservoir  is  full, while  the pipeline  configuration  is more frequently  abandoned when  the  first  reservoir  is  full  and  a  switch  has  to  be made  to another reservoir. Note that still the switch to another reservoir is more frequently made with  the pipeline  (90%)  than with  the  ship  configuration  (84%). Overall,  the  cumulative probability that the CCS project is abandoned before year 25 decreases due to the option to switch to another field, as can be assessed by comparing Figure 5.8 with Figure 5.9. For instance,  in  the  10 MtCO2/y  –  250  km  pipeline  case,  the  probability  of  abandoning decrease from 100% to 56%, if also the options are present to switch to another reservoir and switch off the capture unit. 

The option values for all three options combined are very significant for all configurations. Especially,  the  10 MtCO2/y  cases  have  very  high  option  values  ranging  from  1,050  to 1,183 M€.  These  values  are mainly  driven  by  the  option  to  switch  to  another  storage reservoir.  As  a  consequence,  the  project  value  is  positive  for  all  10  MtCO2/y configurations, when  all  three  options  are  taken  into  account. However,  the  preferred transportation mode does not change and pipeline transport remains the best option  in all  10 MtCO2/y  cases.  For  the  smaller  design  capacities,  the  option  values  are  also significant with  amounts  of  10‐14 M€  for  the  pipeline  and  27‐34 M€  for  the  shipping configurations.  These  option  values  are mainly  driven  by  the  abandoning  option.  For design capacities of 1.0 and 2.5 MtCO2/y, the option value of all options combined neither changes the preferred transportation mode nor turns the project value positive.  

 

Figure 5.9: Cumulative probabilities that a CCS project is abandoned for the pipeline (left) and ship (right)  configuration with  a  design  capacity  of  10 MtCO2/y  over  250  km, when  the  options  to temporarily switch off the capture unit, to abandon the project and to switch to another storage reservoir are present. A division is made between projects, which are abandoned because the first or second reservoir is full or before or after a switch is made to another storage field.  

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 5 10 15 20 25Year of abandonment

Pipeline ‐ 10 MtCO2/y

2nd reservoir is fullBefore 2nd reservoir is full1st reservoir is fullBefore 1st reservoir is full

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 5 10 15 20 25

Year of abandonment

Ship ‐ 10 MtCO2/y

2nd reservoir is fullBefore 2nd reservoir is full1st reservoir is fullBefore 1st reservoir is full

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

197 

 

Discussion 5.7

Comparison with the literature 5.7.1

In this study, the shipping costs are based on several assumptions. To assess whether the resulting costs are similar to the ones stated in literature, the calculated shipping costs are compared  with  the  cost  estimations  of  Roussanaly  et  al.,  (2013a)  and  European Technology Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power plants (ZEP, 2010). A comparison of the used pipeline cost model with other cost models available in literature is presented elsewhere (Knoope et al., 2014). 

Roussanaly  et  al.,  (2013a)  estimated  the  costs  for  ship  transport  over  480  km without liquefaction on 7.7 €/tCO2 for transporting 15.45 MtCO2/y to an onshore harbor. The cost model  in  this  study predicts  shipping  costs  (without  liquefaction  and  submerged  turret loading system) at 5.4 €/tCO2 for a similar mass flow and distance.12 There are three main reasons  for  this  difference  of  about  40%.  Firstly,  the  fuel  oil  price  in  the  study  of Roussanaly et al., (2013a) is 790 €/tfuel instead of 500 €/tfuel. Implementing this higher fuel oil price increases the levelized costs to 6.4 €/tCO2 and decreases the difference to about 20%. Secondly, the costs of Roussanaly et al., (2013a) include a higher total harbor fee of 2 €/t because two harbors are accessed. Thirdly, after delivering the CO2, the pressure of the CO2  is  increased to 20 MPa  instead of 7 MPa. Correcting for this outlet pressure and higher harbor fee, result  in estimated  levelized costs of 8.5 €/tCO2, which  is only slightly higher than the cost estimation of Roussanaly et al., (2013a). 13 

The  European  Technology  Platform  for  Zero  Emission  Fossil  Fuel  Power  plants  (ZEP) estimated  the  levelized cost at 14 and 15 €/tCO2  for  transporting 2.5 MtCO2/y over 180 and 500 km, respectively (ZEP, 2010). For similar cases, our study estimated the costs on 12 and 13 €/tCO2, respectively. The main reason for the slightly lower costs is the higher electricity  costs  of  110  €/MWh,  which  are  used  in  the  study  of  ZEP  (ZEP,  2010). Implementing  higher  electricity  costs  increases  the  levelized  costs  to  14  €/tCO2  and 15 €/tCO2. Furthermore, ZEP estimated the levelized cost for 20 MtCO2/y over 180 and km at 10 €/tCO2 and 11 €/tCO2, respectively (ZEP, 2010). Our study estimated the costs on 8.0 and 9.6 €/tCO2,  respectively. After correction of  the electricity costs,  the  levelized costs increase  to 9.9 €/tCO2 and 12 €/tCO2, respectively. The  levelized costs estimated by our study are, after correction of  the electricity price, within a  range of 10% of  the costs of ZEP. 

                                                                 12 The submerged turret  loading system and  liquefaction would add 0.6 €/tCO2 and 4.0 €/tCO2 to the  levelized 

costs, respectively.  13 The variable costs for pumping to 20 MPa  instead to 7 MPa are  (0.44 kWh/tCO2/MPa x (20 MPa – 7 MPa) x 

0.220 kgfuel/kWh x 0.790 €/kgfuel =) 0.99 €/tCO2. The required design pumping capacity is ((13 MPa – 7 MPa) / 75% / 850 kg/m

3 x (15.45 x 10

6 tCO2/y / (365 x 24 x 3.6 x 0.85) =) 5.4 MW and 12 MW for an outlet pressure of 7 MPa 

and 20 MPa, respectively. The CAPEX would be (74.3 x (4,400 / 3)0.58 

x 30.9 =) 15 M€ and 30 M€, respectively. This 

leads to an estimated  levelized cost difference of (0.99 €/tCO2 + (30 M€  ‐ 15 M€) x 11.02% / 13.1 MtCO2/y = )  1.1 €/tCO2.  

Chapter 5 

198 

 

In  conclusion,  the  levelized  cost  for  ship  transport quoted  in  literature  are  comparable with the cost figures presented in this study.  

Limitations of this study 5.7.2

Three main  limitations  have  been  identified.  Firstly,  the  distance  between  the  capture location  and  the  storage  reservoir was  assumed  to  be  similar  for  both  transportation modes.  However,  this  may  not  be  the  case,  due  to  geographical  circumstances. Furthermore,  if  the  CO2  source  is  not  located  in  the  harbor  region,  the  pipeline may bypass  the harbor  resulting  in a shorter distance  to  the storage  reservoir. Nevertheless, the  conclusions  that  ship  transport  is only  interesting  for  relatively  small  volumes over long  distances,  for  short  project  durations  (like  demonstration  projects)  or  for  small emitters with no access to suitable CO2 infrastructure, do not change.  

Secondly,  with  the  included  uncertainties,  the  options  to  abandon  the  project  and switching off  the  capture unit  temporarily were  very  valuable  for  the 1.0 MtCO2/y  and 2.5 MtCO2/y  shipping  cases. However,  the  perceived  value  of  these  options  seems  not only  depend  on  the  rate  of  uncertainty,  but  also  on  the  attitude  and  culture  of  the investors  (Sanders  et  al.,  2013).  For  some  type  of  investors,  the  value  of  switching temporarily off the capture unit and abandoning the ships was not recognized and even considered  as  a  lack of  commitment  to  the  investment decision  (Sanders  et  al., 2013). Investors  asked  for  (more)  guarantees  to  avoid  downtime  and  the  possibility  of abandonment. Hence, they tried to minimize the need for flexibility rather than maximize the flexibility within the project (Sanders et al., 2013). This will give pipelines an additional advantage compared to ship transport.  

Lastly,  this  study  was  limited  to  the  techno‐economic  aspects  of  ship  and  pipeline transport. However, also other considerations may play a role in the decision to invest in pipeline  or  ship  transport,  like  typical  weather  conditions,  space  in  the  harbor, opportunity  to  use  existing  infrastructure,  experience  with  one  of  the  transportation modes, regulation, environmental impact, etc. These considerations are very case specific and were, therefore, outside the scope of this study.  

Conclusions and further research recommendations 5.8

Conclusions 5.8.1

The aim of this study was to  investigate the value of flexibility for CO2 ship and pipeline transport  and  assess  whether  this  flexibility  value  influences  the  investment  decision between them.  

The  results  of  the NPV  approach  show  that  pipelines  are  the  preferred  transportation mode for design capacities of 2.5 MtCO2/y or 10 MtCO2/y over 250 km, while ships are the preferred for 1.0 MtCO2/y over 250, and 1.0 or 2.5 MtCO2/y over 500 km. Ships are also the preferred transportation mode for a design capacity of 10 MtCO2/y over 500 km, if the limited  storage  capacity  of  100 Mt  is  taken  into  account.  All  these  projects  are  not profitable  with  an  initial  CO2  price  of  35 €/t,  which  increase  with  3%  per  year.  The 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

199 

 

profitability of the CCS project is mainly influenced by the CO2 price. For instance, with a distance of 250 km and capacity of 10 MtCO2/y,  the  initial CO2 price has  to  increase  to 42 €/t for the pipeline and 38 €/t for the ship configuration to make the project profitable. 

The results of the ROA show that the option to switch to another storage reservoir is very valuable  for  the 10 MtCO2/y cases, with option values  ranging  from 1,012  to 1,177 M€. Consequently, it makes the project values positive for both transportation modes for the 10 MtCO2/y cases over a distance of 250 and 500 km. However, the option value for the 10  MtCO2/y  pipeline  configuration  is  about  10%  higher  than  for  the  shipping configuration, despite the much higher costs of making a switch to another reservoir. The reason  is  the higher  (estimated)  revenues  after  a  switch  is made.  For  the  2.5 MtCO2/y case,  the option  value  is  twice as high  for  the  ship  than  for  the pipeline  configuration, because there is only limited time to earn back the switching costs. However, this option value is only a few thousand euros. Overall, the value of switching to another reservoir is higher for the pipeline if there is a long time that the CO2 can be stored, while the option is more valuable for the ship if the time left to store CO2 is only limited.  

The options to switch off the capture unit temporarily and abandon the CCS project are more often applied  for  the  ship  than  for  the pipeline  configurations. The probability of switching  off  the  capture  unit  is  about  3%  and  7‐10%  for  the  pipeline  and  ship configurations, respectively. Consequently, the value of the switching off option  is about five  times as high  for  the  ship  compared  to  the pipeline  configurations  for  the 1.0 and 2.5 MtCO2/y cases. For the same design capacities, the option to abandon the project  is about two to four times as valuable for the ship than for the pipeline configuration. The main reason being the higher variable OPEX and the higher residual value of the former. In none  of  the  analyzed  cases,  the  project  value  turned  positive  or  the  preferred transportation  mode  changed  by  including  the  option  to  switch  off  the  capture  unit temporarily or abandon the project. 

With all three options combined, the option to temporarily switch off the capture unit has a strong interaction effect with abandoning the project and is consequently hardly applied in any of the analyzed cases. The option value of the 1.0 and 2.5 MtCO2/y configurations is mainly  driven  by  the  abandoning  option, while  the  switching  field  option  is  the main driver  of  the  option  value  of  the  10 MtCO2/y  configurations.  For  the  10  MtCO2/y configurations, the option value of all options together range from 1,050 to 1,183 M€ and makes  the  project  value  positive  for  both  considered  transportation modes  and  both distances.  However,  the  project  values  remain  higher  for  the  pipeline  than  for  the shipping  configurations.  For  design  capacities  of  1.0  and  2.5 MtCO2/y,  the  combined option  values  are  about  10‐14 M€  for  the  pipeline  and  27‐34  M€  for  the  shipping configurations. However,  the  overall  project  value  remains  negative  and  the  preferred transportation mode does not change for these design capacities.  

Overall,  this  analysis  showed  that both 10 MtCO2/y  cases  are profitable with  the ROA, while  they  were  not  profitable  with  the  NPV  approach  with  an  initial  CO2  price  of 35 €/tCO2, which  increase with 3% per year. Hence,  incorporating the value of the most relevant  flexibility  options  should  be  done,  when  the  standard  NPV  approach  gives 

Chapter 5 

200 

 

negative results to avoid that profitable projects are not conducted.  

Although the flexibility that ships offer in comparison with pipelines is often mentioned in literature,  the  results of  this  study  show  that  the value of  flexibility did not change  the investment decision from pipeline to ship transport, at least for the considered options to abandon  the  project,  switch  off  the  capture  unit  temporarily  and  switch  to  another storage  reservoir.  For  the  last  two  options,  this  is mainly  caused  by  the  50%  higher variable  OPEX  of  the  ship  in  comparison  with  the  pipeline  configurations.  For  the abandoning option, it should be realized that the other components of the shipping chain (like the  liquefaction unit, onshore and offshore temporary storage) represent about 70‐80% of the costs and these components are (almost) as inflexible as pipelines.  

In general, the findings of this research indicate that the use of ROA provides insights into understanding whether more expensive alternatives (with presumed flexibility) are worth it. This  is not only valid for  infrastructure related  investment decisions but also for other type of investment decisions, such as comparing different type of machines or equipment, or even renting versus buying software etc. The method described in this study, based on the  least‐square Monte Carlo method,  is very suitable  for comparing alternatives which have different flexibility characteristics.  

Further research recommendations 5.8.2

This  study  is  a  first  attempt  to  incorporate  the  value  of  flexibility  by  comparing  CO2 pipeline and ship transport. Several research recommendations can be made:  

‐ Further investigation is needed to assess the necessity for offshore temporary storage, the most effective way of attaching the ship to the injection well, and the conditioning requirements.  In  this  study,  it  is  assumed  that  a  floating  vessel  is  needed  to temporarily store the CO2 offshore, a submerged turret  loading system and a spread mooring system are used for coupling the ship to the injection wells, and conditioning is needed to increase the temperature to 0°C and pressure to 7 MPa. These three parts represent about 1/3 of the total costs for transporting annually 2.5 MtCO2 with ships. 

‐ Several cost relations for the shipping case are based on only one or two data points. In other  cases,  large  cost  ranges are mentioned  in  literature. Especially  the  costs of liquefaction  of  pre‐compressed  CO2,  floating  vessel,  and  offloading  system  require validation, because  these components are not only based on  relatively  limited costs data  but  also  have  a  relatively  large  share  in  the  overall  levelized  costs  for  ship transport.  

‐ Liquefaction based on a multi‐stage compression configuration  is 44% more efficient than a one‐stage configuration (Yoo et al., 2013b). In this study, the costs are based on a one‐stage configuration, because CAPEX values were not available for a multi‐stage liquefaction  configuration. Hence,  it  should  be  investigated whether,  and  if  so  how much, the levelized costs could be reduced if liquefaction would be based on a multi‐stage instead of a one‐stage compressor configuration.  

‐ Not much  information  is  (publically) available on the abandonment costs of a power plant, an offshore pipeline, a  liquefaction plant, etc. More  insights have to be gained 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

201 

 

into the ABEX of these components.  ‐ The option to make a switch to another storage reservoir was very cost‐effective for 

large mass flows. However, the costs of realizing such a switch should be validated for ship as well as for pipeline transport.  

‐ The  option  to  expand  the  amount  of  CO2  transported  over  time  and  the  option  to postpone  the  investment  decision  are  also  interesting  options  for  CO2  ship  and pipeline transport. It is recommended to also investigate the value of these options in the future.  

References  5.9‐ Abadie,  L.  M.  (2015).  Operating  flexibility  at  power  plants:  A  market  valuation. 

International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 64, 41‐49. ‐ Abadie,  L. M., &  Chamorro,  J. M.  (2008).  European  CO2  prices  and  carbon  capture 

investments. Energy Economics, 30, 2992‐3015. ‐ Abadie,  L. M.,  Galarraga,  I.,  &  Rübbelke,  D.  (2014).  Evaluation  of  two  alternative 

carbon  capture  and  storage  technologies:  A  stochastic  model.  Environmental Modelling & Software, 54, 182‐195. 

‐ Abdel Sabour, S. A., & Dimitrakopoulos, R. (2011). Incorporating geological and market uncertainties and operational  flexibility  into open pit mine design.  Journal of Mining Science, 47, 191‐201. 

‐ Abdel  Sabour,  S. A., &  Poulin,  R.  (2006). Valuing  real  capital  investments  using  the least‐squares Monte Carlo method. Engineering Economist, 51, 141‐160. 

‐ Apeland, S., Belfroid, S., Santen, S., Hustad, C. W., Tettero, M., Keim, B., & Hansen, H. R.  (2011a).  Towards  a  transport  infrastructure  for  large‐scale CCS  in  Europe.  Kårstø CO2 pipeline project: Extension to a European case. CO2 Europipe, D4.3.2, 1‐84. 

‐ Apeland,  S., Belfroid,  S.,  Santen,  S., Hustad, C. W.,  Tettero, M., & Klein, K.  (2011b). Towards a transport  infrastructure for  large‐scale CCS  in Europe. Kårstø offshore CO2 pipeline design. CO2 Europipe, D4.3.1, 1‐95. 

‐ Areal,  N.,  Rodrigues,  A.,  &  Armada, M.  R.  (2008).  On  improving  the  least  squares Monte Carlo option valuation method. Review of Derivatives Research, 11, 119‐151. 

‐ ARUP  (2014).  Decommissioning  in  the  North  Sea.  Review  of  Decommissioning Capacity. ARUP, Decom North Sea and Scottish Enterprise, 1‐99. 

‐ Aspelund, A., Mølnvik, M. J., & De Koeijer, G. (2006). Ship transport of CO2: Technical solutions and analysis of costs, energy utilization, exergy efficiency and CO2 emissions. Chemical Engineering Research and Design, 84, 847‐855. 

‐ Austell,  M.,  Van  der  Brugt,  A.,  Neele,  F.,  Tetteroo,  M.,  Ros,  M.,  Mikunda,  T., Meindertsma,  W.,  Santen,  S.,  &  Seebregts,  A.  (2011).  Towards  a  transport infrastructure  for  large‐scale CCS  in  Europe. Development of  large  scale CCS  in  The North Sea via Rotterdam as CO2 hub. CO2 Europipe, D4.1.1, 1‐102. 

‐ Bertsch,  J.,  Growitsch,  C.,  Lorenczik,  S.,  &  Nagl,  S.  (2012).  Flexibility  options  in European  electricity  markets  in  high  RES‐E  scenarios.  Study  performed  by Energiewirtschaftliches  Institut  and  der  Universität  zu  Köln  (EWI)  on  behalf  of  the International Energy Agency (IEA), 1‐82. 

‐ Bingsong,  Y.,  Peiting,  S.,  Lianzhong, H., &  Yifan,  L.  (2014).  Research on  influence  of 

Chapter 5 

202 

 

energy  consumption of  shipbuilding on energy efficiency operational  indicator.  In P. Ren, & Z. Du (Eds.), Manufacture engineering and environment engineering (pp. 121‐126). WIT press: Southampton, United Kingdom. 

‐ Blacklaws,  J.,  Johnston, D., & Leask,  J.  (2014). North West Hutton. Decommissioning Programme. Close‐out Report. Prepared by Jee for BP, BP261_r01g, 1‐32. 

‐ Brouwer, A.S.; van den Broek, M.; Zappa, W.; Turkenburg, W.C.; Faaij, A. (submitted) Least‐cost  options  for  integrating  intermittent  renewables  in  low‐carbon  power systems. Submitted for publication. 

‐ Bureau,  G.,  Roussanaly,  S.,  &  Husebye,  J.  (2011).  Large‐scale  CCS  transportation infrastructure in Europe. Economic assessment of CO2 export systems and comparison of implementation strategies. COCATE, D4.1.2, 1‐181. 

‐ Business news (2014). EA Technique plans floating storage, marginal oilfield ventures post‐IPO. Business News, 2014. 

‐ Chandel, M. K., Pratson, L. F., & Williams, E.  (2010). Potential economies of  scale  in CO2  transport  through use of a  trunk pipeline. Energy Conversion and Management, 51, 2825‐2834. 

‐ ChemicaLogic, 1999. Carbon dioxide phase diagram. Last accessed  in 2013. Retrieved from: www.chemicalogic.com/Pages/DownloadPhaseDiagrams.aspx.  

‐ Choi, Y., & Chang, D. (2011). Comparison of three concepts for offshore CO2 temporary storage and injection facilities. Energy Procedia, 4, 4012‐4019. 

‐ Davies,  C.,  Wang,  Y.,  &  De  Meo,  F.  (2014).  Thames  Complex.  Decommissioning Programmes. Prepared by Perenco UK Limited, 1‐73. 

‐ De Koeijer, G., Hammer, M., Drescher, M., & Held, R. (2014). Need for experiments on shut‐ins and depressurizations in CO2 injection wells. Energy Procedia, 63, 3022‐3029. 

‐ De  Weck,  O.,  De  Neufville,  R.,  &  Chaize,  M.  (2004).  Staged  deployment  of communications  satellite  constellations  in  low  earth  orbit.  Journal  of  Aerospace Computing, Information and Communication, 1, 119‐13 

‐ Decarre, S., Berthiaud, J., Butin, N., & Guillaume‐Combecave, J.‐L. (2010). CO2 maritime transportation. International Journal of Greenhouse Gas Control, 4, 857‐864. 

‐ DECC  (2015). Guidance. Oil  and  gas: Decommissioning  of  offshore  installations  and pipelines. Department of Energy & Climate Change (DECC), 2015. 

‐ DECC (2011). Guidance Notes. Decommissioning of Offshore Oil and Gas  Installations and Pipelines under the Petroleum Act 1998. Produced by Offshore Decommissioning Unit, Department of Energy and Climate Change (DECC), URN 09D/734, 1‐134. 

‐ Dixit, A. K., & Pindyck, R. S. (1994). Investment under uncertainty. Princeton University Press: New Jersey, U.S.A. 

‐ DNV (2010). Offshore standard. Submarine pipeline systems. DNV‐OS‐F101, 1‐237. ‐ Ecomare  (2014).  North  sea,  in  general.  Last  accessed  in  2014.  Retrieved  from: 

www.ecomare.nl/en/encyclopedia/water‐and‐land/north‐sea/in‐general/ ‐ EIA  (2015a).  Electricity  data  browser.  Net  generation  for  all  sectors monthly.  U.S. 

Energy Information Administration (EIA). Independent statistics and analysis, 2015. ‐ EIA  (2015b).  Electricity.  Generation  and  total  output.  U.S.  Energy  Information 

Administration (EIA). Independent statistics and analysis, 2015. ‐ ElementEnergy  (2010).  CO2  pipeline  infrastructure:  An  analysis  of  global  challenges 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

203 

 

and opportunities. IEA GHG, 1‐134. ‐ Energy Resource Technology  (UK)  Limited  (2012). Camelot CA Platform, Camelot CA 

Pipelines, Camelot CB Pipelines. Issued by Energy Resource Technology (UK) Limited, 1‐39. 

‐ EU GeoCapacity (2008). Assessing European capacity for geological storage of carbon dioxide. Publishable final activity report. SES6‐518318, 1‐37. 

‐ Eurostat (2014). Energy Statistics. European Commission Eurostat, 2014. ‐ Fichman, R. G., Keil, M., & Tiwana, A. (2005). Beyond Valuation: "Options Thinking" in 

IT Project Management. California Management Review, 47, 74‐96. ‐ Fleten,  S.,  &  Näsäkkälä,  E.  (2010).  Gas‐fired  power  plants:  Investment  timing, 

operating flexibility and CO2 capture. Energy Economics, 32, 805‐816. ‐ Ford, D. N.,  Lander, D. M., & Voyer,  J.  J.  (2002). A  real options approach  to valuing 

strategic  flexibility  in uncertain construction projects. Construction Management and Economics, 20, 343‐351. 

‐ Friedmann,  S.  J.  (2007).  Site  characterization  and  selection  guidelines  for  geological carbon  sequestration.  University  of  California,  Lawrence  Livermore  National Laboratory, UCRL‐TR‐234408, 1‐27. 

‐ Fuss, S., Szolgayova, J., Obersteiner, M., & Gusti, M. (2008). Investment under market and climate policy uncertainty. Applied Energy, 85, 708‐721. 

‐ GCCSI (2013). The global status of CCS 2013. Global CCS institute, 1‐200. ‐ Gersonius,  B.,  Ashley,  R.,  Pathirana,  A.,  &  Zevenbergen,  C.  (2013).  Climate  change 

uncertainty:  Building  flexibility  into  water  and  flood  risk  infrastructure.  Climatic Change, 116, 411‐423. 

‐ Harvey, A., & Walton, D.  (2013). Decommissioning,  dismantling  and  disposal  of  the MCP‐01 installation. TOTAL E&P UK, MCP‐A‐RP‐00009, 1‐113. 

‐ Ho, S. P., & Liu, L. Y. (2002). An option pricing‐based model for evaluating the financial viability  of  privatized  infrastructure  projects.  Construction  Management  and Economics, 20, 143‐156. 

‐ Hull, J. C. (1993). Options, futures, and other derivative securities. (Second edition ed.). Prentice‐Hall inc.: New Jersey, U.S.A. 

‐ IEA  (2014a).  Energy  Technology  Perspective  2014.  Harnessing  Electricity’s  Potential. Organisation  for  Economic  Co‐operation  and  Development  (OECD)  /  International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA (2014b). World energy outlook 2014. Organisation for Economic Co‐operation and Development (OECD) / International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA  (2013). World energy outlook 2013. Organisation  for Economic Co‐operation and Development (OECD) / International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA GHG (2004). Ship transport of CO2. Prepared by Mitsubishi, PH4/30, 1‐20. ‐ IEA GHG  (2002). Pipeline transmission of CO2 and energy. Transmission study report. 

Prepared by Woodhill Engineering Consultants, PH4/6, 1‐140. ‐ IHS, 2014. IHS indexes. IHS/CERA upstream capital cost  index (UCCI). Last accessed in 

2014. Retrieved from: http://www.ihs.com/info/cera/ihsindexes/index.aspx.  ‐ INSEE  (2014).  International  prices  of  imported  raw  materials  ‐  Heavy  fuel  oil 

(Rotterdam). National institute of statistics and economic studies (INSEE), 2014. 

Chapter 5 

204 

 

‐ IPCC  (2005).  IPCC  special  report  on  carbon  dioxide  capture  and  storage.  Cambridge University Press: USA. 

‐ Jung, J.‐Y., Huh, C., Kang, S.‐G., Seo, Y., & Chang, D. (2013). CO2 transport strategy and its cost estimation for the offshore CCS in Korea. Applied Energy, 111, 1054‐1060. 

‐ Kaiser, M. J., & Liu, M. (2014). Decommissioning cost estimation in the deepwater U.S. Gulf of Mexico ‐ Fixed platforms and compliant towers. Marine Structures, 37, 1‐32. 

‐ Knoope, M. M. J., Guijt, W., Ramírez, A., & Faaij, A. P. C. (2014). Improved cost models for  optimizing  CO2  pipeline  configurations  for  point‐to‐point  pipelines  and  simple networks. International Journal of Greenhouse Gas Control, 22, 25‐46. 

‐ Knoope, M. M.  J., Ramírez, A., &  Faaij, A.  P. C.  (2013). A  state‐of‐the‐art  review of techno‐economic models predicting the costs of CO2 pipeline transport.  International Journal of Greenhouse Gas Control, 16, 241‐270. 

‐ Koller, T., Goedhart, M., & Wessels, D. (2010). Valuation. Measuring and managing the value of companies. (Fifth Edition ed.). John Wiley & Sons, inc.: New Jersey, USA. 

‐ Kuramochi,  T.,  Ramirez,  A.,  Faaij,  A., &  Turkenburg, W.  (2010).  Prospects  for  cost‐effective post‐combustion CO2 capture  from  industrial CHPs.  International  Journal of Greenhouse Gas Control, 4, 511‐524. 

‐ Loeve,  D.,  Neele,  F.,  Hendriks,  C.,  &  Koornneef,  J.  (2013).  Transport  and  storage economics of CCS networks  in the Netherlands: Analysis of CCS business cases  in the Netherlands (Phase 1). CATO2, CATO2‐WP2.4‐D05, 1‐59. 

‐ Longstaff, F. A., & Schwartz, E. S.  (2001). Valuing American options by  simulation: A simple least‐squares approach. Review of Financial Studies, 14, 113‐147. 

‐ Mabon,  L.,  Shackley,  S., &  Bower‐Bir, N.  (2014).  Perceptions  of  sub‐seabed  carbon dioxide  storage  in  Scotland  and  implications  for  policy:  A  qualitative  study. Marine Policy, 45, 9‐15. 

‐ Malley, E., & Zarider, D.  (2012). Decommissioning obsolete power plants. Why do  it not now? TRC solutions, White paper 7th August, 1‐5. 

‐ Maureen  Owners  (2001).  Maureen  Decommissioning  Programme.  Approved programme, Issue 7, 1‐338. 

‐ McCollum, D. L., & Ogden, J. M.  (2006). Techno‐economic models for carbon dioxide compression,  transport,  and  storage  &  correlations  for  estimating  carbon  dioxide density and viscosity. Institute of Transportation studies, UCD‐ITS‐RR‐06‐14, 1‐87. 

‐ McCoy, S.  (2012). Understanding costs  for CO2 capture,  transport and storage. From the International Energy Agency, CCS Unit, presented at the IEA‐SENER Joint Workshop CCS in Mexico: Policy Strategy Options for CCS. 

‐ McCoy,  S.  T.,  &  Rubin,  E.  S.  (2008).  An  engineering‐economic  model  for  pipeline transport of CO2 with application to carbon capture and storage. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2, 219‐229. 

‐ Moreno, M., & Navas,  J. F.  (2003). On  the  robustness of Least‐Squares Monte Carlo (LSM) for pricing American derivatives. Review of Derivatives Research, 6, 107‐128. 

‐ Mott MacDonald (2010). UK Electricity Generation Cost Update. 1‐100. ‐ Nam, H., Lee, T., Lee, J., Lee, J., & Chung, H.  (2013). Design of carrier‐based offshore 

CCS system: Plant  location and fleet assignment.  International Journal of Greenhouse Gas Control, 12, 220‐230. 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

205 

 

‐ NETL  (2013).  Assessment  of  factors  influencing  effective  CO2  storage  capacity  and injectivity in Eastern gas shales. NETL, FE0004633, 1‐4. 

‐ OANDA,  2014.  Historical  exchange  rates.  Last  accessed  in  2014.  Retrieved  from: http://www.oanda.com/.  

‐ Oil  &  Gas  UK  (2014).  Decommissioning  insight  2014.  The  UK  Oil  and  Gas  Industry Association Limited, 1‐42. 

‐ Pindyck, R. S. (1999). Long‐run evolution of energy prices. Energy Journal, 20, 1‐27. ‐ Prangnell, M. (2013). Communication for Carbon Capture and Storage: Identifying the 

benefits, managing risk and maintaining the trust of stakeholders. Supported by Global CCS institute, 1‐55. 

‐ Premier  Oil  (2012).  Shelley  Field  Decommissioning  Programmes.  Close  out  report. Premier Oil UK Limited, AB‐SH‐OP‐RP‐0012, 1‐62. 

‐ RCI  (2011). CO2  capture and  storage  in Rotterdam. A network  approach. Rotterdam Climate Initiative (RCI), 2nd updated edition, 1‐31. 

‐ Return, A. (2011a). Depreciation Policies for Some Listed Tanker Companies ‐ Euronav an Outlier. Adjusted Return's Instablog, 2014. 

‐ Return,  A.  (2011b).  Depreciation  Policies  for  Some  US‐listed  Dry  bulk  Companies. Adjusted Return's Instablog, 2014. 

‐ Ringrose, P. (2013). Statoil CCS projects overview. CATO‐2 workshop. ‐ ROAD CCS (2015). ROAD. Last accessed in 2015. Retrieved from: www.road2020.nl/ ‐ Roques,  F.  A.,  Newbery,  D.  M.,  &  Nuttall,  W.  J.  (2008).  Fuel  mix  diversification 

incentives  in  liberalized  electricity  markets:  A  Mean‐Variance  Portfolio  theory approach. Energy Economics, 30, 1831‐1849. 

‐ Rothe, S. (2011). Portfolio analysis of power plant technologies: A simulation approach to rebalance fuel mix strategies. Dissertation University Hamburg, 1‐271. 

‐ Roussanaly, S., Brunsvold, A. L., & Hognes, E. S. (2014). Benchmarking of CO2 transport technologies: Part II ‐ Offshore pipeline and shipping to an offshore site. International Journal of Greenhouse Gas Control, 28, 283‐299. 

‐ Roussanaly, S., Bureau‐Cauchois, G., & Husebye,  J.  (2013a). Costs benchmark of CO2 transport  technologies  for a group of various size  industries.  International  Journal of Greenhouse Gas Control, 12, 341‐350. 

‐ Roussanaly, S., Jakobsen, J. P., Hognes, E. H., & Brunsvold, A. L. (2013b). Benchmarking of  CO2  transport  technologies:  Part  I‐Onshore  pipeline  and  shipping  between  two onshore areas. International Journal of Greenhouse Gas Control, 19, 584‐594. 

‐ Sanders, M., Fuss, S., & Engelen, P. (2013). Mobilizing private funds for carbon capture and  storage: An  exploratory  field  study  in  the Netherlands.  International  Journal  of Greenhouse Gas Control, 19, 595‐605. 

‐ Sarkis, J., & Tamarkin, M. (2005). Real options analysis for "Green Trading": The case of greenhouse gases. The Engineering Economist: A  Journal Devoted  to  the Problems of Capital Investment, 50, 273‐294. 

‐ SCCS  (2009). Opportunities  for CO2  storage around Scotland. An  integrated  strategic research study. University of Edinburgh & Scottish Centre  for Carbon Storage  (SCCS): Haddington, Scotland. 

‐ Shell  (2004).  Brent  Remote  Flare Decommissioning  Programme  and  Revision  to  the 

Chapter 5 

206 

 

Brent Spar Decommissioning Programme (Anchor Blocks). Shell U.K. Limited, 1‐108. ‐ Simic  (2013).  Teekay  Offshore  to  supply  FSO.  International  maritime  information 

website, 2014. ‐ Skagestad, R., Eldrup, N., Hansen, H. R., Stefan, B., Mathisen, A., Lach, A., & Haugen, H. 

A.  (2014).  Ship  transport  of  CO2.  Status  and  Technology Gaps.  Report  prepared  for Gassnove by Tel‐Tek, Tel‐Tek report no. 2214090, 1‐52. 

‐ Sparreboom,  R.,  &  Zant,  H.  (2014).  Indefatigable  Field  Platforms  and  Pipelines. Decommissioning  Programme.  Close  Out  Report.  Shell  E&P  United  Kingdom, EP201401220888, 1‐62. 

‐ Statline  (2014).  Steam  coal;  import  price  from  non  EU‐countries.  Statistics Netherlands, 2014. 

‐ Svensson,  R., Odenberger, M.,  Johnsson,  F., &  Strömberg,  L.  (2004).  Transportation systems  for CO2  ‐ Application  to carbon capture and storage. Energy Conversion and Management, 45, 2343‐2353. 

‐ TOTAL  (2011).  Frigg  Field  Cessation  Plan.  Close Out  Report.  TOTAL  E&P NORGE AS, DM#946614, 1‐62. 

‐ Trigeorgis, L. (1993). The nature of option interaction and the valuation of investments with multiple real options. The Journal of Financial and Quantitative Analysis, 28, 1‐20. 

‐ Tucker, K., Cooper, G., Cooper, P., & Sewell, J. (2010). Welland Field. Decommissioning programme. Prepared by Perenco UK Limited, 1‐39. 

‐ Tullow Oil  (2014). Horne & Wren Decommissioning  Programmes.  Tullow Oil  SK  Ltd, 02029‐TLW‐PM‐PRG‐0002, 1‐45. 

‐ U.S. Environmental Protection Agency & U.S. Army Corps of Engineers (2000). A guide to  developing  and  documentating  cost  estimates  during  the  feasibility  study.  U.S. Environmental Protection Agency & U.S. Army Corps of Engineers, EPA 540‐R‐00‐002, 1‐76. 

‐ Van  den  Broek,  M.,  Brederode,  E.,  Ramírez,  A.,  Kramers,  L.,  van  der  Kuip,  M., Wildenborg,  T.,  Turkenburg, W.,  &  Faaij,  A.  (2010).  Designing  a  cost‐effective  CO2 storage  infrastructure  using  a  GIS  based  linear  optimization  energy  model. Environmental Modelling and Software, 25, 1754‐1768. 

‐ Vermeulen,  T.  N.  (2011).  Knowledge  sharing  report  –  CO2  liquid  logistics  shipping concept (LLSC). Overall supply chain optimization. Prepared by Tebodin B.V. for Vopak and Anthony Veder, 3112001, 1‐142. 

‐ Wildgust, N. (2009). Global CO2 geological storage capacity  in hydrocarbon fields.  IEA GHG Weyburn‐Midale monitoring. Project PRISM meeting. 

‐ White  Rose  (2015). White  Rose  carbon  capture &  storage  project.  Last  accessed  in 2015. Retrieved from: www.whiteroseccs.co.uk/ 

‐ Yoo, B.‐Y., Choi, D.‐K., Huh, C., Kang, S.‐G., & Kim,  I.‐S. (2013a). A feasibility study on CO2 marine transport in South Korea. Energy Procedia, 37, 3199‐3211. 

‐ Yoo,  B.‐Y.,  Choi,  D.‐K.,  Kim,  H.‐J.,  Moon,  Y.‐S.,  Na,  H.‐S.,  &  Lee,  S.‐G.  (2013b). Development of CO2 terminal and CO2 carrier for future commercialized CCS market. International Journal of Greenhouse Gas Control, 12, 323‐332. 

‐ ZEP (2011a). The costs of CO2 Capture. Post‐demonstration CCS in the EU. 1‐81. ‐ ZEP (2011b). The costs of CO2 Capture, Transport and Storage. Post‐demonstration CCS 

    Investing under uncertainty: Ships versus pipelines 

207 

 

in the EU. 1‐50. ‐ ZEP (2010). CO2 transport costs. Post‐demonstration CCS in the EU. 1‐53. ‐ ZeroCO2 (2015). Air Liquide Green Hydrogen project. Last accessed in 2015. Retrieved 

from: www.zeroco2.no/projects/air‐liquide‐green‐hydrogen‐project ‐ Zhang, X., Wang, X., Chen,  J., Xie, X., Wang, K., & Wei, Y.  (2014). A novel modeling 

based  real  option  approach  for  CCS  investment  evaluation  under  multiple uncertainties. Applied Energy, 113, 1059‐1067. 

‐ Zhao, T., Sundararajan, S. K., & Tseng, C.  ‐L.  (2004). Highway development decision‐making under uncertainty: A real options approach. Journal of Infrastructure Systems, 10, 23‐32. 

‐ Zhu,  L.,  &  Fan,  Y.  (2013). Modelling  the  investment  in  carbon  capture  retrofits  of pulverized coal‐fired plants. Energy, 57, 66‐75. 

‐ Zhu, L., & Fan, Y. (2011). A real options‐based CCS investment evaluation model: Case study of China's power generation sector. Applied Energy, 88, 4320‐4333.

 

 

208 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

209 

 

Chapter 6: The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure network.

Abstract:  This  study  aimed  to  analyze  whether,  and  how,  uncertainty  influences  the layout  and  costs  of  a  CO2  transportation  network.  The  case  without  uncertainty  is modelled with a perfect  foresight  (PF) model and with uncertainty with  the  real option approach (ROA). In this study, uncertainties  in the CO2 price, tariff received per tonne of CO2  transported,  the  willingness,  probability  and  moment  that  sources  join  the  CO2 transportation network are incorporated in the analysis. The results show that uncertainty leads  to  higher  required  CO2  prices  before  investments  in  carbon  dioxide  capture  and storage (CCS) are made. With a volatility of 47%  in the CO2 price, the required CO2 price almost  triples  in  comparison  with  the  net  present  value  approach.  Hence,  under uncertainty less sources are retrofitted with CCS and less CO2 is captured and stored over time. For  instance, for the analyzed case study 31 Mt and 137 Mt CO2 is projected to be captured in the base scenario of ROA and PF model, respectively, in the period 2015‐2050. If the volatility of the CO2 price is reduced with 50%, 96 Mt is projected to be captured in the ROA, which is still about one third less than in the PF model.  

Furthermore,  the  results show  that uncertainty  leads  to  less development of  trunklines. All  this  leads  to an  increase of  in  the  transport and  storage  costs. For  instance,  for our case study, the average CO2 transport and storage costs in 2050 increase from 2.8 €/t to 13  €/t  in  the  base  scenario  of  the  ROA  compared  to  the  PF model.  If  the  volatility  is reduced with 50%, the transport and storage costs decrease to 7.5 €/t in the ROA, which is still 2.5 times as much as in the PF model.   

Our findings indicate that the implementation of CCS can best be stimulated by reducing the volatility of the CO2 price, reducing capture costs and facilitating cooperation between nearby sources.    

                                                                 1 Submitted for publication. Co‐authors: A. Ramírez and A.P.C. Faaij. 

Chapter 6 

210 

 

Introduction 6.1

Carbon dioxide capture and storage (CCS) is a CO2 mitigation measure that can contribute significantly  to  the  reduction of greenhouse gas emissions  to  limit  climate  change  (IEA, 2010; Moomaw et al., 2011; European Commission, 2011). However, one of the hurdles for  implementing  CCS  at  a  large  scale  is  the  lack  of  a  suitable  CO2  transportation infrastructure  (Benson  et  al.,  2012;  IEA,  2013a).  Therefore,  the  International  Energy Agency  (IEA)  identifies  the  stimulation  of  an  efficient  CO2  transportation  network  by taking  into account future demand and volumes, as one of the main actions  in the short term (IEA, 2013a).  

To  facilitate  the  development  of  CO2  transportation  networks,  several  studies  have modeled possible layouts of CO2 infrastructure. For instance, Dahowski et al., (2004; 2009) constructed  cost  curves  for  CO2  transport  and  storage  costs  for  the United  States  and China. They assume  that each  source‐sink connection has a dedicated pipeline,  thereby providing a conservative cost estimation, because combining sources in a trunkline could lead  to economies of scale  (Dahowski et al., 2009). Other models  include  trunklines but they  assume  that  the  network  is  built  overnight  (e.g.  Middleton  and  Bielicki,  2009; ElementEnergy,  2010;  Fimbres Weihs  and Wiley,  2012;  Sun  and  Chen,  2013),  thereby ignoring the fact that CO2 capture  installations will develop over time. Timing effects are incorporated in the models of, for instance, van den Broek et al., (2010ab); Piessens et al., (2008;  2012); Morbee  et  al.,  (2012); Middleton  et  al.,  (2012)  and  Oei  et  al.,  (2014). However,  these  models  analyze  the  development  of  CO2  infrastructure  network  by assuming perfect  foresight,  i.e., all  (investment) decisions are made with  the optimized outcome  in  mind,  without  incorporating  any  barriers  or  uncertainties.  Consequently, investments are  conducted which may be not advantageous  in  the  short  term, but will lead  to  significant  cost  savings  in  the  longer  term  (Piessens  et  al.,  2008;  2012).2  For instance, Middelton  et  al.,  (2012) has  indicated  that  for  transporting  initially 1 Mt/y,  a trunkline with a capacity of 12 Mt/y is constructed, because this large capacity is needed after 15 years. Similar results for oversizing pipeline can be seen  in the study of van den Broek et al., (2010a) and Morbee et al., (2012).  

Although  combining  CO2  flows  from  different  sources  in  a  trunkline  can  lead  to  large economies  of  scale  (ElementEnergy,  2010;  Chandel  et  al.,  2010),  it  remains  a  large financial risk if there are no contract agreements with other CO2 emitters (Mikunda et al., 2011ab). Middelton et al., (2012) estimate that the pipeline  length would almost double and the overall transportation costs will increase with about 50% in the Texas panhandle, if only point‐to‐point pipelines are constructed compared to a fully (optimized) integrated network.  

 

                                                                 2  The  model  of  Piessens  et  al.,  (2008;  2012)  is  developed  to  analyze  the  influence  of  uncertainty  on  CCS implementation. However, the focus is on uncertainty in storage capacity. Also in this model perfect foresight is used to make oversizing of pipelines possible.  

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

211 

 

One way of dealing with investment decisions in an uncertain environment is real option analysis  (Hull, 1993; Dixit and Pindyck, 1994). Real options  incorporate the strategic and flexibility  value  of  an  investment  opportunity.  Especially  investments  that  have  an irreversible character, a timing decision attached to it, and uncertain future revenues are suitable for a real option approach (ROA) (Hull, 1993; Dixit and Pindyck, 1994). All these characteristics are applicable to CCS investments. Consequently, several CCS studies have used  a  ROA  to  analyze  the  effect  of  an  uncertain  CO2  price,  electricity  price  and  /  or investment  costs on  the  implementation  rate of CCS.  It has,  for  instance, been used  to assess optimal  investment decisions  for  replacing  coal power plants  (Reinelt and Keith, 2007; Szolgayova et al., 2008; Zhu and Fan, 2011) or to analyze the optimal timing for a CCS  retrofit  (Abadie  and Chamorro, 2008;  Zhang et  al., 2014). However, none of  these studies  analyzed  the  impact  of  uncertainty  on  the  development  of  a  CO2  transport infrastructure. 

In  the  context  of  CO2  infrastructure  development,  uncertainty  is mainly  present  in  the timing when sources will start with CCS, and if they start with CCS, whether they invest in a trunkline or point‐to‐point pipeline. The moment when sources start with CCS depends on, among other things, fuel and electricity prices, readiness of the (capture) technology, distance to a suitable sink, availability of a CO2 infrastructure and CO2 price. According to Zhu  and  Fan  (2011),  the  CO2  price  has  the most  significant  impact  on  the  investment decision  in CCS,  in comparison with uncertainties related to the  investment and variable costs.  

The decision to invest in a trunkline or point‐to‐point pipeline depends on the profitability of  each  option.  The  profitability  of  a  trunkline,  in  comparison  with  point‐to‐point pipelines, decreases with increasing time difference between the moment of construction and  the moment  that  another  source  connects  to  the  trunkline  (ElementEnergy, 2010; Knoope et al., 2014a). For instance, in a previous study, we found that two point‐to‐point pipelines are preferred for two equally sized mass flows if they start with CCS within 5‐10 years of each other  (Knoope et al., 2014a). Note that  if the second source  is not  joining the trunkline, the costs per tonne CO2 for the other source will increase above the price of a  point‐to‐point  pipeline  (Knoope  et  al.,  2014a).  The  profitability  of  a  trunkline  also depends on the tariff received per tonne of CO2 transported. Hence, (possible) variability and  uncertainty  in  the  transportation  tariff,  time  difference  and  probability  that mass flows join the network seem to be crucial uncertainties for investing in a trunkline. 

This article aims to analyze the impact of uncertainty on the development and costs of a CO2  transportation  network.  To  analyze  this,  the  CO2  infrastructure  is modelled  for  a stylized case study. The infrastructure is modelled both with perfect foresight and with a ROA  to  assess  the  influence of uncertainty.  In  this  study, uncertainty  is  assumed  to be present in the CO2 price, tariff per tonne of CO2 transported, the time difference and the probability that sources join the transportation network.  

 

 

Chapter 6 

212 

 

Method 6.2

In  this  study,  the  development  of  a  CO2  infrastructure  network  is modeled  with  and without uncertainty. The uncertainty case  is modeled by using the real option approach (ROA), see section 6.2.1. The case without uncertainty is based on a perfect foresight (PF) model, which is modelled with mixed integer linear programming, see section 6.2.2.  

Real option approach 6.2.1

It is often assumed that an investment decision will be taken if a project has a positive net present value (NPV). However, in reality, the decision is often not a now or never, but can also be postponed (Hull, 1993; Dixit and Pindyck, 1994). The reasoning behind this is that if the expected NPV of an (irreversible)  investment opportunity  increases, the net payoff of  the  investment will also  increase and  the  investment can still be done.  In contrast,  if the NPV decreases, the company does not have to invest (Dixit and Pindyck, 1994). Hence, waiting  for more  information has a  (economic)  value. The option  to  invest will only be exercised  if the NPV of the  investment  is higher than the waiting value. This  is the main concept behind  the real option  theory. For additional  information, see  (Hull, 1993; Dixit and Pindyck, 1994).  

In  this  study,  a  ROA  is  used  to  examine  the  optimal  timing  for  CCS  investment. Subsequently, a decision has to be made to invest in either a point‐to‐point (PtP) pipeline, a  trunkline  or  join  an  existing  trunkline.  The method  is  summarized  in  Figure  6.1  and explained in more detail in in the sections below.  

To invest or not to invest in CCS 6.2.1.1

To decide if each individual source wants to invest in CCS now or wait, the first step is to calculate the NPV, see box 6.1. The NPV  is based on an  infinite  lifetime  for the decision whether to invest in a CCS project. In reality, a CO2 capture unit has a lifetime of thirty to forty years and  the storage  field may even have a shorter  lifetime. However, an  infinite lifetime  is assumed  for  simplicity. This  is  justified by  the  fact  that  future cash  flows are worth less than current cash flows, due to the impact of discounting (Heydari et al., 2012). Additionally, it is observed that lifetimes of existing power and industrial plants are often extended, which will probably also be the case for CCS projects. 

Second,  for each  source,  the  sink  is  selected which  results  in  the  lowest NPVCCS.  In  this study, only  sinks are  considered which are  capable of  storing  the CO2 emissions of  the source  for  at  least  20  years.  In  principle,  CO2  from  one  source  can  be  distributed  and stored in multiple sinks, but this is not included in the ROA.  

   

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

213 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 6.1: Flow diagram for the decision to start with CCS and the decision to construct a point‐to‐point pipeline, a trunkline or join an existing pipeline under uncertainty.  

Skip source – sink combinations where the sink cannot store the CO2 from the source for ≥ 20 years.

Ignore solutions with a probability of ≥20% on a negative NPV compared to the NPV based on the less expensive point‐to‐point pipeline.  

Construct the pipeline with the highest average NPV.  

Update storage capacities and (spare) pipeline capacities. 

Join trunkline 

Next time period. 

Select the one with the lowest break‐even price. 

Calculate the NPV for a point‐to‐point pipeline, 1,2 or 3 sizes oversized trunkline to all suitable sinks for 5,000 Monte Carlo simulation runs. 

Is the breakeven CO2 price based on joining? 

Investment decision in CCS is made.

Is for a specific source the breakeven price higher than the CO2 price?  

Calculate for each source the breakeven CO2 price based on the highest NPVCCS_i with ROA. 

Are there mass flows which can cost‐effectively join an existing trunkline? 

Preference for an own pipeline to have higher operational freedom?  

Calculate NPVCCS_i for the matrix on the basis of point‐to‐point pipelines. 

Yes, for multiple sources  

No 

Yes, for one source 

Yes 

Yes

No

No 

Yes 

Distributions for the tariff, probability, willingness and moment of joining the trunkline.  

Construct a source – sink matrix. 

Update NPVCCS_i in matrix. 

No

‐ Sources and sinks‐ Distances  ‐ CO2 mass flows ‐ Storage capacities ‐ Pipeline capacities 

Cost data for CO2 

capture, storage and transport. 

Chapter 6 

214 

 

Box 6.1: Calculation of net present value (NPV) 

As  input for the real option approach, the NPV  is needed. The NPV consists of costs and revenues  or  benefits.  In  the  case  of  CCS,  the  benefit  consists  of  less  CO2  emission allowances  that have  to be bought, multiplied with  the expected CO2 price,  see eq. 6.2 (2008). The costs are related to CO2 capture (eq. 6.3), transport, and storage (eq. 6.4). The transportation costs are  initially based on constructing a point‐to‐point pipeline (eq. 6.5) or joining an existing trunkline (eq. 6.6). 

If the decision to invest in CCS is made and the transportation part is not based on joining an  existing  trunkline,  the  decision  is  analyzed  if  it  is more  cost‐effective  to  invest  in  a point‐to‐point  pipeline  or  in  a  trunkline.  For  this  the  NPV  of  different  trunkline configurations  and  point‐to‐point  pipelines  are  calculated,  but  now  only  the  costs  and revenues until 2060 are included, see eq. 6.7 and 6.8.  

After  all  sources  and  the whole  period  are  analyzed,  the NPV  of  the  entire  system  is calculated  up  to  2050.  To  compare  the  NPV  of  the  entire  system  from  the  perfect foresight model and the ROA on a fair basis, the NPV of all capture facilities, pipelines, and storage fields for the  layout planned by the ROA  is recalculated by using eq. 6.9‐6.13.  In addition, the actual CO2 price is used rather than the expected CO2 price to calculate the benefit of the CO2 emission allowances that are not bought due to CCS.  

_ _ _ _ _ _ _ _   (6.16)  

_ _ _ _   (6.17) 

_ _ _ _ _   (6.18) 

_ _ _   (6.19) 

_ _ _ _   (6.20) 

_ _ _ _ _    (6.21) 

_ _ _ ∑ _ _

  (6.22) 

_ _ _ ∑ _    (6.23) 

_ _   (6.24) 

_ _ ∑ ∑ _ _   (6.25) 

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

215 

 

 

   

∑ _ ∑ _ _ _   (6.26) 

∑ _ ∑ _   (6.27)  

∑ _ ∑ _   (6.28) 

           Where NPVCCS_i refers to the net present value of CCS project i (€2010); NPVex_CO2_allow_i refers  to  the  expected net present  value of  the CO2  emission allowances  spared of CCS project  i  (€); NPVcap_i  refers  to  the NPV of  the capture unit of CCS project  i  (€); NPVstore_i refers to the NPV of the storage facility of CCS project i (€); NPVtrans_x_i refers to the NPV of the transport system of CCS project i, which can be either a point‐to‐point pipeline (x=ptp) or trunkline (x=trunk) or  joining an existing trunkline (x=join) (€); mallow_i  is the amount of avoided CO2 allowances,  i.e., allowances that do not have to be bought,  if CCS  is applied for project i (t/y); Pc is the CO2 price (€/t); ti is the year of investment in CCS project i and t = 0 in 2015 (y); α is the constant risk‐adjusted drift or growth rate of the CO2 price (%); r is the continuously compounded discount rate (%); Icap_i refers to the investment costs of the capture unit of CCS project  i  (€); OMcap  refers  to  the O&M  costs of  the  capture unit as percentage of  the  investment costs  (%); Cvar_i  refers  to  the variable capture costs of CCS project  i  (€/t CO2 captured); mcap_i  is the annual amount of CO2 captured  in CCS project  i (t/y); Istore_i refers to the investment costs for the storage facility of CCS project i, consisting of costs for drilling wells and a fixed amount for monitoring, surface and site development (€);  OMstore  refers  to  the  O&M  costs  for  the  storage  facility  as  percentage  of  the investment costs (%); Iptp_i refers to the investment costs for the point‐to‐point pipeline of CCS project  i  (€); OMtrans  refers  to  the O&M  costs  for  the pipeline as percentage of  the investment costs (%); Idist_i refer to the initial investment costs of the distribution pipeline of CCS project i (€); TFj is the tariff paid per tonne of CO2 for transporting the CO2 through the trunkline owned by CCS project j (€/t CO2 transported); Itrunk_i is the initial investment cost of the trunkline of CCS project i (€); TFi is the tariff received per tonne of CO2 transported through the trunkline of project i (€/t CO2 transported); T is the end of the period analyzed, which  is 45  in  this study; mtrans_i_t  is  the  total mass  flow  from other sources,  transported through  the  trunkline of CCS project  i  in year  t  (t/y); NPVtrans_ptp_i’  refers  to  the NPV of a point‐to‐point pipeline of CCS project  i up  to 2060  (€); NPVCCS  refers  to  the net present value of  the whole system  (€2010); NPVac_cO2_allow  refers  to the actual net present value of the CO2 emission allowances spared of the whole system (€); NPVcap refers to the NPV of the capture unit of the whole system (€); NPVstore refers to the NPV of the storage facility of the whole system (€); NPVtrans refers to the NPV of the whole transport system (€); S is the set  of  all  constructed  CCS  projects;  T’  is  the  end  of  the  period wherefrom  results  are reported, which  is 35 year  in  this  study; Pc_t  is  the CO2 price  in period  t (€/t); and  Itrans_i refers to the investment costs for the transportation system of CCS project i (€). 

Chapter 6 

216 

 

Third,  the  option  values  are  calculated  for  the  selected  source‐sink  combinations.  The option value  is related to the uncertainty  in the CO2 price, which  is assumed to follow a geometric Brownian motion, see eq. 6.29 (Abadie and Chamorro, 2008; Fuss et al., 2008; Zhu and Fan, 2011; Zhang et al., 2014). The option value  is calculated with a binominal lattice model, like was done by (Abadie and Chamorra, 2008; Kate and Zhou, 2011; Sarkis and Tamarkin, 2014; Zhang et al., 2014).3 A binominal  lattice model assumes  that after each time period the variable (in this case the CO2 price) will either increase or decrease. The probability of an increase should be risk free, see eq. 6.30. Hence, the CO2 price goes up with risk free probability p or goes down with a probability 1‐p after each time period. This process is repeated for 70 time steps, where each time step represents one year.4 For the last time step postponing is not an option anymore and the decision is to either invest or not invest in CCS. Hence, the option value is the NPVCCS_i or 0. Subsequently, the option value of the previous time period is calculated with eq. 6.31. The binomial lattice is solved backwards to get the option value at time t=0. In addition, the breakeven CO2 price for the ROA is calculated by setting the option value W equal to NPV. 

In  the  fourth  step,  the  investment decision  in CCS  is  taken  if  the NPV  is higher  than or equal to the option value and the investment decision is postponed if the NPV is smaller than  the option value. For a certain  time period,  it may be optimal  to  invest  in CCS  for multiple  emitters.  The  project with  the  lowest  breakeven  CO2  price  is  assumed  to  be constructed first. This may have consequences for the other projects because it could, for instance, diminish  the available storage capacity or a new  trunkline can be constructed, which changes  the  transportation costs. Hence,  the NPV of all source‐sink combinations and breakeven CO2 prices  are  recalculated  after  a project  is  constructed.  If  all projects with a breakeven price lower than the current CO2 price are constructed, the next period is analyzed. Note that in this new period, the CO2 price will change (see section 6.3.1). The process  is  repeated  until  all  sources  implement  CCS  or  the  time  horizon  of  2050  is reached.  

α σ   (6.29) 

∆  (6.30) 

_ ; 1 ∆   (6.31) 

Where, Pc is the CO2 price (€/t); α is the constant risk‐adjusted drift or growth rate of the CO2 price (%); σ is the constant volatility or standard deviation of the CO2 price (%); dW  is  the  increment  to a standard Wiener process, which  is normally distributed with a 

                                                                 3  Zhang  et  al.,  (2014)  extend  the  binominal  to  a  trinomial  lattice model meaning  that  the  CO2  price  could increase,  decrease  or  remain  stable.  Also  Abadie  and  Chamorra,  (2008)  extended  the  model  to  a  two‐dimensional lattice to include the impact of uncertainty in the CO2 as well as in the electricity price.  4 In reality, it is possible to postpone the decision whether to invest in CCS or not even after 2050, because 2050 is an artificial end year. To eliminate nearly all end effects of forcing a ‘yes or no’ decision, a period twice as long (i.e., 70 years)  is  investigated  in this study, while only outcomes are reported for the first 35 years, that  is the period 2015‐2050. 

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

217 

 

mean of zero and a variance of dt; p is the risk neutral probability of the CO2 price moving up; rf is the risk free rate, which is the expected return of a risk free investment; Δt is time step, which is in this study 1 year; u is the proportional increase of the CO2 price, which is 

calculated with  √∆ ; d is the proportional decrease of the CO2 price calculated with 1/u; W is the option value; NPVCCS_i is the net present value of the CCS project i; Wup is the option value after the CO2 price increases and Wdown is the option value after the CO2 price drops. 

Point‐to‐point pipeline or trunkline  6.2.1.2

Once an  investment decision  in CCS  is made, a decision has  to be made on whether  to invest in a trunkline, in a point‐to‐point pipeline or to join an existing trunkline.  

If  there  is no  trunkline present  (as would be  the  case  at  the  start of  the  analysis),  the question  is whether  it  is more cost effective to  invest  in a point‐to‐point pipeline or  in a (more  expensive)  trunkline.  The  trunkline  can be one,  two or more nominal pipe  sizes larger than the point‐to‐point pipeline.5 In this study, trunkline options are included up to three sizes lager. The profitability of the trunkline depends strongly on the tariff received per  tonne  CO2  transported,  the  probability  and  time  difference  between  trunkline construction and sources joining the trunkline. Tariffs for pipeline transport are regulated and  should  cover  operational  expenses,  depreciation  of  the  pipeline  and  additionally generate  a  reasonable  rate  of  return  (Energy  Information  Administration,  1995).6  The tariff per tonne of CO2 transported  is assumed to be constant  for everybody  joining the pipeline and is calculated using eq. 6.32.7  

If there is an existing trunkline with enough spare capacity, it may be more cost‐effective to  join an existing trunkline  instead of constructing a new pipeline. A source will only be able to  join an existing trunkline,  if there  is enough spare capacity available to transport its  entire  CO2  mass  flow.  The  costs  of  joining  consist  of  a  tariff  per  tonne  of  CO2 transported  (see  eq.  6.32)  and  of  constructing  a  distribution  pipeline  to  the  trunkline, which here  is assumed to connect to the trunkline at the start of the trunkline or at the point where  the onshore  ‐ offshore  connection  is made  (i.e.,  landfall point).  If  enough spare  capacity  is present  in  the existing well(s),  the  storage costs are  zero, otherwise a new well has to be drilled at expenses of the source joining the trunkline. Although cost‐effective to join an existing trunkline, a company may have a preference for constructing an own pipeline, see Figure 6.1. Possible reasons for this are higher operational freedom 

                                                                 5  Pipeline  diameters  are  available  in  standard  sizes,  so‐called  nominal  pipe  sizes.  In  this  study,  the  following diameters are included: 0.11; 0.17; 0.22; 0.27; 0.32; 0.41; 0.51; 0.61; 0.76; 0.91; 1.07; 1.22; 1.32 and 1.42 m.  6 To ensure that the owner of the pipeline does not abuse his monopoly position, tariffs and reasonable rates of returns for pipelines are regulated (Energy Information Administration, 1995; ElementEnergy, 2010).  7 Eq. 32 has two adaptations compared to the original tariff calculation. Firstly, the tariff is based on the design capacity of  the pipeline  rather  than on  the mass  flow  transported, which  leads  to an underestimation of  the tariff. Secondly, the value of the asset is assumed to be constant over time (i.e., there is no depreciation), which leads  to  an overestimation of  the  tariff. These  adaptations  are made  to  come  to  a  constant  tariff over  time, which is easier to model and probably closer to reality if agreements are made. 

Chapter 6 

218 

 

or not willing to match the requirements set by the owner with respect to maximum inlet temperature, impurity levels, etc.  

To estimate the profitability of investing in a point‐to‐point (PtP) pipeline, a one (Trunk1), two (Trunk2) or three (Trunk3) sizes  lager trunkline, a Monte Carlo analysis  is conducted in this study. Monte Carlo is a powerful tool to generate probability distributions based on uncertainty  in the parameters.  In this study, the tariff, the probability and moment that sources are  joining the trunkline are uncertain. With Monte Carlo 5,000 simulation runs are  calculated.  For  each  simulation  run,  the  NPV  of  a  point‐to‐point  pipeline  and trunklines to suitable sinks are calculated. The expected revenues  (and costs) until 2060 are  taken  into  account.  We  assume  that  companies  prefer  investments  with  a  high average NPV and with a low risk of a negative NPV. Therefore, in this study, only trunkline solutions are considered acceptable which have a ≤20% probability that the NPV is lower than the point‐to‐point pipeline.8 The solution with the highest NPV is selected.  

Subsequently, the projected pipelines are visualized with maps, to show the development infrastructure over  time. Note  that  investments done  in  the previous period  cannot be changed in the ROA. Finally, to compare the investment and variable costs of the perfect foresight model and the ROA on a fair basis, the NPVCCS of the entire system for the ROA is recalculated again, see box 6.1.  

  (6.32)  

1   (6.33) 

where, TF is the tariff per tonne of CO2 transported (€/t CO2 transported); Itrunk is the  initial  investment cost of  the  trunkline  (€); OM are O&M costs as percentage of  the investment costs (%); Istore are the initial investment costs of the storage facility (€); RRR is the reasonable rate of return (%); Dcap is the design capacity of the pipeline (t/y); requ is the rate of return on equity (%); pequ is the share of equity (%); rdebt is the costs of debt (%).  

Perfect foresight  6.2.2

In the perfect foresight case, the objective is to maximize the NPV of the entire system by taking into account constraints relating to the maximum capacity of the sources, pipelines, wells and sinks and ensuring that all captured CO2 is actually stored. In this study, a mixed integer  linear programming (MILP)  is used. A MILP model can ‘look ahead’ to the end of the model period  to  find  the  configuration  leading  to  the highest NPV over  the whole period (Van den Broek et al., 2008). In this study, the period 2015‐2060 was analyzed and results up  to 2050 are  reported. The  reason  for also analyzing  the period 2050‐2060  is that  otherwise  none  (or  very  few)  investments will  be  done  in  the  period  2045‐2050 because there is (almost) no time to recover the initial investment costs.  

                                                                 8 The probability of a negative NPV which is considered acceptable, depends on the risk attitude of the company. According to Hacura et al., (2001) a value of 20% is quite safe and is used in this study.  

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

219 

 

The  perfect  foresight  case  is  inspired  on  the  scalable  infrastructure  model  for  CCS (SimCCS)  developed  by Middleton  and  Bielicki  (2009).  A  few  adaptations were made. Firstly,  a  CO2  price  was  included  instead  of  a  target  amount  of  CO2  that  has  to  be sequestered  as  was  originally  done  in  SIMPRICE  by  Kuby  et  al.,  (2011).  Secondly,  the development of the CO2 network was analyzed over time instead of building the network overnight, as was originally done  in SIMTIME by Middleton et al.,  (2012).  In addition,  the following  adaptations  were  implemented  to  make  the  perfect  foresight  model comparable to the ROA: 

‐ The CO2 flow from a given source is completely captured or not at all, meaning that it is not possible to only capture part of the CO2 flow; 

‐ Only source‐sink connections are made, where the sink  is capable of storing the CO2 emissions of the source for a minimum of 20 years; 

‐ A construction period of one year is included;  ‐ A  differentiation  is  made  between  capacities  and  costs  for  onshore  and  offshore 

pipeline; ‐ Fixed offshore pipeline costs are added of 35 M€, which are needed  to mobilize  the 

equipment  for offshore pipeline  laying  and  realize  the onshore‐offshore  connection (Knoope et al., 2014a); 

‐ Operation and maintenance costs are added as percentage of the investment costs. 

The objective  function and constraints  including  these adaptations are given  in Annex  J. The optimization model was written in AMPL (AMPL, 2014) and solved with CPLEX 12.6.1 (IBM ILOG, 2015).  

Case study 6.3

The  influence of uncertainty in the development of a CO2  infrastructure  is demonstrated with a case study over the period 2015‐2050. To have a realistic set of sources and sinks, a stylized case study was developed based on a number of sources in and sinks around the Amsterdam‐IJmuiden  region  in  the Netherlands. This  region was  chosen because  it  is a main industrial areas with different types of CO2 sources located near the shore. However, it  has  to  be  stressed  that  the  goal  of  this  study  is  to  show  the  difference  between developing  an  infrastructure  with  and  without  uncertainty  and  not  to  optimize  the infrastructure in the Amsterdam–IJmuiden region. 

An  overview  of  the  uncertainties  and  related  input  variables  is  given  in  section  6.3.1. Subsequently, cost data for capture, storage and transport are given in section 6.3.2, 6.3.3 and 6.3.4, respectively. In section 6.3.5, an overview is given of the different scenarios for the case study which are analyzed to investigate the sensitivity of the results. 

Input variables and uncertainties 6.3.1

The drift  (i.e.,  growth  rate)  and  volatility  (i.e.,  standard deviation) of  the CO2 price  are uncertain. In literature, several drift rates and volatilities are mentioned. The volatility for CO2 prices  range  from  2.0%‐46.8%  and  the drift  from  2.0%‐5.9%  (Sarkis  and  Tamarkin, 2005; Fuss et al., 2008; Szolgayova et al., 2008; Abadie and Chamorro, 2008; Zhou et al., 

Chapter 6 

220 

 

2010; Kato and Zhou, 2011; Zhu and Fan, 2011; Oda and Akimoto, 2011; Abadie et al., 2014).  In  this study, a volatility of 46.8% and a  risk adjusted drift of 3.1% are used, see Table 6.1 (Abadie and Chamorro, 2008). A risk‐adjusted drift means that a risk premium is subtracted from the drift to compensate for the risk that CO2 prices may not rise as fast as expected. The influence of a 50% lower volatility is also investigated in this study.  

With  the  risk  adjusted  drift  the  CO2  price would  increase  less  rapidly  over  time  than projected by the IEA in the 450 ppmv scenario (IEA, 2012; IEA, 2013b), see Figure 6.2.9 The 450 ppmv scenario aims  to stabilize  the  long  term CO2 emissions  in  the atmosphere on 450 parts per million volume, which would limit, with a reasonable possibility, the average increase in global temperature to 2°C. In this study, the year when sources start with CCS are based on the CO2 price projections from the IEA.10  

Several  assumptions were made  for  the decision  to  invest  in  a point‐to‐point pipeline, invest in a trunkline, or joining an existing trunkline:  

Table 6.1: Economic parameters used in this study.  

Parameter  Symbol  Unit Value  Comment / Reference 

Construction period 

y 1a 

Risk free rate 

rf % 5b

Discount rate   r % 10c

O&M costs capture  OMcap % of Icap 4d

O&M costs transport OMtrans % of Itrans 1.5 Knoope et al., 2014a O&M costs storage  OMstore % of Istore 5 Van den Broek et al., 2010a CO2 price in 2015

 Pc,0 €/t CO2 10 Own assumption 

Risk adjusted drift for the CO2 pricee

α % 3.08 Abadie and Chamorro, 2008 CO2 price volatility

e σ % 46.83 Abadie and Chamorro, 2008 

a) The  construction  time  is  relatively  short.  However,  longer  construction  periods  would  complicate  the modeling process. According  to Chladná et al.,  (2004),  the  results would not  change qualitatively,  if  it  is assumed  that  the  lead  times will  not  (drastically)  differ  between  the  different  sources.  Therefore,  it  is chosen to include a construction period of only 1 year as was also done by Abadie and Chamorra (2008). 

b) This risk free rate is within the range of 4‐5% used for CCS projects in literature (Ho and Liu, 2002; Sarkis and Tamarkin, 2005; Abadie and Chamorro, 2008; Zhu and Fan, 2011; Zhang et al., 2014).  

c) The continuously compounded discount rate is set on 10%, which equals the risk free rate plus a market risk premium of 5%, to incorporate that a higher return is required for investments, which are not risk free. This is comparable to the risk premium of 4.5‐5.5% estimated by several models (Koller et al., 2010).  

d) O&M costs for CO2 capture are industry specific, technology dependent and fuel related. For instance, O&M costs for CO2 capture are estimated at 2‐3% for NGCC, 4% for PC and IGCC (Van den Broek et al., 2008), 5% for  steel  production,  and  12%  for  cement  production with  steam  import  (Kuramochi  et  al.,  2012).  For simplicity reasons, 4% O&M costs for CO2 capture is used throughout this study.  

e) The volatility and risk‐adjusted drift are based on the CO2 allowances traded  in the context of the second phase (Dec‐08 and Dec‐2012) of the EU Emissions Trading Scheme (Abadie and Chamorro, 2008). 

                                                                 9 The CO2 prices of 2012, 2020, 2030 and 2035 are based on the World Energy Outlook 2013 (IEA, 2013) and for 2050  on  the  Energy  Technology  Perspectives  2012  (IEA,  2012).  Intermediate  values  are  found  by  assuming constant growth rates. After 2050, the CO2 price is assumed to increase at a similar rate as in 2035‐2050.  10  There  is  a  lot of uncertainty  in  the development of  the CO2 price  and different price paths would  lead  to 

different starting dates, when sources start with CCS, and consequently to different infrastructure layouts. In this study, only the price path of the 450 ppmv scenario of the IEA is used to limit the scope of the research.  

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

221 

 

 

Figure 6.2: CO2 price estimated up to 2050 with the 450 ppmv scenario and with the risk adjusted growth rate. 

‐ The moment when sources may join your trunkline are based on the year when each source  start with CCS, modelled with  the perfect  foresight model and with  the  real option  approach.  The  starting  year  under  perfect  foresight  is  assumed  to  be  the earliest possible moment of  joining under uncertainty, because uncertainty  leads  to postponement of decisions. The  latest possible  year of  joining  is based on  the  year when  an  investment  in  CCS  is  made  without  the  trunkline  under  consideration, projected with  the ROA. All  years have  the  same  chance of being  selected  (i.e.,  an uniform distribution), as no better distribution is known.  

‐ The uncertainty in the tariff is mainly found in the reasonable rate of return (RRR). The uncertainty in the RRR can be distributed between three variables, namely the costs of debt,  the  return and  share of equity. These uncertainties are based on  the  financial data published by 32 pipeline companies in the period 2005‐2009 (Natural Gas Supply Association,  2010).  The  return  on  equity  is  best  approached  with  a  lognormal distribution with a mean of 14.9% and a standard deviation of 6.6%.11 The cost of debt is  approximated  with  a  normal  distribution  with  a  mean  of  7.0%  and  a  standard deviation of 1.1%. Also  the share of equity  is approached with a normal distribution with a mean of 56% and a standard deviation of 11%. To avoid  that  the  reasonable rate of return can be lower than the discount rate of 10%, the RRR is truncated at 10% in the Monte Carlo analysis. For further calculations, the tariff is based on the average RRR.  

‐ The  willingness  of  joining  will  probably  be  larger  for  small  sources,  because  they benefit  the most  from  joining  a  trunkline.12 Hence,  in  this  study  it  is  assumed  that 

                                                                 11 One of  the 32 pipeline  companies  realized a negative  rate of  return of  ‐6.2%. This data point  is  ignored  in 

estimating the mean and standard deviation.  12 For instance, a source with a mass flow of 0.5 Mt/y would have transportation costs of 3.9 €/t for an onshore 

point‐to‐point pipeline of 100 km. For a source with a mass  flow of 2 Mt/y, the transportation costs  for a PtP 

 

0

30

60

90

120

2010 2020 2030 2040 2050

CO2 price (€2010/t) 450 scenario ‐ estimated by

IEA

450 scenario ‐ estimated bygrowth rates

With risk adjusted growthrate

Chapter 6 

222 

 

sources capturing  less than 1 Mt/y are always willing to  join. For  larger sources,  it  is assumed  that  in  75%  of  the  cases  the  source  prefers  the  construction  of  an  own pipeline. Additionally, scenarios are analyzed where the willingness of joining is set on 100% for all sources.  

‐ The probability of  joining  is related to the cost‐effectiveness of  joining  in comparison with the costs of constructing an own pipeline. The probability of joining is set on 75% for all sources, but a probability of 100% is assumed in a few scenarios.  

Other economic parameters used throughout this study are stated in Table 6.1. All costs in this study are expressed  in €2010. Costs are converted by using the chemical engineering plant  cost  index  (Chemical  Engineering,  2013)  and  an  exchange  rate  of  0.75 €2010/$2010 (OANDA, 2014).  

Capture locations and costs 6.3.2

An overview of  the  included  sources  is given  in Table 6.2.  It was assumed  that  the CO2 emissions will not change over time. If all sources conduct CCS, the total amount captured would be 12 Mt CO2/y. The  location of the sources  is given  in Figure 6.3. Based on their location, the different sources are divided into two groups, or so‐called clusters. Cluster 1 consists of sources 1‐5 and cluster 2 consists of sources 6‐9.  

The  investment and variable costs of CO2 capture for the different sources are based on state‐of‐the‐art  literature and are given  in Table 6.2. The costs  include CO2 compression pressure to 11 MPa.13  

Table 6.2: CO2 emissions, capacity factor, investment and variable costs for CO2 capture (including compression to 11 MPa) for the power and industrial sector. 

No. 

Industry type 

Capacity factor

CO2

captured (Mt/y) 

Avoided CO2

allowances (Mt/y)

Capital costsc,d

(€2010/t CO2 captured) 

Variable costsc 

(€2010/t CO2 captured) 

Comment 

1  Steel  90% 1.8 1.8 80 26e 

2  CHP‐CCGT 

70% 0.40 0.35 216 10f 

3  Ammonia  90% 0.15 0.15 54 4.9g 

4  NGCC 

50% 1.4 1.2 347 29h 

5  Paper 

65% 0.10 0.10 158 9.4i 

6  Waste plant  90% 1.1 1.1 318 20j 

7  NGCC  50% 0.70 0.59 427 29h 

8  PC  80% 2.5 2.0 145 11k 

9  Food processing 

90% 0.10 0.07 120 46l 

    

 

                                                                                                                                                                   pipeline  over  the  same  distance would  decrease  to  2.0  €/t.  Joining  an  existing  trunkline with  a  capacity  of 5 Mt/y, would cost 1.4 €/t for both sources.  13 See Annex K for more details about the method and data used for correcting the CO2 compression costs.  

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

223 

 

Table  6.2:  CO2  emissions,  capacity  factor,  investment  and  variable  costs  for  CO2  capture (including compression to 11 MPa) for the power and industrial sector (continued). 

a) Capacity factors differ for different industry types. Waste incineration, ammonia, steel and food production are normally  characterized with high  capacity  factors  and  are  assumed  to be 90%  in  this  study.  For  the boilers in the paper industry, an average capacity factors is used (Energy and Environment Analysis, 2005). For power generation, typical capacity factors are used. Note that these may change  in the future due to the implementation of renewables, but this is not taken into account in this study.  

b) The amount of CO2 allowances avoided  is the number of allowances that have to be bought  less  if CCS  is applied. This is calculated from the amount of CO2 captured minus the CO2 emitted in the production of the required steam and electricity on‐site.  

c) If no scaling factor is mentioned, the investment costs are scaled with a scaling factor of 0.7 (Kuramochi et al., 2010). The variable costs are assumed to be independent of scale. 

d) The total investment costs can be calculated by multiplying the investment costs per tonne of CO2 captured with the amount of CO2 captured divided by the capacity factor. In this way, the capture unit  is scaled for the peak load.  

e) The CO2 is captured from a standard air blown blast furnace with MEA (without CO – CO2 conversion). The variable costs are calculated with an average power equivalent factor of 0.23 for steam and an electricity price of 60 €/MWh (Kuramochi et al., 2012).  

f) The costs are based on a natural gas based CHP with a 0.5 heat‐to‐power ratio, a 90% capture ratio and a MEA process. The costs in the article of Kuramochi et al., (2013) are converted by assuming a CO2 emission factor  of  56 kg CO2/GJLHV  and  a  natural  gas  price  of  5  €/GJLHV.  The  required  heat  and  electricity  are generated by the CHP.  

g) Typical  capture  costs  (excluding  compression)  are  estimated  at  3.5  €2010/t  CO2  for  capturing  a  pure  CO2 stream  originating  from  ammonia  production  (Hendriks  et  al.,  2004).  These  costs  are  converted  to investment costs, by assuming that they consist of investment and O&M costs and using the data in Table 6.1.  The  compression  costs  from  atmospheric  pressure  (0.11 MPa)  to  11 MPa  are  calculated  with  the method stated in Annex K. Electricity is assumed to come from the grid at the cost of 60 €/MWh.  

h) The capture costs (including compression to 10‐11 MPa) for a standard natural gas combined cycle (NGCC) are based on a single shaft F‐class turbine and post‐combustion capture with advanced amines (ZEP, 2011). The variable costs are based on a natural gas price of 5 €/GJLHV (ZEP, 2011).  

i) In the paper  industry, CO2 could be captured from boilers with MEA. The  investment costs of Hektor and Berntsson  (2007)  included compression to 8 MPa and the  investment and variable costs are corrected to reflect an outlet pressure of 11 MPa. The required heat is coming from better heat integration and burning biofuel  in the boiler. The biofuel  is assumed to be carbon neutral and costs 5.3 €/GJ. The electricity costs are estimated at 60 €/MWh.  

j) No  cost  estimations  in  public  literature  was  found  for  a  waste  incineration  plant  with  CCS.  The  CO2 concentration in the flue gas is about 10%, but would varying day by day due to a different composition of the feedstock  (Johnke, 2002). This CO2 concentration  is  in between the ones of PC (3‐5%) and NGCC  (12‐15%)  (ZEP, 2011). Therefore,  the  fixed and variable costs of a PC and NGCC plant are averaged as a  first estimation for adding a CCS unit to a waste plant. This approach does not incorporate the potentially higher electricity cost and cleaning costs  for  the  flue gas of  the waste  incineration plant compared  to a PC and NGCC.  However,  no  better  approach  is  known,  and  therefore,  the  average  costs  are  used  as  first approximation.  

k) The capture costs (including compression to 10‐11 MPa) are based on a typical ultra‐supercritical pulverized coal (PC) power plant running on bituminous coal (ZEP, 2011). The CO2  is captured with advanced amines and the variable capture costs are based on a coal price of 3.2 €/GJLHV.  

l) The costs are based on a conventional boiler  running on natural gas with CO2 capture based on chemical absorption  (Switzer et al., 2005). The  costs of Switzer et al.,  (2005)  include  compression  to 22 MPa. The investment and variable costs are corrected to reflect an outlet pressure of 11 MPa. The required steam for regeneration is assumed to be generated by an on‐site boiler with an efficiency of 90%, while the electricity is imported. Additional assumptions are electricity costs of 60 €/MWh, natural gas costs of 5 €/GJLHV, and a CO2 emission factor of 56 kg/GJLHV for natural gas.  

Chapter 6 

224 

 

Storage location and costs 6.3.3

CO2 can be stored in (depleted) hydrocarbon fields or in aquifers. CO2 storage in aquifers is more uncertain  than  in depleted oil  and  gas  fields due  to  the  limited  amount of data. However, an aquifer with good injectivity properties is included in this study to assess how this would influence the CO2 transport network. Furthermore, five hydrocarbon fields are included in this study. The specifications and costs of the included sinks are given in Table 6.3 and the locations (based on (based on Christensen and Holloway, 2004)) are pictured in Figure 6.3. 

Table 6.3: An overview of the characteristics and costs of the different sinks included in this study.  

   

 

Figure 6.3: Location of the  landfall point, sources, and sinks  included  in this study. Numbers and letters refer to specific sources and sinks, see Table 6.2 and Table 6.3.  

Type of reservoir Injectivity (Mt/y)

a No. wells needed

a,b 

Useful storage capacity (Mt)

a Depth (km)

a Costs per well (M€)

c Fixed costs (M€)

A  Offshore gas field 1.1 1 21 3.2 14 20 B  Offshore gas field 1.7 1 34 3.6 15 20 C  Offshore aquifer

d5.5 2 110  2.0 8.6 94 

D  Onshore gas field 1.6 1 33 2.1 6.8 5.1 E  Onshore gas field 1.6 1 33 3.7 12 5.1 F  Onshore gas field 6.6 3 131  2.9 9.4 5.1 

a) For each hydrocarbon storage field, three scenarios with different injections rates were identified by Neele (2013). With low injection rates, the time that they can be sustained is longer and the total volume stored is higher.  In this study,  the  injectivity,  required number of wells, and  the useful storage capacity of  the  low injectivity scenario of Neele (2013) are used. 

b) These numbers of wells are needed to reach the maximum injectivity. The injectivity is assumed to be the same for each well  in the storage field. Furthermore, only the number of wells are constructed which are needed for the projected mass flow, so no over‐dimensioning takes place.  

c) Van den Broek et al., (2010a) give drilling costs for wells per meter depth as well as fixed investment costs for  onshore  and  offshore  hydrocarbon  fields  and  aquifers.  The  fixed  investment  includes  the  costs  for surface, site development and monitoring. These costs only have to be spent once for each reservoir.  

d) The estimated storage capacity is 110‐225 Mt, the injectivity is up to 10 Mt/y (Neele et al., 2012) and about 3‐4 wells are needed for this (Neele, 2014). For the model, it is assumed that 110 Mt can be injected in 20 years,  leading  to  an  annual  injectivity  of maximal  5.5 Mt/y  (with  2 wells).  The  depth  of  the  aquifer  is estimated based on  the  fact  that oil production  takes place on a depth of 1.5 km  (Verweij et al., 2003), which is in the upper part of the aquifer. CO2 will be injected in the lower part of the aquifer and this depth is, therefore, estimated at 2 km. 

5

1

67  9 

3

24

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

225 

 

Pipeline distances and transportation costs 6.3.4

The  distances  between  the  different  sources  and  sinks  are  based  on  “straight  line” distances multiplied with  a  terrain  factor  of  1.17,  to  correct  for  the  fact  that  onshore pipelines  will  not  be  placed  in  straight  lines  (Brown  et  al.,  1993).  It  is  assumed  that offshore  pipelines  can  be  placed  in  straight  lines  (Brown  et  al.,  1993).  The  location  of onshore  –  offshore  connections,  or  so‐called  landfall  points,  are  regulated  to  ensure effective land use in the Netherlands. In this study, only one landfall point is included, see Figure 6.3. The resulting distances between the landfall point, sources and sinks are given in Table 6.4. 

The  pipeline  configurations  and  costs  of  CO2  pipeline  transport  are  based  on  previous work (Knoope et al., 2014ab). Several additional assumptions in the cost and optimization model  are  made  to  simplify  the  modelling  process.  This  leads  to  the  following assumptions:  

‐ All pipelines are assumed to transport pure CO2 in the dense phase, meaning that the pressure  is  above  the  critical  pressure  independent  of  temperature.  Viscosity (83.9 μPa∙s)  and density  (867 kg/m3) of CO2  are  assumed  to be  constant  in onshore and offshore pipelines.  

‐ The design pressure drop is 30 Pa/m for all pipelines.14 Based on this design pressure drop, one of the nominal pipe sizes is selected.  

‐ The onshore pipeline  is designed with basic pipeline safety measures consisting of a design  factor  of  0.72, marker  tape,  burying  depth  of  1.0 m  and  block  valves  every 32 km (Knoope et al., 2014b).  

‐ Onshore  pipelines  are made  of  carbon  steel  with  steel  grade  X80,  while  offshore pipelines  are made of  carbon  steel with  steel  grade X65. All pipelines  are designed with a maximum allowable operation pressure of 15 MPa. 

‐ Pumping stations are not allowed offshore and not  included onshore  to simplify  the modelling process.  

The  capture  costs  include  compression  till 11 MPa, but higher or  lower  inlet pressures may be needed depending on the length and diameter of the pipeline. Initial runs showed that the energy savings or additional energy costs are minor in comparison with the other costs.15 Hence, these are not taken into account to simplify the modeling process.  

                                                                 14 This is in the middle of the range of 15‐45 Pa/m indicated as the optimal specific pressure drop for pipelines 

transporting CO2 in the dense phase (Knoope et al., 2014). Note that often a lower specific pressure drop will be realized due to the limited amount of diameters available. However, the costs for selecting a diameter too small are considerably higher than selecting a diameter too large.  15 For instance, the inlet pressure for a pipeline from source 6 to sink C is 10 MPa for a PtP (of 0.27 m) and 8 MPa 

for a Trunk3 (of 0.51 m). With electricity costs of 60 €/MWh, the difference in energy costs is 0.05 €/t CO2. This difference is negligible in comparison with the average costs for CO2 transport, which are 12 and 18 €/t CO2 for PtP and Trunk3, respectively. Similar results are found for other source‐sink combinations.  

Chapter 6 

226 

 

Table 6.4: Distances in kilometer between the source clusters and sinksa. 

Scenarios  6.3.5

Different scenarios of the case study are analyzed to assess the sensitivity of various input parameters for the perfect foresight model and the ROA. In this study, the base scenario assumes that the CO2 can be stored onshore and offshore; the volatility of the CO2 price is 47%;  the  risk  adjusted  drift  is  3.1%;  CO2  prices  increase  according  to  the  450  ppmv scenario; the willingness of  joining  is 75% for  large sources (>1Mt/y) and 100% for small sources; and  the probability of  joining  is 75%  for all sources. Besides  the base scenario, several variants of the base scenario are included in this study:  

A) Base scenario B) Only offshore: CO2 can only be stored offshore; C) Lower  capture  costs:  the  initial  investment  as  well  as  the  variable  costs  for  CO2 

capture are 30% lower; D) Lower volatility: the volatility of the CO2 price is assumed to be 50% lower than in the 

base scenario;16  E) Higher joining: the probability and willingness of joining is set on 100% for all sources, 

meaning that if a source start with CCS, the source will join the network; F) Optimistic onshore:  the capture cost decrease with 30%, volatility  is 50%  lower and 

the  probability  and  willingness  of  joining  is  100%  for  all  sources  (combination  of scenario A, C, D and E);  

G) Optimistic  offshore:  same  as  optimistic  onshore,  but  only  the  offshore  sinks  are available (combination of scenario B, C, D and E).   

                                                                 16 The resulting volatility of 23.4% is comparable to the volatility of oil (21%) and, to lesser extent to, natural gas 

(33%), measured in October 2014 (Energy Information Administration, 2014). 

  Source cluster Sink Landfall point 1 2 A B C D E F

Source cluster 1  n.a. 35 n.a. n.a. n.a. 40 280 315  10 Source cluster 2  35 n.a. n.a. n.a. n.a. 55 270 300  40 Within source cluster 5 5 n.a. n.a. n.a. n.a. n.a. n.a.  n.a. Sink A  n.a. n.a. x 75 155 n.a. n.a. n.a.  240 Sink B  n.a. n.a. 75 x 85 n.a. n.a. n.a.  170 Sink C  n.a. n.a. 155 85 x n.a. n.a. n.a.  90 Sink D  40 55 n.a. n.a. n.a. x 285 285  n.a. Sink E  280 270 n.a. n.a. n.a. 285 x 105  n.a. Sink F  315 300 n.a. n.a. n.a. 285 105 x n.a. 

a) In  this  table,  ‘n.a.’  refers  to not applicable. For  instance,  the  connection  from  source  cluster 1  to  sink A 

cannot be made directly, but has to go via the  landfall point. Hence, the distances  from onshore sinks or 

source clusters to offshore sinks are not included in the table.  

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

227 

 

Results 6.4

In  Table  6.5,  breakeven  CO2  prices  are  given  for  the  net  present  value  (NPV)  and  real option approach (ROA) based on a point‐to‐point pipeline to the cheapest sink possibility. Furthermore,  the  year when  this CO2 price  is  reached  is given based on  the 450 ppmv scenario. Note  that  the breakeven CO2 prices  and  years, presented  in  Table  6.5,  could change if investments are made in CO2 transport and storage infrastructure. This can have a positive, decreasing effect on  the breakeven price, because  it brings  the possibility  to join a trunkline or because the fixed costs for developing surface facilities at the sink site are already invested. However, also a negative effect can be present, because not enough storage  space  is  available  anymore  at  the  cheapest  sink  possibility  and  therefore  a connection has to be made to a more expensive and /or farther away sink.  

From Table 6.5, all sources prefer an onshore sink,  if possible, because these have  lower storage  costs  than  the offshore  sinks and additionally  the  fixed offshore  transportation costs of 35 M€ can be avoided. If CO2 storage onshore is not an option and CO2 has to be stored  offshore,  the  breakeven  CO2  prices  increase  with  15‐210%.  Especially,  the breakeven CO2 prices for the smaller sources increase considerably. The main reasons for this  is  the  larger  share  of  transportation  costs  in  the  overall  cost  for  smaller  sources, combined with the fact that the fixed offshore transportation costs have a larger influence and the nearest offshore sink is farther away than the nearest onshore sink. 

Table 6.5: Breakeven CO2 prices  (Pc*)  in €/t  for the different sources with a point‐to‐pipeline to the  cheapest  sink  possibility with  the NPV  and  ROA.  Breakeven  years  are  calculated with  the projected CO2 price in the 450 ppmv scenario.  

Source  

Onshore and offshore sinks available Only offshore sinks available

Sink  ROA NPV Sink ROA NPV 

Pc* year Pc* year Pc* year Pc*  year 

1  F  100 2043 35 2024 C 119 >2050 42 2026 

2  D  116 >2050 43 2026 B 196 >2050 74 2032 

3  D  84 2034 32 2023 B 257 >2050 99 2042 

4  D  191 >2050 68 2030 B 219 >2050 79 2033 

5  D  151 >2050 57 2029 B 410 >2050 158  >2050 

6  D  137 >2050 50 2027 B 169 >2050 62 2030 

7  D  226 >2050 81 2034 B 280 >2050 103  2044 

8  F  99 2042 36 2024 C 116 >2050 43 2026 

9  D  320 >2050 114 >2050 B 697 >2050 262  2104 

Furthermore,  the  results  also  indicate  that  the  breakeven  CO2  prices  for  the  ROA  are almost three times as high compared to the NPV approach. In Figure 6.4, the influence of a different  volatility  and  risk  adjusted drift on  the breakeven CO2 price  is  assessed  for sources 3 and 8. From Figure 6.4A, it can be seen that volatility has a strong influence on the breakeven CO2 price  in the ROA. For  instance,  if the volatility decreases with 50% to 23%, the breakeven price from source 8 decreases with 35% to 64 €/t. This would mean that the breakeven year to invest is sooner (2030 instead of 2042). Note that there is still a  difference  in  the  breakeven  price  between  the  NPV  and  the  ROA  if  the  volatility 

Chapter 6 

228 

 

approaches zero.17 For instance, for source 8 the breakeven price is 47 €/t with a volatility of 5%, which is about 30% higher than the breakeven price of 36 €/t in the NPV approach. The reason for this is that even without uncertainty in the CO2 price, it is still valuable to wait  because  the  CO2  prices  are  expected  to  increase with  about  3% per  year. Hence, postponing a decision would results in higher NPV. If there is no growth in the CO2 price, the critical CO2 price for the NPV and the ROA approach are similar, namely 54 €/t.  

If the allowance price is expected to grow at a lower rate (or even not at all, i.e., α=0 ), the expected revenues for the CCS unit would be  lower and the required breakeven price to stimulate CCS  investment would  then be higher. This  is  indeed  the case  for  the ROA as well as for the NPV method, as shown in Figure 6.4B. For instance, for source 8 if the risk adjusted drift would increase with 50%, the breakeven price decreases with 13% to 86 €/t and  the breakeven year becomes 2035  instead of 2042. Hence, volatility has a stronger influence on the breakeven price and year than the risk adjusted drift.  

 

Figure 6.4: The breakeven CO2 prices  for two different sources to an onshore sink  in relation to  A) volatility and B) risk adjusted drift.  

Real option approach 6.5

In  Figure 6.5,  the  layouts of  the  infrastructure development over  time  for  the ROA are given for the different scenarios. The  layout of the only offshore scenario  is not pictured here because no pipelines are constructed until 2050  (as also could be seen  from Table 6.5).  Furthermore,  the  layout of  the higher  joining  scenario  is  also not pictured  as  the layout is very similar to the base scenario. The only difference between the two is that in   

                                                                 17 With a very low volatility, the risk free probability of a decrease becomes negative. To avoid this, the time step 

is decreased in such a way that the risk free probability is zero. The smaller time step leads to a slight increase in the breakeven CO2 price, which is visible in Figure 6.4.  

0

25

50

75

100

125

150

175

0% 20% 40% 60% 80%

Breakeven CO2price (€/t)

Volatility (%)

A.

Source 3 NPV Source 3 ROASource 8 NPV Source 8 ROAcurrent volatility

0

25

50

75

100

125

150

175

0% 1% 2% 3% 4% 5%

Breakeven CO2price (€/t)

Risk adjusted drift (%)

B.

Source 3 NPV Source 3 ROASource 8 NPV Source 8 ROAcurrent drift

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

229 

 

   

 

 

 

 

 

 

Chapter 6 

230 

 

 

 

 

 

Figure 6.5: Resulting layouts from the real option approach (ROA) and perfect foresight (PF) model in 2035 and 2050, A)  for the base scenario, B)  for the only offshore storage scenario, C)  for the lower capture costs scenario; D) for the lower volatility, F) for the optimistic onshore, and G) for the optimistic offshore scenario. Oversized  is defined as a pipeline with a smaller diameter can also handle the transported volume. Note that not for every ROA and PF scenario a layout is given because no infrastructure development take place or they are comparable to other scenarios. 

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

231 

 

the higher  joining scenario  in 2050, one pipeline  is constructed to sink D  instead of two point‐to‐point pipelines. From Figure 6.5, several points can be noticed.  

Firstly, most pipelines that are constructed with the ROA are point‐to‐point pipelines with a  limited  capacity.  To  understand why  a  point‐to‐point  pipeline  is  chosen  instead  of  a trunkline, we  look  at  the  first decision moment  in  the base  scenario. According  to  the ROA,  it  is cost‐effective  for source 3 to  invest  in CCS  in 2034.  In Table 6.6, the selection probability for this source is given to construct one of the different pipeline configurations to one of the possible sinks. Sink D is selected in 99% of the cases. In the other 1%, larger sinks are selected to store larger volumes of CO2 and receive a higher transportation tariff. Furthermore, all pipeline configurations are selected in some runs, but the point‐to‐point pipeline  and  Trunk2  have,  with  35%  and  38%,  respectively,  the  highest  selection probabilities.  In  this specific case, Trunk1 has a  lower selection probability  than Trunk2, because Trunk1 can only accommodate mass flows below 350 kt/y. These sources have a late starting date for CCS with the ROA. Hence, the probability that they join within a few years is small. If sources do not join the trunkline within a few years, there is not enough time to earn back the additional costs for the trunkline.  In Figure 6.6, the expected NPV distributions  for  the different  trunklines are compared with a point‐to‐point pipeline  to sink D. The risk of an expected NPV lower than the point‐to‐point pipeline is 72%, 54% and 80%  for  Trunk1,  Trunk2  and  Trunk3  to  sink D,  respectively.  These  are  all  considerably higher than the 20% requirement and, hence, a point‐to‐point pipeline is constructed.  

Table  6.6:  Selection  probability  of  different  sinks  and  for  different  pipeline  configuration  for source 3 in 2035 for the base scenario, modeled with the ROA.  

Sink  PtP  Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total

A  0%  0% 0% 0% 0%

B  0%  0% 0% 0.2% 0.2%

C  0%  0% 0% 0% 0%

D  35%  13% 38% 14% 99%

E  0%  0% 0% 0% 0%

F  0%  0% 0% 0.8% 0.8%

Total  35%  13% 38% 15% 100%

Secondly,  trunklines  transporting  CO2  from multiple  sources  are  present  in  the  lower capture  costs  (C),  lower  volatility  (D),  higher  joining  (E),  optimistic  onshore  (F)  and optimistic  offshore  (G)  scenarios  of  the  ROA.  Trunklines  are,  for  instance,  present between source cluster 2 ‐ sink F in the lower capture costs and lower volatility scenario. To understand why trunklines are present, we look at the decision moment for source 8 in the lower capture cost scenario.18 For this source, sink F is always the best option and the point‐to‐point (PtP) pipeline, Trunk1 and Trunk2 are the pipeline configurations selected. To assess  if the additional  investment of a trunkline  is worth to take, the expected NPV 

                                                                 18 In this study, the NPV distribution are given for two decision moments to explain and illustrate the reasoning 

for selecting a point‐to‐point pipeline or trunkline. In Annex L, the selection probability and NPV distribution for all other decision moments are presented.  

Chapter 6 

232 

 

distributions for Trunk1 and Trunk2 to sink F are given  in Figure 6.7. The risk of a  lower NPV  than a point‐to‐point pipeline  is 11% and 42%  for Trunk1 and Trunk2, respectively. Trunk1  has  a  probability  of  less  than  20%  on  a  lower  NPV  than  a  PtP  pipeline,  and therefore Trunk1 is selected. The reason why in this case a trunkline is more cost‐effective than a PtP pipeline is that sources 1 and 2 want to start with CCS within 3 years, according to the ROA. As long as one of these source joins the trunkline, the trunkline is more cost‐effective  than  a  PtP  pipeline.  Trunk2  is  less  attractive  because  the  spare  capacity  of Trunk1  is  already  relatively  large  (2.5 Mt/y)  and  the  tariff  decreases  with  increasing capacities. For instance, for this trunkline the tariffs are 7.1 €/t and 4.8 €/t for Trunk1 and Trunk2, respectively.  

 

Figure 6.6: Expected NPV distributions for source 3 (ammonia) for Trunk1, Trunk2 and Trunk3 to sink D for the base scenario. The red area on the left of the graph is a NPV lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution. 

Thirdly, parallel pipelines are projected to be constructed in multiple ROA scenarios.19 For instance, two parallel pipelines are projected to be constructed from the landfall point to sink C  in  the optimistic offshore  scenario. Although enough  spare  capacity  is  left  in  the trunkline, it was more cost‐effective for source 1 to construct an own pipeline rather than join  the  trunkline.  To make  joining  cost‐effective,  the  tariff  has  to  decrease with  40% (from 8.8 €/t to 5.5 €/t). This  is comparable to a RRR of 8.6%  instead of 16%. Note that source  1  benefits  from  the  investment  made  by  the  previous  source  for  developing 

                                                                 19 Pipelines starting from the same source cluster to the same sink (or other source cluster) are assumed to be 

parallel. In Figure 6.5, they are drawn exaggerated separately from each other for clarity reasons. In reality, it is very likely that these pipelines will be placed very close to each other to make use of the same right‐of‐way.  

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

233 

 

surface  facilities at  the  sink  site.  If no  surface  facilities were developed,  the connection was made one year later. In the base scenario, two parallel pipelines are modelled to sink D  in 2050. The reason  for this  is that the  first source construct a point‐to‐point pipeline because the risk of the trunkline for realizing a lower NPV than the point‐to‐point pipeline was too high (>54%).  

 

Figure 6.7: Expected NPV distributions  for source 8  (PC)  for Trunk1 and Trunk2 to sink F  for the 30% lower capture cost scenario. The red area on the left of the graph is a NPV lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution. 

Lastly, only a few of the trunklines are oversized in the ROA, see Figure 6.5. In this study, oversizing is defined as a pipeline which transports a volume that can also be handled by a diameter one size smaller. It is observed that after an oversized pipeline is constructed, it is  joined almost  immediately by other sources, especially the smaller ones. An exception to this is the oversized pipeline between the two source clusters in the optimistic onshore scenario in 2035, see Figure 6.5. This pipeline is constructed in 2028 with the expectation that sources 2 and 5 join the trunkline within two years. However, for these sources it is more  cost‐effective  to  join  the  other  trunkline.  Consequently,  only  18  years  after construction, the pipeline capacity  is fully used. This example shows that some pipelines were  not  correctly  oversized, which  is  a  consequence  of  designing  a  pipeline  network under uncertainty.  

In  Table  6.7,  the  costs  of  the  different  layouts  and  the  amount  of  CO2  stored  in  each scenario  are  given.  In  the  base  scenario,  the  average  transport  and  storage  costs  are 13 €/t  in 2050. These drop  to 4.5 €/t  if  the capture costs are  reduced with 30% and  to 7.5 €/t with a 50%  lower volatility.  In addition,  the cumulative amount of CO2  stored  is projected  to  increase  from  31 Mt  to  84 Mt  and  96 Mt,  respectively.  If  only  offshore storage  is  available,  no  CO2  is  stored  in  the  base  scenario.  In  the  optimistic  offshore scenario, about 15% less CO2 is cumulative stored (112 Mt) than in the optimistic onshore scenario (132 Mt) in 2050. Furthermore, the average CO2 transport and storage costs are about  40%  higher  in  the  optimistic  offshore  (7.3  €/t)  than  in  the  optimistic  onshore scenario (5.3 €/t). 

   

Chapter 6 

234 

 

Perfect foresight and comparison with the ROA 6.5.1

The layouts of the infrastructure development are given for the perfect foresight model in Figure 6.5 and the corresponding amount of CO2 stored and costs are given in Table 6.7. A lower  volatility  or  a  higher  joining  probability  has  no  effect  on  layout  or  costs  of  the infrastructure in the PF model. Hence, the lower volatility and higher joining scenarios are similar  to  the base  scenario and  the optimistic onshore  scenario  is  similar  to  the  lower capture  cost  scenario. Consequently, no  layout or other  results  for  these  scenarios  are shown. Two main observations can be made from the  infrastructure projected by the PF model and their comparison with the ROA projections. 

Firstly, the start of the CO2 infrastructure is projected to be developed in the onshore PF scenarios before 2025. In the offshore PF scenarios, the first sources start with capturing CO2  in 2025  and 2028.  In  the ROA  scenarios,  the development of CO2  infrastructure  is projected  to  start  5‐10  years  later.  In  addition, more  sources  start with  CCS  in  the  PF model. For example, all nine sources conduct CCS in the lower capture cost PF scenario in 2050, against six sources  in the ROA. As a consequence, also more sinks are used. In the lower capture cost PF scenario, four different sinks are used and almost 60% of the overall included  storage  capacity  is  used  in  2050  and  almost  80%  in  2060.  In  the  optimistic offshore scenario, 70% and 100% of all available storage capacity is occupied in 2050 and 2060, respectively. Hence, the storage capacity available limits the timing and number of sources that can join the network in the optimistic offshore scenario.  

Table 6.7: Costs and amount of CO2 stored for the different scenarios analyzed in this study with the PF model and ROA.a  

Scenarios  Cumulative amount of CO2 stored (Mt) 

Cum. investment and variable costs (M€) 

Cum. transport & storage costs (M€) 

Average transport & storage costs  (€/t CO2) 

2025 2035 2050 2025 2035 2050 2025 2035 2050 2025  2035  2050 

A) Base scenario 

PF 0.25 46 137 58 2,283 4,446 31 306 389 124 6.7  2.8 

ROA 0 0 31 0 28 1,632 0 20 410 n.a. n.a.  13 

B) Only offshore 

PF 0 35 109 0 1,636 3,561 0 299 678 n.a. 8.6  6.2 

ROA 0 0 0 0 0 0 0 0 0 n.a. n.a.  n.a. 

C) Lower capture costs  

PF 14 79 202 957 2,792 5,657 319 455 848 22 5.8  4.2 

ROA 0 2.5 84 0 625 2,355 0 237 382 n.a. 95b 

4.5 

C) Lower volatility  

ROA 0 18 96 0 1,394 3,730 0 428 726 n.a. 24  7.5 

E) Higher joining  

ROA 0 0 31 0 28 1,522 0 20 300 n.a. n.a.  9.7 

F) Optimistic onshore 

ROA 0 33 132 0 1,617 4,321 0 410 694 n.a. 12  5.3 

G) Optimistic offshore 

PF 0 46 114 0 1,338 2,716 226 299 674 n.a. 6.6  5.9 

ROA 0 22 112 0 1,533 3,779 0 464 814 n.a. 21  7.3 

a) No results from the PF model are given for the lower volatility and higher joining scenario, because these are  similar  to  the  base  scenario.  Likewise,  the  optimistic  and  the  lower  capture  cost  scenario  are comparable.  

b) These very high average transport and storage costs are caused by significant investments conducted just before 2035, combined with  the  limited amount of CO2  stored. This also explains  the  large drop  in  the average transport and storage costs of the next period.   

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

235 

 

Secondly,  trunklines  are  projected  to  be  present  between  the  source  clusters  and  the different sinks  in all PF scenarios. None of the pipelines to the sinks transport CO2  from only one  source,  as was often  the  case  in  the ROA. Although not  visible on  the maps, oversizing  pipelines  happens  more  frequently  in  the  PF  model  than  in  the  ROA.  For instance, the pipeline to sink C in the base scenario transports initially 0.25 Mt/y, but has a maximum  capacity of 1.3 Mt/y. This pipeline  is oversized with  two  sizes and  remains oversized for six years. Also other several pipelines are oversized for a couple of years in the  PF model,  but  their  capacity  is  often  fully used within  a  few  years.  In  2050,  some pipelines are also oversized (like the pipeline to sink F in the lower capture cost scenario). However,  these  pipelines were  used  on  full  capacity  in  2035.  In  contrast  to  the  ROA, parallel pipelines are not present in the PF model. 

From Table 6.7,  it  can be assessed  that  significant amounts of CO2 are projected  to be stored with  the PF model.  For  instance, 137 Mt  is  stored  in  the base  scenario  in 2050. Compared to the base PF scenario, almost 50% more CO2  is stored  in the  lower capture cost  PF  scenario,  while  about  20%  less  CO2  is  stored  in  the  only  offshore  scenario. Although less CO2 is stored in the only offshore scenario, the required investments in the transport and storage infrastructure increase with more than 70% compared to the base scenario.  This  is  also  reflected  in  the  average  transport  and  storage  costs of 6.2 €/t  in 2050, which is more than twice the costs of the base scenario.  

Furthermore, it can be assessed that considerably less CO2 is stored in the ROA compared to  the  PF  scenarios,  see  Table  6.7.  For  instance,  in  the  base  scenario  in  2050,  almost 140 Mt CO2  is projected to be cumulative captured  in the PF compared to only 31 Mt  in the  ROA.  The  difference  becomes  smaller  in  the  scenarios  C  (lower  capture  costs),  D (lower volatility) and F (optimistic onshore). In these scenarios, 84, 96 and 132 Mt CO2 are projected  to  be  captured  with  the  ROA  in  2050,  respectively.  However,  this  is  still  a difference of 30‐60%  compared  to  related PF  scenarios. Only  in  the optimistic offshore scenario,  a  similar  amount of CO2  is  stored, but  this  is  caused by  the  lack of  available storage capacity.  

In the base scenario, the average transport and storage costs are more than 350% higher in  the  ROA  than  in  the  PF model  in  2050  (see  Table  6.7).  The  difference  in  average transportation and storage costs between the two approaches is smaller, with 160%; 30% and  7%  in  the  lower  volatility,  optimistic  onshore,  and  lower  capture  costs  scenario, respectively.  The  difference  is  considerably  smaller  in  the  lower  capture  costs  and optimistic onshore scenario, because an expensive offshore storage location needs to be opened to store the CO2 in the PF model. In general, the transport and storage costs in the ROA are considerably higher than in the PF approach, due to the less integrated network and less economies of scale.  

Discussion and conclusion  6.6

In  this  study,  the  CO2  infrastructure  development  was  modelled  with  two  different approaches, namely  a perfect  foresight  (PF)  and  a  real option  approach  (ROA).  The  PF model can be considered as the optimal future, realizing the lowest cost solution for the 

Chapter 6 

236 

 

entire  system.  In  contrast,  the ROA  incorporates explicitly uncertainty  in  the CO2 price, probability that sources start with CCS and join the network, etc. Hence, the ROA reflects more the current situation, while the perfect foresight model can be a situation to strive for.  

Considerations regarding the ROA and PF model 6.6.1

Similar assumptions were made  for  the perfect  foresight model and  the ROA. However, still  some differences  are present.  Firstly,  the decision  to  start with CCS was based on infinite  lifetime  in  the  ROA,  while  in  the  PF  model  the  time  frame  till  2060  was incorporated. A shorter lifetime in the ROA would imply that sources start even later with CCS.  Secondly,  in  the  perfect  foresight model  it was  possible  to  split  up  a mass  flow between different trunklines, while  in the ROA this was not possible. Thirdly, there were more starting  locations for trunklines  in the perfect foresight than  in the ROA scenarios. The reason for this simplification  in the ROA was that the underlying data of probability and willingness of  joining for different kind of trunklines  is completely unknown. Hence, all  trunklines are  assumed  to  start  at  the  source  and other  starting  locations were not incorporated for lack of data issues and simplicity reasons. Nevertheless, valuable insights are learnt from comparing the infrastructure development with and without uncertainty.  

To incorporate explicitly the uncertainties in the ROA, more input data is required than for the perfect foresight model. More specifically, data is required on the volatility of the CO2 price, the tariff paid per tonne of CO2 transported, possible CCS starting dates for nearby sources,  and  for  each  of  these  sources  the  probability  and  willingness  of  joining.  In particular,  these  last  parameters  are  difficult  to  quantify  and  relatively  simplistic assumptions were made. Nonetheless, certain trends, such as more uncertainty leading to postponement of CCS investments and less and smaller trunklines, can clearly be seen. 

Considering  the additional data  requirements and  involved effort of  the ROA, a balance has to be found between applying the ROA instead of the more simple net present value (NPV) calculation and perfect foresight model. In this study, ROA is used for two decisions. First, the moment of  investment  is analyzed. According to Dixit and Pindyck (1994), ROA has the most added value for  large  initial  investments, which concern an  inflexible asset with  large uncertainties  in  the  future  revenues and  costs. Second, a decision has  to be made for an appropriated sized pipeline.  In our opinion, additional requirements to give ROA an added value for these kinds of decisions are economies of scale and a  long time planning. Examples which would benefit from ROA include infrastructural projects (dikes, highways, bridges, etc.) and  large scale technological  innovations (GSM network, electric fuel stations, fiber optics, etc.). Even if there is chosen not to conduct a ROA, it has to be considered that results from the net present value calculation and perfect foresight model may be too optimistic with respect to timing, implementation rate and costs.  

Summary and discussion of main results 6.6.2

Results of our case study show that 137 Mt CO2 is projected to be captured until 2050 in the PF base scenario, in comparison with 31 Mt CO2 in the ROA base scenario. In the most optimistic scenario, 132 Mt CO2 is captured up to 2050 in the ROA, compared to 202 Mt in 

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

237 

 

the PF model. This  is still a difference of 35% between the ROA and PF model. The main reason for the significant difference  in the amount of CO2 stored between PF model and the ROA is that more sources implement CCS and, in addition, they start earlier with CCS. Furthermore,  in  the  PF  model  more  trunklines  are  developed  which  stimulate  other sources, especially smaller ones, to start also with CCS.  

Less CO2 is captured in the ROA mostly because sources tend to postpone the decision to invest  in CCS. The required CO2 price to stimulate CCS development almost triples  in the ROA compared to the NPV approach. This required CO2 price  is highly  influenced by the volatility. For instance, with a volatility of 47% a pulverized coal power plant will start with CCS with  a CO2 price of 99 €/t, while with a  volatility of 5%,  this  is  reduced  to 47 €/t. Nonetheless,  this  is  still  30%  higher  than  the  breakeven  price  of  36  €/t  in  the  NPV approach.  

An additional point to highlight is that if onshore storage is prohibited (e.g., due to public acceptance issues), CCS is only developed in an optimistic ROA scenario, meaning that the capture costs need to decrease with 30%, the volatility needs to be reduced with 50% and the  joining  probability  is  100%  for  all  sources.  Comparing  the  optimistic  onshore  and optimistic offshore ROA scenario, about 20% less CO2 is avoided and captured up to 2050. In addition,  the average  transport and  storage  costs  increase with 35%  from 5.3 €/t  to 7.3 €/t.  In  the  optimistic  PF  scenarios,  the  cumulative  amount  of  CO2  stored  decrease even more, namely with 40%  in 2050,  if onshore CO2 storage  is prohibit. The reason for this is that all offshore storage capacity is used at the end of the time frame.  

With  respect  to  the CO2  transport and storage  infrastructure, clear differences could be seen between the ROA and the PF model.  In the ROA, trunklines were not developed  in the  base  scenario.  Consequently,  several  parallel  pipelines  were  constructed  with  no spare  capacity.  In all PF  scenarios,  trunklines are present and parallel pipelines are not projected.  Altogether  this  leads  to  a  clear  difference  in  overall  average  transport  and storage  costs of  the  two approaches. For  instance,  for our  case  study,  the average CO2 transport and storage in 2050 are over 4.5 times as high, namely 13 €/t instead of 2.8 €/t, in the base scenario of the ROA compared to the perfect foresight model. The difference between the two approaches is decreasing to 20% and 30% higher transport and storage costs in the optimistic offshore and optimistic onshore scenario, respectively.  

The results that uncertainty leads to the postponing of investing in CCS is consistent with Abadie  and Chamorro  (2008),  Zhou  et  al.,  (2010), Abadie  et  al.,  (2014)  and  Fleten  and Näsäkkälä (2010). For instance, pulverized coal installations are two years later retrofitted with CCS if the CO2 price volatility increases from 2 to 5%, according to Zhou et al., (2010). Also  the  conclusion  that  much  higher  CO2  prices  are  needed  to  stimulate  CCS development,  if  there  is uncertainty  in  the CO2 price,  is  supported  in  literature  (Abadie and Chamorro, 2008; Fleten and Näsäkkälä, 2010; Oda and Akimoto, 2011; Abadie et al., 2014).  Abadie  and  Chamorro  (2008)  found  that  the  required  CO2  price  to  trigger  CCS investment more than triples, with a CO2 price volatility of 47%,  in comparison with the NPV approach. This is similar to the results of this study.  

Chapter 6 

238 

 

Policy implications and recommendations  6.6.3

The results of this study lead to the following policy implications:  ‐ Significant higher amounts of CO2 are projected  to be captured and stored over  the 

investigated  period  with  the  PF  model  than  with  the  ROA.  Many  future  energy projections, like the ones of the IEA, do not take into account uncertainty. Hence, the amount of CO2 stored (and avoided) with CCS projected with these energy projections is  probably  too  optimistic.  This  implies  that  to  reach  the  projected  amount  of  CO2 captured other measures, besides a CO2 price, will be necessary to stimulate or force companies  to  start with CCS. This  study  shows  that a 30%  reduction  in  the  capture costs has a positive effect on  the  implementation  rate of CCS. Hence,  research and development to this topic should also be stimulated.  

‐ The  required CO2 price when  companies  start with CCS  is highly dependent on  the volatility of CO2. Even if the volatility is reduced to lower levels, the CO2 price required to stimulate investment in CCS is higher than with the standard NPV approach. Hence, policy makers  should  not  only  focus  on  the  level  of  the  CO2  price,  but  also  on  the uncertainty in the CO2 price.  

‐ Trunklines realize economies of scale in the transportation network and stimulate CCS development,  especially  of  smaller  sources.  More  trunklines  are  developed  when there is reduced uncertainty in the probability and time frame that other sources join the  CO2  network.  Hence,  policy makers  should  stimulate  cooperation  between  the different  sources  to  facilitate  trunkline development  and,  in  this way, decrease  the average transport and storage costs.  

‐ If  onshore  CO2  storage  is  not  allowed,  the  required  CO2  prices  to  stimulate  CCS development  increase  considerably,  especially  for  smaller  sources.  Hence,  policy makers should  reconsider  the prohibition of onshore CO2 storage, which  is currently regulated  in  the Netherlands  and Denmark.  Local public  opposition  to  CCS projects may  be  (partly)  overcome  by  offering  compensation  to  individuals  or  to  the  host community (ter Mors et al., 2012). Another possibility is to compensate companies in the additional transport and storage costs of offshore instead of onshore CO2 storage fields. 

Research recommendations 6.6.4

This study was a first attempt to analyze the effect of uncertainty on the development of a CO2 infrastructure network. It can be improved by incorporating the following:  ‐ Relatively  large  storage  reservoirs  were  included  in  this  study.  Furthermore,  a 

constrain was  added  that  the  reservoir  should  be  capable  to  store  the  CO2  of  the source  for minimal  20  years.  It would  be  interesting  to  assess  the  influence  (of  a cluster)  of  small  storage  reservoirs  without  minimal  storage  requirements  on  the infrastructure layout.  

‐ In this study, uncertainty was not  included  in every variable to  limit the scope of the research.  For  instance,  CO2 mass  flows  and  possible  capture  locations may  not  be constant over  time because existing  facilities could be closed, shrink or extend  their production  activities.  In  addition,  costs were  assumed  to  be  certain  and  fixed  over 

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

239 

 

time, while in reality costs are uncertain and may decrease over time due to learning. Although  learning  is positive for the overall capture costs,  it would also  lead to more postponement because it gives companies an additional incentive to wait.  

‐ More research is needed to come up with concrete and cost‐effective policy measures, which can stimulate CCS development under uncertain conditions.  

‐ The pipeline design in this study was based on the total amount of CO2 transported in a  year.  In  reality,  the CO2  flow would  vary  every day  (or  even  every hour)  and  the pipeline design should be based on peak flows. Consequently, the pipeline would be larger and the transportation costs will be slightly higher. Furthermore, flow variations could  lead to a multi‐phase flow and the consequences of this for a CO2 network are not  fully  understood  yet.  Hence,  dynamic  modelling  of  CO2  flows  deserves  more attention.  

References 6.7 ‐ Abadie,  L.M., Chamorro,  J.M.,  2008.  European  CO2  prices  and  carbon  capture 

investments. Energy Econ 30, 2992‐3015. ‐ Abadie,  L.M., Galarraga,  I., Rübbelke, D., 2014. Evaluation of  two alternative  carbon 

capture and storage technologies: A stochastic model. Environ Modell Softw 54, 182‐95. 

‐ AMPL, 2014. AMPL. Streamlined modelling for real optimization. 2014. ‐ Benson, S.M., Bennaceur, K., Cook, P., Davison, J., de Coninck, H. et al., 2012. Global 

Energy Assessment  (GEA). Towards a sustainable  future. Cambridge University Press, Cambridge  UK  and  New  York,  NY,  USA  and  the  International  Institute  for  Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria. 

‐ Brown,  D.R.,  Humphreys,  K.K.,  Vail,  L.W.,  1993.  Carbon  dioxide  control  costs  for gasification  combined‐cylce  plants  in  the  United  States.  Prepared  for  the  U.S. Department of Energy. PNL‐SA‐22634:1‐94. 

‐ Chandel, M.K., Pratson,  L.F., Williams, E., 2010. Potential economies of  scale  in CO2 transport through use of a trunk pipeline. Energ Convers Manage 51, 2825‐34. 

‐ Chemical  Engineering,  2013.  Chemical  plant  cost  index  (CEPCI).  Last  accessed  in December 2013. Retrieved from: http://www.chemengonline.com/pci‐home  

‐ Chladná,  Z.,  Chladn  ý,  M.,  Möllersten,  K.,Obersteiner,  M.,  2004.  Investment  under Multiple Uncertainties: The Case of Future Pulp and Paper Mills. Interim report of the International Institute for applied systems analysis;IR‐04‐077:1‐53. 

‐ Christensen, N.P., Holloway, S., 2004. Geological  storage of CO2  from combustion of fossil  fuel.  The GESTCO  project.  Summary  report.  European Union  Fifth  Framework Programme for Research and Development; Second edition:1‐32. 

‐ Dahowski, R.T., Dooley, J.J., Davidson, C.L., Bachu, S., Gupta, N., 2004. A CO2 storage supply curve for North America. PNWD‐3471:1‐92. 

‐ Dahowski, R.T., Li, X., Davidson, C.L., Wei, N., Dooley, J.J., 2009. Regional opportunities for  carbon dioxide  capture and  storage  in China. A  comprehensive CO2  storage  cost curve and analysis of the potential for large scale carbon dioxide capture and storage 

Chapter 6 

240 

 

in the people's Republic of China. Prepared for the U.S. Department of Energy;PNNL‐19091:1‐85. 

‐ Dixit,  A.K., Pindyck,  R.S.,  1994.  Investment  under  uncertainty.  Princeton  University Press, New Jersey, U.S.A. 

‐ ElementEnergy, 2010. CO2 pipeline infrastructure: An analysis of global challenges and opportunities. IEA GHG:1‐134. 

‐ Energy  and  Environment  Analysis,  2005.  Characterization  of  the  U.S. industrial/commercial  boiler  population.  Prepared  for  Oak  Ridge  National Laboratory:1‐65. 

‐ Energy  Information  Administration,  1995.  Energy  Policy  Act  Transportation  Study: Interim Report on Natural Gas Flows and Rates. DOE/EIA‐0602(95):1‐139. 

‐ Energy  Information Administration, 2014.  Short‐Term  Energy Outlook Market  Prices and Uncertainty Report. Independent Statistics & Analysis;October:1‐11. 

‐ European Commission, 2011. Communication  from  the commission  to  the European parliament,  the  council,  the  European  economic  and  social  committee  and  the committee  of  the  regions.  A  roadmap  for  moving  to  a  competitive  low  carbon economy in 2050. COM(2011) 112 final:1‐16. 

‐ Fimbres Weihs, G.A., Wiley, G.A., 2012. Steady‐state design of CO2 pipeline networks for minimal cost per tonne of CO2 avoided. Int J Greenhouse Gas Control 8, 150‐168. 

‐ Fleten,  S., Näsäkkälä, E., 2010. Gas‐fired power plants:  Investment  timing, operating flexibility and CO2 capture. Energy Econ 32, 805‐16. 

‐ Fuss, S., Szolgayova, J., Obersteiner, M., Gusti, M., 2008. Investment under market and climate policy uncertainty. Appl Energy 85, 708‐21. 

‐ Hacura, A., Jadamus‐Hacura, M., Kocot, A., 2001. Risk analysis in investment appraisal based on the Monte Carlo simulation technique. Eur Phys J B 20, 551‐3. 

‐ Hektor,  E., Berntsson,  T.,  2007.  Future  CO2  removal  from  pulp  mills  –  Process integration consequences. Energ Convers Manage 48, 3025‐33. 

‐ Hendriks, C., Graus, W., Van Bergen, F., 2004. Global carbon dioxide storage potential and  costs.  Prepared  by  Ecofys  and  TNO  by  order  of  the  Rijksinstituut  voor Volksgezondheid en Milieu;EEP‐02001:1‐59. 

‐ Heydari,  S., Ovenden, N.,  Siddiqui,  A.,  2012.  Real  options  analysis  of  investment  in carbon capture and sequestration technology. Comput Manag Sci 9, 109‐38. 

‐ Ho,  S.P., Liu,  L.Y.,  2002.  An  option  pricing‐based model  for  evaluating  the  financial viability of privatized infrastructure projects. Constr Manage Econ 20, 143‐56. 

‐ Hull,  J.C.,  1993.  Options,  futures,  and  other  derivative  securities.  Second  edition. Prentice‐Hall inc., New Jersey, U.S.A. 

‐ IBM ILOG, 2015. IBM ILOG CPLEX Optimization Studio  V12.6.1 Documentation.  ‐ IEA, 2010. World energy outlook 2010. Organisation  for Economic Co‐operation and 

Development (OECD) / International Energy Agency (IEA), Paris, France. ‐ IEA, 2012. Energy Technology Perspective 2012. Pathways  to a clean energy system. 

Organisation  for  Economic  Co‐operation  and  Development  (OECD)  /  International Energy Agency (IEA), Paris, France. 

‐ IEA, 2013a. Technology Roadmap. Carbon capture and storage. IEA publications, Paris, France. 

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

241 

 

‐ IEA, 2013b. World energy outlook 2013. Organisation for Economic Co‐operation and Development (OECD) / International Energy Agency (IEA), Paris, France. 

‐ Johnke,  B.,  2002.  Background  papers.  IPCC  experts  meetings  on  good  practice guidance  and  uncertainty  management  in  national  greenhouse  gas  inventories. Institute for Global Environmental Strategies (IGES), Japan. 

‐ Kato,  M., Zhou,  Y.,  2011.  A  basic  study  of  optimal  investment  of  power  sources considering  environmental  measures:  Economic  evaluation  of  CCS  through  a  real option approach. Electr Eng Jpn 174, 9‐16. 

‐ Knoope, M.M.J., Guijt, W., Ramírez, A., Faaij, A.P.C., 2014a. Improved cost models for optimizing  CO2  pipeline  configurations  for  point‐to‐point  pipelines  and  simple networks. Int J Greenhouse Gas Control 22, 25‐46. 

‐ Knoope, M.M.J., Raben, I., Spruijt, M., Ramírez, A., Faaij, A.P.C., 2014b. The  influence of risk mitigation measures on the risk contours, costs and routing of CO2 pipelines. Int J Greenhouse Gas Control 29, 104‐24. 

‐ Koller, T., Goedhart, M., Wessels, D., 2010. Valuation. Measuring and managing  the value of companies. Fifth Edition. John Wiley & Sons, inc., New Jersey, USA. 

‐ Kuby, M.J.,  Bielicki,  J.M., Middleton,  R.S.,  2011. Optimal  spatial  deployment  of  CO2 capture and storage given a price on carbon. Int Regional Sci Rev 34, 285‐305. 

‐ Kuramochi, T., Ramirez, A., Faaij, A., Turkenburg, W., 2010. Prospects for cost‐effective post‐combustion CO2  capture  from  industrial CHPs.  Int  J Greenhouse Gas Control 4, 511‐24. 

‐ Kuramochi,  T.,  Ramírez,  A.,  Turkenburg,  W.,  Faaij,  A.,  2013.  Techno‐economic prospects for CO2 capture from distributed energy systems. Renew Sust Energy Rev 19, 328‐47. 

‐ Kuramochi, T., Ramírez, A., Turkenburg, W., Faaij, A., 2012. Comparative assessment of CO2  capture  technologies  for  carbon‐intensive  industrial  processes.  Prog  Energ Combust 38, 87‐112. 

‐ Middleton,  R.S.,  Bielicki,  J.M.,  2009.  A  scalable  infrastructure  model  for  carbon capture and storage: SimCCS. Energ Policy 37, 1052‐60. 

‐ Middleton, R.S., Kuby, M.J., Wei, R., Keating, G.N., Pawar, R.J., 2012. A dynamic model for optimally phasing in CO2 capture and storage infrastructure. Environ Modell Softw 37, 193‐205. 

‐ Mikunda, T., van Deurzen, J., Seebregts, A., Tetteroo, M., Kersemakers, K.,Apeland, S., 2011a.  Towards  a  transport  infrastructure  for  large‐scale  CCS  in  Europe.  Legal, financial  and  organizational  aspects  of  CO2  pipeline  infrastructures.  CO2 Europipe;D3.3.1:1‐48. 

‐ Mikunda, T., Van Deurzen,  J., Seebregts, A., Kerssemakers, K., Tetteroo, M., Buit,  L., 2011b. Towards  a CO2  infrastructure  in North‐Western Europe:  Legalities,  costs and organizational aspects. Enrgy Proced 4, 2409‐16. 

‐ Moomaw, W.,  Yamba,  F.,  Kamimoto, M., Maurice,  L., Nyboer,  J.  et  al.,  2011.  IPCC Special  Report  on  Renewable  Energy  Sources  and  Climate  Change  Mitigation.  1st edition. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, USA. 

‐ Morbee,  J.,  Serpa,  J.,  Tzimas,  E.,  2012.  Optimised  deployment  of  a  European  CO2 transport network. Int J Greenhouse Gas Control 7, 48‐61. 

Chapter 6 

242 

 

‐ Natural  Gas  Supply  Association,  2010.  Pipeline  cost  recovery  report.  32  major pipelines. 2005‐2009. 1‐142. 

‐ Neele, F., 2013. CATO2 sink database.  ‐ Neele,  F.,  2014.  Personal  communication  about  CO2  storage  in  aquifers  and 

hydrocarbon fields in the Netherlands.  ‐ Neele,  F.,  ten  Veen,  J., Wilschut,  F.,  Hofstee,  C.,  2012.  Independent  assessment  of 

high‐capacity  offshore  CO2  storage  options.  TNO  report;TNO‐060‐UT‐2012‐00414  / B:1‐93. 

‐ OANDA,  2014.  Historical  exchange  rates.  OANDA.  Last  accessed  in  August  2014. Retrieved from: http://www.oanda.com/.  

‐ Oda,  J., Akimoto, K., 2011. An analysis of CCS  investment under uncertainty. Energy Procedia;4:1997‐2004. 

‐ Oei, P., Herold, J., Mendelevitch, R., 2014. Modeling a Carbon Capture, Transport, and Storage Infrastructure for Europe. Environ Model Assess 19, 515‐31. 

‐ Piessens, K., Laenen, B., Nijs, W., Mathieu, P., Baele, J.M., et al., 2008. Policy Support System for Carbon Capture and Storage. SD/CP/04A:1‐269. 

‐ Piessens,  K., Welkenhuysen,  K.,  Laenen,  B.,  Ferket,  H.,  Nijs, W.  et  al.,  2012.  Policy Support System for Carbon Capture and Storage and collaboration between Belgium ‐ The Netherlands ‐ "PSS‐CCS". Final report. Belgian Science Policy, Brussels. 

‐ Reinelt, P.S.,  Keith, D.W., 2007. Carbon  capture  retrofits  and  the  cost of  regulatory uncertainty. Energy J 28, 101‐27. 

‐ Sarkis, J.,  Tamarkin, M., 2005. Real options analysis for "Green Trading": The case of greenhouse gases. The Engineering Economist: A Journal Devoted to the Problems of Capital Investment, 50, 273‐294. 

‐ Sun, L.,  Chen, W., 2013. The improved ChinaCCS decision support system: A case study for Beijing–Tianjin–Hebei Region of China. Appl Energy 112, 793‐9. 

‐ Switzer,  L.,  Rosen,  L.,  Thompson, D.,  Sirman,  J., Howard, H.,  Bool,  L.,  2005.  Carbon dioxide  capture  for  storage  in  deep  geological  formations  ‐  results  from  the  CO2 capture  project.  Capture  and  sequestration  of  carbon  dioxide  from  combustion sources. Volume I. Elsevier Ltd, The Netherlands. 

‐ Szolgayova, J., Fuss, S., Obersteiner, M., 2008. Assessing the effects of CO2 price caps on electricity investments‐A real options analysis. Energy Policy 36, 3974‐81. 

‐ ter Mors,  E.,  Terwel, B.W., Daamen, D.D.L.,  2012.  The potential of host  community compensation in facility siting. Int J Greenhouse Gas Control 11, Supplement, S130‐8. 

‐ Van den Broek, M., Brederode, E., Ramírez, A., Kramers,  L.,  van der Kuip, M. et al., 2010a. Designing a cost‐effective CO2 storage  infrastructure using a GIS based  linear optimization energy model. Environ Modell Softw 25, 1754‐68. 

‐ Van den Broek, M., Faaij, A., Turkenburg, W., 2008. Planning for an electricity sector with  carbon  capture  and  storage.  Case  of  the Netherlands.  International  Journal  of Greenhouse Gas Control 2, 105‐29. 

‐ Van den Broek, M., Ramírez, A., Groenenberg, H., Neele, F., Viebahn, P. et al., 2010b. Feasibility  of  storing  CO2  in  the Utsira  formation  as  part  of  a  long  term Dutch  CCS strategy: An evaluation based on a GIS/MARKAL toolbox. Int J Greenhouse Gas Control 4, 351‐66. 

The influence of uncertainty in the development of a CO2 infrastructure 

243 

 

‐ Verweij,  J.M., Simmelink, H.J., Van Balen, R.T., David, P., 2003. History of petroleum systems in the southern part of the Broad Fourteens Basin. Neth J Geosci 82, 71‐90. 

‐ ZEP, 2011. The costs of CO2 Capture. Post‐demonstration CCS in the EU. 1‐81. ‐ Zhang, X., Wang, X., Chen, J., Xie, X., Wang, K., Wei, Y., 2014. A novel modeling based 

real option approach for CCS investment evaluation under multiple uncertainties. Appl Energy 113, 1059‐67. 

‐ Zhou, W., Zhu, B., Fuss, S., Szolgayová, J., Obersteiner, M., Fei, W., 2010. Uncertainty modeling of CCS  investment strategy  in China's power sector. Appl Energy 87, 2392‐400. 

‐ Zhu,  L.,  Fan,  Y., 2011. A  real options‐based CCS  investment  evaluation model: Case study of China's power generation sector. Appl Energy 88, 4320‐33.

 

244 

 

 

 

 

245 

 

Chapter 7: Summary, conclusions and recommendations 

Background  7.1

One of the major challenges for the coming century is to limit drastic climate change. The parties of the United Nations Framework Convention on Climate Change agreed that long‐term  global  temperature  should  not  rise  more  than  2°C  above  pre‐industrial  levels (UNFCCC, 2011). It is estimated that to reach this target, CO2 emissions in the atmosphere have to stabilize on a  level of 450 ppmv (Johansson et al., 2012;  IEA, 2013). This  implies that global CO2 emissions should peak around 2020, on a level only marginally higher than today  (Riahi  et  al.,  2012;  IEA,  2014b).  From  then  onwards,  CO2  emissions  should  be significantly reduced.  

Different options are available to  limit CO2 emissions, such as renewable energy sources (wind, solar, hydro, biomass, geothermal), energy efficiency measures, switching to lower carbon  intensive  fuels  (gas or nuclear energy) and applying carbon dioxide  capture and storage  (CCS). With CCS, CO2  is captured  from  flue gases, and subsequently  transported with  ships and  / or pipelines  to  suitable underground geological  storage  reservoirs,  like depleted hydrocarbon fields.  

Most  studies  agree  that different CO2 mitigation options  are  simultaneously needed  to reach  the  required  reduction  of  CO2  emissions  (Edenhofer  et  al.,  2010;  European Commission,  2011;  Riahi  et  al.,  2012;  IEA,  2013;  IEA,  2014a;  Bruckner  et  al.,  2014). Compared to any other single mitigation technology, a  lack of availability of CCS  is most frequently associated with the most significant cost increase (Edenhofer et al., 2010; Riahi et al., 2012; Tavoni et al., 2012; Clarke et al., 2014; Krey et al., 2014). Moreover, the 2°C target  becomes more  difficult  to  reach  if  CCS  technology  is  not  available,  especially  if mitigation actions are postponed until 2030  (Edenhofer et al., 2010; Clarke et al., 2014; Riahi  et  al.,  2015).  Overall,  it  is  projected  that  9%‐38%  of  the  primary  energy mix  is coupled with CCS in 2050 (Riahi et al., 2012). 

Under these scenarios, up to 2050 about 55‐250 Gt CO2 needs to be captured, mainly  in the industrial and power sectors (Riahi et al., 2012). To transport all the captured CO2 to suitable  storage  reservoirs,  an  extensive  CO2  transportation  network  needs  to  be constructed. Currently, around 6,000‐7,000 km CO2 pipelines have been  installed, mainly in  the United  States  for  enhanced  oil  recovery  purposes  (Mohitpour  et  al.,  2012).  It  is expected that about 100,000 km of CO2 pipelines are needed in 2030, if CCS reaches the projected scale of 1.4 Gt CO2 avoided  in 2030 (IEA, 2010).  In 2050, the global network  is projected to increase to an estimated length of about 200,000‐550,000 km, depending on the level of integration (IEA, 2010). To put these figures in perspective, the current high‐pressure  natural  gas  transmission  network  is  about  235,000  km  in  Europe  (Marcogaz, 2011). However, while the majority of natural gas pipelines were installed within the last century, the projected CO2 pipelines should be installed within the coming decades. 

Chapter 7 

246 

 

Although there are similarities between natural gas and CO2 pipeline transport, they are not one‐to‐one comparable with each other. There are knowledge gaps, among others, related  to  the  configuration  of  a  pipeline  system,  the  design  and  operation  of  CO2 pipelines, the implications of impurities and consequences of safety aspects. The scope of this thesis is limited to gain insights into optimal configurations of the CO2 transportation system, including both pipeline and ship transport, and their economic consequences. The optimal  pipeline  configuration  includes  the  preferred  diameter,  operation  pressure, location of compressors and pumping stations as well as the choice between a point‐to‐point pipeline  (i.e.,  linking one  source  to one  sink)  versus  a  trunkline  transporting CO2 from multiple sources. The reason for focusing on the configuration of the transportation system is that this would significantly influence the costs, development and planning of a CO2 infrastructure over time. The optimal configuration can be influenced by uncertainty, safety aspects as well as by  impurities.  In this thesis, the  implications of uncertainty and safety aspects on  the  costs and  configuration  for CO2  infrastructure development were investigated, but the consequences of impurities were not addressed.  

Objective and research questions  7.2

This thesis aimed to assess, develop and test different approaches to design and evaluate cost‐effective  configurations  for  CO2  infrastructure  development.  The  purpose  of  this thesis was to generate in‐depth insights which can be used to support the development of continental, national or regional CO2 infrastructures. 

In order to meet the objective, the following three research questions were formulated:  

RQ 1.   Which cost models are available for estimating CO2 pipeline costs, what are the key model factors driving the results, and how can the cost models be harmonized?  

RQ 2.   What are  the most cost‐effective configurations  for CO2 pipelines and networks and in what way are these affected by safety considerations?  

RQ 3.   Which  uncertainties  impact  the  economic  viability  and  design  of  a  CO2 infrastructure and how do these uncertainties influence the decision making process in the development of a CO2 transport infrastructure?  

 Summary of the findings per chapter 7.3

Chapter 2 provides a systematic and comprehensive overview of the existing cost models for  CO2  pipelines  and  pumping  stations  available  in  literature.  Results  show  that  the different cost models provide a  large cost range for a given pipeline diameter, especially with larger diameters. For instance, the costs for a 300 km long pipeline are estimated at 0.11‐0.64 and 1.5‐13 M€2010/km for a diameter of 0.30 m and 1.30 m, respectively. Several cost models for CO2 pipelines start with a mass flow rather than with a diameter, but also for  these models a  large cost  range was  found of,  for  instance, 0.9‐2.1 M€2010/km  for a mass flow of 750 kg/s over 25 km. It should be realized that all costs models for pipeline transport  depend,  directly  or  indirectly,  on  the  diameter.  Therefore,  also  a  systematic overview  was  made  of  several  diameter  models.  This  overview  shows  that  diameter 

Summary, conclusions and recommendations 

247 

 

variation  is mostly caused by assumptions on  the pressure drop or velocity,  rather  than difference  in diameter models themselves. Nevertheless,  if the uncertainty ranges of the diameter and cost models are combined  for a given mass  flow and  length, the resulting cost  range  varies by  a  factor of 10. Based on  the  findings  from  the overview,  key  cost model  characteristics were  identified  for a general  costs  comparison of CCS with other technologies and for a system analysis over time. For a general cost comparison, the cost model should at least be based on the CO2 mass flow or diameter and distance. A model used for a system analysis over time should be based on a cost model  including pipeline technology, material  price  development,  operation  pressure  or  wall  thickness,  terrain impacts, effect of  impurities, pipeline  length and CO2 mass flow. For both applications, a pipeline  cost  model  with  parameters  which  have  physical  or  economic  meaning  are preferred,  because  these  models  are  easy  to  interpret  and  can  be  adjusted  to  new conditions. Finally, also the costs of pumping stations were studied. The findings indicate that  the  costs  of  pumping  stations  should  be  related  to  the  capacity  including  some economies of scale. However, the cost range found in literature is very large, namely 3.1‐36 M€2010  for  a  pumping  station with  a  capacity  of  1.25 MWe.  Hence,  it  is  advised  to validate the costs of pumping stations.  

In chapter 3, a new cost model for CO2 pipeline transport was developed, which departed from the physical properties of CO2 transport and included different kinds of steel grades and up‐to‐date material and construction costs. The cost model was  subsequently used within a new developed cost minimization tool to determine the optimal configuration for point‐to‐point  pipelines  and  simple  networks  on  different  types  of  terrain  and  for different time frames. The cost minimization tool optimizes inlet pressure, diameter, steel grade and number of pumping stations. Results show that gaseous CO2 transport can have lower  levelized costs  than  liquid CO2 transport  for point‐to‐point pipelines as well as  for simple networks from a chain perspective. Gaseous CO2 transport seems to be especially interesting  for small CO2 mass  flows on a close distance  from a storage  field with a  low reservoir pressure,  like a depleted gas  field. The  reason  for  this  is  that  the  lower  initial compression  costs  compensate  the higher  pipeline  costs.  For  storage  reservoirs with  a high reservoir pressure (like aquifers), or for CO2 transport over long distances, liquid CO2 transport  is  more  cost‐effective  than  gaseous  CO2  transport.  For  onshore  pipelines transporting  liquid CO2,  the optimal  inlet pressure  is about 9‐13 MPa, pumping stations are  installed  roughly  every  50‐100  km  and  higher  steel  grades  are  the most  effective material (e.g., using carbon steel X120 reduces the pipeline costs up to 17% compared to X80). Most offshore pipelines and pipelines transporting gaseous CO2 do not benefit from the  development  of  higher  steel  grades,  due  to  the  minimal  thickness  requirement. Furthermore,  the  results  indicate  that oversizing  the pipeline,  to  transport CO2  from an additional source that is coming available later, is not always cost‐effective. This strongly depends on the time span at which additional CO2 sources are available and on the mass flows. In general, oversizing is only attractive if the second source comes available within 5‐10 years.  

 

Chapter 7 

248 

 

Chapter 4  evaluates  the  implications of  safety  regulation on  the optimal  configuration, costs  and  routing  of  CO2  pipelines.  For  this,  a  quantitative  risk  assessment  (QRA) was linked with an economic evaluation  technique and a  spatial model. First,  the  locational and  societal  risks  of  CO2  pipeline  transport  were  calculated  based  on  current  safety regulation. Subsequently, the effect of  implementing additional risk mitigation measures were  assessed  for  the  locational  risks  and  the  economic  consequences  of  the  risk mitigation  measures  were  calculated.  Finally,  it  was  spatially  determined  whether rerouting or implementing additional risk mitigation measures was the most cost‐effective option.  This  analysis was  conducted  for  three  stylized  case  studies  in  the Netherlands, representing  a  point‐to‐point  pipeline,  a  trunkline  and  a  pipeline  installed  within  an existing pipeline corridor. The  findings  indicate  that dense phase CO2 pipeline  transport leads  to  smaller  lethality  distances  and  locational  risks  than  gaseous  CO2  pipeline transport.  This  is  caused  by  the  large momentum  behind  a  dense  phase  CO2  release, leading  to a smaller but higher  jet and  to a higher mixing  rate with  the surrounding air than  for  a  gaseous CO2  release.  For  instance,  the 10

‐6  locational  risks  (i.e.  the distance depicting the probability of 10‐6 per year than an unprotected ever‐present person dies) for a pipeline without additional risk mitigation measures were calculated to be 0 m for dense phase and 770 m for gaseous CO2 transport for a mass flow of about 4.5 Mt/y and a vertical release. For the gaseous case, the 10‐6 locational risks can be reduced from 770 m to 100 m  if the pipeline  is buried at 2.0 m depth, marker tape  is  installed and  increased surveillance is applied. This will increase the pipeline costs with about 4%. For the dense phase  cases, no additional  risk mitigation measures are  required  to  comply with Dutch regulation. Although pipelines  transporting dense phase CO2 do not have 10

‐6  locational risks  in  our  case  studies,  pumping  stations  handling  about  14 MtCO2/y  have  a  10

‐6 locational  risk  distance  of  about  135 m.  For  the  trunkline  case,  the  required  pumping stations could be  located along  the pipeline with respecting  the  locational risk distance. Nevertheless,  it  could  be  interesting  to  increase  the  operational  pressure  to  avoid pumping stations, although this will increase the pipeline costs with about 20%. Based on the case studies,  it can be concluded  that dense phase CO2  transport  is safe  if  it  is well organized. Even without additional risk mitigation measures, the risks are manageable and within  the  limits  established  under  current  Dutch  regulation,  which  is  stricter  or comparable with regulation in many other European countries. It is expected that pipeline route selection for dense phase CO2 transport  is comparable to natural gas transport.  In contrast, pipeline routing for gaseous CO2 transport appears more challenging in densely populated areas because larger safety zones are attached to it.  

Chapter 5 assesses  the  investment decision between CO2 ship and pipeline  transport by including the value of flexibility. First, the net present value (NPV) approach was applied to  assess  the preferred  transportation mode  and  to  evaluate  if  the  entire CCS project, consisting of a coal power plant and offshore storage reservoir,  is profitable.  In the NPV approach, flexibility is neither present nor required. However, pipeline and ship transport can anticipate to uncertainties in, for instance, the CO2 price, utilization rate and volume of the storage reservoir. Different flexibility options are present to react to uncertainties. In  chapter  5,  the  option  to  temporarily  switch  off  the  CO2  capture  unit,  the  option  to abandon  the CCS project, and  the option  to connect  to another storage  reservoir  if  the 

Summary, conclusions and recommendations 

249 

 

first  one  is  full were  considered.  The  value  of  each  option  separately  and  all  options combined was  calculated with  the  least‐squares Monte  Carlo method, which  is  a  real option approach (ROA). Results of the NPV and ROA show that ship transport is the most cost‐effective  for  transporting  small  volumes  over  long  distances.  For  instance,  for  a design capacity of 2.5 Mt/y, pipelines are preferred for 250 km and ships for 500 km.  

With  the  ROA,  the  option  to  switch  to  another  reservoir  is  most  valuable  for  the 10 MtCO2/y configurations. This option  is about 10% more valuable for the pipeline than for the ship configurations with a design capacity of 10 MtCO2/y, despite the much higher switching costs of the former. The option to switch to another reservoir makes the project value  positive  for  all  considered  10 MtCO2/y  configurations  and  pipelines  are  the preferred transportation mode. For smaller design capacities, the abandon option is most valuable, especially  for  the shipping configurations. However,  the abandon option alone or combined with the other options, neither turns the project value to positive nor does it change the preferred transportation mode for design capacities of 1.0 and 2.5 MtCO2/y. For  our  case  studies,  including  the  value  of  flexibility  did  not  change  the  preferred transportation mode  from pipeline  to  ship  transport. The main  reasons  for  this are  the 50%  higher  variable  operational  expenditures  of  ship  compared  to  pipeline  transport, combined with  the  fact  that  the other  components of  the  shipping  chain,  representing about 70‐80% of the total costs, are (almost) as  inflexible as pipelines. Furthermore, this analysis shows  that both analyzed 10 MtCO2/y cases are profitable with  the ROA, while they are not profitable with the NPV approach. Hence, incorporating the value of the most relevant  flexibility  options  should  be  done  to  avoid  that  profitable  projects  are  not conducted. The least‐squares Monte Carlo method applied in this chapter can be used to assess the value of flexibility for a range of options for different technologies.  

In chapter 6,  it was analyzed whether, and  if so,  in what way uncertainty  influences the layout and costs of a CCS infrastructure, consisting of different kind of capture plants, CO2 pipelines and various storage  fields. For  this,  two different models were developed and compared. The first model reflects the case without uncertainty and was based on perfect foresight  (PF).  The  second model  was  based  on  the  real  option  approach  (ROA)  and included uncertainties in the CO2 price, a tariff received per tonne of CO2 transported, the willingness,  probability  and moment  that  sources  join  the  CO2  transportation  network. Results show  that  the  required CO2 price before companies make an  investment  in CCS almost triples in the ROA compared to the NPV approach. The required CO2 price is highly influenced  by  the  volatility  (i.e.,  standard  deviation).  For  instance,  with  the  current volatility  of  47%  a  pulverized  coal  power  plant will  start with  CCS with  a  CO2  price  of 99 €/t, while with a volatility of 5%, this is reduced to 47 €/t. Nonetheless, this is still 30% higher than the breakeven price of 36 €/t in the NPV approach. Consequently, less sources are retrofitted with CCS and  less CO2  is captured and stored over time. For  instance, for the analyzed case study, 31 Mt and 137 Mt CO2  is projected to be captured  in the base scenario of ROA and PF model, respectively,  in  the period 2015‐2050.  If  the volatility of the CO2 price is reduced with 50% to 23%, 96 Mt is projected to be captured in the ROA, which  is still almost one  third  less  than  in  the PF model. Furthermore,  the  results show that uncertainty leads to less development of trunklines and an increase of the number of 

Chapter 7 

250 

 

point‐to‐point pipelines. All this leads to an increase of the average transport and storage costs. For our case study,  the average CO2  transport and storage costs  in 2050  increase from 2.9 €/t (PF model) to 13 €/t (ROA) in the base scenario. The research demonstrates the large impact that uncertainty has on the implementation rate of CCS and on the costs for developing a suitable infrastructure.  

Answering the research questions  7.4

RQ 1.   Which cost models are available for estimating CO2 pipeline costs, what are the key  model  factors  driving  the  results,  and  how  can  the  cost  models  be harmonized?  

Fourteen  different  cost models  for  CO2  pipeline  transport were  identified  in  literature. These can be divided in five different types of cost models:  

‐ Linear models ‐ Models based on the weight of the pipeline ‐ Quadratic equations ‐ CMU model, which has a Cobb Douglas format ‐ Models based on the flow rate 

To compare the different cost models on a fair basis, they were harmonized by setting all terrain, regional, and other factors to 1 and the cost models were corrected to the same currency and reference year with an appropriate cost index. As a result, the costs are valid for onshore pipelines on flat terrain and are given in €2010. Subsequently, the cost models were compared with each other for a different set of diameters or mass flows, and length to assess the different cost relations.  

A  doubling  in  the  diameter  results  in  a  2  to  3.8‐fold  increase  of  the  investment  costs, indicating significant economies of scale per tonne of CO2 transported. No correlation was found between  length and costs for onshore pipelines as the different cost models show different  relations  ranging  from  a  specific  cost  decrease  of  10%  to  a  cost  increase  of almost  18%, when  the  pipeline  length  doubles. No  explanation was  given,  or  could  be found, for the specific cost increase if the length of an onshore pipeline doubles. Hence, a linear  relation  or minor  economies  of  scale  related  to  length  appears  to  be  the most appropriate relation for onshore pipelines. 

For offshore pipeline  transport,  two opposite  factors affect  the  relation between  length and costs. Firstly, the specific pipeline costs tend to increase with pipeline length, because the inlet pressure has to increase, which requires a stronger pipeline, or the diameter has to be enlarged to compensate for the pressure drop. Secondly, there are also economies of scale related to offshore pipelines, because the costly onshore‐offshore connection has to be made only once and the equipment can be used more efficiently when laying longer pipelines.  

In Figure 7.1, an overview of the costs estimated by the different costs models is given for several diameters and  for an onshore pipeline of 25 km.  In addition, publically available cost  estimations  of  constructed  or  planned  CO2  pipelines  are  given  in  Figure  7.1.  The 

Summary, conclusions and recommendations 

251 

 

comparison shows a very large cost range. There are three main reasons for this: 

‐ Most models, except for the models based on pipeline weight, do not incorporate the higher operation pressure of the CO2 pipeline, therefore underestimating the costs  

‐ Some models include the strong increase in material and construction costs of the last decade, while others do not. Although the costs are corrected with an appropriate cost index  before  the  comparison,  it  is  likely  that  still  some  discrepancies  arise  because shares between labor and material cost differ  

‐ Although the terrain and regional correction factors were set to 1, some cost models are  based  on  parameters  and  assumptions  related  to  specific  terrain  aspects  and regional circumstances.  

 

Figure 7.1: Comparison of different cost model for CO2 pipeline transport for various diameters, based on a pipeline length of 25 km on flat terrain, with cost estimations for planned and existing CO2 pipelines. For the equations of the different models see chapter 2 and 3.  

To  overcome  the  first  two  shortcomings,  a  new  cost model was  developed.  Our  cost model  is based on  the weight of  the pipeline, departs  from  the physical aspects of CO2 transport and uses recent material and construction costs. The results of this cost model for a carbon steel grade of X80 and a maximum operation pressure of 15 MPa are given in Figure 7.1.  It can be concluded  that our model  is  in  the upper range of  the cost models indicated in literature, with exception of the cost model of Piessens et al., (2008). 

With  some  small  adaptations,  the  cost model was made  suitable  for  offshore  pipeline transport. The most  important modification was  to  include a  fixed amount of 35 M€  to construct the onshore‐offshore connection and to mobilize the pipeline laying equipment.  

Pipelines have to comply with the safety regulations. Additional risk mitigation measures, like  marker  tape,  concrete  sheets  and  block  valves  are  available  to  limit  the  failure frequency or consequences of a pipeline failure. For dense liquid CO2 transport, additional risk mitigation measures are not required to comply with current Dutch safety regulation, which  is  stricter or comparable  to  regulation  in many other European countries. Hence, under the scenarios studied, safety considerations do not appear as a key driver for costs 

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

Costs (M

€2010/km)

Outer diameter (m)

Parker et al., 2004

Broek et al., 2010

Heddle et al., 2003

ElementEnergy, 2010

Piessens et al., 2008

Piessens et al., adapted

Gao et al., 2011

IEA GHG, 2002. ANSI 900#

IEA GHG, 2002. ANSI 1500#

McCoy and Rubin, 2008

This study, X80, 15 MPa

Alberta Carbon Trunk line

Kingsnorth CCS

Kinder Morgan

Weyburn

Denbury

Chapter 7 

252 

 

of dense liquid CO2 transport. For gaseous CO2 transport, the investment costs for onshore pipelines could increase up to about 15% to comply with safety regulation.   

RQ 2.  What are the most cost‐effective configurations for CO2 pipelines and networks and in what way are these affected by safety considerations? 

CO2 transport cannot be evaluated on its own and should be part of a chain analysis. More specifically, the properties from the CO2 coming out of the capture plant and the storage requirements  should  be  taken  into  account.  Compression  is  often  included  in  the  CO2 capture costs, but in this thesis it was included in the transportation system, because the inlet pressure  is key  for optimizing  the CO2  transportation  system.  In  this  thesis, a  cost minimization  model  was  developed  incorporating  inlet  pressure,  diameter,  pumping stations  and  different  kinds  of  steel  grade  to  evaluate  optimal  configurations  of  CO2 pipeline  transport. With  this  cost  minimization  model,  it  is  possible  to  integrate  the capture and transport side of CCS.  

The cost minimization tool shows that gaseous CO2 transport could be an option for point‐to‐point pipelines and small scale networks if they cover only a limited length, transport a limited volume and if the CO2 is stored within a reservoir with a low bottom hole pressure, like depleted natural gas  fields. A system design where gaseous CO2 of several plants  is first collected and  subsequently compressed with a  large compressor  is often  less cost‐effective than immediate compression to liquid CO2 at each capture site.  

Dense phase CO2 transport is the best option for pipelines and networks if they cover long lengths,  transport  large  volumes  or  if  the  CO2  is  stored within  a  reservoir with  a  high bottom hole pressure, like aquifers. For onshore pipelines transporting dense phase CO2, the optimal inlet pressure is about 9‐13 MPa and pumping stations are advised every 50‐100 km from an economic point view. Note that for offshore pipelines, pumping stations are not an option. Hence, the inlet pressure has to increase or the specific pressure drop has to decrease by increasing the pipeline diameter.  

After  several cost effective pipeline configurations are  found  for a given mass  flow and length,  a  quantitative  risk  assessment  (QRA)  was  conducted.  This  means  that  the locational  risks  of  CO2  pipeline  transport  are  determined,  with  and  without  several additional  risk mitigation measures,  like marker  tape,  increased  surveillance,  concrete slabs, etc. Subsequently, it was checked if the pipeline can be routed according to Dutch risk  regulation,  which  state  that  vulnerable  buildings  (schools,  houses,  hospitals,  etc.) should not be exposed to locational risks higher than 1 in the million (10‐6).  

The  QRA  shows  that  safety  aspects  are  related  to  gaseous  CO2  transport  with  10‐6 

locational  risk distance of,  for  instance, 770 m  for 4.5 Mt/y and 125 m  for 1.1 Mt/y  for pipelines without additional risk mitigation measures. These 10‐6 locational risk distances could be decreased to 100 m and 0 m, respectively,  if multiple risk mitigation measures are simultaneously applied. These additional measures increase the investment costs with 2%‐11%  for  the  case  studies  analyzed.  In  addition,  the  10‐6  locational  risk  distance  of 100 m hampers  the  routing of  the CO2 pipeline, at  least  in densely populated countries like the Netherlands. Consequently, gaseous CO2 transport  is not advised for  large point 

Summary, conclusions and recommendations 

253 

 

sources of CO2, like coal power plants or steel factories. Overall, gaseous CO2 transport is only advised for transporting limited amounts (about <1 Mt/y) over short distances.  

CO2  pipelines  transporting  dense  phase  CO2  already  meets  the  10‐6  locational  risk distances without  additional  risk mitigation measures. Hence,  additional  risk mitigation measures  are  not  required  from  a  safety  point  of  view,  but  some  very  cheap  risk mitigation measures, like marker tape, could be added as part of a no‐regret strategy. In contrast  to pipelines  transporting dense phase CO2, pumping stations have  location  risk contours. For instance, pumping stations handling 14 MtCO2/y have 10

‐6 locational risks of 135 m. Although  they could be placed along  the pipeline route,  it may be preferable to increase  the  inlet  pressure  to  avoid  pumping  stations. An  additional  advantage  of  this solution  is  that  pumping  stations  could  later  be  added  if  the  CO2  volume  within  the pipeline  increases over  time. This  results  in an additional  flexibility option, which  could have a considerable value.  

RQ 3.   Which  uncertainties  impact  the  economic  viability  and  design  of  a  CO2 infrastructure and how do these uncertainties  influence the decision making process  in the development of a CO2 transport infrastructure? 

Uncertainties are present in many aspects of CCS development, like the volume of storage reservoirs,  the  timing  when  sources  start  with  CCS,  the  price  of  CO2  and  other commodities, etc.  The decision  to  invest  in  (or  continue with)  a CCS project  should be made with these uncertainties in mind.  

In  literature,  it  is  standard  practice  to  base  an  investment  decision  on  the  normal  net present  value  (NPV) approach, which  implies  that  the decision has  to be  taken now or never.  In addition,  the NPV approach assumes  that  revenues and costs are known over the lifetime of the project and adaptation after the investment decision is made is neither possible nor required. However, investments can be postponed to gain more information over  the  future and  companies will adapt  to  changing  situations. Therefore, also a  real option approach (ROA) is used in this thesis, which includes the value of flexibility options, like deferring or abandoning a project.  

In the  initial uncertain starting up phase of CCS, ships may have an advantage compared to pipeline transport, due to their high residual value. In addition, ship transport is stated to be more  flexible, because ships can easily be directed to different  (storage)  locations (IEA GHG, 2004; Decarre et al., 2010; Vermeulen, 2011). To investigate whether flexibility changes  the preference  from pipeline  to  ship  transport,  the  two  transportation modes were  compared with  each  other  by  including  the  value  of  the  option  to  abandon  the project,  switching  temporarily  off  the  capture  unit  and  connecting  to  another  storage reservoir.  The  results  indicate  that  these  options  did  not  change  the  preference  from pipeline  to ship  transport. However,  the option  to connect  to another storage  reservoir makes  the project value positive  for both  transportation modes  for a design capacity of 10 MtCO2/y and distances of 250 and 500 km.  

The findings point out that especially the uncertainty in the CO2 price has a large influence on the decision to  invest  in a CCS project. With the historical CO2 price volatility of 47%, 

Chapter 7 

254 

 

the required CO2 price before an  investment  in CCS  is made almost triples, compared to the  NPV  approach.  As  a  consequence,  CCS  projects  are  developed  later  in  time  than initially expected.  

Over  time,  the CO2 price and  the  implementation  rate of CCS are expected  to  increase, implying that the corresponding CO2 infrastructure also has to expand over time. Pipelines transporting CO2 from multiple sources in one trunkline lead to considerable economies of scale compared to an  infrastructure where each source‐sink connection has a dedicated point‐to‐point  pipeline.  However,  if  the  implementation  rate  of  CCS  is  slower  than expected,  the  cost‐effectiveness  of  trunklines  declines.  In  the  worst  case,  the  spare capacity  of  trunklines  is  not  used  and  becomes  a  ‘stranded  asset’.  For  instance,  two separate  point‐to‐point  pipelines  transporting  a  similar  amount  of  CO2  are more  cost‐effective than a trunkline, if the second source is not joining the trunkline within 5 to 10 years. Hence,  the  rate  and  timing  of  CCS  development  is  crucial  in  developing  a  cost‐effective  infrastructure,  especially  if  advantages  from  economies  of  scale  want  to  be included.  

To  plan  a  cost‐effective  infrastructure  over  time,  different  approaches  can  be  taken. Existing  approaches  often  assume  perfect  foresight, meaning  that  the  infrastructure  is planned  with  the  optimized  outcome  in  mind,  without  any  barriers  or  uncertainties (among others: Van den Broek et al., 2010; Middleton et al., 2012; Morbee et al., 2012). In this way, the  lowest possible costs are realized and  insights are gained  in attractive CO2 transport configurations. The insights of these perfect foresight models can be helpful for governments  to  evaluate  attractive  locations  for  trunklines  and  provide  conditions  to achieve those.  

In this thesis, a different approach was developed based on the real option approach, to incorporate the fact that  investment decisions are made under uncertainty about future prices, possibility  that other sources start with CCS, etc. With  this approach, a company perspective is adapted and it is investigated if the additional investments are worth with respect to both the expected profits and the uncertainty around the profits. By comparing investment decisions and layouts of CO2 transport with a perfect foresight model and with the  real  option  approach,  insights  were  gained  into  the  effect  of  uncertainty  on  the economic viability and design of a CO2 infrastructure.  

With a perfect foresight model, pipelines are oversized with multiple nominal pipe sizes, to  accommodate  also  the CO2  flows of  sources  that  start with CCS  several  years  later. Especially, small CO2 emitters benefit from the presence of trunklines. In the presence of uncertainty regarding when nearby sources start with CCS, only a few companies take the risk  to  oversize  their  pipelines  and  only  often with  one  nominal  pipe  size  (so  limited oversizing).  Consequently,  there  is  less  surplus  capacity  in  the  pipelines  and multiple smaller pipelines next  to each other are  thus constructed.  In  the absence of  trunklines, many smaller CO2 emitters do not start with CCS, because  the costs  for constructing an own dedicated pipeline  are  too high. Overall,  the  levelized  transport and  storage  costs increase for our regional case study from 2.9 €/t in the perfect foresight model to 13 €/t in the uncertainty scenario.  

Summary, conclusions and recommendations 

255 

 

Therefore, smart strategies are required to optimally benefit from economies of scale and at  the  same  time  limit  the  risk  of  not  earning  back  large  upfront  investment  costs. Cooperation between companies in the same region should be stimulated, in such a way that  regional networks are developed. A more  integrated national, or even continental, network  can most  probably  only  be  deployed  if  national  governments,  or multilateral organizations  (like  the  European  Union),  play  an  active  role  in  developing  a  CO2 infrastructure.  If governments  fail  to  stimulate cooperation,  the costs of  realizing a CO2 infrastructure would considerably increase. 

The  comparison  of  a  scenario  with  and  without  uncertainty  can  be  used  to  identify undesired developments, like the postponement of CCS investments, the development of many point‐to‐point pipelines, the presence of parallel pipelines, etc. Subsequently, these insights can be used to formulate policy measures to overcome undesired developments. The  developed  methodology  is  not  only  valuable  for  the  development  of  a  CO2 infrastructure, but can also be used to evaluate other type of (infrastructural) problems, like a glass fiber network or hydrogen infrastructure.  

Final remarks  7.5

In this thesis, different approaches were developed to design and evaluate cost‐effective configurations for CO2 infrastructure development. These approaches are complementary and  can  be  used  consecutively  to  plan  a  CO2  infrastructure.  First,  evaluation  of  the profitability  of  CCS  for  companies  is  required,  by  incorporating  relevant  options,  like abandoning or deferring  the CCS project. The  least‐squares Monte Carlo method or  the binominal approach applied  in chapter 5 and 6, respectively, can be used for this.  If  it  is profitable  to  invest  in  CCS,  cost‐effective  configurations  for  CO2  transport  have  to  be assessed. The cost minimization tool, which was developed  in chapter 3, can be used to assess cost‐effective pipeline configurations for a given mass flow. Besides evaluating only the mass flow of one source, mass flows of nearby sources should also be incorporated to assess  interesting  trunkline  configurations.  In addition,  several  configurations may have almost  similar  levelized  costs  and  it  is  recommended  to  also  evaluate  configurations, which  lead  to  slightly higher  costs, but may have other  safety or  flexibility advantages. Subsequently, it has to be evaluated if the different point‐to‐point pipeline and trunkline configurations comply with safety regulations, with or without additional safety measures, see chapter 4. Lastly, the different configurations, which comply with safety regulations, have  to be compared with each other. As  there  is uncertainty  in  future mass  flows and revenues,  a Monte Carlo  simulation  can give  insights  into  the profit distribution of  the different configurations (see chapter 6). The configuration resulting in the highest average project value, but with a  limited probability of  losses,  is the most  interesting alternative. Communication  and  collaboration  between  different  CO2  emitters  would  reduce  the uncertainty  in whether,  and when,  they want  to  join  the  CO2  network.  This  planning procedure may be  influenced by policy measures  and  then  especially  the  first  and  last step,  i.e.,  the decision  to  invest  in CCS and  the decision  to  invest  in a certain  transport configuration. 

Chapter 7 

256 

 

Before  companies will  invest  in CCS,  trust has  to be gained  in  the  technology. For  this, several  large scale demonstration projects covering the whole CCS chain are needed. To realize these projects, financial support is required. In this phase, point‐to‐point pipelines ‐which link one source to one sink‐ are the most appropriate. This limits the possibility of stranded assets, as it is unlikely that sources will start with CCS quickly after the start of a demonstration  project.  After  successful  demonstration,  CCS  technology  has  to  be implemented  rapidly  in  the  power  and  industrial  sector  to  reach  the  required  CO2 reductions. A  stable  climate policy  is  required  to persuade  companies  to  invest  in CCS technology.  

In  the  post‐demonstration  phase,  developing  an  integrated  and  cost‐effective  CO2 infrastructure is key to ensure that also smaller sources will start with CCS. The difficulty of  realizing  integrated  networks  is  increasing  from  regional  to  national  scale,  because more potential  sources are  involved,  thereby  increasing  the complexity of planning and managing  the  infrastructure  development.  A  regional  network  could  be  realized  by communication and collaboration between the different CO2 emitters in the same region, while  for a national network  the national government or another national organization has  to  play  a  coordinating  and  facilitating  role.  For  the  development  of  a  continental network,  liaising  of  multiple  governments  and  potentially  also  coordination  by  a multilateral  organization  is  required.  For  all  geographical  scales,  government  should facilitate  trunkline development by offering compensation  for  the additional  investment costs of trunklines compared to point‐to‐point pipelines.  

The  European CO2  infrastructure network  is projected  to be  11,000‐17,000 km  in  2050 and  the  cumulative  investments  for  realizing  this  are  estimated  at  15‐37 billion  euros (Morbee et al., 2012). However, this estimation and many other estimations available  in literature are based on a perfect foresight model. Pipeline length and investments would be considerably higher if a network, handling the same amount of CO2, is developed under uncertainty.  Hence,  the  estimated  lengths  and  costs,  available  in  literature,  are  too optimistic  for  realizing  a  CO2  infrastructure.  The  real  option  approach,  developed  in chapter 5 and especially in chapter 6 of this thesis, can help with providing more realistic estimations of the length and costs of developing a CO2 infrastructure, at least when there is no strong policy in place for stimulating trunkline development.  

Key research and policy recommendations  7.6

Based on the results found  in the different chapters, the following recommendations for further research and policy makers are identified.  

Recommendations for further research:  

‐ In this thesis it was assumed that CO2 would be free of impurities (like H2S, NOx, SO2). However,  impurities will  be  present  in  the  CO2  flow  and  they would  influence  the phase envelope and the physical properties of CO2. Hence, they will affect the  initial design and operation of  transportation  system. The  implications of  impurities  in  the findings of this thesis require further investigation.  

Summary, conclusions and recommendations 

257 

 

‐ Optimizing the whole CCS chain  is of key  importance. For  instance,  it may be overall more cost‐effective to have very small amounts of impurities in the CO2 flow, although this increases the capture costs. Additionally, more insights have to be gained into the storage requirements (e.g., on  injection temperature and pressure) of different types of storage fields over time.  

‐ The pipeline system should be stable under all conditions, meaning  that  it has  to be able to cope with variations in the mass flows due to start‐ups and (emergency) shut‐downs.  The  consequences  of  flow  variations  in  the  CO2  network  are  not  fully understood and needs to be investigated.  

‐ Before a  large  scale CO2 network  is enrolled,  the  safety aspects of a  large  scale CO2 pipeline failure should be fully understood. This means that the toxicity of CO2 should be  validated  and  better  insights  have  to  be  gained  into  the  entire  release  and dispersion of a dense phase CO2 pipeline.  

‐ Uncertainty  is  a major  hampering  factor  of  stimulating  the  implementation  of  new technologies,  like  CCS,  or  the  development  of  an  integrated  infrastructure.  Hence, more  research  is  needed  to  investigate  cost‐effective  policy measures  to  overcome barriers  to  invest  in  new  required  technologies  and  integrated  infrastructure  under uncertain (market) conditions.  

Recommendations for policy makers:  ‐ Policy makers  should  not  only  focus  on  the  level  of  the  CO2  price,  but  also  on  the 

uncertainty in the CO2 price, because both influence the investment decision in CCS. In addition, other measures, besides a CO2 price, may be necessary to stimulate or force companies to start with CCS. 

‐ Trunklines  can  offer  substantial  economies  of  scale  in  the  transport  costs  and stimulate CCS development, especially for smaller CO2 emitters. Policy makers should stimulate  cooperation  between  the  different  CO2  emitters  to  facilitate  regional trunkline development and,  in this way, decrease the average transport costs. For an integrated  CO2  network  on  national  or  continental  scale,  national  governments  or multilateral  organizations  (like  the  European  Union)  should  play  an  active  role  in developing a CO2 infrastructure. 

‐ There is a need for several large scale demonstration projects covering the whole CCS chain  for  demonstrating  the  technology  and  for  fully  understanding  the  interaction between the CO2 capture plant, transport and storage facility. The projects should be selected  in  such  a  way  that  both  ship  and  pipeline  transport  are  demonstrated, thereby gaining insights into the techno‐economic aspects of linking a ship or pipeline to  the  injection well.  In  addition,  these  demonstration projects have  to  be used  to acquire  more  knowledge  about  the  influence  of  different  impurity  levels  and  the implications of dynamic flow behavior on the CO2 transportation system. 

References 7.7‐ Bruckner,  T.,  Bashmakov,  I.  A.,  Mulugetta,  Y.,  Chum,  H.,  de  la  Vega  Navarro,  A., 

Edmonds,  J.  et  al.,  (2014).  Energy  Systems.  In  O.  Edenhofer,  R.  Pichs‐Madruga,  Y. Sokona,  E.  Farahani,  S.  Kadner,  K.  Seyboth,  et  al.,  (Eds.),  Climate  Change  2014: Mitigation  of  Climate  Change.  Contribution  of  Working  Group  III  to  the  Fifth 

Chapter 7 

258 

 

Assessment  Report  of  Intergovernmental  Panel  on  Climate  Change.  Cambridge University Press: Cambridge, United Kingdom and New York, USA. 

‐ Clarke, L., Jiang, K., Akimoto, K., Babiker, M., Blanford, G., Fisher‐Vanden, K., Hourcade, J. ‐C., Krey, V., Kriegler, E., Löschel, A., McCollum, D., Paltsev, S., Rose, S., Shukla, P. R., Tavoni,  M.,  van  der  Zwaan,  B.  C.  C.,  &  van  Vuuren,  D.  P.  (2014).  Assessing Transformation Pathways.  In O. Edenhofer, R. Pichs‐Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S.  Kadner,  K.  Seyboth, A. Adler,  I. Baum,  S. Brunner,  P.  Eickemeier, B.  Kriemann,  J. Savolainen,  S.  Schlömer,  C.  von  Stechow,  T.  Zwickel,  &  J.  C. Minx  (Eds.),  Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group  III to the Fifth  Assessment  Report  of  Intergovernmental  Panel  on  Climate  Change.Cambridge University Press: Cambridge, United Kingdom and New York, USA. 

‐ Decarre,  S.,  Berthiaud,  J.,  Butin,  N.,  &  Guillaume‐Combecave,  J.  ‐L.  (2010).  CO2 maritime transportation. International Journal of Greenhouse Gas Control, 4, 857‐864. 

‐ Edenhofer, O.,  Knopf,  B.,  Barker,  T.,  Baumstark,  L.,  Bellevrat,  E.,  Chateau,  B.  et  al., (2010). The economics of low stabilization: Model comparison of mitigation strategies and costs. Energy Journal, 31, 11‐48. 

‐ European  Commission  (2011).  Energy  Roadmap  2050.  Commission  staff  working paper. Impact Assessment, SEC(2011) 1565. 

‐ IEA  (2014a).  Energy  Technology  Perspective  2014.  Harnessing  Electricity’s  Potential. Organisation  for  Economic  Co‐operation  and  Development  (OECD)  /  International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA (2014b). World energy outlook 2014. Organisation for Economic Co‐operation and Development (OECD) / International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA  (2013). World energy outlook 2013. Organisation  for Economic Co‐operation and Development (OECD) / International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA  (2010).  Energy  technology  perspectives  2010:  Scenarios  and  strategies  to  2050. Organisation  for  Economic  Co‐operation  and  Development  (OECD)  /  International Energy Agency (IEA): Paris, France. 

‐ IEA GHG (2004). Ship transport of CO2. Prepared by Mitsubishi, PH4/30, 1‐64. ‐ Johansson, T. B., Nakicenovic, N., Patwardhan, A., Gomez‐Echeverri, L., Banerjee, R., 

Benson,  S.  M.  et  al.,  (2012).  Summaries.  In  T.  B.  Johansson,  N.  Nakicenovic,  A. Patwardhan,  &  L.  Gomez‐Echeverri  (Eds.),  Global  Energy  Assessment.  Towards  a sustainable  future  (pp. 3‐93). Cambridge University Press  and  International  Institute for Applied System Analysis: Cambridge UK; New York, NY, USA; Laxenburg, Austria. 

‐ Krey,  V.,  Luderer, G.,  Clarke,  L., &  Kriegler,  E.  (2014). Getting  from  here  to  there  ‐ energy technology transformation pathways in the EMF27 scenarios. Climatic Change, 123, 369‐382. 

‐ Marcogaz  (2011).  Activity  report  2010‐2011.  Technical  association  of  the  European natural gas industry, 1‐26. 

‐ Middleton, R. S., Kuby, M. J., Wei, R., Keating, G. N., & Pawar, R. J. (2012). A dynamic model for optimally phasing in CO2 capture and storage infrastructure. Environmental Modelling and Software, 37, 193‐205. 

Summary, conclusions and recommendations 

259 

 

‐ Mohitpour, M.,  Seevam,  P.,  Botros,  K.  K.,  Rothwell,  B., &  Ennis,  C.  (2012).  Pipeline transportation of carbon dioxide containing  impurities.  (1st edition ed.). ASME Press: New York, USA. 

‐ Morbee,  J., Serpa,  J., & Tzimas, E.  (2012). Optimised deployment of a European CO2 transport network. International Journal of Greenhouse Gas Control, 7, 48‐61. 

‐ Piessens, K., Laenen, B., Nijs, W., Mathieu, P., Baele, J. M., Hendriks, C., Bertrand, E., Bierkens, J., Brandsma, R., Broothaers, M., De Visser, E., Dreesen, R., Hildenbrand, S., Lagrou, D.,  Vandeginste,  V., & Welkenhuysen,  K.  (2008).  Policy  Support  System  for Carbon Capture and Storage. SD/CP/04A, 1‐269. 

‐ Riahi,  K.,  Dentener,  F.,  Gielen,  D.,  Grubler,  A.,  Jewell,  J.,  Klimont,  Z.  et  al.,  (2012). Chapter  17.  Energy  Pathways  for  Sustainable  Development.  In  T.  B.  Johansson,  N. Nakicenovic, A. Patwardhan, &  L. Gomez‐Echeverri  (Eds.), Global Energy Assessment (GEA).  Towards  a  sustainable  future.  (pp.  1205‐1305).  Cambridge  University  Press, Cambridge  UK  and  New  York,  NY,  USA  and  the  International  Institute  for  Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria. 

‐ Riahi, K., Kriegler, E.,  Johnson, N., Bertram, C., den Elzen, M., Eom,  J. et al.,  (2015). Locked into Copenhagen pledges — Implications of short‐term emission targets for the cost  and  feasibility of  long‐term  climate  goals.  Technological  Forecasting  and  Social Change, 90, Part A, 8‐23. 

‐ UNFCCC (2011). Report of the Conference of the Parties on its sixteenth session, held in Cancun from 29 November to 10 December 2010.Addendum Part Two: Action taken by  the Conference of  the  Parties  at  its  sixteenth  session. Decisions  adopted by  the Conference of the Parties. United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), FCCC/CP/2010/7/Add.1, 1‐31. 

‐ Van  den  Broek,  M.,  Brederode,  E.,  Ramírez,  A.,  Kramers,  L.,  van  der  Kuip,  M., Wildenborg,  T.  et  al.,  (2010).  Designing  a  cost‐effective  CO2  storage  infrastructure using  a  GIS  based  linear  optimization  energy model.  Environmental Modelling  and Software, 25, 1754‐1768. 

‐ Vermeulen,  T.  N.  (2011).  Knowledge  sharing  report  –  CO2  liquid  logistics  shipping concept (LLSC). Overall supply chain optimization. Prepared by Tebodin B.V. for Vopak and Anthony Veder, 3112001, 1‐142. 

 

260 

 

 

 

 

261 

 

Chapter 8: Samenvatting, conclusies en aanbevelingen  

Achtergrond 8.1

Eén van de grootste uitdagingen van de komende eeuw  is het voorkomen van te sterke klimaatverandering.  Het  klimaatverdrag  van  de  Verenigde  Naties  stelt  als  doel  dat  de wereldwijde  temperatuur,  op  de  lange  termijn,  met  niet  meer  dan  2°C  mag  stijgen (UNFCCC, 2011). Om dit doel te bereiken, zouden de CO2 emissies  in de atmosfeer naar schatting moeten stabiliseren op 450 ppmv  (parts per million volume)  (Johansson et al., 2012; IEA, 2013). Dit betekent dat de mondiale CO2 uitstoot zou moeten pieken rond 2020 op een niveau dat slechts marginaal hoger  is dan de huidige uitstoot  (Riahi et al., 2012; IEA, 2014b). Vanaf 2020 zou de uitstoot van CO2 emissies significant moeten afnemen.  

Er zijn verschillende opties beschikbaar om de CO2 uitstoot terug te dringen. Voorbeelden hiervan zijn hernieuwbare energiebronnen (wind, zon, water, biomassa en geothermisch), maatregelen die de energie efficiëntie verhogen, een transitie naar minder CO2 intensieve brandstoffen (gas of nucleaire energie) en het toepassen van CO2 afvang en opslag (CCS). CCS houdt in dat CO2 wordt afgevangen van rookgassen van grote industriële bronnen en vervolgens wordt  getransporteerd met  schepen en  / of pijpleidingen naar een  geschikt ondergronds opslagveld, zoals een uitgeput olie‐ of aardgasveld.  

De meeste studies wijzen erop dat meerdere CO2 mitigatie opties tegelijkertijd nodig zijn om  de  benodigde  CO2  reductie  te  realiseren  (Edenhofer  et  al.,  2010;  European Commission, 2011; Riahi et al., 2012; IEA, 2013; IEA, 2014a; Bruckner et al., 2014). Als een mitigatie  optie  niet  beschikbaar  is  zullen  de  kosten  van  CO2  reductie  hoger  uitvallen. Volgens  de  meeste  studies  zullen  de  mitigatiekosten  het  meeste  stijgen  als  CCS  niet beschikbaar  is  als CO2 mitigatie  technologie  (Edenhofer  et  al.,  2010; Riahi  et  al.,  2012; Tavoni et al., 2012; Clarke et al., 2014; Krey et al., 2014). Bovendien wordt het 2°C doel moeilijker  te  realiseren  als CCS  technologie niet  inzetbaar  is,  vooral  als mitigatie  acties worden uitgesteld tot 2030 (Edenhofer et al., 2010; Clarke et al., 2014; Riahi et al., 2015). Naar  schatting  wordt  9‐38%  van  de  primaire  energiemix  in  2050  gekoppeld met  CCS technologie (Riahi et al., 2012). 

Onder deze scenario’s wordt tot 2050 ongeveer 55‐250 Gt CO2 afgevangen, voornamelijk in  de  industriële  en  elektriciteitssector.  Om  de  afgevangen  CO2  te  transporteren  naar geschikte  opslagvelden  moet  een  uitgebreid  CO2  transportnetwerk  worden  gebouwd. Momenteel zijn er ongeveer 6.000‐7.000 km CO2 pijpleidingen geïnstalleerd voornamelijk voor ‘enhanced oil recovery’ in de Verenigde Staten (Mohitpour et al., 2012). De schatting is dat  in 2030 ongeveer 100.000 km CO2 pijpleidingen nodig zijn, mits CCS de verwachte schaal haalt van 1,4 Gt vermeden CO2 in 2030 (IEA, 2010). De lengte van het wereldwijde CO2 netwerk wordt in 2050 geraamd op ongeveer 200.000‐550.000 km, afhankelijk van de mate van integratie (IEA, 2010). Om deze getallen in perspectief te plaatsen: de lengte van het  huidige  Europees  transmissienetwerk  voor  aardgas  op  hoge  druk  is  ongeveer 235.000 km  (Marcogaz,  2011).  De meerderheid  van  deze  aardgasleidingen  zijn  echter 

Chapter 8 

262 

 

aangelegd in de laatste eeuw, terwijl het geraamde CO2 netwerk in de komende decennia moet worden gebouwd.  

Hoewel er overeenkomsten  zijn  tussen aardgas en CO2 pijpleidingtransport,  zijn  ze niet één op één met elkaar te vergelijken. Er zijn verschillende kennishiaten  in onder andere de configuratie van het pijpleidingsysteem, het ontwerp en de operationele aspecten van CO2  pijpleidingen,  de  consequenties  van  onzuiverheden  en  veiligheidsaspecten.  Dit proefschrift beperkt zich tot het verwerven van inzichten in de optimale configuraties en de economische aspecten van het CO2 transportsysteem bestaande uit zowel pijpleiding‐ als  schiptransport.  Voor  de  optimale  pijpleidingconfiguratie  worden  de voorkeursdiameter,  operationele  druk,  locatie  van  compressie‐  en  pompstations meegenomen alsmede de keuze tussen een punt‐naar‐punt pijpleiding (i.e., de verbinding tussen één bron en één opslagveld) en een trunkline, die CO2 transporteert van meerdere bronnen. Deze studie richt zich op de transportsysteemconfiguratie omdat deze over de tijd grote impact heeft op de kosten, ontwikkeling en planning van een CO2 infrastructuur. De optimale configuratie kan beïnvloedt worden door onzekerheden, veiligheidsaspecten en  onzuiverheden.  In  dit  proefschrift  zijn  de  gevolgen  van  onzekerheden  en veiligheidsaspecten op de ontwikkeling en configuratie van CO2 infrastructuur onderzocht. De gevolgen van onzuiverheden zijn echter buiten beschouwing gelaten.   

Doelstelling en onderzoeksvragen 8.2

Het doel van dit proefschrift is om methoden te analyseren, ontwikkelen en testen, voor het  ontwerp,  ontwikkeling  en  evaluatie  van  kosteneffectieve  configuraties  van  CO2 

infrastructuren  en  hoe  deze  kennis  de  ontwikkeling  van  CO2  infrastructuur  op  continentale, nationale en regionale schaal kan faciliteren. 

Om  de  doelstelling  te  beantwoorden,  zijn  de  volgende  drie  onderzoeksvragen geformuleerd:  

OV 1.   Welke kostenmodellen zijn beschikbaar voor het schatten van de kosten van CO2 pijpleidingen,  wat  zijn  de  belangrijkste  modelfactoren  die  de  kosten  bepalen  en  hoe kunnen de kostenmodellen worden geharmoniseerd?  

OV 2.   Wat  zijn  meest  kosteneffectieve  configuraties  voor  CO2  pijpleidingen  en netwerken en op welke manier veranderen deze door veiligheidsaspecten? 

OV 3.   Welke  onzekerheden  hebben  invloed  op  de  economische  levensvatbaarheid  en ontwerp  van  een  CO2  infrastructuur  en  hoe  beïnvloeden  deze  onzekerheden  het besluitvormingsproces in de ontwikkeling van een CO2 transportinfrastructuur?  

Samenvatting van de resultaten per hoofdstuk 8.3

Hoofdstuk  2  geeft  een  systematische  en  beknopt  literatuuroverzicht  van  de kostenmodellen  voor  CO2  pijpleidingen  en  pompstations.  De  verschillende kostenmodellen geven een grote kostenrange voor alle pijpleidingen maar met name voor leidingen met  een  grote  diameter.  Om  een  voorbeeld  te  geven,  de  kosten  voor  een 

Samenvatting, conclusies en aabevelingen 

263 

 

300 km  lange  pijpleiding  worden  geschat  op  0,11‐0,64  miljoen  euro  per  kilometer (M€2010/km) voor een diameter van 0,30 m en op 1,5‐13 M€2010/km voor een diameter van 1,30 m.  Er  zijn  ook  een  aantal  kostenmodellen  voor  CO2  pijpleidingen  beschikbaar  die gebaseerd zijn op de CO2 massastroom  in plaats van op de diameter. Maar ook bij deze kostenmodellen is de range groot, namelijk van 0,9‐2,1 M€2010/km voor een massastroom van 750 kg/s over 25 km. Omdat alle kostenmodellen voor pijpleidingtransport direct of indirect  gebaseerd  zijn  op  de  pijpleidingdiameter  is  er  een  literatuuroverzicht  gemaakt van  de  verschillende  diametermodellen.  Dit  overzicht  toont  aan  dat  verschillende diametermodellen nauwelijks invloed hebben op de diametervariatie. De diametervariatie wordt  voornamelijk  veroorzaakt door  verschillende aannames  in de drukval of  snelheid van  de  CO2  stroom.  Vervolgens  zijn  de  onzekerheidsintervallen  van  de  verschillende diameter‐ en kostenmodellen voor een specifieke massastroom en lengte gecombineerd. Dit leidt tot een verschil in de minimale en maximale kosten van een factor 10. 

Gebaseerd  op  de  uitkomsten  van  het  literatuuroverzicht  zijn  de  belangrijkste modelfactoren  in  kaart  gebracht  voor  twee  verschillende  doeleinden.  Het  eerste doeleinde  is om een algemene kostenvergelijking van CCS met andere  technologieën  te maken en het tweede om een systeemanalyse over de tijd te doen. Een kostenmodel dat gebruikt wordt voor een algemene kostenvergelijking moet  in  ieder geval gebaseerd zijn op  de  lengte  en  de  CO2  massastroom  of  diameter.  Een  kostenmodel  voor  een systeemanalyse  over  de  tijd  zou  de  pijpleidingtechnologie,  de  ontwikkeling  van materiaalprijzen, operationele druk of dikte van de pijpleiding, terreinaspecten, effecten van onzuiverheden,  lengte  en CO2 massastroom moeten meenemen. De  voorkeur  gaat voor beide  toepassingen uit naar een kostenmodel voor CO2 pijpleidingtransport waarin de  parameters  een  fysische  of  economische  betekenis  hebben.  Dit  type  modellen  is makkelijker te interpreteren en aan te passen aan nieuwe condities. De bevindingen laten verder zien dat dat de kosten voor pompstations zouden moeten worden gerelateerd aan de capaciteit van het pompstation. Ook zou het kostenmodel enige schaalvoordelen voor pompstations met een grote capaciteit moeten meenemen. De kostenrange die gevonden is  in de  literatuur  is echter erg groot, namelijk 3,1‐36 M€2010 voor een pompstation met een capaciteit van 1,25 MWe. Daarom is verdere validatie van de kosten van pompstations noodzakelijk. 

In hoofdstuk 3  is een nieuw  kostenmodel  voor CO2 pijpleidingtransport ontwikkeld. Dit kostenmodel start met de fysische eigenschappen van CO2 transport, neemt verschillende staalkwaliteiten mee  en  is  gebaseerd  op  recente materiaal‐  en  constructiekosten.  Het kostenmodel  is  vervolgens  gebruikt  als  input  voor  een  nieuw  ontwikkeld kostenminimalisatiemodel.  Het  kostenminimalisatiemodel  bepaalt  de  optimale configuratie voor punt‐naar‐punt pijpleidingen en voor simpele transportnetwerken over verschillende  terreintypes  en  voor  verschillende  tijdsperiodes.  In het model worden de ingangsdruk,  diameter,  staalkwaliteit  en  aantal  pompstations  geoptimaliseerd.  De resultaten  laten  zien  dat  gasvormig  CO2  transport  vanuit  een  ketenperspectief  lagere kosten  per  ton  CO2  kan  hebben  dan  vloeibaar  CO2  transport  voor  punt‐naar‐punt pijpleidingen en voor simpele  transportnetwerken. CO2  transport  in de gasfase  lijkt met name  interessant  te zijn voor het  transport van kleine CO2 massastromen die vrijkomen 

Chapter 8 

264 

 

op een  korte afstand  van een opslagveld met een  lage  reservoirdruk, bijvoorbeeld een leeg  aardgasveld.  De  reden  hiervoor  is  dat  de  hogere  pijpleidingkosten  worden gecompenseerd door de  lagere kosten voor  initiële compressie. Transport van vloeibaar CO2  is  kosteneffectiever  dan  van  gasvormig  CO2  naar  opslagvelden  met  een  hoge reservoirdruk  (zoals  aquifers)  of  over  lange  afstanden.  De  optimale  ingangsdruk  voor pijpleidingen op land die vloeibaar CO2 transporteren is ongeveer 9‐13 MPa, pompstations zijn  ruwweg  elke  50‐100 km  nodig  en  qua  materiaal  kan  het  beste  gebruik  worden gemaakt van hogere staalkwaliteiten  (e.g., het gebruik van koolstofstaal X120  reduceert de pijpleidingskosten tot 17% in vergelijking met X80). De meeste pijpleidingen op zee en pijpleidingen  die  gasvormig  CO2  transporteren  profiteren  niet  van  de  ontwikkeling  van staalsoorten met een hogere kwaliteit door de minimale dikte eis. De  resultaten  tonen verder  aan  dat  overdimensionering  van  pijpleidingen,  om  te  anticiperen  op  grotere toekomstige  CO2  stromen,  niet  altijd  kosteneffectief  is.  De  kosteneffectiviteit  van overdimensionering hangt sterk samen met de tijd waarna extra CO2 bronnen beschikbaar komen  en  met  de  hoeveelheid  CO2  van  die  bronnen.  Over  het  algemeen  is overdimensionering  alleen  aantrekkelijk  als  een  tweede  CO2  bron  binnen  5‐10  jaar beschikbaar komt.  

Hoofdstuk  4  evalueert  de  gevolgen  van  veiligheidsvoorschriften  voor  de  optimale configuratie,  kosten  en  route  van  CO2  pijpleidingen.  Hiervoor  is  een  kwantitatieve risicoanalyse  gecombineerd met  een  economische  evaluatiemethode  en  een  ruimtelijk model. Eerst zijn, op basis van de huidige veiligheidsvoorschriften, de plaatsgebonden‐ en groepsrisico’s  van  CO2  pijpleidingtransport  berekend.  Vervolgens  zijn  de  effecten  van extra  risico mitigerende maatregelen op het  plaatsgebonden  risico  geanalyseerd  en  de economische consequenties van deze maatregelen berekend. Als laatste wordt ruimtelijk bekeken of het kostenefficiënter  is om de route van de pijpleiding  te veranderen of om extra risico mitigerende maatregelen te implementeren. Deze analyse is gedaan voor drie casestudies  in  Nederland.  Deze  casestudies  vertegenwoordigen  een  punt‐naar‐punt pijpleiding, een  zogenaamde  trunkline die CO2  transporteert van meerdere bronnen, en een pijpleiding geïnstalleerd  in een bestaande pijpleidingenstraat. De uitkomsten wijzen erop dat CO2 pijpleidingtransport in de vloeibare fase leidt tot kleinere letaliteitsafstanden en  plaatsgebonden  risico’s  dan  CO2  pijpleidingtransport  in  de  gasfase

1.  Dit  wordt veroorzaakt door het grote momentum van een vloeibare CO2 uitstroom, welke  leidt tot een kleinere maar hogere pluim en grotere mengratio met de omliggende lucht dan voor een gasvormige CO2 uitstroom. De 10‐6 plaatsgebonden risico’s van een pijpleiding zonder extra  risico mitigerende maatregelen  zijn bijvoorbeeld berekend op 0 m  voor  vloeibaar CO2 en 770 m voor gasvormig CO2 transport met een massastroom van 4,5 Mt/jaar en een verticaal  georiënteerde  uitstroom2.  De  10‐6  plaatsgebonden  risico’s  kunnen  voor  de gasvormige casus worden gereduceerd van 770 m tot 100 m als de pijpleiding begraven 

                                                                 1 Vloeibaar CO2 verwijst in dit hoofdstuk naar CO2 dat vloeibaar is gemaakt door het op druk te brengen van de CO2.  2 Een 10

‐6 plaatsgebonden risico  laat de afstand zien waarop de  jaarlijkse overlijdenskans van een persoon die 

zich continu en onbeschermd op een bepaalde plaats bevindt, één op de miljoen (10‐6) is. 

Samenvatting, conclusies en aabevelingen 

265 

 

wordt  op  een  diepte  van  2,0  m,  waarschuwingslint  wordt  geïnstalleerd  en  extra surveillance wordt toegepast. Dit verhoogt de kosten van de pijpleiding met ongeveer 4%. Er zijn geen extra risico mitigerende maatregelen nodig voor de vloeibare casussen om te voldoen aan de Nederlandse voorschriften.  In onze casestudies hebben pijpleidingen die vloeibaar  CO2  transporteren  geen  10

‐6  plaatsgebonden  risico’s maar  pompstations  die circa  14 MtCO2/jaar  behandelen  hebben  10

‐6  plaatsgebonden  risico’s  van  circa  135 m. Rekening  houdend met  het  plaatsgebonden  risico  kunnen  de  benodigde  pompstations worden geplaatst  langs de trunkline. Desalniettemin zou het  interessant kunnen zijn om de operationele druk in de trunkline te verhogen om zo het aantal pompstations terug te dringen of in zijn geheel te voorkomen. Dit laatste zou de pijpleidingkosten met ongeveer 20% verhogen. Gebaseerd op de uitgevoerde casestudies kan worden geconcludeerd dat vloeibaar CO2 transport veilig  is, mits het goed georganiseerd  is. Zelfs zonder extra risico mitigerende  maatregelen  zijn  de  risico’s  hanteerbaar  en  binnen  de  grenzen  die vastgesteld zijn onder de Nederlandse voorschriften, welke strikter of vergelijkbaar is met de voorschriften in veel andere Europese landen. Er wordt verwacht dat de routebepaling van vloeibaar CO2 transport vergelijkbaar is met aardgastransport. De routebepaling voor gasvormig  CO2  transport  lijkt  echter  een  grotere  uitdaging  te  vormen  in  dichtbevolkte gebieden omdat gasvormig CO2 transport grotere veiligheidsafstanden heeft. 

Hoofdstuk 5 analyseert de investeringsbeslissing tussen CO2 schip‐ en pijpleidingtransport en  houdt  daarbij  rekening met  de waarde  van  flexibiliteit.  De  netto  contante waarde (NCW) methode wordt  eerst  toegepast  om  de  voorkeur  tussen  schip  en  pijpleiding  te bepalen en om te evalueren of het gehele CCS project, bestaande uit een kolencentrale en een  opslagreservoir  op  zee,  winstgevend  is.  In  de  NCW  methode  is  flexibiliteit  niet aanwezig en ook niet nodig. Pijpleiding‐ en schiptransport kunnen echter anticiperen op onzekerheden  in bijvoorbeeld de CO2 prijs, de capaciteitsfactor van de kolencentrale en het  volume  van het opslagveld.  Er  zijn  verschillende  flexibiliteitsopties  aanwezig om  te reageren op onzekerheden. In hoofdstuk 5 zijn drie opties geanalyseerd, namelijk de optie om tijdelijk de CO2 afvang installatie uit te schakelen, de optie om te stoppen met het CCS project en de optie om naar een ander opslagveld te gaan als het eerste opslagveld vol is. De waarde per optie en van alle opties samen zijn berekend met de kleinste kwadraten Monte Carlo methode. Dit  is een reële optie methode (ROA). Resultaten van de NCW en ROA  laten  zien  dat  schiptransport  het meest  kosteneffectief  is  voor  CO2  transport  van kleine  hoeveelheden  over  grotere  afstanden.  Om  een  voorbeeld  te  geven,  voor  een ontwerpcapaciteit van 2,5 Mt/jaar geniet pijpleidingtransport de voorkeur bij een afstand van 250 km en schiptransport bij een afstand van 500 km.  

Volgens de ROA  is de meest waardevolle optie voor de 10 MtCO2/jaar configuraties om naar een ander opslagveld te gaan als het eerst opslagveld vol  is. Deze optie  is voor een ontwerpcapaciteit van 10 MtCO2/jaar circa 10% meer waard voor de pijpleiding‐ dan voor de  schipconfiguratie,  ondanks  de  veel  hogere  kosten  on  naar  een  ander  opslagveld  te gaan voor de pijpleidingconfiguraties. De optie om te switchen naar een ander opslagveld maakt  de  projectwaarde  positief  voor  alle  geanalyseerde  10 MtCO2/jaar  configuraties. Pijpleidingtransport  geniet  hierbij  de  voorkeur  boven  schiptransport.  De  optie  om  te stoppen met  het  project  is  het waardevolst  voor  kleinere  ontwerpcapaciteiten,  en  dit 

Chapter 8 

266 

 

geldt  met  name  voor  de  schipconfiguraties.  Deze  optie  is  echter  noch  alleen,  noch gecombineerd met de andere opties, genoeg om de projectwaarde positief te maken of om de  voorkeur  schip‐  en pijpleidingtransport  te  veranderen  voor ontwerpcapaciteiten van  1,0  en  2,5 MtCO2/jaar.  De  voorkeur  voor  onze  casestudies  verandert  niet  van pijpleiding‐ naar  schiptransport door het meenemen van de waarde van  flexibiliteit. De belangrijkste  redenen hiervoor zijn dat de variabele kosten van schepen 50% hoger zijn dan voor pijpleidingen en het feit dat de andere componenten van de schipketen, welke circa  70‐80%  van  de  kosten  vertegenwoordigen,  (bijna)  net  zo  inflexibel  zijn  dan pijpleidingen.  De  analyse  laat  verder  zien  dat  beide  10 MtCO2/jaar  configuraties winstgevend zijn met de ROA, terwijl ze niet winstgevend zijn met de NCW methode. De waarde van de belangrijkste flexibiliteitsopties zou dus moeten worden meegenomen om te voorkomen dat projecten die winstgevend zijn toch niet worden uitgevoerd, omdat de NCW  negatief  is.  De  kleinste  kwadraten Monte  Carlo methode  die  toegepast  is  in  dit hoofdstuk  kan worden  gebruikt om de waarde  van  flexibiliteit  van  verschillende opties voor verschillende technologieën te analyseren.  

In  hoofdstuk  6  is  geanalyseerd  of,  en  zo  ja  in welke mate,  onzekerheid  de  lay‐out  en kosten  beïnvloedt  van  een  CCS  infrastructuur.  De  CCS  infrastructuur  in  dit  hoofdstuk bestaat uit  verschillende  type CO2 bronnen, pijpleidingen en opslagvelden. Er  zijn  twee verschillende  modellen  ontwikkeld  en  met  elkaar  vergeleken  om  de  invloed  van onzekerheid te analyseren. Het eerste model reflecteert een case zonder onzekerheid en is gebaseerd op een situatie met volledige voorkennis, een zogenaamd ‘perfect foresight’ (PF) model. Het  tweede model  is  gebaseerd  op  de  reële  optie  theorie  (ROA). Dit  ROA model neemt onzekerheden  in de CO2 prijs, het  tarief per  ton CO2 dat getransporteerd wordt en het moment waarop, de kans en bereidheid dat bronnen zich aansluiten op het CO2 transport netwerk mee. De resultaten laten zien dat de benodigde CO2 prijs, voordat bedrijven een investering maken  in CCS, bijna verdrievoudigd met de ROA  in vergelijking met de NCW methode. De benodigde CO2 prijs is sterk afhankelijk van de volatiliteit (i.e., standaard afwijking) in de CO2 prijs. Om een voorbeeld te geven, een poederkoolcentrale zal, gegeven de huidige volatiliteit van 47%, beginnen met CCS bij een CO2 prijs van 99 €/t terwijl de benodigde CO2 prijs  zakt naar 47 €/t  in het geval van een volatiliteit van 5%. Desondanks is dit nog steeds 30% hoger dan de break‐even prijs van 36 €/t van de NCW methode. Dit betekent in de praktijk dat er minder bronnen worden uitgerust met CCS en dat  er minder  CO2 wordt  afgevangen  en  opgeslagen  over  de  tijd.  In  de  geanalyseerde casestudie  wordt  bijvoorbeeld  gedurende  de  periode  2015‐2050  volgens  het  base scenario van de ROA naar verwachting 31 Mt CO2 afgevangen. Volgens het base scenario van het PF model is dit 137 Mt CO2. Als de volatiliteit van de CO2 prijs afneemt met 50% tot 23%, dan wordt er naar verwachting 96 Mt afgevangen  in de ROA. Dit  is nog steeds bijna 1/3 minder dan met het PF model. De resultaten laten verder zien dat onzekerheid tot minder trunklines leidt en tot een stijging van het aantal punt‐naar‐punt pijpleidingen. Dit alles tezamen resulteert in een stijging van de gemiddelde transport‐ en opslagkosten. De  gemiddelde  CO2  transport‐  en  opslagkosten  nemen  voor  onze  casestudie  toe  van 2,9 €/t  (PF  model)  tot  13  €/t  (ROA)  in  het  base  scenario  in  2050.  Dit  onderzoek demonstreert de grote  impact die onzekerheid heeft op de  implementatiegraad van CCS en op de kosten om een geschikte infrastructuur te ontwikkelen.  

Samenvatting, conclusies en aabevelingen 

267 

 

Beantwoording van de onderzoeksvragen 8.4

OV 1.   Welke  kostenmodellen  zijn beschikbaar  voor het  schatten  van de  kosten  van CO2 pijpleidingen, wat zijn de belangrijkste modelfactoren die de kosten bepalen en hoe kunnen de kostenmodellen worden geharmoniseerd?  

Er zijn veertien verschillende kostenmodellen voor CO2 pijpleidingtransport in de literatuur geïdentificeerd.  Deze  kunnen  worden  onderverdeeld  in  vijf  verschillende  type kostenmodellen:  

‐ Lineaire kostenmodellen ‐ Kostenmodellen gebaseerd op het gewicht van de pijpleiding  ‐ Kwadratische vergelijkingen ‐ CMU model, die een Cobb Douglas vergelijking volgt ‐ Kostenmodellen gebaseerd op de massastroom 

De  verschillende  kostenmodellen  zijn  geharmoniseerd  om  een  eerlijke  vergelijking mogelijk  te maken. Dit houdt  in dat alle  terrein,  regionale en andere  factoren op 1  zijn gezet. Verder zijn de kosten gecorrigeerd met een geschikte kostenindex zodat alle kosten uitgedrukt worden  in dezelfde geldeenheid en  referentiejaar. Na de harmonisatie geven alle  kostenmodellen  de  kosten  in  €2010  voor  pijpleidingen  op  land  over  vlak  terrein. Vervolgens worden de kostenmodellen met elkaar vergeleken voor verschillende  lengtes en  diameters  of  massastromen.  Ten  slotte  zijn  de  verschillende  onderliggende kostenrelaties geanalyseerd.  

Een verdubbeling van de diameter leidt tot 2 tot 3,8 keer zo hoge investeringskosten. Dit wijst op significante schaalvoordelen per ton getransporteerde CO2. Er is geen eenduidige correlatie  tussen  de  lengte  en  kosten  van  pijpleiding  op  land.  De  verschillende kostenmodellen laten, bij verdubbeling van de lengte van de pijpleiding, namelijk relaties zien die variëren van een kostendaling van 10% tot een kostenstijging van bijna 18% per kilometer pijpleiding. Voor het fenomeen van een kostenstijging kon in de geraadpleegde literatuur geen verklaring worden gevonden. Zodoende  lijkt een  lineaire kostenrelatie of een  kostenrelatie  met  een  bescheiden  schaalvoordeel  het  meest  geschikt  voor pijpleidingen op land.  

Twee  tegengestelde  effecten  beïnvloeden  de  relatie  tussen  lengte  en  kosten  voor pijpleidingen op zee. Het eerste effect  laat de kosten per kilometer pijpleiding stijgen als de pijpleidinglengte toeneemt. Dit wordt veroorzaakt doordat de diameter moet worden vergroot om het drukverlies per kilometer te verkleinen of doordat de ingangsdruk moet worden  verhoogd wat  een  sterkere  pijpleiding  vereist.  Het  tegengestelde  effect wordt veroorzaakt door schaalvoordelen gerelateerd met de aanleg van pijpleidingen op zee. Dit wordt  veroorzaakt  doordat  de  kostbare  land  ‐  zee  verbinding maar  één  keer  hoeft  te worden aangelegd en doordat het materieel dat nodig  is om pijpleidingen aan te  leggen op zee efficiënter kan worden gebruikt.  

Figuur  8.1  geeft  een  overzicht  van  de  kosten  die  geschat  zijn  door  de  verschillende kostenmodellen  voor een 25  km  lange pijpleiding op  land met  verschillende diameters. Daarnaast  zijn  er  verschillende openbare  kostenschattingen  van bestaande of  geplande 

Chapter 8 

268 

 

CO2  pijpleidingen weergegeven  in  Figuur  8.1. Het  overzicht  laat  een  grote  kostenrange zien voor een bepaalde diameter. Daar zijn drie hoofdredenen voor:  

‐ De meeste  kostenmodellen,  behalve  de  kostenmodellen  die  gebaseerd  zijn  op  het gewicht van de pijpleiding, nemen niet mee dat CO2 pijpleidingen opereren onder een hogere druk dan aardgaspijpleidingen. Hierdoor onderschatten ze de kosten.  

‐ Sommige kostenmodellen nemen de sterke stijging van de materiaal‐ en aanlegkosten mee  van  het  laatste  decennium,  terwijl  andere  dit  niet  doen.  Alhoewel  de  kosten gecorrigeerd  zijn  met  een  geschikte  kostenindex  voor  de  vergelijking,  is  het waarschijnlijk dat er nog  steeds verschillen  zitten  tussen de modellen die dit wel en niet meenemen door de verschillende  fracties van arbeids‐ en materiaalkosten  in de verschillende kostenmodellen en gebruikte index.  

‐ Sommige kostenmodellen zijn op parameters en aannames van  specifieke  terrein en regionale  omstandigheden  gebaseerd,  ondanks  dat  alle  terrein  en  regionale correctiefactoren op 1 zijn gezet.  

 

Figuur  8.1: Vergelijking  van de  verschillende  kostenmodellen  van CO2 pijpleidingtransport  voor verschillende  diameters,  gebaseerd  op  een  25  km  lange  pijpleiding  op  land  over  vlak  terrein. Daarnaast  zijn  openbare  kostenschatting  van  bestaande  en  geplande  CO2  pijpleidingen opgenomen. De vergelijkingen van de verschillende modellen kunnen worden teruggevonden  in hoofdstuk 2 en 3.  

Er  is  een  nieuw  kostenmodel  ontwikkeld  om  de  eerste  twee  tekortkomingen  aan  te pakken. Ons  kostenmodel  is  gebaseerd op het  gewicht  van de pijpleiding,  start met de fysische eigenschappen van CO2 transport en gebruikt recente kostendata voor materiaal‐ en  aanlegkosten. De  resultaten  van dit  kostenmodel  zijn  voor  koolstofstaal X80  en  een maximale operationele druk  van 15 MPa weergegeven  in  Figuur 8.1. Uit de grafiek kan worden  afgeleid  dat  ons  kostenmodel  een  relatief  hoge  kostenschatting  geeft  in vergelijken met de  andere  kostenmodellen, met uitzondering  van het  kostenmodel  van Piessens et al. (2008). 

 

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3

Costs (M

€2010/km)

Outer diameter (m)

Parker et al., 2004

Broek et al., 2010

Heddle et al., 2003

ElementEnergy, 2010

Piessens et al., 2008

Piessens et al., adapted

Gao et al., 2011

IEA GHG, 2002. ANSI 900#

IEA GHG, 2002. ANSI 1500#

McCoy and Rubin, 2008

This study, X80, 15 MPa

Alberta Carbon Trunk line

Kingsnorth CCS

Kinder Morgan

Weyburn

Denbury

Samenvatting, conclusies en aabevelingen 

269 

 

Het ontwikkelde kostenmodel kan met een aantal kleine aanpassingen geschikt worden gemaakt  voor pijpleidingtransport op  zee. De belangrijkste  aanpassing  is de  toevoeging van  een  vast  bedrag  van  35  M€  om  de  land‐zee  connectie  te  realiseren  en  om  het materieel te mobiliseren dat nodig is om pijpleidingen op zee aan te leggen.  

Pijpleidingen moeten voldoen aan veiligheidsvoorschriften. Bestaande  risico mitigerende maatregelen,  zoals waarschuwingslint, betonnen beschermplaten  en  afsluitkleppen,  zijn beschikbaar  om  de  faalkans  te  verkleinen  of  om  de  consequenties  van  een pijpleidingongeluk  te beperken. Extra  risico mitigerende maatregelen zijn voor vloeibaar CO2  transport  niet  noodzakelijk  om  aan  de  Nederlandse  richtlijnen  te  voldoen,  welke vergelijkbaar  of  strikter  zijn met  de  richtlijnen  van  veel  andere  verschillende  Europese landen.  Onder  de  bestudeerde  scenario’s,  lijken  veiligheidsaspecten  daarom  geen belangrijke  kostenbepalende  factor  te  zijn  voor  CO2  transport  in  de  vloeibare  fase. De investeringskosten  voor  pijpleidingen  die  gasvormig  CO2  transport  vervoeren  over  land kunnen met maximaal circa 15% stijgen om aan de veiligheidsvoorschriften te voldoen.  

OV 2.   Wat  zijn  meest  kosteneffectieve  configuraties  voor  CO2  pijpleidingen  en netwerken en op welke manier veranderen deze door veiligheidsaspecten? 

CO2  transport  kan  niet  als  losstaand  onderdeel  worden  geanalyseerd  en  moet  deel uitmaken  van  een  ketenanalyse.  Zo  moeten  de  eigenschappen  van  de  CO2  uit  de afvanginstallatie en de eisen van het opslagveld worden meegenomen. De kosten van het op druk brengen van de CO2 vallen vaak onder de CO2 afvangkosten.  In dit proefschrift worden  deze  echter  meegenomen  in  het  transportsysteem  omdat  de  ingangsdruk belangrijk  is om het CO2  transportsysteem  te optimaliseren. Er  is  in dit proefschrift een kostenminimalisatiemodel  ontwikkeld  die  de  ingangsdruk,  diameter,  pompstations  en verschillende  staalkwaliteiten  meeneemt  om  tot  optimale  configuraties  voor  CO2 pijpleidingtransport  te komen. Met dit kostenminimalisatiemodel  is het mogelijk om de afvanginstallatie en het transportsysteem met elkaar te integreren.  

Het kostenminimalisatiemodel laat zien dat CO2 transport in de gasfase een optie kan zijn voor  punt‐naar‐punt  pijpleidingen  en  voor  kleinschalige  transportnetwerken  die  een geringe  lengte  beslaan,  een  beperkt  volume  transporteren  en  de  CO2  opslaan  in  een opslagveld  met  een  lage  reservoirdruk,  zoals  een  uitgeput  aardgasveld.  Een  ontwerp waarbij  gebruik  wordt  gemaakt  van  een  verzamelpunt  om  gasvormige  CO2  van verschillende  afvanglocaties  te  comprimeren  naar  vloeibare  CO2  is  vaak  minder kostenefficiënt  dan  een  ontwerp  waarbij  de  CO2  bij  elke  opvanglocatie  afzonderlijk gecomprimeerd wordt. CO2 transport  in de vloeibare fase  is meestal de beste optie voor pijpleidingen  en  pijpleidingnetwerken  als  ze  een  lange  lengte  hebben,  grote  volumes transporteren  of  als  de  CO2  opgeslagen  wordt  in  een  opslagveld  met  een  hoge reservoirdruk, zoals aquifers. Voor pijpleidingen op land die vloeibaar CO2 vervoeren, is de optimale  druk  circa  9‐13  MPa  en  de  adviesafstand  tussen  pompstations,  vanuit  een economisch perspectief, is 50‐100 km. Pompstations zijn geen optie voor pijpleidingen op zee  en  daarom moet  de  ingangsdruk worden  verhoogt  of moet  de  specifieke  drukval worden verlaagt. Dit  laatste kan door het vergroten van de diameter van de pijpleiding worden gerealiseerd.  

Chapter 8 

270 

 

Nadat  verschillende  kosteneffectieve  pijpleidingconfiguraties  voor  een  specifieke massastroom en  lengte zijn gevonden,  is een kwantitatieve risicoanalyse uitgevoerd. Dit betekent dat de plaatsgebonden risico’s voor CO2 pijpleidingtransport worden berekend met  en  zonder  verschillende  risico  mitigerende  maatregelen  zoals  waarschuwingslint, extra  surveillance,  betonnen  beschermplaten  etc.  Vervolgens  is  onderzocht  of  de pijpleidingroute  kan  worden  bepaalt  met  inachtneming  van  de  Nederlandse veiligheidsvoorschriften.  Deze  voorschriften  stellen  dat  kwetsbare  objecten  (zoals scholen, huizen, ziekenhuizen etc.) niet mogen worden blootgesteld aan plaatsgebonden risico’s boven 1 op de miljoen (10‐6).  

De kwantitatieve risicoanalyse  laat zien dat er veiligheidsrisico’s aan CO2 transport  in de gasfase  zijn  verbonden.  Het  10‐6  plaatsgebonden  risico  is  bijvoorbeeld  770  m  voor 4,5 Mt/jaar en 125 m voor 1,1 Mt/jaar voor pijpleidingen zonder extra risico mitigerende maatregelen.  Deze  10‐6  plaatsgebonden  risico’s  kunnen  worden  gereduceerd  tot respectievelijk 100 m en 0 m als meerdere  risico mitigerende maatregelen  tegelijkertijd worden toegepast. Deze extra maatregelen verhogen de  investeringskosten met 2%‐11% voor de geanalyseerde casestudies. Een 10‐6 plaatsgebonden risico van 100 m bemoeilijkt de  routebepaling  van  CO2  pijpleidingen  in  ieder  geval  in  dichtbevolkte  landen  zoals Nederland. CO2 transport in de gasfase wordt daarom niet aangeraden voor het transport van  grote  volumes  die  bijvoorbeeld  worden  uitgestoten  door  een  kolencentrale  of staalfabriek.  In het algemeen wordt CO2 transport  in de gasfase alleen geadviseerd voor het transporteren van beperkte hoeveelheden (<1 Mt/y) over kleine afstanden.  

Pijpleidingen die vloeibaar CO2 transporteren hebben geen 10‐6 plaatsgebonden risico’s en 

voldoen al aan de veiligheidsvoorschriften  zonder extra  risico mitigerende maatregelen. Daarom  zijn extra  risico mitigerende maatregelen niet nodig  vanuit  veiligheidsoogpunt. Enkele  zeer goedkope  risico mitigerende maatregelen,  zoals waarschuwingslint, kunnen echter deel uitmaken van een  ‘no‐regret’ strategie.  In  tegenstelling  tot pijpleidingen die vloeibaar  CO2  transporteren,  hebben  pompstations  die  14 MtCO2/jaar  behandelen  een  10‐6 plaatsgebonden risico van 135 m. Alhoewel pompstations geplaatst kunnen worden langs de pijpleidingroute met  inachtneming  van de  veiligheidsvoorschriften,  kan het de voorkeur hebben om de ingangsdruk te verhogen om te voorkomen dat er pompstations in het pijpleidingtracé moeten worden geplaatst. Een extra voordeel van deze oplossing is dat pompstations later kunnen worden toegevoegd aan de pijpleiding als het CO2 volume in de pijpleiding over de tijd toeneemt. Dit resulteert in een extra flexibiliteitsoptie die een aanzienlijke waarde kan hebben.  

OV 3.   Welke onzekerheden hebben  invloed op de economische  levensvatbaarheid en ontwerp  van  een  CO2  infrastructuur  en  hoe  beïnvloeden  deze  onzekerheden  het besluitvormingsproces in de ontwikkeling van een CO2 transportinfrastructuur?  

Veel  aspecten  van  CCS  ontwikkeling  hebben  onzekerheden,  zoals  het  volume  in  het opslagveld, wanneer bronnen starten met CCS, de prijs van CO2 en andere producten. De beslissing om te investeren in (of het doorgaan met) een CCS project zou moeten worden gemaakt met deze onzekerheden in het achterhoofd.  

Samenvatting, conclusies en aabevelingen 

271 

 

In de  literatuur  is het gebruikelijk om een  investeringsbeslissing  te baseren op de netto contante waarde (NCW) methode. Deze methode gaat er vanuit dat een investering nu of nooit moet worden gedaan. Verder neemt de NCW methode aan dat de  inkomsten en kosten  bekend  zijn  over  de  gehele  levensduur  van  het  project.  Aanpassingen  aan  het project zijn niet nodig en ook niet mogelijk nadat de investeringsbeslissing is genomen. In de  praktijk  kunnen  investeringen  echter  worden  uitgesteld  om meer  informatie  in  te winnen  over  de  toekomst  en  verder  zullen  bedrijven  reageren  op  veranderde omstandigheden.  In  dit  proefschrift  is  daarom  gebruik  gemaakt  van  een  reële  optie methode (ROA) die de waarde van verschillende flexibiliteitopties, zoals het uitstellen van of het stoppen met een project, meeneemt.  

In de onzekere beginfase van CCS kunnen schepen een voordeel hebben ten opzichte van pijpleidingen  door  hun  hogere  restwaarde.  Verder  wordt  schiptransport  flexibeler genoemd dan pijpleidingtransport omdat schepen makkelijker naar andere opslagvelden kunnen  gaan  (IEA GHG,  2004; Decarre  et  al.,  2010;  Vermeulen,  2011). De waarde  van flexibiliteit zou de voorkeur kunnen veranderen van pijpleiding‐ naar schiptransport. Om te onderzoeken of dit inderdaad het geval is, worden deze twee transportmethoden met elkaar  vergeleken  en daarbij wordt de waarde  van drie  verschillende  flexibiliteitsopties meegenomen. Deze  flexibiliteitsopties  zijn de optie om met het project  te  stoppen, de optie om de CO2 afvanginstallatie tijdelijk uit te schakelen en de optie om een verbinding te maken naar een ander opslagveld. De resultaten laten zien dat geen van deze opties de voorkeur  van  pijpleiding  naar  schiptransport  verandert.  De  projectwaarde  voor  beide transportvormen wordt echter positief als de optie om naar een ander opslagveld te gaan wordt meegenomen voor een project met een ontwerpcapaciteit van 10 Mt/jaar en een afstand van 250 of 500 km. 

De  bevindingen  laten  verder  zien  dat  vooral  de  onzekerheid  in  de  CO2  prijs  een  grote invloed heeft op de beslissing om  te  investeren  in  een CCS project. De benodigde CO2 prijs, voordat een  investering wordt gedaan, verdrievoudigt bijna  in vergelijking met de NCW methode, als aangenomen wordt dat de CO2 prijs een volatiliteit heeft van 47% zoals blijkt  uit  historische  data.  Het  gevolg  is  dat  CCS  projecten  later  in  de  tijd  worden ontwikkeld dan oorspronkelijk gedacht. 

De CO2 prijs en het implementatieniveau van CCS zullen naar verwachting stijgen over de tijd. Dit betekent dat ook de bijbehorende CO2 infrastructuur moet toenemen over de tijd. Pijpleidingen  die  CO2  van meerdere  bronnen  transporteren  in  een  trunkline  leiden  tot aanzienlijke  schaalvoordelen  in  vergelijking met  een  infrastructuur waar  elke  connectie tussen  een  bron  en  opslagveld  een  eigen  punt‐naar‐punt  pijpleiding  heeft.  Als  het implementatietempo  van  CCS  lager  ligt  dan  verwacht  dan  neemt  de  kosteneffectiviteit van  trunklines af.  In het ergste geval wordt de bestaande  capaciteit van  trunklines niet geheel  benut.  Twee  aparte  punt‐naar‐punt  pijpleidingen  die  dezelfde  hoeveelheid  CO2 transporteren zijn kosteneffectiever dan een trunkline indien de tweede bron niet binnen 5  tot 10  jaar beschikbaar  is. Het  tempo en  tijdstip van CCS ontwikkeling  is van  cruciaal belang  in  de  ontwikkeling  van  een  kosteneffectieve  infrastructuur,  vooral  als  de schaalvoordelen benut willen worden.  

Chapter 8 

272 

 

Er  bestaan  verschillende methodes  om  een  kosteneffectieve  infrastructuur  te  plannen over de  tijd. Veel van de bestaande methodes  zijn gebaseerd op  ‘perfect  foresight’. Dit betekent  dat  de  infrastructuur wordt  gepland met  de  optimale  uitkomst  in  gedachten zonder rekening te houden met enige barrières of onzekerheden (onder andere: Van den Broek et al., 2010; Middleton et al., 2012; Morbee et al., 2012). Op deze manier kunnen de  laagst  mogelijk  kosten  gerealiseerd  worden.  Verder  kunnen  er  inzichten  in aantrekkelijke  CO2  transportconfiguraties  worden  verkregen.  Deze  inzichten  van  de ‘perfect  foresight’ modellen kunnen behulpzaam  zijn voor overheden om aantrekkelijke locaties  van  trunklines  te  evalueren  en  condities  te  leveren  om  deze  trunklines  te realiseren.  

Een andere methode, die ontwikkeld is in dit proefschrift, is gebaseerd op de reële optie theorie. Deze methode neemt het feit mee dat investeringsbeslissingen worden gemaakt met onzekerheid over toekomstige prijzen, de mogelijkheid dat andere bronnen ook CCS gaan  toepassen,  etc.  De  reële  optie methode  gaat  uit  van  een  bedrijfsperspectief  en onderzoekt  of  het  interessant  is  om  extra  investeringen  te  doen,  daarbij  rekening houdend  met  de  verwachte  winst  en  de  onzekerheid  daarvan.  Het  vergelijken  van investeringsbeslissingen en de  lay‐outs van CO2  transport met een  ‘perfect  foresight’ en reële  optie  methode  leidt  tot  inzichten  over  de  effecten  van  onzekerheid  op  de economische levensvatbaarheid en ontwerp van een CO2 infrastructuur.  

In  een  ‘perfect  foresight’  model  worden  pijpleidingen  met  meerdere  nominale pijpleidingmaten  overgedimensioneerd  om  ook  CO2  massastromen  van  bronnen  te vervoeren  die  een  aantal  jaren  later  starten met  CCS. Vooral  de  kleinere  CO2 bronnen profiteren  van  de  aanwezigheid  van  trunklines.  In  de  aanwezigheid  van  onzekerheid wanneer naastgelegen bronnen starten met CCS nemen slechts een aantal bedrijven het risico om hun pijpleiding te overdimensioneren. Verder worden de pijpleidingen vaak met maar  één  maat  overgedimensioneerd.  Er  is  bij  onzekerheid  dus  slechts  sprake  van beperkte overdimensionering. Het gevolg  is dat er maar  in beperkte mate overcapaciteit in  de  pijpleidingen  is  en  daarom worden meerdere  kleinere  pijpleidingen  naast  elkaar aangelegd. In de afwezigheid van trunklines starten veel kleine CO2 bronnen niet met CCS omdat de kosten om een eigen pijpleiding aan  te  leggen  te hoog  zijn. De  transport‐ en opslagkosten van onze casestudie stijgen van 2,9 €/t met een ‘perfect foresight’ model tot 13 €/t in een scenario met onzekerheden.  

Er  zijn  slimme  strategieën  nodig  om  optimaal  te  profiteren  van  schaalvoordelen  en tegelijkertijd  het  risico  te  beperken  om  hoge  initiële  investeringskosten  niet  terug  te verdienen.  Samenwerking  tussen  bedrijven  in  dezelfde  regio  zou  moeten  worden gestimuleerd op zo’n manier dat  regionale  transportnetwerken worden ontwikkeld. Een meer  geïntegreerd  nationaal,  of  zelfs  continentaal,  netwerk  kan  hoogstwaarschijnlijk alleen ontwikkeld worden als nationale overheden, of grensoverschrijdende organisaties (zoals  de  Europese  Unie),  een  actieve  rol  hebben  in  de  ontwikkeling  van  een  CO2 infrastructuur.  De  kosten  voor  het  realiseren  van  een  CO2  infrastructuur  zouden aanzienlijk kunnen stijgen als overheden er niet in slagen om samenwerking te stimuleren.   

 

Samenvatting, conclusies en aabevelingen 

273 

 

De  vergelijking  van  een  scenario met  en  zonder  onzekerheid  kan worden  gebruikt  om ongewilde  ontwikkelingen,  zoals  de  uitstel  van  investeringen  in  CCS  technologie,  de ontwikkeling  van  veel  punt‐naar‐punt  pijpleidingen,  en  de  aanwezigheid  van  parallelle pijpleidingen te  identificeren. Met deze  inzichten kunnen vervolgens beleidsmaatregelen worden  geformuleerd  die  deze  ongewilde  ontwikkelingen  tegengaan.  De  ontwikkelde methode  is niet alleen waardevol voor de ontwikkeling van een CO2  infrastructuur maar kan ook worden gebruikt om andere  (infrastructurele) problemen, zoals de ontwikkeling van een glasvezelnetwerk of een waterstofinfrastructuur, te evalueren.  

Slotopmerkingen 8.5

In  dit  proefschrift  zijn  verschillende  methodes  ontwikkeld  om  kosteneffectieve configuraties  voor  CO2  infrastructuur  ontwikkeling  te  ontwerpen  en  te  evalueren.  De ontwikkelde methodes vullen elkaar aan en kunnen opeenvolgend worden gebruikt om een CO2  infrastructuur  te plannen.  Er moet  allereerst worden  geëvalueerd of het  voor bedrijven winstgevend is om te investeren in CCS. Alle relevante opties, zoals het stoppen of  uitstellen  van  een  CCS  project, moeten  bij  deze  analyse worden meegenomen.  De kleinste  kwadraatmethode  (toegepast  in  hoofdstuk  5)  of  de  binominale  methode (gebruikt  in  hoofdstuk  6)  kan  hiervoor worden  gebruikt.  Als  het winstgevend  is  om  te investeren  in  CCS,  moeten  kosteneffectieve  configuraties  voor  CO2  transport  worden bepaald.  Het  kostenminimalisatiemodel  dat  ontwikkeld  is  in  hoofdstuk  3  kan  gebruikt worden om  kosteneffectieve pijpleidingconfiguraties  voor een gegeven massastroom  te generen. Potentieel interessante trunkline configuraties moeten ook onderzocht worden. Hiervoor kunnen de massastromen van naastgelegen bronnen worden meegenomen als input  in  het  kostenminimalisatiemodel.  Verschillende  configuraties  kunnen  leiden  tot bijna dezelfde  kosten per  ton CO2. Het  is  aan  te bevelen om ook  configuraties mee  te nemen  die  tot  iets  hogere  kosten  leiden maar  die  veiligheids‐  of  flexibiliteitsvoordelen kunnen hebben. Vervolgens moet worden geëvalueerd of de verschillende punt‐naar‐punt pijpleiding en trunkline configuraties, met of zonder extra risico mitigerende maatregelen, voldoen  aan  de  veiligheidsvoorschriften  (zie  hoofdstuk  4).  Als  laatste  moeten  de verschillende  configuraties,  die  voldoen  aan  de  veiligheidsvoorschriften,  met  elkaar vergeleken worden. Aangezien er onzekerheden zitten  in de toekomstige massastromen en  inkomsten kan een Monte Carlo  simulatie  inzicht geven  in de winstverdeling van de verschillende  configuraties  (zie  hoofdstuk  6).  De  meest  interessante  configuratie  is diegene die resulteert in de hoogste gemiddelde projectwaarde en maar een kleine kans heeft op verlies. De onzekerheid of, en wanneer, de verschillende bedrijven gebruik gaan maken  van  het  CO2  netwerk  kan  worden  gereduceerd  met  communicatie  en samenwerking  tussen  de  verschillende  bedrijven  die  CO2  uitstoten.  De  beschreven planningsprocedure kan worden beïnvloed door beleidsmaatregelen. Vooral de eerste en laatste  stap  van  het  planningsproces,  i.e.,  de beslissing  om  te  investeren  in  CCS  en  de beslissing  om  te  investeren  in  een  bepaalde  transportconfiguratie,  zijn  te  beïnvloeden door beleid.   

Voordat  bedrijven  gaan  investeren  in  CCS moet  er  vertrouwen  zijn  in  de  technologie. Verschillende  grootschalige  demonstratieprojecten,  die  de  hele  keten  beslaan,  zijn 

Chapter 8 

274 

 

hiervoor noodzakelijk. Om deze projecten te realiseren  is  financiële steun nodig. Tijdens de  demonstratiefase  zijn  punt‐naar‐punt  pijpleiding,  die  één  bron met  één  opslagveld verbinden,  het  meest  geschikt.  Dit  vermindert  de  kans  op  niet  gebruikte pijpleidingcapaciteit, aangezien het onwaarschijnlijk is dat andere bedrijven snel met CCS beginnen  na  de  start  van  een  demonstratieproject.  Nadat  de  technologie  succesvol  is gedemonstreerd moet er een snelle implementatie van CCS technologie in de industriële en  de  elektriciteitssector  volgen  om  de  benodigde  CO2  reductie  te  realiseren.  Stabiel klimaatbeleid is nodig om bedrijven over te halen om te investeren in CCS technologie.  

Na de demonstratiefase  is het belangrijk dat een geïntegreerde en kosteneffectieve CO2 infrastructuur wordt  ontwikkeld  om  te  zorgen  dat  ook  kleinere  bronnen  zullen  starten met CCS. Het  is moeilijker om een geïntegreerd netwerk  te  realiseren op een nationale dan op regionale schaal omdat er meer potentiele bronnen zijn betrokken. Dit verhoogt de complexiteit om de infrastructuurontwikkeling te plannen en te beheren. Een regionaal netwerk  kan  worden  gerealiseerd  door  communicatie  en  samenwerking  tussen  de verschillende bedrijven die CO2 uitstoten  in dezelfde regio, terwijl de nationale overheid of een andere nationale organisatie een ondersteunde en coördinerende rol moet hebben voor  de  ontwikkeling  van  een  nationaal  netwerk.  Voor  de  ontwikkeling  van  een continentaal  netwerk  is  overleg  tussen  verschillende  overheden  en  mogelijk  ook  de coördinatie van een grensoverschrijdende organisatie noodzakelijk. De overheid moet de ontwikkeling  van  regionale,  nationale  of  continentale  trunklines  vergemakkelijken  door compensatie te bieden voor de extra investeringskosten van trunklines in vergelijking met punt‐naar‐punt pijpleidingen.   

De geschatte lengte van het Europees CO2 transport netwerk is 11.000‐17.000 km in 2050 (Morbee  et  al.,  2012). De  cumulatieve  investeringskosten  om  dit  te  realiseren worden geschat op 15‐37 miljard euro (Morbee et al., 2012). Deze en vele andere schattingen  in de  literatuur  zijn  gebaseerd  op  een  ‘perfect  foresight’  model.  De  lengte  en investeringskosten  van een netwerk  kunnen  aanzienlijk hoger  zijn  als een netwerk, dat dezelfde hoeveelheid CO2 transporteert, onder onzekerheid is ontwikkeld. De schattingen in  de  literatuur  zijn  daardoor  te  optimistisch  over  de  geschatte  lengte  en investeringskosten  die  nodig  zijn  om  een  CO2  infrastructuur  te  realiseren,  ten minste wanneer  er  geen  sterk  beleid  wordt  gevoerd  om  de  ontwikkeling  van  trunklines  te stimuleren. De  reële  optie methode,  die ontwikkeld  is  in  hoofdstuk  5  en met  name  in hoofdstuk  6  van  dit  proefschrift,  kan  helpen  om  tot  realistischere  schattingen  van  de totale  lengte  en  benodigde  kosten  te  komen  voor  de  ontwikkeling  van  een  CO2 infrastructuur.  

Belangrijkste onderzoeks‐ en beleidsaanbevelingen  8.6

Op basis van het uitgevoerde onderzoek zijn de onderstaande aanbevelingen voor verder onderzoek en voor beleidsmakers geïdentificeerd. 

Aanbevelingen voor verder onderzoek:  ‐ In dit proefschrift is aangenomen dat de CO2 geen onzuiverheden (zoals H2S, NOx, SO2) 

bevat.  Onzuiverheden  zullen  echter  aanwezig  zijn  in  de  CO2  massastroom  en  het 

Samenvatting, conclusies en aabevelingen 

275 

 

fasediagram  en  de  fysische  eigenschappen  van  CO2  beïnvloeden.  Dit  betekent  dat onzuiverheden  het  initiële  ontwerp  en  operationele  aspecten  van  het transportsysteem beïnvloeden. De  implicaties van onzuiverheden op de bevindingen van dit proefschrift moeten verder worden onderzocht.  

‐ Het  is  erg  belangrijk  om  de  CCS  keten  in  zijn  geheel  te  optimaliseren.  Zo  kan  het bijvoorbeeld  kosteneffectiever  zijn  om  slechts  zeer  kleine  hoeveelheden onzuiverheden  in de CO2 massastroom toe te staan ondanks dat dit de afvangkosten verhoogt. Er moet verder meer kennis komen over de ontwikkeling van de opslageisen (e.g.,  de  injectietemperatuur  en  druk)  van  verschillende  type  opslagvelden  over  de duur van een CCS project.   

‐ Het  pijpleidingsysteem moet  stabiel  zijn  onder  alle  condities.  Dit  betekent  dat  het systeem om moet kunnen gaan met variaties in de massastromen die kunnen ontstaan door  het  opstarten  of  (in  geval  van  nood)  afsluiten  van  CO2  afvang  installaties. De precieze  gevolgen  van massastroomvariaties  op  een  CO2  netwerk  zijn  onbekend  en moeten worden onderzocht.   

‐ De  veiligheidsaspecten  van  een  omvangrijk  pijpleidingongeluk  moeten  bekend  zijn voordat  een  grootschalig  CO2  netwerk  kan  worden  uitgerold.  Dit  betekent  dat  de toxiciteit  van  CO2 moet worden  gevalideerd  en  dat  het mogelijk moet  zijn  om  de uitstroom  en  verspreiding  van  vloeibaar  CO2  vanuit  een  pijpleidinglek  correct  te voorspellen.  

‐ Onzekerheid  belemmert  de  implementatie  van  nieuwe  noodzakelijke  technologieën en  de  ontwikkeling  van  een  geïntegreerd  netwerk.  Bedrijven  zijn  huiverig  om  te investeren  in  CCS  en  een  geïntegreerde  CO2  infrastructuur  door  de  onzekere (markt)condities.  Er  moet  worden  onderzocht  welke  beleidsmaatregelen  op  een kosteneffectieve  manier  de  barrières,  die  onzekerheden  met  zich  meebrengen, wegnemen.  

Aanbevelingen voor beleidsmakers:  ‐ Beleidsmakers zouden zich niet alleen moeten richten op het niveau van de CO2 prijs maar ook op de onzekerheid rond de CO2 prijs. Behalve beheersing van de CO2 prijs, kunnen  andere  maatregelen  noodzakelijk  zijn  om  bedrijven  te  stimuleren  of  te dwingen om te beginnen met CCS.  

‐ Een substantiële kostenreductie voor CO2 transport kan worden gerealiseerd door het benutten  van de  schaalvoordelen die  trunklines bieden. Trunklines  kunnen hierdoor CCS ontwikkeling  stimuleren,  voornamelijk  voor bronnen die  kleinere hoeveelheden CO2 uitstoten. Beleidsmakers zouden de samenwerking tussen verschillende bedrijven die  CO2  uitstoten moeten bevorderen. Dit  vergemakkelijkt  de  ontwikkeling  van  een regionaal  geïntegreerd  CO2  netwerk  en  reduceert  de  gemiddelde  transportkosten. Nationale  overheden  of  grensoverschrijdende  organisaties  (zoals  de  Europese Unie) zouden een actieve  rol moeten  spelen  in de ontwikkeling van een geïntegreerd CO2 netwerk op nationale of continentale schaal. 

‐ Er moeten grootschalige demonstratieprojecten worden ontwikkeld die de gehele CCS keten  beslaan  Dit  zal  leiden  tot  meer  kennis  over  de  interactie  tussen  de  CO2 afvanginstallatie,  transport en opslagfaciliteiten. Deze demonstratieprojecten zouden zo  geselecteerd  moeten  worden  dat  zowel  schip‐  als  pijpleidingtransport  worden 

Chapter 8 

276 

 

gedemonstreerd. Op deze manier worden  inzichten verworven  in de  technologische en  economische  aspecten  van  het  koppelen  van  een  schip  of  pijpleiding  aan  de injectieput. Verder zouden deze demonstratieprojecten moeten worden gebruikt om meer kennis  te verwerven over de gevolgen van concentraties van onzuiverheden  in de CO2 massastroom en over de implicaties van variërende massastromen op het CO2 transport systeem.  

 

277 

 

Chapter 9: Annexes  

Chapter 2 9.1

Annex A: Constants and detailed cost data 9.1.1

Table A1: Constants for the cost equations of IEA GHG (2002)a. 

  ANSI 900#  ANSI 1500#  Onshore  Offshore

bOnshore Offshore

a1  0.0619     (0.000095) 

0.4061            (0.00062) 

0.057                    (0.000088) 

0.4048               (0.00062) 

b1  0.8529           (1.31) 

4.6926                  (7.21) 

1.8663             (2.87) 

4.6936                  (7.21) 

a2  0.00115                    (0.000070) 

‐0.00174                    (‐0.00010) 

0.00129                  (0.000078) 

‐0.00153c 

(‐0.000093) b2  ‐0.00001 

(‐0.00061) ‐0.01133(‐0.68) 

0(0) 

‐0.0113 (‐0.68) 

a3  0.000299                     (0.00071) 

0.000325                     (0.00077) 

0.000486                     (0.0012) 

0.000511                     (0.0012) 

b3  0.0003                      (0.71) 

0.000169                    (0.40) 

0.000007e               

(0.017) 0.000204

e                   

(0.49) 

a) Outside the brackets are the originally figures, referring to L in km, D in inches and investment costs in M$2000. The figures in the brackets are the numbers referring to L and D in meters and investment costs in M€2010. 

b) Offshore costs are based on ‘S‐type’ pipe lay technology. This method is limited to maximum water depths of 600‐800 m.  

c) Constant  is negative  in  IEA GHG  (2002) but positive  in Wildenborg et al.,  (2004).  It  is not clear  if  there  is a reason behind the sign change and most probably it is a typing mistake. The result is significantly influenced by this mistake and as a consequence Wildenborg et al., will estimate the offshore capital costs approximately 10% higher than the original IEA GHG report.  

d) Constant is positive in IEA GHG (2002) but negative in Wildenborg et al. The figures of IEA GHG are used. It is not clear if there is a reason behind the sign change and most probably it is a typing mistake. The result is only to a minor extent (< 1%) influenced by this mistake.  

Table A2: Costs constants of McCoy and Rubin (2008)a. 

  Materials Labor ROW Miscellaneous 

a0  3.112  4.4870 3.950 4.390 a1  ‐  0.075 ‐ 0.145 a2  0.074  ‐ ‐ 0.132 a3  ‐  ‐0.187 ‐0.382 ‐0.369 a4  ‐  ‐0.216 ‐ ‐a5  ‐  ‐ ‐ ‐0.377 a6  0.901  0.820 1.049 0.783 a7  1.590  0.940 0.403 0.791 a8  486  45 6.2 26

a) The constant a1 till a7 are directly taken from the source. The additional constant a8 is to correct to €2010 and for the fact that diameter is inserted in meters rather than in inches. 

 

   

Chapter 9 

278 

 

Table A3: Binary  constants  referring  to  the different USA  regions  for  the model of McCoy  and Rubin (2008)a. 

  Region 

X1  North East of the USAX2  South East of the USAX3  Central of the USAX4  South West of the USAX5  West of the USA

a) Binary constants can get a value of 0 or 1. For instance, if the pipeline is for the North East region of the USA, X1 gets a value of 1 while the other constants (X2‐X5 ) get a value of zero.  

 

Annexes 

279 

 

 

Table A4: O

verview of cost estim

ations of realized or planned demonstration projects an

d from literature.  

Diameter 

based 

Mass 

flow 

Overall 

Weyburn

USA

‐ 

Canada

2000

3.0

a328

0.30/ 0.362

157

0.48a

0.20‐1.3

b0.51‐1.1

0.20‐1.3

Dakota 

Gasification 

Company, 2011; 

IEA, 2011

Kinder Morgan‐ 

Centerline

USA

2003

5.5

182

0.41

41

0.23

0.28‐1.7

0.64‐1.6

0.28‐1.7

Kinder Morgan 

Energy Partner, 

L.P., 2003

Kinder Morgan ‐ 

Eastern Shelf

USA

2011

1.3 ‐ 3.8

c146

0.25

30

0.2

0.17‐0.820.58‐1.3

0.17‐1.3

Bradley, 2011; 

Kinder Morgan, 

2011

Denbury’s 

Green pipeline

USA

2010

15

515

0.61

589d

1.1

0.46‐3.3

0.82‐2.5

0.46‐3.3

Denbury, 2011

Alberta Carbon 

Trunk line

Canada

2012

0.9 ‐15e

240

0.41

200

0.83

0.27‐1.6

0.82‐2.6

0.27‐2.6

Jessup, 2012

413

1.5

516

1.9

707

2.5

2.5

10

0.30

12

1.2

0.23‐1.1

0.38‐2.6

0.24‐2.6

2.5

180

0.30

149

0.83

0.20‐1.0

0.48‐1.1

0.21‐1.1

10

10

0.51

15

1.5

0.49‐2.6

0.61‐5.1

0.49‐5.1

10

180

0.61

228

1.3

0.47‐3.3

0.72‐2.1

0.47‐3.3

10

500

0.61

607

1.2

0.46‐3.3

0.72‐2.0

0.46‐3.3

10

750

0.61

904

1.2

0.46‐3.2

0.72‐2.2

0.46‐3.2

10

1,500

0.61

1,795

1.2

0.46‐3.2

0.72‐2.6

0.46‐3.2

20

10

0.61

15

1.5

0.59‐3.5

0.78‐7.3

0.59‐7.3

20

180

0.81

228

1.3

0.72‐5.5

0.91‐3.0

0.72‐5.5

20

500

0.81

607

1.2

0.72‐5.4

0.91‐2.9

0.72‐5.4

20

750

0.81

904

1.2

0.72‐5.4

0.91‐3.1

0.72‐5.4

20

1,500

0.81

1,795

1.2

0.70‐5.3

0.91‐3.7

0.70‐5.3

0.87‐7.0

Total costs 

(M€2010)

Cost range

 of m

odels (M

€/km)Source

Nam

eRegion

Year

Mass flow 

(Mt/y)

Distance

 

(km)

Diameter 

(m)

Specific 

costs  

(M€/km)

2.4/9.6

f0.72‐2.0

0.72‐7.0

EON UK, 2011a; 

EON UK, 2011b

ZEP

Europe

2010

ZEP, 2010

Kingsnorth CCS 

project

UK

2011

278

0.91

Chapter 9 

280 

 

      

f) 2.4

Mt/y

isthemass

flow

which

would

beinitia

llytra

nsporte

dthrough

thepipelin

e,while

9.6

Mt/y

isthedesign

mass

flow.Thecost

estim

atio

ns in

 the ta

ble and in

 Figure 2.4 are based on th

e design

 mass flo

w.

k) Thecosts

are

specific

forapipelin

econstru

ctedofX70,basedonadesign

facto

rof0.72.Furth

erm

ore,thecosts

are

foralongpipelin

e

through

mostly

openandfla

truralareaswith

lowpopulatio

ndensity.

Nolength

ismentio

nedinthesource

,therefore

alength

of300km

is

assu

med for th

e ca

lculatio

n of th

e co

st range. 

g) Essandoh‐Ye

dduandGülenmentio

nthatthecapita

lcosts

foraCO2pipelin

eshould

beatleast1,468€/m

2.Inthetable,thevaluesfora

pipelin

e of 0.20 and 1.27 m

 is given, because

 these

 are th

e minim

um and maxim

um size

s mentio

ned in

 the article

.

h) Th

ecostestim

atio

nsofEssa

ndoh‐Ye

dduandGülen,Miku

nda,D

amenetal.,

andNOPEG

Aare

groupedunderthename“O

thersource

s”in

Figure 2.3.

i) Miku

nda give

s a co

st estim

atio

n for o

nshore Eu

rope of 1,969 €

2010 /m

2 for C

O2  p

ipelin

es w

ith a diameter o

f minim

al 0.41 m. 

j) Thepipelin

eisto

connecte

donshore

source

sinRotte

rdamandIJm

uidento

offsh

ore

storage

fields.H

ence,partofthepipelin

eisinsta

lled

offsh

ore.

c) Theinitia

lcapacity

is65millio

nsta

ndard

cubicfeetCO2perday(about40kg/s)b

utthiscanbeexte

ndedto

200millio

nsta

ndard

cubicfeet

CO2  p

er d

ay (a

bout 1

20 kg/s). Th

e high

est n

umber is in

corporated in

 Figure 2.4, because

 this is th

e design

 mass flo

w. 

d) Th

e overall co

sts spread over fo

ur ye

ars fro

m 2005 ‐2010. W

ith th

e co

nversio

n th

e dolla

rs are assu

med to

 be 2008 dolla

rs.

e) Th

eAlberta

CarbonTru

nklin

eis

plannedto

transport

CO2fro

mafertilize

rcomplexto

anEO

Rproject.

Inthebegin

ning,thelin

ewill

transport2.6–5.1kt/d

butthiswillin

crease

to40kt/d

in15‐20years.

Thehigh

est

numberisincorporatedin

Figure

2.4,because

thisisthe

Table A2.4: O

vervie

w of co

st estim

ations o

f realize

d or p

lanned demonstratio

n projects an

d fro

m lite

rature (co

ntin

ued

).  

Table A4: O

verview of cost estim

ations of realized or planned demonstration projects an

d from literature (continued

).  

n.a.

100

0.20

53

0.53

0.11‐0.59n.a.

0.11‐

n.a.

100

1.27

330

3.3

1.5‐126

n.a.

1.5‐126

Damen et al.h

NL

2009

n.a.

250

>1.02

>1,421

5.7

1.1‐8.6

n.a.

1.1‐8.6

Damen et al., 

2009

Mikundah,i

 Europe

2011

n.a.

100

0.41

80

0.8

0.28‐1.7

n.a.

0.28‐1.7

Mikunda et al., 

2011

10

70

0.61

131

1.9

0.48‐3.5

0.72‐2.4

0.48‐3.5

20

180

0.91

390

2.2

0.88‐7.1

0.91‐3.0

0.88‐7.1

n.a.

300

0.20

103

0.34

0.12‐0.60n.a.

0.12‐

n.a.

300

0.25

130

0.43

0.17‐0.83n.a.

0.17‐

n.a.

300

0.30

158

0.53

0.20‐1.1

n.a.

0.20‐1.1

n.a.

300

0.36

184

0.61

0.24‐1.4

n.a.

0.24‐1.4

n.a.

300

0.41

206

0.69

0.27‐1.7

n.a.

0.27‐1.7

n.a.

300

0.46

236

0.79

0.31‐2.1

n.a.

0.31‐2.1

n.a.

300

0.51

267

0.89

0.36‐2.5

n.a.

0.36‐2.5

n.a.

300

0.56

305

1.02

0.41‐2.9

n.a.

0.41‐2.9

n.a.

300

0.61

345

1.15

0.46‐3.4

n.a.

0.46‐3.4

n.a.

300

0.66

374

1.25

0.52‐3.9

n.a.

0.52‐3.9

n.a.

300

0.71

527

1.76

0.59‐4.5

n.a.

0.59‐4.5

n.a.

300

0.76

608

2.03

0.51‐5.1

n.a.

0.51‐5.1

Essandoh‐

Yeddu and 

Güleng,h

USA

2009

Essandoh‐Yeddu 

and Gülen, 2009

Cronenberg et al., 

2009

WorleyParsonsk

Australi

a

2009

WorleyParsons 

and EcoNomics, 

2009

NOPEG

Ah,j

 NL

2009

a) The W

eyburn pipeline was designed to transport 3 Mt anthropogenic CO2 per year with a pressure of 15.2 MPa over 328 km from the USA

 to 

anenhancedoilrecovery

project

inCanada.Thecarbonsteelpipelinehasadiameterof0.30m

andpartly

of0.36m.Initially,

two

compressorswere

installedonthepipelinebutathirdcompressorwasaddedto

transportmore

CO

2in

2006.Theoverallcostsexcludethe

compressor costs. The specific costs are calculated by assuming an average

 pipeline diameter of 0.33 m.

b)Average

ofthetw

odiametersistakenascoordinate

inFigure

2.3.Theminim

um

costcalculationisbasedonthelowestdiameterandthe

maximum on the highest diameter. 

Annexes 

281 

 

Table  A5:  Overview  of  cost  estimations  of  realized  or  planned  onshore  natural  gas  pipeline outside the USA.a 

Project  Country Year Distance (km) 

Diameter (m) 

Total costs (M€2010) 

Specific costs (M€2010/km ) 

Source 

Maghreb ‐ Europe gas pipeline  

Algeria, Spain 

1993 1,430 1.2 4,561 3.19 Editorial staff, 1993; 1996 

Foothill's pipelines 

Calgary, Canada 

1998 114 1.1 266 2.33 PennEnergy, 1998 

JAGAL   Germany 1999 330 1.2 893 2.71 PennEnergy, 1998 

Arab gas pipeline I  

Egypt, Jordan 

2003 250 0.9 320 1.28 Groot and Meerdink, 2007; Ministry of Petroleum, 2010 

Blue Stream pipeline 

Russia, Turkey 

2005 1,213 1.4 7,952 6.56 Hydrocarbons‐technology, 2011b 

Arab gas pipeline II  

Jordan, Syria 

2005 393 0.9 319 0.82 Groot and Meerdink, 2007 

Yamal ‐ Europe gas pipeline,  

Russia 2006 4,107 1.4 3,508 0.85 Hydrocarbons‐technology, 2011f 

Greece ‐ Bulgaria bypass line 

Greece, Bulgaria 

2007 160 0.7 156 0.98 Hydrocarbons‐technology, 2011d 

Turkey ‐ Greece interconnect 

Turkey, Greece 

2007 296 0.8 316 1.17 Hydrocarbons‐technology, 2011d 

South Wales gas pipeline  

Wales 2007 316 1.2 1,207 3.82 Hydrocarbons‐technology, 2011e  

Greece ‐ Italy interconnect 

Greece, Italy 

2007 600 1.1 ‐ Hydrocarbons‐technology, 2011d 

SEL   Germany 2008 500 1.2 616 1.23 Wingas Transport, 2008  

Trans adriatic pipeline  

Albania, Greece, Italy 

2008 520 1.2 1,539 2.96 Pitt, 2008 

Arad‐Szeged gas pipeline  

Hungary, Romania 

2009 109 0.7 71 0.65 Hydrocarbons‐technology, 2011a 

Ring easy hard terrain 

South‐East Europe 

2010 1,264 0.6 584 0.46 PPIAF, 2010 

Galsi  Algeria, Italy 

2010 1,505 0.6 2,000 1.33 Serpa et al., 2011 

Nabucco 1  Caspian, Turkey 

2010 132 0.6 75 0.57 PPIAF, 2010 

Pipeline Gazprom Russia ‐ Bulgaria  

Russia, Bulgaria 

2010 139 0.6 75 0.54 PPIAF, 2010 

IAP Greece   Greece 2010 141 0.6 102 0.72 PPIAF, 2010 

Chapter 9 

282 

 

Table A5: Overview of cost estimations of realized or planned onshore natural gas pipeline outside the USA (continued).a 

Project  Country Year Distance (km) 

Diameter (m) 

Total costs (M€2010) 

Specific costs (M€2010/km ) 

Source 

Nabucco 2  Caspian, Turkey  

2010 160 0.6 98 0.61 PPIAF, 2010 

Gazelle Natural gas pipeline  

Czech Republic 

2010 169 1.4 400 2.37 Hydrocarbons‐technology, 2011c 

South stream onshore  

Bulgaria, Greece, Hungary, Croatia 

2010 2,700 0.8 5,500 2.04 Gazprom, 2011 

IGI Greece ‐ Turkey 

Greece, Turkey 

2010 212 0.6 143 0.68 PPIAF, 2010 

Gazprom, Russia ‐ Ukraine 

Russia, Ukraine 

2010 270 0.6 147 0.54 PPIAF, 2010 

Dokkum ‐ Leeuwarden 

Nether‐lands 

2010 32 10 0.31 Kampman et al., 2010 

ICO2N‐1   Canada  2010 400 310 0.78 Serpa et al., 2011 

ICO2N‐2  Canada  2010 400 388 0.97 Serpa et al., 2011 

Gasoducto del Noreste  

Bolivia, Argentina 

2011 1,700 1.2 2,011 1.18 Smith, 2011 

Sakhalin, Khabarovsk‐Vladivostor 

Russia 2011 1,900 0.8 12,505 6.58 Petrova, 2011 

Yamal ‐ Nordstream system 

Russia  2011 2,212 1.4 26,591 12.0 Petrova, 2011 

Giurgiu ‐ Ruse pipeline  

Romania, Bulgaria 

2011 26 0.5 24 0.92 Money Express, 2012 

Nabucco gas pipeline 

Turkey, Bulgaria, Romania, Hungary, Austria 

2011 3,893 1.4 12,023 3.09 Reuters, 2011 

Nabucco gas pipeline 

Turkey, Bulgaria, Romania, Hungary, Austria 

2011 3,893 1.4 15,028 3.86 Reuters, 2011 

Trans Sahara Gas Pipeline  

Nigeria, Algeria, Spain 

2011 4,300 1.2 9,793 2.28 Smith, 2011 

NEL   Germany 2011 440 1.2 1,002 2.28 NEL‐pipeline, 2011 

OPAL   Germany 2011 470 1.4 1,002 2.13 OPAL‐pipeline, 2011 

Noord‐Zuid route 

Nether‐lands 

2011 500 1.2 1,803 3.61 Gasunie, 2011 

a) The pipeline was assumed to be onshore if more than half of the pipeline is on land.

Annexes 

283 

 

 

 

Figure A1: The inner diameter predicted for several mass flows by the different models (including PIPESIM) for 25 km, 100 and 300 km with no pumping stations.1 The inlet pressure is assumed to be 12 MPa, outlet pressure is 10 MPa and temperature is 285 K.  

                                                                 1 If two pumping stations are installed on a 300 km pipeline, the diameters become similar to the 100 km case.  

DEMOCOM

TRUNK

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.90

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

Diameter (m

)

Mass flow (kg/s)

25 km Kazmierczak et al., 2009

ElementEnergy, 2010

Wildenborg et al., 2004

Chandel et al., 2010

Heddle et al., 2003

Broek et al., 2010

Piessens et al., 2008

McCoy and Rubin, 2008

Ogden et al., 2004

PIPESIM

DEMO

COM

TRUNK

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

Diameter (m

)

Mass flow (kg/s)

100 km Kazmierczak et al., 2009

ElementEnergy, 2010

Wildenborg et al., 2004

Chandel et al., 2010

Heddle et al., 2003

Broek et al., 2010

Piessens et al., 2008

McCoy and Rubin, 2008

Ogden et al., 2004

PIPESIM

DEMO

COM

TRUNK

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

Diameter (m

)

Mass flow (kg/s)

300 km Kazmierczak et al., 2009

ElementEnergy, 2010

Wildenborg et al., 2004

Chandel et al., 2010

Heddle et al., 2003

Broek et al., 2010

Piessens et al., 2008

McCoy and Rubin, 2008

Ogden et al., 2004

PIPESIM

Chapter 9 

284 

 

Chapter 3 9.2

In  the methodology  section  of  chapter  3  not  all  formulas were mentioned  for  clarity reasons. The additional equations are given  in Annex B. The verification of the diameter and thickness model used in the study is discussed in Annex C. The compressor cost data presented in an aggregated level in chapter 3 is given in more detail in Annex D. In Annex E,  the effect of a different MAOP on  the design and costs of a CO2 pipeline  is analyzed. Additional  model  runs  for  point‐to‐point  pipelines  and  the  sensitivity  analysis  are presented in Annex F and Annex G, respectively.  

Annex B: Additional equations  9.2.1

The Darcy‐Weisbach friction factor (equation B1) and Reynolds number (equation B2) are used  for  calculating  IDcalculated.  The  next  available  ODNPS  is  selected  with  respect  to IDcalculated.  For ODNPS,  the  required  thickness  is  determined  and  IDNPS  is  calculated with equation B3.  

When IDNPS is smaller than IDcalculated, the next ODNPS is selected and the required thickness for this diameter is determined. This process is repeated until IDNPS is larger than IDcalculated. Subsequently,  the  capital  costs of  the pipeline are  calculated. The  thickness  calculation process is conducted again with a higher steel grade and also for this steel grade the costs of  the pipeline are determined. When all  steel grades are  covered,  the  combination of steel grade, IDNPS and thickness resulting in the lowest capital costs is selected for a given case. 

1.8/

.

. .  (B1) 

  (B2) 

2   (B3) 

where,  f  is  the  Darcy‐Weisbach  friction  factor;  is  the  roughness  height  

(= 50 x 10‐ 6 m); IDNPS is the inner diameter of the NPS pipeline (m); Re is Reynolds number; ρ  is  the density  (kg/m3); v  is  the actual velocity  (m/s); μ  is  the viscosity  (Pa*s)  2;  t  is  the thickness (m) and ODNPS is the outer diameter of the nominal pipe size (m). 

Since  IDNPS  can be  larger  than  IDcalculated  the distance between  and number of pumping stations may be  too pessimistic. Therefore,  the actual pressure drop, distance between and number of pumping stations are calculated again for all liquid cases with equation B4, B5  and  B6,  respectively.  As  a  consequence,  the  pumping  stations  are  not  evenly distributed over the pipeline and the last pumping station is placed relatively close to the sink.3 The capacity of the last pumping station is adapted such that the outlet pressure of 

                                                                 2 The viscosity is based on the lowest pressure in the pipeline (Poutlet) to take a conservative approach.  3  In  reality,  the  first  pumping  station would  be  installed  relatively  close  to  the  source  and  the  last  pumping 

 

Annexes 

285 

 

the pipeline match the design outlet pressure  (see equation B7).  If no pumping stations are installed on the pipeline, the initial pressure inlet and compression capacity is adapted in  a  similar  way.  This  is  also  done  for  the  gaseous  cases  with  equation  B8.  These adaptations  have  in  principle  consequences  for  the MAOP  of  the  pipeline.  This  small deviation is, however, not taken into account in this analysis.  

  (B4)  

  (B5) 

  (B6) 

_   (B7) 

_ _

∆.  (B8) 

where, ΔPact  is the actual pressure drop  (Pa/m);  f  is the Darcy‐Weisbach  friction factor; m is the CO2 mass flow (kg/s); ρ is the density (kg/m3); IDNPS is the inner diameter of the NPS pipeline (m); Lpump is the maximum distance between pumping stations (m); Pinlet is the  pressure  inlet  (Pa);  Poutlet  is  the  pressure  outlet  (Pa); Npumps  refers  to  the  number  of 

pumping  stations  on  the  pipeline;  L  is  the  length  of  the  pipeline  (m);  ... is  the  largest integer  not  greater  than  the  enclosed  ratio;  Poutlet_last_pump  is  the  pressure  outlet  of  the pumping station closest to the sink (Pa); Poutlet_adapted_gas is the actual pressure outlet of the compressor (Pa).  

Annex C: Verification of diameter and thickness model  9.2.2

To check the diameter model, input data of several existing CO2 pipelines are inserted in the model  and  the ODNPS  is  calculated which  is  subsequently  compared  to  the  actual ODNPS. Unfortunately,  for only  two cases all  required  input data was available  (capacity, height  difference,  inlet  and  outlet  pressure  and  number  of  pumping  stations).  For  the cases where  inlet or outlet pressure was unknown, a specific pressure drop of 20 Pa/m was assumed.  

In Table C1, the input data as well as the calculated and actual ODNPS is presented. It can be  concluded  that  in  eight  of  the  fifteen  cases,  the  same  ODNPS  is  calculated  as  the diameter which  is  installed  on  the whole  or  a  part  of  the  pipeline  route.  In  six  cases (Transpecto, Weyburn SACROC and COCATE (3x)), the calculated diameter of the model is 

                                                                                                                                                                   station would be placed far away from the sink. In this way, the minimum operation pressure is only approached at  the  outlet.  The  reason  for  this  is  that  the  density  of  the  CO2  flow  is  somewhat  higher meaning  that  the pressure drop  is  less and  the  compression  requirement  is  lower. Nevertheless, as  in  this  study  the density  is assumed  to  remain  constant,  the optimal  configuration would not  change and  the  current assumption about placement is easier to model.  

Chapter 9 

286 

 

Length

Mt/y

kg/s

b(km)

Inlet

OutletMAOPe

Actual

Model

Actual

Modelf

Δ

17.5/

25.4

Transpectoh

S. pop.

3.3

105

193

1,094

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

0.32

0.41

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

Piessens et al., 2008; Eagleton 

Engineering, 2012

Sheep 

Mountain part 

S. pop.

6.4

203

296

893

9.7

n.a.

n.a.

00.51

0.51

X70

19.1

12

‐7.1

Oosterkamp and Ramsen, 

2008; Piessens et al., 2008

Sheep 

Mountain part 

S. pop.

9.3

295

360

464

n.a.

13.7

n.a.

n.a.

0.61

0.61

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

Piessens et al., 2008; 

Mohitpour et al., 2012

15  /

0.41 /

16 /

0.51 /

17

0.61 /

0.66

1.8/

57/

9.5 /

4.6

146

12.7 /

15.9

l

NEJD pipeline

S. pop.

7222

294

65

n.a.

n.a.

15.2

n.a.

0.51

0.51

X60

n.a.

n.a.

n.a.

Oosterkamp and Ramsen, 

2008; D

ownie, 2011; G

CCSI, 

2012

8.74 /

8.5/

9.53

10.5

Bravo

S. pop.

7.4

235

351

955

n.a.

n.a.

16.5

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

Piessens et al., 2008; D

ownie, 

2011

415/

00.81

0.91

38.1

30

8.1

490

10.71

0.76

31.8

26.5

5.3

40.61

0.61

28.6

23

5.6

Offsh.

415/

505

920

820

00.71

0.76

n.a.

n.a.

n.a.

490

815

X60

Bureau et al., 2011

Cocate

nPopu.

616

915

2‐4

0.32 / 

0.41

0.51

X65

0.2‐

1.0

IPCC, 2005; O

osterkamp and 

Ramsen, 2008; Eagleton 

Engineering, 2012

DTI and APG TF, 2003; 

Oosterkamp and Ramsen, 

2008; Piessens et al., 2008; 

Downie, 2011 

SACROC CO2 

pipelinem

S. pop.

4.4

139

350

200

n.a.

9.6

n.a.

00.30 / 

0.36

0.41

X65

9.5‐

12.5

0‐3.4

n.a.

n.a.

McCollough, 1986; 

Oosterkamp and Ramsen, 

2008

Weyburn

kS. pop.

330

46

17.2

15.2

18.6 / 

20.4 .

n.a.

n.a.

0j

0.61

n.a.

n.a.

Central basin 

pipeline

S. pop.

11.5

365

278

750

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

Oosterkamp and Ramsen, 

2008; D

ownie, 2011; 

Mohitpour et al., 2012 

15

n.a.

20

00.22

0.22

X65

22

‐4.5/ 

3.4

Willbros, 2000; O

osterkamp 

and Ramsen, 2008; Piessens 

et al., 2008 

Snøhvit 

pipeline

Offsh.

0.7

22

153

300

13.8

13.8

17.9

10.76

0.76

ODNPS (m

)Steel 

grade

Thickness (m

m)

Sources

Cortezg

S. Pop.

19.3

612

808

800

Pipeline

Terraina

Capacity

Δh (m

)cPressure (M

Pa)

d

Npumps

 

  

 

Table C1: Inform

ation about existing projects an

d diameter calib

ration. 

Annexes 

287 

 

 

 

Table C1: Inform

ation about existing projects an

d diameter calib

ration (continued

). 

Kingsnorth

(gaseous)

Kingsnorth 

(liquid)

i) At the Sheep Mountain part 1 pipeline, 1

 pressure reduction system is installed which reduces the pressure to 8.3 MPa. This is ignored in

 the model. 

j) Accordingto

McCollough

(1986),nopumpisrequiredattheCentralBasinPipelineupto

volumesof470kg/s.Withhighervolumes,

onepumpingstationis

required up to 681 kg/s, and two up to volumes of 827 kg/s. 

k) Forthecurrentcapacityof57kg/s,thecalculatedinnerdiameteris0.35m.W

ithselectingtheNPS,theODnpsof0.36isjusttoosm

all,andtherefore

theOD

NPS        of 

0.41isselected,w

hichhasanID

NPSof0.38m.W

iththedesign

capacityof146kg/s,nopumpingstationsandthecurrentinletandoutletpressure,aninnerdiameter

of 0.61 m

 is calculated. For transporting the design

 capacity of 146 kg/s, pumping stations and/or a higher inlet pressure would be required. 

l) Thepipelinewallthickness

is9.5mm

exceptatroad,railroadorwatercrossingwhere

thepipelinewallthickness

is12.7

or15.9

mm(OosterkampandRamsen,

2008).

c) Positive

heightdifference

isadecrease

inelevationbetw

eenin‐andoutlet.Forsomepipelines,

theactualheightdifference

wasnotgiven.However,the

elevationlevelofthein‐andoutletlocationdiffer(significantly).Therefore,thedifference

inheightofthein‐andoutletplace

wasassumedto

berepresentative

for

theheightdifference

ofthepipeline.Thiswasthecase

fortheCentralBasin(from

DenverCityto

McCamey,Texas),N

EJDpipeline(JacksonDome‐LittleCreekField),

Cocate (Le Havre to Rotterdam) and the SACROC CO2 pipeline (Scurry county – Val Verde County).

d) Iftheactualinletoroutletpressure

isnotpublicallyavailablein

literature,a

pressure

dropof25Pa/m

isassumed.Additionally,ifnoneofthetw

oare

given,the

minim

um operation pressure is set to 8.0 MPa which can be the inlet or outlet pressure depending on the height difference. 

e) MAOP= Maximum operation pressure of the pipeline. This pressure is used to design

 the pipeline thickness. 

f) The thickness was calculated by using the outer diameter and steel grade stated in

 the source. If m

ultiple diameters are given, the thickness is calculated for both 

diameters.In

principle,MAOPisusedin

thethickness

calculation.However,ifitisnotgiven,aMAOPof15MPaisassumedforonshore

and20 MPaforoffshore

pipelines.

g) TheCortezpipelinehasasimilarin‐andoutletpressure

of13.8

MPa,dueto

theheightdifference.Additionally,onepumpof2.2MW

andthreepressure

reducing

stationsare

installedatthepipeline.A

similarinletandoutletpressure

incombinationwithapumpingstations,andpressure

reducingstationsca

nnotbehandled

bythemodel.Therefore,themaximumpressure

givenbyOosterkampandRamsen(2008),whichis17.9

MPaisassumedasinletpressure,theminim

um

pressure

as

outlet pressure (9.7 MPa) and the pressure reducing stations are ignored. The height difference

  of 800 m

 is inserted as a gradual decrease. 

h) Itisstatedthatthere

isapossibilityto

addpumpingstationsto

theTranspectopipelineinthefuture,butitisnotclearifthere

are

currentlypumpingstations

installed.Noinform

ationisgivenaboutthein‐andoutletpressure

oftheTranspectopipeline,therefore

apressure

dropof25Pa/m

and0pumpingstationsare

assumed.However,dueto

theheightdifference,theoutletpressure

islowerthaninletpressure.Therefore,theinletpressure

issetto

8.0 MPa,resultingin

an

outlet pressure of 12.5 MPa. This leads to a calculated inner diameter of 0.35 m

 and to ODNPS of 0.41 m. 

27.0 / 

23.8

28.5

‐4.7‐   

1.5

EON UK, 2011a; 2011b

a) Thelocationtypeisdeterm

inedbylookingattheroute

ofthepipelineandapopulationdensity

mapoftherelevantarea.Ifthemajority

oftheroute

transverses

through

anareawithless

than200inhabitants/km

2thelocationis

consideredto

besparselypopulated(S.Pop.).Withapopulationdensity

ofmore

than200

inhabitants/km

2 the route is considered to be populated (Popu). 

b) If the capacity was given in

 Mtonne/year it was converted to kg/s by assuming a capacity factor of 100%. 

n.a.

n.a.

00.91

0.61

X65

n.a.

n.a.

n.a.

EON UK, 2011a; 2011b

Offsh.

306

278

n.a.

15

2.7

n.a.

00.91

0.91

X65

Offsh.

76

278

n.a.

3.5

Chapter 9 

288 

 

m) Theoutletpressure

of9.6MPaisbasedonadesign

studyoftheSACROCCO2pipelineconductedby(W

est,1974),whichissummarizedin(IPCC,2005).Itisstated

that6(re)compressionstationsare

installedatthepipeline,wherefrom

minim

al1attheoutlet(EagletonEngineering,

2012).Itis

notclearifandhowmany

compressionstationsare

installedatthebeginningofthepipeline.However,lookingto

theoverallinstalledcapacity

of60MW,initialcompressionisincluded.

Furtherm

ore,itisstatedthatthemaximumdistance

betw

eentw

ocompressionstationis160km

,thisindicatesthatatleast2stationsare

installedatthepipeline.

One station at the inlet and one at the outlet indicates that maximal 4

 pumping stations are installed at the pipeline.

n) In

theCOCATE

report,severaloptions(onshore,offshore

anddifferentcombinationsofdiameterandpumpingstations)are

givento

transportCO

2from

LeHavre

(France)to

Rotterdam

(theNetherlands).Thereportconcludesthattheoptionwithadiameterof0.61m

and4interm

ediate

pumpingstationsortheoptionwitha

diameterof0.71mand1interm

ediate

pumpingstationsgive

similarnetpresentvalues(‐1.3billionEuro).Theoptionwithadiameterof0.81 m

andnointerm

ediate

pumpingstationismore

expensive

(‐1.5billionEuro).IntheCOCATE

report,theCO2ispumpedwithapumpingstationto

20MPaattheendofthepipeline,to

match

the inlet conditions of another CO2 pipeline. H

owever, the model developed in

 this study does not incorporate pumping stations at the end of the pipeline. Therefore, 

inthetableonlytheinterm

ediate

pumpingstationsare

stated.N

otice

thatintheCOCATE

report,theonshore

pipelinesare

designedwithadesign

factorof0.4(due

to safety reasons) leading to a large wall thickness because

 the pipeline passes through

 populated area. 

 

 

 

 

   

Table C1: Inform

ation about existing projects an

d diameter calib

ration (continued

). 

Annexes 

289 

 

 

 

   

Table D1: Estimated compression costs of FEED

 studies an

d vendor quotationsa.  

Case

Mass 

flow 

(Mt/y)

TrainsStagesPressure 

outlet 

compressor 

(MPa)

Installed 

capacity 

(MW

e)

CAPEX

 

(M€2010) 

Instal‐

lation 

costs

Total 

(M€2010)

Installation 

factor 

Specific total 

costs 

(M€/M

W)

Source

CO2EuroPipe – Kårstøb

11

818.25

12.3

9.5

51

60.5

6.4

c4.9

Apeland et al., 2011b

CO2EuroPipe – Kårstøb

32

819.9

41.1

24

129

153

6.4

c3.7

Apeland et al., 2011b

CO2EuroPipe – Kårstøb

52

819.6

65.8

26

140

166

6.4

c2.5

Apeland et al., 2011b

CO2EuroPipe – Rotterdam

b20

n.a.

n.a.

22.7

197.7

108

324

432

42.2

Apeland et al., 2011a

CO2EuroPipe – Kingsnorth

31

77.5

24.2

18.3

54.9

73.2

43

Apeland et al., 2011a

CO2EuroPipe – Teesside C2‐C3d

41

77.5

32.7

20.9

62.7

83.6

42.6

Apeland et al., 2011a

CO2EuroPipe – Teesside C1d,e

4.0 / 7.0

2+1

819

67.8

46.4

139

185

42.7

Apeland et al., 2011a

24.1/

108

27.8

(81‐143)

Longannet, at plantg

2.2

25

3.1‐3.4

20.9

n.a.

n.a.

54

n.a.

2.6

ScottishPower CCS 

Consortium, 2011

Longannet, interm

ediate

h2.2

2n.a.

8.0‐12

11.4

n.a.

n.a.

139

n.a.

12.2

ScottishPower CCS 

Consortium, 2011

IEA GHGi

4.1

23

11

32.6

30.1

13.8

43.9

1.5

1.3

IEA GHG, 2008

RAMGEN

j,k

1.5

12

15.1

18.6

6.8

12.4

19.2

2.82

l1

Osch et al., 2010

RAMGEN

j,k

1.5

12

20.1

20.7

6.5

11.8

18.3

2.82

l0.88

Osch et al., 2010

RAMGEN

j,k

31

215.1

37.3

10.2

18.6

28.8

2.82

l0.77

Osch et al., 2010

RAMGEN

j,k

31

220.1

41.3

10.1

18.4

28.5

2.82

l0.69

Osch et al., 2010

RAMGEN

j,k

6.1

12

15.1

74.6

16.5

30

46.5

2.82

l0.62

Osch et al., 2010

RAMGEN

j,k

6.1

12

20.1

82.6

16.6

30.2

46.8

2.82

l0.57

Osch et al., 2010

RAMGEN

j,k

12.1

22

15.1

149

33

60.1

93.1

2.82

l0.62

Osch et al., 2010

RAMGEN

j,k

12.1

22

20.1

165

33.3

60.6

93.9

2.82

l0.57

Osch et al., 2010

a) The italic numbers in

 the table are deducted from the data in

 the source. 

b)TheinletconditionsofthesaturatedCO

2are

0.1MPaand20°C.Themaximumoutlettemperature

is50°C

andthemaximumwatercontentis50ppm

(wt). 

c) Avery

highinstallationfactorforKårstø

isusedbecause

thecompressorshave

tobeinstalledwithin

thegasprocessingplantarea(Apelandetal.,

2011a). 

n.a.

n.a.

4.2

E.ON, 2011

d) These

 cases are combinations of ship and pipeline transport. The CO2 enters with a pressure of 0.1 MPa and 50°C. 

Kingsnorthf

2.4

24+2

4.0 / 8.8

n.a.

Chapter 9 

290 

 

   

Table D1: Estimated compression costs of FEED

 studies an

d vendor quotations (continued). 

l) Thecostsin

theCATO

‐2reportare

onlyCAPEX

andexcludeinstallationcosts.Therefore,weassumedaninstallationfactorof2.82whichis

atthe

upperendoftherange

of2.25‐2.82mentionedin

literature

(Woods,2007),because

CO2compressors

are

complicatedequipmentdueto

thelarge

number of stages.

f) Theinputtemperature

is30°C

andinletpressure

is0.15MPa.Theoutletpressure

would

bein

thedemonstrationphase

3.0‐4.0

MPa,butafterthe

demonstration phase, the compressor will have

 an outlet pressure of 8.8 MPa. The maximum outlet temperature is 40°C but it may be increased to 50°C 

g) Theinletpressure

is0.05MPa,theoutlettemperature

is5‐30°C

andthemaximum

watercontentin

theoutletis50ppmv.Theactualinstalled

capacity is not stated in

 the study. Therefore, w

e assumed a typical energy consumption of 300 kJ/kg, resulting  in an installed capacity of 20.9 MW

e. 

h) Theinletpressure

isintherange

2.85‐3.1MPaandtheinlettemperature

dependsonweatherconditions.Themaximum

outlettemperature

is29°C.

Alsofortheinterm

ediate

compressionunittheinstalledcapacityisnotstated.However,there

ismentionedthattheenergyconsumptionoftransport

is45.33 kWh/tCO2.Byassumingthatallthisenergywillbeconsumedin

thesecondcompressionfacility,theinstalledcapacitywould

be11.4

MW

e. The

costsforthis

interm

ediate

compressorare

significantlymore

expensive

thanthecost

estim

ationsgivenbythe

othersources.

However,

this

compressionfacility

isstand‐alonewhichmeansthatacomplete

newbuildinghasto

beconstructed.Furtherm

ore,anewcombinedheatandpower

(CHP) plant is planned to be installed to generate the required electricity. 

i) TheCO2inletcontainsofthreestreamswithapproximatelythesameflowrates,withpressuresof0.15,1.1and2.8MPa.Thestream

of0.15MPais

firstcompressedandthestream

of2.8MPaisdecompressedto

1.1

MPa.Subsequently,theentire

followiscompressedin

threestagesfrom1.1

to11

MPa. Since, the inlet pressures are different, the energy consumption is not calculated. 

j) Severalsupplierswere

askedfortheCATO

‐2programto

give

process

designsandcostestim

ationsforcompressing100%watersaturatedCO2of30°C

fromatm

osphericpressure

(0.11MPa)to15or20MPa.Besidescompression,theCO2hasto

bedehydratedto

amaximum

watercontentof50ppmand

cooleddownto

32°C

(withcoolingwaterof10°C).Anadditionalrequirementisthatthecompressorshouldbeableto

operate

oncapacitiesrangingfrom

50‐100%.

k) TheRAMGEN

configurationdependsonasupersoniccompressorwhichcancompress

theCO2in

twostagesfrom

0.15MPato

therequiredoutlet

pressure.Although

thiskindofcompressordoesn’texist

yet,itisapromisingtechnology

tolimitcapitalcosts.However,theenergycostswillslightly

increase

since

thecompressionprocess

isfurtherawayfrom

theidealiso‐therm

alcompressioncurve.Partofthisenergycanbecompensatedbyusing

the waste heat of the compressor to generate steam for the steam turbine. 

e) TheCO2from

thelocalsource(4

Mt/y)isbeingcompressedto

0.7

MPaandmixedwiththeCO2in

theinterm

ediate

storage

tanks

(3Mt/y)which

arrivedbyships.Themixedstreamiscompressedwithtw

oparallelcompressorto

16.0

MPaandsubsequentlyto

19.0MPawithonecompressor.Since,

the mass flow varies, the energy consumption is not calculated. 

Annexes 

291 

 

larger than the pipeline diameter in place. This is partly caused by only including the most common NPS  in  the model. Additionally,  in one case  (Kingsnorth  liquid)  the diameter  is smaller but this  is probably caused that the diameter of the pipeline  is sized for gaseous CO2  transport  which  will  occur  in  the  first  phase  of  the  project.  Overall,  it  can  be concluded  the  pipeline  diameter  installed  can  be  estimated  quite  accurate  with  the developed model.  

Besides checking  the diameter model, also  the  thickness model was checked. Thickness depends  on  the maximum  allowable  operation  pressure  (MAOP),  the  steel  grade,  the outer diameter and location. With the information summarized in Table C1, the thickness is  calculated  based  on  the  actual ODNPS  and  compared with  the  actual  thickness.  The average  difference  between  the  actual  and  calculated  thickness  is  1.0 mm, where  the model underestimate the thickness. This is mainly caused that for some pipelines also the thickness  is  stated  which  is  used  by  (rail)road  and  water  crossings,  where  a  higher thickness  is required  for a small part of the pipeline. Additionally,  the COCATE pipelines have a large wall thickness because these were designed with a design factor of 0.4 due to the  high  populated  area  and  for  (additional)  safety  reasons  (Bureau  et  al.,  2011; Roussanaly, 2012). Without  the COCATE pipelines,  the difference decreases  to 0.8 mm. Consequently, it is concluded that the model can estimate the thickness for CO2 pipelines quite accurate.  

Annex D: Compression costs of FEED studies and vendor quotations 9.2.3

In Figure 3.4,  the costs of compressors  for several studies were presented.  In Table D1, the data is given in more detail. 

Annex E: Effect of a different MAOP  9.2.4

In chapter 3, Figure 3.7 provides thickness and cost estimations for different steel grades and maximum allowable operation pressures  (MAOP)  for a pipeline with a diameter of 0.61 m. However, pipeline diameter  is not  a design objective but more  an outcome of other  design  inputs  like mass  flow  and  outlet  pressure.  Therefore,  a  similar  analysis  is done  for  a  fixed mass  flow  of  100  kg/s,  a  fixed  length  of  100  km  and  a  fixed  outlet pressure of 1.5 MPa for gaseous and 8.0 MPa for liquid CO2 transport. The results of this analysis are given in Figure E1.  

For  gaseous  CO2  transport  through  a  nominal  pipe  size  of  0.76 m,  the  required  inlet pressure would be 2.9 MPa and  the MAOP would be 3.2 MPa  for all  steel grades. The lowest costs are realized with X42. For liquid CO2 transport through a pipeline of 0.41 m, the MAOP vary from 10.2 to 10.5 MPa depending on the required steel grade. The lowest MAOP and costs are realized with X120. In comparison with X80, the costs decrease with 3%  by  using  X120  instead  of  X80.  For  higher maximum  allowable  operation  pressures (realized by a smaller diameter of 0.32 m) of 14.8 to 13.2 MPa, the results are similar. The lowest costs are realized with X120 and a cost advantage of 5% is realized by using X120 instead of X80. Furthermore, the initial compression costs would be slightly lower because an inlet pressure of 11.9 MPa instead of 12.3 MPa is needed.  

Chapter 9 

292 

 

 

Figure  E1:  Influence  of  steel  grades  on  the  capital  costs  for  pipelines,  for  a  given mass  flow (100 kg/s),  length  (100  km on  sparely populated  terrain, without pumping  stations)  and outlet pressure (1.5 MPa for gaseous and 8.0 MPa for liquid CO2 transport).  

Hence, by doing the analysis again but now taking mass flow, inlet pressure and length as fixed variables, the conclusions do not change. Still,  it can be concluded that  lower steel grades  lead  to  the  lowest  capital  costs  for gaseous CO2  transport while with  liquid CO2 transport,  higher  steel  grades  lead  to  lower  capital  cost  than  lower  steel  grades. Furthermore,  the  cost  advantage  realized  by  higher  steel  grades  is  increasing  with increasing operation pressures. 

Annex F: Additional results point‐to‐point pipelines 9.2.5

Additional results from the cost minimization tool for point‐to‐point pipelines are given in Table F1.  

Table F1: Results for the cost minimization process for pure CO2. The outlet pressure  is fixed on 8 MPa for liquid transport and on 1.5 MPa for gaseous transport.  

Time frame

a Terrain

b Mass flow (kg/s)

Length (km)

OD (m)

Pinlet

(MPa)Npumps Lpump

(km)LCALL

c

(€/t)LCtrans

c

(€/t) ΔPact     (Pa/m) 

Steel grade 

Phase 

Short  S. Pop.  50 50 0.22 13 0 59 13.0 1.32 85 X80  Liq. Short  S. Pop.  100 100 0.32 13 0 114 13.1 1.91 44 X80  Liq. Mid  S. Pop.  100 100 0.32 12 1 96 13.0 1.87 42 X100  Liq. Long  S. Pop.  100 100 0.32 12 1 99 13.0 1.84 40 X120  Liq. Short  S. Pop.  100 250 0.32 11 3 71 16.4 5.31 42 X80  Liq. Mid  S. Pop.  100 250 0.32 11 3 73 16.3 5.16 41 X100  Liq. Long  S. Pop.  100 250 0.32 12 2 99 16.2 5.07 40 X120  Liq. Long  S. Pop.  250 250 0.51 10 2 85 14.1 3.09 24 X120  Liq. Long  S. Pop.  500 250 0.61 10 4 55 13.0 2.20 36 X120  Liq. Long  S. Pop.  750 100 0.76 11 0 116 11.4 0.60 26 X120  Liq. Long  S. Pop.  750 250 0.76 11 2 116 12.5 1.73 26 X120  Liq. Short  S. Pop.  150 100 0.41 11 0 102 12.7 1.57 29 X80  Liq. Short  S. Pop.  150 250 0.41 10 3 69 15.4 4.33 29 X80  Liq. 

X42

X52

X65

X70

X80

X90

X100

X120

X42

X52

X65

X70

X80

X90

X100

X120

X42

X52

X65

X70

X80

X90

X100

X120

Gasesous transportNPS = 0.76 m

Liquid transportNPS = 0.41 m

Liquid transportNPS = 0.32 m

0

12

24

36

0.0

0.5

1.0

1.5

Thickn

ess (m

m)

Costs (M

€2010/km)

ROW and misc. costs Labor costs Material costs Thickness

Annexes 

293 

 

Table F1: Results for the cost minimization process for pure CO2. The outlet pressure  is fixed on 8 MPa for liquid transport and on 1.5 MPa for gaseous transport (continued).  

Time frame

a Terrain

b Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Npumps Lpump

(km) LCALL

c

(€/t) LCtrans

c

(€/t)  ΔPact     (Pa/m) 

Steel grade 

Phase 

Short  S. Pop.  200 50 0.41 11 0 58 11.6 0.59 52 X80  Liq. Short  S. Pop.  200 100 0.41 14 0 111 12.3 1.23 54 X80  Liq. Short  S. Pop.  200 250 0.41 11 4 58 14.7 3.70 52 X80  Liq. Short  S. Pop.  200 500 0.41 11 8 58 18.6 7.60 52 X80  Liq. Short  S. Pop.  250 100 0.51 11 0 118 12.2 1.20 25 X80  Liq. Short  S. Pop.  250 250 0.51 9 6 41 14.3 3.33 25 X80  Liq. Short  S. Pop.  250 500 0.51 10 6 80 17.7 6.74 25 X80  Liq. Short  S. Pop.  300 100 0.51 12 0 109 12.0 1.02 37 X80  Liq. Short  S. Pop.  300 150 0.51 11 1 82 12.6 1.68 36 X80  Liq. Short  S. Pop.  300 250 0.51 11 3 82 13.8 2.93 36 X80  Liq. Short  S. Pop.  350 100 0.61 10 0 106 11.9 1.03 19 X80  Liq. Short  S. Pop.  350 250 0.61 10 2 106 13.7 2.78 19 X80  Liq. Short  S. Pop.  400 100 0.61 10 1 81 11.8 0.94 25 X80  Liq. Short  S. Pop.  400 250 0.61 10 3 81 13.4 2.55 25 X80  Liq. Short  S. Pop.  450 100 0.61 10 1 64 11.7 0.88 31 X80  Liq. Short  S. Pop.  500 100 0.61 10 1 52 11.6 0.84 38 X80  Liq. Short  S. Pop.  500 250 0.61 10 4 52 13.1 2.32 38 X80  Liq. Short  S. Pop.  750 100 0.76 11 0 109 11.4 0.65 28 X80  Liq. Short  S. Pop.  750 250 0.76 9 6 37 12.6 1.95 27 X80  Liq. Short  S. Pop.  1,000 250 0.91 9 4 18 12.3 1.67 18 X80  Liq. Short  Popu.  50 50 0.22 13 0 53 13.1 1.39 94 X80  Liq. Mid  Popu.  50 100 0.22 14 1 67 14.8 3.01 89 X100  Liq. Short  Popu.  50 100 0.22 13 1 53 14.9 3.17 94 X80  Liq. Short  Popu.  100 100 0.32 13 0 48 13.2 2.05 48 X80  Liq. Mid  Popu.  100 100 0.32 13 0 110 13.2 1.98 45 X100  Liq. Long  Popu.  100 100 0.32 12 1 94 13.1 1.96 43 X120  Liq. Short  Popu.  100 250 0.32 10 5 45 16.8 5.71 45 X80  Liq. Short  Popu.  150 100 0.41 11 1 96 12.9 1.71 31 X80  Liq. Short  Popu.  150 250 0.41 10 3 65 15.8 4.64 31 X80  Liq. Short  Popu.  200 100 0.41 11 1 54 12.4 1.43 55 X80  Liq. Short  Popu.  250 100 0.51 10 1 75 12.3 1.35 27 X80  Liq. Short  Popu.  250 250 0.51 9 6 38 14.5 3.62 26 X80  Liq. Short  Popu.  300 100 0.51 10 1 52 12.1 1.21 38 X80  Liq. Short  Popu.  350 250 0.61 9 4 51 13.9 3.07 20 X80  Liq. Short  Popu.  500 100 0.61 10 2 49 11.7 0.95 41 X80  Liq. Short  Popu.  500 250 0.61 9 10 25 13.3 2.61 40 X80  Liq. Short  Popu.  750 100 0.76 9 2 35 11.5 0.81 35 X80  Liq. Short  Popu.  750 250 0.76 9 7 35 12.8 2.14 28 X80  Liq. Short  Offsh.  50 100 0.22 17 n.a. n.a. 16.7 4.89 85 X80  Liq. Short  Offsh.  100 100 0.32 13 n.a. n.a. 14.4 3.25 43 X65  Liq. Short  Offsh.  100 250 0.32 20 n.a. n.a. 17.3 5.80 45 X80  Liq. Short  Offsh.  150 100 0.41 11 n.a. n.a. 13.2 2.34 30 X52  Liq. Short  Offsh.  200 100 0.41 14 n.a. n.a. 12.8 1.78 52 X65  Liq. Short  Offsh.  250 100 0.51 11 n.a. n.a. 12.7 1.69 26 X52  Liq. Short  Offsh.  250 250 0.51 15 n.a. n.a. 14.7 3.56 26 X65  Liq. Short  Offsh.  250 500 0.51 22 n.a. n.a. 18.8 7.28 28 X80  Liq. M/L  Offsh.  250 500 0.51 21 n.a. n.a. 18.1 6.66 26 X100  Liq. Short  Offsh.  300 100 0.51 12 n.a. n.a. 12.4 1.43 38 X52  Liq. Short  Offsh.  300 340 0.51 22 n.a. n.a. 15.7 4.35 40 X80  Liq. Short  Offsh.  300 350 0.61 14 n.a. n.a. 15.9 4.91 14 X65  Liq. 

Chapter 9 

294 

 

Table F1: Results for the cost minimization process for pure CO2. The outlet pressure  is fixed on 8 MPa for liquid transport and on 1.5 MPa for gaseous transport (continued). 

Time frame

a Terrain

b Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Npumps Lpump

(km) LCALL

c

(€/t) LCtrans

c

(€/t)  ΔPact     (Pa/m) 

Steel grade 

Phase 

Short  Offsh.  350 100 0.51 13 n.a. n.a. 12.2 1.23 50 X65  Liq. Short  Offsh.  500 100 0.61 12 n.a. n.a. 11.9 1.03 39 X65  Liq. Short  Offsh.  500 250 0.61 19 n.a. n.a. 13.4 2.32 41 X80  Liq. Short  Offsh.  500 500 0.76 15 n.a. n.a. 16.4 5.48 13 X65  Liq. Short  Offsh.  750 100 0.76 11 n.a. n.a. 11.6 0.83 28 X52  Liq. Short  Offsh.  750 250 0.76 15 n.a. n.a. 12.9 1.97 28 X70  Liq. S/M/L  S. Pop.  50 50 0.51 2.5 n.a. n.a. 11.2 2.60 20 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  50 100 0.61 2.4 n.a. n.a. 14.7 6.28 8.0 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  100 50 0.76 2.1 n.a. n.a. 9.75 2.00 11 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  100 100 0.76 2.5 n.a. n.a. 12.2 4.00 9.6 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  100 250 0.91 2.5 n.a. n.a. 20.4 12.3 3.8 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  150 100 0.91 2.4 n.a. n.a. 11.4 3.28 8.6 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  200 50 1.22 1.8 n.a. n.a. 8.96 1.74 4.3 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  200 100 1.07 2.3 n.a. n.a. 10.8 2.95 7.2 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  200 250 1.07 3.0 n.a. n.a. 15.9 7.38 5.8 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  300 100 1.22 2.3 n.a. n.a. 10.0 2.31 7.9 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  300 250 1.32 2.7 n.a. n.a. 14.6 6.39 4.7 X42  Gas. S/M/L  S. Pop.  500 100 1.42 2.5 n.a. n.a. 9.53 1.69 9.4 X42  Gas. S/M/L  Popu.  50 50 0.61 2.0 n.a. n.a. 11.2 3.14 9.0 X52  Gas. S/M/L  Popu.  50 100 0.61 2.4 n.a. n.a. 14.7 6.30 8.0 X52  Gas. S/M/L  Popu.  100 100 0.76 2.5 n.a. n.a. 12.2 4.02 9.6 X52  Gas. S/M/L  Popu.  150 100 1.07 2.0 n.a. n.a. 11.4 3.93 4.5 X42  Gas. S/M/L  Popu.  200 100 1.07 2.3 n.a. n.a. 10.8 2.95 7.2 X42  Gas. S/M/L  Popu.  250 100 1.22 2.1 n.a. n.a. 10.4 2.78 5.9 X42  Gas. S/M/L  Popu.  250 250 1.22 2.8 n.a. n.a. 15.2 6.99 4.9 X52  Gas. S/M/L  Popu.  300 100 1.22 2.2 n.a. n.a. 10.0 2.31 7.9 X42  Gas. S/M/L  Offsh.  50 50 0.51 2.6 n.a. n.a. 14.2 5.54 20 X42  Gas. S/M/L  Offsh.  50 100 0.61 2.4 n.a. n.a. 18.3 9.84 8.4 X42  Gas. S/M/L  Offsh.  100 100 0.76 2.6 n.a. n.a. 14.6 6.43 10 X42  Gas. S/M/L  Offsh.  150 100 0.91 2.4 n.a. n.a. 13.2 5.06 9.0 X42  Gas. S/M/L  Offsh.  150 250 1.07 2.5 n.a. n.a. 22.1 13.9 4.0 X42  Gas. S/M/L  Offsh.  200 100 0.91 2.9 n.a. n.a. 12.2 3.79 14 X42  Gas. S/M/L  Offsh.  300 100 1.22 2.4 n.a. n.a. 11.5 3.62 8.3 X42  Gas. 

a) S/M/L refers to the short, medium and long term, respectively.b) S. Pop., popu. and offsh. refers to sparsely populated, populated terrain and offshore pipelines, respectively.  c) LCALL  refers  to  the  levelized costs associated with  initial compression, pipeline and pumping stations, while 

LCtrans refer to the costs associated with only pipeline and pumping stations. 

Annex G: Additional results sensitivity analysis 9.2.6

In this section, additional results are given of the sensitivity analysis for 50% variation  in the electricity costs  (Table G1), steel costs (Table G2),  labor  (Table G3) and  interest rate (Table  G4)  for  point‐to‐point  pipelines.  Additionally,  the  sensitivity  is  analyzed  for  the preference for trunklines versus point‐to‐point pipelines  if the  interest rate  is decreased to 5% or increased to 15% (Table G5).  

 

Annexes 

295 

 

Table G1: Sensitivity of several cases to changes in the electricity costa.  

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Electricity cost (€/MWh) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa)Steel grade 

Npumps  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

50 100 50 0.22 18 X80 0 10.0 2.75  91 100 0.22 18 X80 0 14.7 2.75  91 150 0.27 11 X65 0 19.4 3.18  26 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

100 

100 

50 0.32 13 X80 0 8.48 1.91  44 100 0.32 13 X80 0 13.1 1.91  44 150 0.32 12 X80 1 17.7 1.94  43 

Short term   

Sparsely populated – Liquid 

150 

100 

50 0.32 13 X80 0 8.15 1.52  98 100 0.41 11 X80 0 12.7 1.57  29 150 0.41 11 X80 0 17.3 1.57  29 

Short term   

Sparsely populated – Liquid 

200 100 50 0.41 14 X80 0 7.70 1.23  54 100 0.41 14 X80 0 12.3 1.23  54 150 0.51 9 X80 1 16.9 1.51  16 

Short term  

Sparsely populated – Liquid 

250 100 

50 0.51 13 X80 1 7.62 1.13  25 100 0.51 11 X80 0 12.2 1.20  25 150 0.51 11 X80 0 16.8 1.20  25 

Short term   

Sparsely populated – Liquid 

300 100 50 0.51 12 X80 0 7.36 1.02  37 100 0.51 12 X80 0 12.0 1.02  37 150 0.51 12 X80 0 16.6 1.02  37 

Short term   

Sparsely populated – Liquid 

400 100 50 0.51 12 X80 1 7.18 0.88  65 100 0.61 10 X80 1 11.8 0.94  25 150 0.61 10 X80 1 16.3 0.95  25 

Short term 

Sparsely populated – Liquid 

500 100 50 0.61 10 X80 1 7.02 0.81  38 100 0.61 10 X80 1 11.6 0.84  38 150 0.76 9 X80 1 16.2 0.95  12 

Short term  

Sparsely populated – Liquid 

750 100 50 0.76 11 X80 0 6.84 0.65  28 100 0.76 11 X80 0 11.4 0.65  28 150 0.91 9 X80 1 16.0 0.77  10 

Short term   

Sparsely populated – Liquid 

100 250 50 0.32 11 X80 3 11.7 5.15  42 100 0.32 11 X80 3 16.4 5.31  42 150 0.32 11 X80 3 21.2 5.47  42 

Short term 

Sparsely populated – Liquid 

150 250 50 0.41 10 X80 3 10.8 4.22  29 100 0.41 10 X80 3 15.4 4.33  29 150 0.41 10 X80 3 20.1 4.44  29 

Short term   

Sparsely populated – Liquid 

200 250 50 0.41 12 X80 3 9.89 3.46  53 100 0.41 11 X80 4 14.7 3.70  52 150 0.51 9 X80 3 19.4 3.93  16 

Short term 

Sparsely populated – Liquid 

250 250 50 0.51 9 X80 6 9.61 3.22  25 100 0.51 9 X80 6 14.3 3.33  25 150 0.51 9 X80 6 18.9 3.44  25 

Short term 

Sparsely populated – Liquid 

300 250 50 0.51 11 X80 3 9.13 2.80  36 100 0.51 11 X80 3 13.8 2.93  36 150 0.51 11 X80 3 18.6 3.06  36 

Short term 

Sparsely populated – Liquid 

350 250 50 0.51 11 X80 4 8.90 2.59  49 100 0.61 10 X80 2 13.7 2.78  19 150 0.61 10 X80 2 18.3 2.83  19 

Short term 

Sparsely populated – Liquid 

400 250 50 0.61 10 X80 3 8.71 2.46  25 100 0.61 10 X80 3 13.4 2.55  25 150 0.61 10 X80 3 18.0 2.64  25 

  

     

Chapter 9 

296 

 

Table G1: Sensitivity of several cases to changes in the electricity costa (continued).  

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Electricity cost (€/MWh) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa)Steel grade 

Npumps  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term  

Sparsely populated – Liquid 

500 250 50 0.61 10 X80 4 8.37 2.15  38 100 0.61 10 X80 4 13.1 2.32  38 150 0.76 9 X80 2 17.8 2.50  12 

Short term  

Sparsely populated – Liquid 

750 250 50 0.76 9 X80 6 7.97 1.82  27 100 0.76 9 X80 6 12.6 1.95  27 150 0.91 9 X80 2 17.3 2.06  10 

Short term  

Sparsely populated – Liquid 

1,000 250 50 0.91 9 X80 4 7.68 1.60  18 100 0.91 9 X80 4 12.3 1.67  18 150 0.91 9 X80 4 16.9 1.75  18 

Short term  

Sparsely populated – Liquid 

250 500 50 0.51 10 X80 6 12.9 6.51  25 100 0.51 10 X80 6 17.7 6.74  25 150 0.51 10 X80 6 22.5 6.96  25 

Long term  

Sparsely populated – Liquid 

100 250 50 0.32 12 X120 2 11.5 4.94  40 100 0.32 12 X120 2 16.2 5.07  40 150 0.32 12 X120 2 21.0 5.20  40 

Long term  

Sparsely populated – Liquid 

250 250 50 0.51 10 X120 2 9.42 3.01  24 

100 0.51 10 X120 2 14.1 3.09  24 

150 0.51 10 X120 2 18.7 3.18  24 

Long term  

Sparsely populated – Liquid 

500 250 50 0.61 10 X120 4 8.26 2.04  36 

100 0.61 10 X120 4 13.0 2.20  36 

150 0.76 10 X120 1 17.6 2.30  11 

Long term  

Sparsely populated – Liquid 

750 250 50 0.76 11 X120 2 7.86 1.66  26 

100 0.76 11 X120 2 12.5 1.73  26 

150 0.76 11 X120 2 17.2 1.81  26 

Long term  

Sparsely populated – Liquid 

750 100 50 0.76 11 X120 0 6.79 0.60  26 

100 0.76 11 X120 0 11.4 0.60  26 

150 0.76 11 X120 0 15.9 0.60  26 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated – Gaseous 

50 100 50 0.61 2.4 X42 n.a. 11.5 6.28  8.0 

100 0.61 2.4 X42 n.a. 14.7 6.28  8.0 

150 0.61 2.4 X42 n.a. 17.9 6.28  8.0 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated – Gaseous 

100 100 50 0.76 2.5 X42 n.a. 8.86 4.00  9.6 

100 0.76 2.5 X42 n.a. 12.2 4.00  9.6 

150 0.76 2.5 X42 n.a. 15.5 4.00  9.6 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated – Gaseous 

100 50 50 0.76 2.1 X42 n.a. 6.63 2.00  11 

100 0.76 2.1 X42 n.a. 9.75 2.00  11 

150 0.91 1.8 X42 n.a. 12.8 2.46  4.7 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated – Gaseous 

250 100 50 1.07 2.6 X42 n.a. 7.05 2.36  10 100 1.07 2.6 X42 n.a. 10.4 2.36  10 150 1.22 2.1 X42 n.a. 13.5 2.78  5.9 

Short term 

Sparsely populated – Gaseous 

500 100 50 1.32 2.8 X42 n.a. 6.24 1.53  13 100 1.42 2.5 X42 n.a. 9.53 1.69  9.4 150 1.42 2.5 X42 n.a. 12.8 1.69  9.4 

Short term   

Offshore   –Liquid 

100 

100 

50 0.27 19 X80 n.a. 9.75 3.03  109 100 0.32 13 X65 n.a. 14.4 3.25  43 150 0.32 13 X65 n.a. 19.0 3.25  43 

Annexes 

297 

 

Table G1: Sensitivity of several cases to changes in the electricity costa (continued). 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Electricity cost (€/MWh) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa)Steel grade 

Npumps  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term  

Offshore    – Liquid 

250 100 

50 0.41 17 X52 n.a. 8.11 1.56  82 100 0.51 11 X52 n.a. 12.8 1.78  26 150 0.51 11 X52 n.a. 17.3 1.78  26 

Short term 

Offshore   –Liquid 

500 100 50 0.61 12 X65 n.a. 7.32 1.07  39 100 0.61 12 X65 n.a. 11.9 1.07  39 150 0.61 12 X65 n.a. 16.5 1.07  39 

Short term  

Offshore   –Liquid 

750 100 50 0.76 11 X52 n.a. 7.04 0.86  28 100 0.76 11 X52 n.a. 11.6 0.86  28 150 0.76 11 X52 n.a. 16.2 0.86  28 

Short term 

Offshore   –Liquid 

100 250 50 0.32 20 X80 n.a. 12.8 6.03  45 100 0.32 20 X80 n.a. 17.5 6.03  45 150 0.32 20 X80  n.a. 22.2 6.03  45 

Short term 

Offshore   –Liquid 

250 250 50 0.51 15 X65 n.a. 10.2 3.65  26 100 0.51 15 X65 n.a. 14.8 3.65  26 150 0.51 15 X65 n.a. 19.4 3.65  26 

Short term 

Offshore   –Liquid 

500 250 50 0.61 19 X80 n.a. 8.77 2.37  41 100 0.61 19 X80 n.a. 13.5 2.37  41 150 0.61 19 X80 n.a. 18.2 2.37  13 

Short term 

Offshore   –Liquid 

750 250 50 076  15 X70 n.a. 8.28 2.00  28 

100 0.76 15 X70 n.a. 12.9 2.00  28 

150 0.76 15 X70 n.a. 17.6 2.00  11 

Short/ Mid/ Long  

Offshore  – Gaseous 

50 100 50 0.61 2.4 X42 n.a. 15.5 10.3  8.4 100 0.61 2.4 X42 n.a. 18.7 10.3  8.4 150 0.61 2.4 X42 n.a. 22.0 10.3  8.4 

Short term 

Populated –Liquid 

50 100 50 0.22 13 X80 1 10.2 3.08  94 

100 0.22 13 X80 1 14.9 3.17  94 

150 0.27 10 X80 1 19.5 3.40  27 

Short term  

Populated –Liquid 

100 100 

50 0.32 13 X80 0 8.63 2.05  48 100 0.32 13 X80 0 13.2 2.05  48 150 0.32 10 X80 2 17.9 2.27  45 

Short term  

Populated –Liquid 

250 100 

50 0.41 11 X80 2 7.73 1.29  86 100 0.51 10 X80 1 12.3 1.35  27 150 0.51 10 X80 1 16.9 1.36  27 

Short term 

Populated –Liquid 

500 100 50 0.61 10 X80 2 7.12 0.90  41 100 0.61 10 X80 2 11.7 0.95  41 150 0.76 9 X80 1 16.3 1.06  13 

Short term  

Populated –Liquid 

750 100 50 0.76 9 X80 2 6.92 0.78  28 100 0.76 9 X80 2 11.5 0.81  28 150 0.76 9 X80 2 16.1 0.85  28 

Short term 

Populated –Liquid 

100 250 50 0.32 10 X80 5 12.0 5.51  45 100 0.32 10 X80 5 16.8 5.71  45 150 0.32 10 X80 5 21.5 5.90  45 

Short term 

Populated –Liquid 

150 250 50 0.41 10 X80 3 11.1 4.52  31 100 0.41 10 X80 3 15.8 4.64  31 150 0.41 9 X80 7 20.4 4.83  30 

Short term 

Populated –Liquid 

250 250 50 0.51 9 X80 6 9.89 3.50  26 100 0.51 9 X80 6 14.5 3.62  26 150 0.51 9 X80 6 19.2 3.74  26 

       

Chapter 9 

298 

 

Table G1: Sensitivity of several cases to changes in the electricity costa (continued). 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Electricity cost (€/MWh) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa)Steel grade 

Npumps  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term 

Populated –Liquid 

350 250 50 0.51 10 X80 6 9.19 2.86  52 100 0.61 9 X80 4 13.9 3.07  20 150 0.61 9 X80 4 18.5 3.16  20 

Short term 

Populated –Liquid 

500 250 50 0.61 9 X80 10 8.61 2.42  40 100 0.61 9 X80 10 13.3 2.61  40 150 0.76 9 X80 3 18.1 2.78  13 

Short term 

Populated –Liquid 

750 250 50 0.76 9 X80 7 8.16 2.01  28 

100 0.76 9 X80 7 12.8 2.14  28 

150 0.76 9 X80 7 17.5 2.27  28 

Short/ Mid/ Long 

Populated –Gaseous 

50 100 50 0.61 2.4 X52 n.a. 11.5 6.30  8.0 100 0.61 2.4 X52 n.a. 14.7 6.30  8.0 150 0.61 2.4 X52 n.a. 17.9 6.30  8.0 

a) The italic figures indicate that the optimal configuration differs from the base case with respect to diameter, inlet pressure or number of pumping stations.  

b) LCALL  refers  to  the  levelized  costs associated with  initial  compression, pipeline and pumping  stations, while LCtrans refer to the costs associated with only pipeline and pumping stations. 

Table G2: Sensitivity of several cases to changes in the steel costa. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Steel factor 

OD (m) 

Pinlet

(MPa)Steel grade 

Npumps  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

50 100 0.5 0.22 18 X80 0 14.4 2.51  91 1.0 0.22 18 X80 0 14.7 2.75  91 1.5 0.22 13 X80 1 14.9 3.15  85 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

100 

100 

0.5 0.32 13 X80 0 12.9 1.72  44 1.0 0.32 13 X80 0 13.1 1.91  44 1.5 0.32 10 X80 2 13.3 2.20  42 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

150 

100 

0.5 0.41 11 X80 0 12.6 1.40  29 

1.0 0.41 11 X80 0 12.7 1.57  29 1.5 0.41 11 X80 0 12.9 1.75  29 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

200 100 0.5 0.41 14 X80 0 12.2 1.08  54 1.0 0.41 14 X80 0 12.3 1.23  54 1.5 0.41 11 X80 1 12.5 1.48  52 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

250 100 

0.5 0.51 11 X80 0 12.0 1.05  25 1.0 0.51 11 X80 0 12.2 1.20  25 1.5 0.51 9 X80 2 12.3 1.42  25 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

300 100 0.5 0.51 12 X80 0 11.8 0.88  37 1.0 0.51 12 X80 0 12.0 1.02  37 1.5 0.51 10 X80 1 12.1 1.23  36 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

400 100 0.5 0.61 11 X80 0 11.6 0.79  25 1.0 0.61 10 X80 1 11.8 0.94  25 1.5 0.61 10 X80 1 11.9 1.06  25 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

500 100 0.5 0.61 12 X80 0 11.5 0.64  40 1.0 0.61 10 X80 1 11.6 0.84  38 1.5 0.61 10 X80 1 11.7 0.94  38 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

750 100 0.5 0.76 11 X80 0 11.3 0.54  28 1.0 0.76 11 X80 0 11.4 0.65  28 1.5 0.76 9 X80 2 11.5 0.83  27 

       

Annexes 

299 

 

Table G2: Sensitivity of several cases to changes in the steel cost (continued)a. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Steel factor 

OD (m) 

Pinlet

(MPa)Steel grade 

Npumps  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

100 250 0.5 0.32 14 X80 1 16.0 4.73  45 1.0 0.32 11 X80 3 16.4 5.31  42 1.5 0.32 10 X80 5 16.8 5.75  42 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

150 250 0.5 0.41 12 X80 1 15.0 3.79  30 1.0 0.41 10 X80 3 15.4 4.33  29 1.5 0.41 10 X80 3 15.8 4.73  29 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

200 250 0.5 0.41 13 X80 2 14.3 3.25  53 1.0 0.41 11 X80 4 14.7 3.70  52 1.5 0.41 11 X80 4 15.0 4.03  52 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

250 250 0.5 0.51 12 X80 1 13.9 2.81  26 1.0 0.51 9 X80 6 14.3 3.33  25 1.5 0.51 9 X80 6 14.6 3.66  25 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

300 250 0.5 0.51 12 X80 2 13.5 2.56  37 1.0 0.51 11 X80 3 13.8 2.93  36 1.5 0.51 9 X80 8 14.1 3.33  35 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

350 250 0.5 0.61 10 X80 2 13.3 2.42  19 1.0 0.61 10 X80 2 13.7 2.78  19 1.5 0.61 11 X80 4 14.0 3.06  49 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

400 250 0.5 0.61 10 X80 3 13.1 2.24  25 1.0 0.61 10 X80 3 13.4 2.55  25 1.5 0.61 10 X80 3 13.7 2.85  25 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

500 250 0.5 0.76 9 X80 2 12.8 2.10  12 1.0 0.61 10 X80 4 13.1 2.32  38 1.5 0.61 10 X80 4 13.3 2.56  38 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

750 250 0.5 0.91 9 X80 2 12.4 1.70  10 1.0 0.76 9 X80 6 12.6 1.95  27 1.5 0.76 9 X80 6 12.9 2.18  27 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

1,000 250 0.5 0.91 9 X80 4 12.1 1.43  18 1.0 0.91 9 X80 4 12.3 1.67  18 1.5 0.91 9 X80 4 12.5 1.92  18 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

250 500 0.5 0.51 11 X80 4 17.0 5.93  25 1.0 0.51 10 X80 6 17.7 6.74  25 1.5 0.51 10 X80 6 18.4 7.47  25 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

100 250 0.5 0.32 14 X120 1 15.8 4.57  41 1.0 0.32 12 X120 2 16.2 5.07  40 1.5 0.32 12 X120 2 16.6 5.44  40 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

250 2 50 0.5 0.51 11 X120 1 13.8 2.75  24 

1.0 0.51 10 X120 2 14.1 3.09  24 1.5 0.51 10 X120 2 14.3 3.38  24 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

500 250 0.5 0.76 11 X120 0 12.7 1.92  12 1.0 0.61 10 X120 4 13.0 2.20  36 1.5 0.61 10 X120 4 13.2 2.40  36 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

750 250 0.5 0.76 12 X120 1 12.3 1.46  26 1.0 0.76 11 X120 2 12.5 1.73  26 1.5 0.76 10 X120 3 12.7 1.99  26 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

750 100 0.5 0.76 11 X120 0 11.3 0.51  26 1.0 0.76 11 X120 0 11.4 0.60  26 1.5 0.76 11 X120 0 11.5 0.69  26 

       

Chapter 9 

300 

 

Table G2: Sensitivity of several cases to changes in the steel cost (continued)a. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Steel factor 

OD (m) 

Pinlet

(MPa)Steel grade 

Npumps  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

50 100 0.5 0.61 2.4 X42 n.a. 14.2 5.75  8.0 1.0 0.61 2.4 X42 n.a. 14.7 6.28  8.0 1.5 0.61 2.4 X42 n.a. 15.2 6.80  8.0 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

100 100 0.5 0.76 2.5 X42 n.a. 11.8 3.60  9.6 1.0 0.76 2.5 X42 n.a. 12.2 4.00  9.6 1.5 0.76 2.5 X42 n.a. 12.6 4.40  9.6 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

100 50 0.5 0.91 1.8 X42 n.a. 9.5 2.17  4.7 1.0 0.76 2.1 X42 n.a. 9.75 2.00  11 1.5 0.76 2.1 X42 n.a. 9.95 2.20  11 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

250 100 0.5 1.22 2.1 X42 n.a. 9.97 2.37  5.9 1.0 1.07 2.6 X42 n.a. 10.4 2.36  10 1.5 1.07 2.6 X42 n.a. 10.7 2.67  10 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

500 100 0.5 1.42 2.5 X42 n.a. 9.3 1.41  9.4 1.0 1.42 2.5 X42 n.a. 9.5 1.69  9.4 1.5 1.42 2.5 X42 n.a. 9.8 1.96  9.4 

Short term   

Offshore   –Liquid 

100 

100 

0.5 0.32 13 X65 n.a. 14.2 3.04  43 1.0 0.32 13 X65 n.a. 14.4 3.25  43 1.5 0.32 13 X65 n.a. 14.6 3.46  43 

Short term  

Offshore   –Liquid 

250 100 0.5 0.51 11 X52 n.a. 12.6 1.60  26 1.0 0.51 11 X52 n.a. 12.8 1.78  26 1.5 0.51 11 X52 n.a. 12.9 1.96  26 

Short term  

Offshore   –Liquid 

500 100 0.5 0.61 12 X65 n.a. 11.8 0.93  39 1.0 0.61 12 X65 n.a. 11.9 1.07  39 1.5 0.61 12 X65 n.a. 12.1 1.21  39 

Short term  

Offshore   –Liquid 

750 100 0.5 0.76 11 X52 n.a. 11.5 0.73  28 1.0 0.76 11 X52 n.a. 11.6 0.86  28 1.5 0.76 11 X52 n.a. 11.7 1.00  28 

Short term  

Offshore    – Liquid 

100 250 

0.5 0.32 20 X80 n.a. 16.8 5.35  45 1.0 0.32 20 X80 n.a. 17.5 6.03  45 1.5 0.32 20 X80 n.a. 18.2 6.70  45 

Short term 

Offshore   –Liquid 

250 250 0.5 0.51 15 X65 n.a. 14.3 3.11  26 1.0 0.51 15 X65 n.a. 14.8 3.65  26 1.5 0.51 15 X65 n.a. 15.3 4.19  26 

Short term 

Offshore   –Liquid 

500 250 0.5 0.61 19 X80 n.a. 13.0 1.92  41 1.0 0.61 19 X80 n.a. 13.5 2.37  41 1.5 0.61 19 X80 n.a. 13.9 2.82  41 

Short term 

Offshore   –Liquid 

750 250 0.5 0.76 15  X70 n.a. 12.5 1.59  28 1.0 0.76 15 X70 n.a. 12.9 2.00  28 1.5 0.76 15 X70 n.a. 13.3 2.41  28 

Short/ Mid/ Long 

Offshore  – Gaseous 

50 100 0.5 0.61 2.4 X42 n.a. 17.5 9.07  8.4 1.0 0.61 2.4 X42 n.a. 18.7 10.3  8.4 1.5 0.61 2.4 X42 n.a. 20.0 11.5  8.4 

Short term 

Populated –Liquid 

50 100 0.5 0.22 19 X80 0 14.6 2.61  106 

1.0 0.22 13 X80 1 14.9 3.17  94 

1.5 0.22 11 X80 2 15.1 3.51  89 

Short term  

Populated –Liquid 

100 100 

0.5 0.32 13 X80 0 13.0 1.79  48 1.0 0.32 13 X80 0 13.2 2.05  48 1.5 0.32 10 X80 2 13.5 2.39  45 

       

Annexes 

301 

 

Table G2: Sensitivity of several cases to changes in the steel cost (continued) a.  

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Steel factor 

OD (m) 

Pinlet

(MPa)Steel grade 

Npumps  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term  

Populated –Liquid 

250 100 

0.5 0.51 11 X80 0 12.1 1.11  27 1.0 0.51 10 X80 1 12.3 1.35  27 1.5 0.51 9 X80 2 12.5 1.58  26 

Short term 

Populated –Liquid 

500 100 0.5 0.61 11 X80 1 11.6 0.76  42 1.0 0.61 10 X80 2 11.7 0.95  41 1.5 0.61 9 X80 4 11.9 1.12  40 

Short term  

Populated –Liquid 

750 100 0.5 0.76 11 X80 0 11.4 0.58  30 1.0 0.76 9 X80 2 11.5 0.81  28 1.5 0.76 9 X80 2 11.6 0.94  28 

Short term 

Populated –Liquid 

100 250 0.5 0.32 12 X80 2 16.2 5.06  47 1.0 0.32 10 X80 5 16.8 5.71  45 1.5 0.32 10 X80 5 17.3 6.22  45 

Short term 

Populated –Liquid 

150 250 0.5 0.41 11 X80 2 15.2 4.03  31 1.0 0.41 10 X80 3 15.8 4.64  31 1.5 0.41 9 X80 7 16.3 5.18  30 

Short term 

Populated –Liquid 

250 250 0.5 0.51 10 X80 3 14.1 3.09  27 1.0 0.51 9 X80 6 14.5 3.62  26 1.5 0.51 9 X80 6 15.0 4.07  26 

Short term 

Populated –Liquid 

350 250 0.5 0.61 9 X80 4 13.5 2.63  20 1.0 0.61 9 X80 4 13.9 3.07  20 1.5 0.51 10 X80 6 14.3 3.45  52 

Short term 

Populated –Liquid 

500 250 0.5 0.76 9 X80 3 13.0 2.25  13 1.0 0.61 9 X80 10 13.3 2.61  40 1.5 0.61 9 X80 10 13.7 2.92  40 

Short term 

Populated –Liquid 

750 250 0.5 0.76 9 X80 7 12.5 1.82  28 

1.0 0.76 9 X80 7 12.8 2.14  28 

1.5 0.76 9 X80 7 13.2 2.46  28 

Short/ Mid/ Long 

Populated –Gaseous 

50 100 0.5 0.61 2.4 X52 n.a. 14.2 5.77  8.0 1.0 0.61 2.4 X52 n.a. 14.7 6.30  8.0 1.5 0.61 2.4 X52 n.a. 15.2 6.84  8.0 

a) The italic figures indicate that the optimal configuration differs from the base case with respect to diameter, inlet pressure or number of pumping stations.  

b) LCALL refers to the levelized costs associated with initial compression, pipeline and pumping stations, while LCtrans refer to the costs associated with only pipeline and pumping stations. 

Table G3: Sensitivity of several cases to changes in the labor costsa. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Labor costs (€/m

2) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Steel grade 

Npump  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

50 100 413 0.27 11 X80 0 13.7 2.15  27 825 0.22 18 X80 0 14.7 2.75  91 1,238 0.22 18 X80 0 15.5 3.58  91 

    1,650 0.22 18 X80 0 16.3 4.41  91 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

100 

100 

413 0.32 13 X80 0 12.5 1.30  44 825 0.32 13 X80 0 13.1 1.91  44 1,238 0.32 13 X80 0 13.7 2.53  44 

    1,650 0.27 14 X80 1 14.3 3.04  109 

       

Chapter 9 

302 

 

Table G3: Sensitivity of several cases to changes in the labor costs (continued)a. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Labor costs (€/m

2)

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Steel grade 

Npump  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

150 

100 

413 0.41 11 X80 0 12.2 1.06  29 825 0.41 11 X80 0 12.7 1.57  29 1,238 0.41 11 X80 0 13.3 2.09  29 

    1,650 0.32 13 X80 1 13.7 2.44  98 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

200 100 413 0.51 9 X80 1 11.9 1.02  16 825 0.41 14 X80 0 12.3 1.23  54 1,238 0.41 14 X80 0 12.7 1.62  54 

    1,650 0.41 14 X80 0 13.1 2.00  54 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

250 100 

413 0.51 11 X80 0 11.8 0.82  25 825 0.51 11 X80 0 12.2 1.20  25 1,238 0.51 11 X80 0 12.6 1.59  25 

    1,650 0.41 13 X80 1 12.9 1.82  83 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

300 100 413 0.51 12 X80 0 11.6 0.69  37 825 0.51 12 X80 0 12.0 1.02  37 1,238 0.51 12 X80 0 12.3 1.34  37 

    1,650 0.51 12 X80 0 12.6 1.66  37 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

400 100 413 0.61 10 X80 1 11.5 0.65  25 825 0.61 10 X80 1 11.8 0.94  25 1,238 0.61 10 X80 1 12.0 1.23  25 

    1,650 0.51 12 X80 1 12.3 1.41  65 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

500 100 413 0.76 9 X80 1 11.4 0.66  12 825 0.61 10 X80 1 11.6 0.84  38 1,238 0.61 10 X80 1 11.9 1.08  38 

    1,650 0.61 10 X80 1 12.1 1.31  38 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

750 100 413 0.91 9 X80 1 11.2 0.54  10 825 0.76 11 X80 0 11.4 0.65  28 1,238 0.76 11 X80 0 11.6 0.84  28 

    1,650 0.76 11 X80 0 11.8 1.03  28 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

100 250 413 0.32 11 X80 3 14.9 3.78  42 825 0.32 11 X80 3 16.4 5.31  42 1,238 0.32 11 X80 3 18.0 6.84  42 

    1,650 0.32 11 X80 3 19.5 8.38  42 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

150 250 413 0.41 10 X80 3 14.2 3.05  29 825 0.41 10 X80 3 15.4 4.33  29 1,238 0.41 10 X80 3 16.7 5.61  29 

    1,650 0.32 13 X80 4 17.9 6.62  98 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

200 250 413 0.51 9 X80 3 13.6 2.66  16 825 0.41 11 X80 4 14.7 3.70  52 1,238 0.41 11 X80 4 15.7 4.67  52 

    1,650 0.41 11 X80 4 16.6 5.63  52 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

250 250 413 0.51 9 X80 6 13.3 2.37  25 825 0.51 9 X80 6 14.3 3.33  25 1,238 0.51 9 X80 6 15.2 4.30  25 

    1,650 0.41 12 X80 5 16.1 5.07  82 

Short term 

Sparsely populated – Liquid 

300 250 413 0.61 10 X80 1 13.0 2.15  14 825 0.51 11 X80 3 13.8 2.93  36 1,238 0.51 11 X80 3 14.6 3.73  36 

    1,650 0.51 11 X80 3 15.4 4.53  36 

Annexes 

303 

 

Table G3: Sensitivity of several cases to changes in the labor costs (continued)a. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Labor costs (€/m

2)

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Steel grade 

Npump  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term 

Sparsely populated – Liquid 

350 250 413 0.61 10 X80 2 12.8 1.95  19 825 0.61 10 X80 2 13.7 2.78  19 1,238 0.51 11 X80 4 14.4 3.47  49 

    1,650 0.51 11 X80 4 15.1 4.16  49 

Short term 

Sparsely populated – Liquid 

400 250 413 0.61 10 X80 3 12.6 1.82  25 825 0.61 10 X80 3 13.4 2.55  25 1,238 0.61 10 X80 3 14.1 3.27  25 

    1,650 0.61 10 X80 3 14.8 3.99  25 

Short term  

Sparsely populated – Liquid 

500 250 413 0.76 9 X80 2 12.5 1.74  12 825 0.61 10 X80 4 13.1 2.32  38 1,238 0.61 10 X80 4 13.7 2.89  38 

    1,650 0.61 10 X80 4 14.2 3.47  38 

Short term  

Sparsely populated – Liquid 

750 250 413 0.91 9 X80 2 12.1 1.44  10 825 0.76 9 X80 6 12.6 1.95  27 1,238 0.76 9 X80 6 13.1 2.43  27 

    1,650 0.76 9 X80 6 13.6 2.91  27 

Short term  

Sparsely populated – Liquid 

1,000 250 413 0.91 9 X80 4 11.9 1.24  18 825 0.91 9 X80 4 12.3 1.67  18 1,238 0.91 9 X80 4 12.7 2.11  18 

    1,650 0.91 9 X80 4 13.2 2.54  18 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

250 500 413 0.51 10 X80 6 15.8 4.81  25 825 0.51 10 X80 6 17.7 6.74  25 1,238 0.51 10 X80 6 19.6 8.66  25 

    1,650 0.41 12 X80 10 21.5 10.4  82 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

100 250 413 0.32 12 X120 2 14.7 3.54  40 825 0.32 12 X120 2 16.2 5.07  40 1,238 0.32 12 X120 2 17.8 6.61  40 

    1,650 0.27 17 X120 2 19.2 7.77  102 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

250 250 413 0.51 10 X120 2 13.1 2.13  24 

825 0.51 10 X120 2 14.1 3.09  24 1,238 0.51 10 X120 2 15.0 4.05  24 

    1,650 0.41 12 X120 4 15.9 4.87  77 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

500 250 413 0.76 10 X120 1 12.3 1.56  11 825 0.61 10 X120 4 13.0 2.20  36 1,238 0.61 10 X120 4 13.6 2.77  36 

    1,650 0.61 10 X120 4 14.1 3.35  36 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

750 250 413 0.76 11 X120 2 12.0 1.25  26 825 0.76 11 X120 2 12.5 1.73  26 1,238 0.76 11 X120 2 13.0 2.21  26 

    1,650 0.76 11 X120 2 13.5 2.70  26 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

750 100 413 0.76 11 X120 0 11.2 0.41  26 825 0.76 11 X120 0 11.4 0.60  26 1,238 0.76 11 X120 0 11.6 0.79  26 

    1,650 0.76 11 X120 0 11.8 0.99  26 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

50 100 413 0.61 2.4 X42 n.a. 12.4 3.97  8.0 825 0.61 2.4 X42 n.a. 14.7 6.28  8.0 1,238 0.61 2.4 X42 n.a. 17.0 8.59  8.0 

    1,650 0.61 2.4 X42 n.a. 19.3 10.9  8.0 

Chapter 9 

304 

 

Table G3: Sensitivity of several cases to changes in the labor costs (continued)a. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Labor costs (€/m

2)

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Steel grade 

Npump  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

100 100 413 0.76 2.5 X42 n.a. 10.7 2.56  9.6 825 0.76 2.5 X42 n.a. 12.2 4.00  9.6 1,238 0.76 2.5 X42 n.a. 13.6 5.44  9.6 

    1,650 0.76 2.5 X42 n.a. 15.0 6.89  9.6 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

250 100 413 1.22 2.1 X42 n.a. 9.45 1.85  5.9 825 1.07 2.6 X42 n.a. 10.4 2.36  10 1,238 1.07 2.6 X42 n.a. 11.2 3.17  10 

    1,650 1.07 2.6 X42 n.a. 12.0 3.98  10 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

100 50 413 0.91 1.8 X42 n.a. 8.95 1.59  4.7 825 0.76 2.1 X42 n.a. 9.75 2.00  11 1,238 0.76 2.1 X42 n.a. 10.5 2.72  11 

    1,650 0.76 2.1 X42 n.a. 11.2 3.44  11 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

500 100 413 1.42 2.5 X42 n.a. 8.99 1.15  9.4 825 1.42 2.5 X42 n.a. 9.53 1.69  9.4 1,238 1.42 2.5 X42 n.a. 10.1 2.22  9.4 

    1,650 1.42 2.5 X42 n.a. 10.6 2.76  9.4 

Short term   

Offshore   –Liquid 

100 

100 

413 0.32 13 X65 n.a. 13.8 2.64  43 825 0.32 13 X65 n.a. 14.4 3.25  43 1,238 0.27 19 X80 n.a. 15.0 3.55  109 

    1,650 0.27 19 X80 n.a. 15.5 4.06  109 

Short term  

Offshore    – Liquid 

250 100 

413 0.51 11 X52 n.a. 12.4 1.39  26 825 0.51 11 X52 n.a. 12.8 1.78  26 1,238 0.41 17 X80 n.a. 13.1 1.87  82 

    1,650 0.41 17 X80 n.a. 13.4 2.17  82 

Short term 

Offshore   –Liquid 

500 100 413 0.61 12 X65 n.a. 11.7 0.84  39 825 0.61 12 X65 n.a. 11.9 1.07  39 1,238 0.61 12 X65 n.a. 12.1 1.30  39 

    1,650 0.61 12 X65 n.a. 12.4 1.53  39 

Short term  

Offshore   –Liquid 

750 100 413 0.76 11 X52 n.a. 11.4 0.67  28 825 0.76 11 X52 n.a. 11.6 0.86  28 1,238 0.76 11 X52 n.a. 11.8 1.06  28 

    1,650 0.76 11 X52 n.a. 12.0 1.25  28 

Short term 

Offshore   –Liquid 

100 250 413 0.32 20 X80 n.a. 16.0 4.49  45 825 0.32 20 X80 n.a. 17.5 6.03  45 1,238 0.32 20 X80 n.a. 19.0 7.56  45 

    1,650 0.32 20 X80 n.a. 20.6 9.09  45 

Short term 

Offshore   –Liquid 

250 250 413 0.51 15 X65 n.a. 13.8 2.69  26 825 0.51 15 X65 n.a. 14.8 3.65  26 1,238 0.51 15 X65 n.a. 15.8 4.61  26 

    1,650 0.51 15 X65 n.a. 16.7 5.57  26 

Short term 

Offshore   –Liquid 

500 250 413 0.61 19 X80 n.a. 12.9 1.79  41 825 0.61 19 X80 n.a. 13.5 2.37  41 1,238 0.61 19 X80 n.a. 14.1 2.95  41 

    1,650 0.61 19 X80 n.a. 14.6 3.52  41 

Short term 

Offshore   –Liquid 

750 250 413 0.76 15 X70 n.a. 12.5 1.51  28 825 0.76 15 X70 n.a. 12.9 2.00  28 1,238 0.76 15 X70 n.a. 13.4 2.48  28 

    1,650 0.76 15 X70 n.a. 13.9 2.96  28 

Annexes 

305 

 

Table G3: Sensitivity of several cases to changes in the labor costs (continued)a. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Labor costs (€/m

2)

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Steel grade 

Npump  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short/ Mid/ Long 

Offshore  – Gaseous 

50 100 413 0.61 2.4 X42 n.a. 16.4 7.99  8.4 825 0.61 2.4 X42 n.a. 18.7 10.3  8.4 1,238 0.61 2.4 X42 n.a. 21.1 12.6  8.4 

    1,650 0.61 2.4 X42 n.a. 23.4 14.9  8.4 

Short term 

Populated –Liquid 

50 100 413 0.27 10 X80 1 13.9 2.35  27 825 0.22 13 X80 1 14.9 3.17  94 1,238 0.22 13 X80 1 15.7 4.00  94 

    1,650 0.22 13 X80 1 16.6 4.83  94 

Short term  

Populated –Liquid 

100 100 

413 0.32 13 X80 0 12.6 1.43  48 825 0.32 13 X80 0 13.2 2.05  48 1,238 0.32 13 X80 0 13.9 2.66  48 

    1,650 0.32 13 X80 0 14.5 3.27  48 

Short term  

Populated –Liquid 

250 100 

413 0.51 10 X80 1 11.9 0.96  27 825 0.51 10 X80 1 12.3 1.35  27 1,238 0.51 10 X80 1 12.7 1.73  27 

    1,650 0.41 11 X80 2 13.1 2.03  86 

Short term 

Populated –Liquid 

500 100 413 0.76 9 X80 1 11.5 0.76  13 825 0.61 10 X80 2 11.7 0.95  41 1,238 0.61 10 X80 2 12.0 1.18  41 

    1,650 0.61 10 X80 2 12.2 1.41  41 

Short term  

Populated –Liquid 

750 100 413 0.76 9 X80 2 11.3 0.62  28 825 0.76 9 X80 2 11.5 0.81  28 1,238 0.76 9 X80 2 11.7 1.01  28 

    1,650 0.76 9 X80 2 11.9 1.20  28 

Short term 

Populated –Liquid 

100 250 413 0.32 10 X80 5 15.2 4.17  45 825 0.32 10 X80 5 16.8 5.71  45 1,238 0.32 10 X80 5 18.3 7.24  45 

    1,650 0.32 10 X80 5 19.8 8.77  45 

Short term 

Populated –Liquid 

150 250 413 0.41 10 X80 3 14.5 3.36  31 825 0.41 10 X80 3 15.8 4.64  31 1,238 0.41 10 X80 3 17.0 5.93  31 

    1,650 0.32 12 X80 6 18.3 7.07  105 

Short term 

Populated –Liquid 

250 250 413 0.51 9 X80 6 13.6 266  26 825 0.51 9 X80 6 14.5 3.62  26 1,238 0.51 9 X80 6 15.5 4.58  26 

    1,650 0.41 11 X80 7 16.4 5.40  86 

Short term 

Populated –Liquid 

350 250 413 0.61 9 X80 4 13.1 2.25  20 825 0.61 9 X80 4 13.9 3.07  20 1,238 0.51 10 X80 6 14.7 3.78  52 

    1,650 0.51 10 X80 6 15.4 4.47  52 

Short term 

Populated –Liquid 

500 250 413 0.76 9 X80 3 12.7 2.01  13 825 0.61 9 X80 10 13.3 2.61  40 1,238 0.61 9 X80 10 13.9 3.19  40 

    1,650 0.61 9 X80 10 14.5 3.77  40 

Short term 

Populated –Liquid 

750 250 413 0.76 9 X80 7 12.4 1.66  28 825 0.76 9 X80 7 12.8 2.14  28 1,238 0.76 9 X80 7 13.3 2.62  28 

    1,650 0.76 9 X80 7 13.8 3.11  28 

Chapter 9 

306 

 

Table G3: Sensitivity of several cases to changes in the labor costs (continued)a. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Labor costs (€/m

2)

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Steel grade 

Npump  LCALLb

(€/t CO2)LCtrans

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short/ Mid/ Long 

Populated –Gaseous 

50 100 413 0.61 2.4 X52 n.a. 12.4 3.99  8.0 825 0.61 2.4 X52 n.a. 14.7 6.30  8.0 1,238 0.61 2.4 X52 n.a. 17.0 8.61  8.0 

    1,650 0.61 2.4 X52 n.a. 19.3 10.9  8.0 

a) The italic figures indicate that the optimal configuration differs from the base case with respect to diameter, inlet pressure or number of pumping stations.  

b) LCALL  refers  to  the  levelized  costs associated with  initial  compression, pipeline and pumping  stations, while LCtrans refer to the costs associated with only pipeline and pumping stations. 

Table G4: Sensitivity of several cases to changes in the interest ratea. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Interest rate (%) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Steel grade 

Npumps  LCALLb

 (€/t CO2

LCtransb 

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

50 100 5 0.27 11 X80 0 12.9 1.91  27 10 0.22 18 X80 0 14.7 2.75  91 15 0.22 18 X80 0 16.6 3.91  91 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

100 

100 

5 0.32 13 X80 0 11.8 1.15  44 10 0.32 13 X80 0 13.1 1.91  44 15 0.32 12 X80 1 14.5 2.75  43 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

150 100 

5 0.41 11 X80 0 11.6 0.95  29 10 0.41 11 X80 0 12.7 1.57  29 15 0.41 11 X80 0 14.0 2.24  29 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

200 100 5 0.51 9 X80 1 11.3 0.92  16 10 0.41 14 X80 0 12.3 1.23  54 15 0.41 14 X80 0 13.4 1.75  54 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

250 100 

5 0.51 11 X80 0 11.2 0.72  25 10 0.51 11 X80 0 12.2 1.20  25 15 0.51 11 X80 0 13.3 1.71  25 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

300 100 5 0.51 12 X80 0 11.1 0.61  37 10 0.51 12 X80 0 12.0 1.02  37 15 0.51 12 X80 0 12.9 1.45  37 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

400 100 5 0.61 10 X80 1 11.0 0.58  25 10 0.61 10 X80 1 11.8 0.94  25 15 0.61 10 X80 1 12.6 1.33  25 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

500 100 5 0.76 9 X80 1 10.9 0.57  12 10 0.61 10 X80 1 11.6 0.84  38 15 0.61 10 X80 1 12.4 1.16  38 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

750 100 5 0.91 9 X80 1 10.7 0.46  10 10 0.76 11 X80 0 11.4 0.65  28 15 0.76 10 X80 1 12.2 0.96  27 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

100 250 5 0.32 11 X80 3 14.0 3.37  42 10 0.32 11 X80 3 16.4 5.31  42 15 0.32 11 X80 3 19.1 7.39  42 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

150 250 5 0.41 11 X80 2 13.3 2.68  29 10 0.41 10 X80 3 15.4 4.33  29 15 0.41 10 X80 3 17.8 6.05  29 

Short term   

Sparsely populated  – Liquid 

200 250 5 0.51 9 X80 3 12.8 2.40  16 10 0.41 11 X80 4 14.7 3.70  52 15 0.41 11 X80 4 16.6 5.05  52 

Annexes 

307 

 

Table G4: Sensitivity of several cases to changes in the interest rate (continued)a. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Interest rate (%) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Steel grade 

Npumps  LCALLb

 (€/t CO2

LCtransb 

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

250 250 5 0.51 11 X80 2 12.6 2.03  25 10 0.51 9 X80 6 14.3 3.33  25 15 0.51 9 X80 6 16.1 4.63  25 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

300 250 5 0.61 10 X80 1 12.3 1.91  14 10 0.51 11 X80 3 13.8 2.93  36 15 0.51 11 X80 3 15.5 4.04  36 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

350 250 5 0.61 10 X80 2 12.2 1.73  19 10 0.61 10 X80 2 13.7 2.78  19 15 0.51 11 X80 4 15.2 3.77  49 

Short term 

Sparsely populated  – Liquid 

400 250 5 0.61 10 X80 3 12.0 1.62  25 10 0.61 10 X80 3 13.4 2.55  25 15 0.61 10 X80 3 14.9 3.54  25 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

500 250 5 0.76 9 X80 2 11.8 1.52  12 10 0.61 10 X80 4 13.1 2.32  38 15 0.61 10 X80 4 14.4 3.14  38 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

750 250 5 0.91 9 X80 2 11.5 1.25  10 10 0.76 9 X80 6 12.6 1.95  27 15 076 9 X80 6 13.8 2.65  27 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

1,000 250 5 0.91 9 X80 4 11.3 1.08  18 10 0.91 9 X80 4 12.3 1.67  18 15 0.91 9 X80 4 13.4 2.31  18 

Short term  

Sparsely populated  – Liquid 

250 500 5 0.51 10 X80 6 14.8 4.29  25 10 0.51 10 X80 6 17.7 6.74  25 15 0.51 10 X80 6 20.9 9.36  25 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

100 250 5 0.32 14 X120 1 13.8 3.09  41 

10 0.32 12 X120 2 16.2 5.07  40 15 0.32 12 X120 2 18.8 7.09  40 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

250 250 5 0.51 10 X120 2 12.4 1.95  24 

10 0.51 10 X120 2 14.1 3.09  24 15 0.51 10 X120 2 15.8 4.32  24 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

500 250 5 0.76 10 X120 1 11.7 1.39  11 10 0.61 10 X120 4 13.0 2.20  36 15 0.61 10 X120 4 14.2 2.98  36 

Long term   

Sparsely populated  – Liquid 

750 250 5 0.91 10 X120 1 11.5 1.15  10 

10 0.76 11 X120 2 12.5 1.73  26 

15 0.76 11 X120 2 13.7 2.40  26 

Long term  

Sparsely populated  – Liquid 

750 100 5 0.76 11 X120 0 10.7 0.36  26 10 0.76 11 X120 0 11.4 0.60  26 15 0.76 11 X120 0 12.1 0.86  26 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

50 100 5 0.61 2.4 X42 n.a. 11.7 3.78  8.0 10 0.61 2.4 X42 n.a. 14.7 6.28  8.0 15 0.61 2.4 X42 n.a. 17.9 8.95  8.0 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

100 100 5 0.76 2.5 X42 n.a. 10.2 2.41  9.6 10 0.76 2.5 X42 n.a. 12.2 4.00  9.6 15 0.76 2.5 X42 n.a. 14.3 5.70  9.6 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

250 100 5 1.22 2.1 X42 n.a. 8.92 1.67  5.9 10 1.07 2.6 X42 n.a. 10.4 2.36  10 15 1.07 2.6 X42 n.a. 11.8 3.36  10 

Chapter 9 

308 

 

Table G4: Sensitivity of several cases to changes in the interest rate (continued)a. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Interest rate (%) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Steel grade 

Npumps  LCALLb

 (€/t CO2

LCtransb 

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

100 50 5 0.91 1.8 X42 n.a. 8.46 1.48  4.7 10 0.76 2.1 X42 n.a. 9.75 2.00  11 15 0.76 2.1 X42 n.a. 11.0 2.85  11 

Short/ Mid/ Long  

Sparsely populated  – Gaseous 

500 100 5 1.42 2.5 X42 n.a. 8.53 1.01  9.4 10 1.42 2.5 X42 n.a. 9.53 1.69  9.4 15 1.42 2.5 X42 n.a. 10.6 2.40  9.4 

Short term   

Offshore   –Liquid 

100 

100 

5 0.32 13 X65 n.a. 12.6 1.96  43 10 0.32 13 X65 n.a. 14.4 3.25  43 15 0.27 19 X80 n.a. 16.4 4.32  109 

Short term  

Offshore   –Liquid 

250 100 

5 0.51 11 X52 n.a. 11.6 1.07  26 10 0.51 11 X52 n.a. 12.8 1.78  26 15 0.41 17 X52 n.a. 14.0 2.22  82 

Short term 

Offshore   –Liquid 

500 100 5 0.61 12 X65 n.a. 11.1 0.65  39 10 0.61 12 X65 n.a. 11.9 1.07  39 15 0.61 12 X65 n.a. 12.9 1.53  39 

Short term  

Offshore   –Liquid 

750 100 5 0.76 11 X52 n.a. 10.8 0.52  28 10 0.76 11 X52 n.a. 11.6 0.86  28 15 0.76 11 X52 n.a. 12.5 1.23  28 

Short term 

Offshore   –Liquid 

100 250 5 0.32 20 X80 n.a. 14.6 3.63  45 10 0.32 20 X80 n.a. 17.5 6.03  45 15 0.32 20 X80 n.a. 20.6 8.59  45 

Short term 

Offshore   –Liquid 

250 250 5 0.51 15 X65 n.a. 12.9 2.20  26 10 0.51 15 X65 n.a. 14.8 3.65  26 15 0.51 15 X65 n.a. 16.9 5.20  26 

Short term 

Offshore   –Liquid 

500 250 5 0.76 12 X80 n.a. 12.1 1.70  13 10 0.61 19 X80 n.a. 13.5 2.37  41 15 0.61 19 X80 n.a. 15.0 3.38  41 

Short term 

Offshore   –Liquid 

750 250 5 0.76 15 X70 n.a. 11.7 1.20  28 10 0.76 15 X70 n.a. 12.9 2.00  28 15 0.76 15 X70 n.a. 14.3 2.84  28 

Short/ Mid/ Long 

Offshore  – Gaseous 

50 100 5 0.61 2.4 X42 n.a. 14.1 6.20  8.4 10 0.61 2.4 X42 n.a. 18.7 10.3  8.4 15 0.61 2.4 X42 n.a. 23.7 14.7  8.4 

Short term 

Populated –Liquid 

50 100 5 0.27 13 X80 1 13.0 2.06  27 

10 0.22 13 X80 1 14.9 3.17  94 

15 0.22 13 X80 1 16.9 4.42  94 

Short term  

Populated –Liquid 

100 100 

5 0.32 13 X80 0 11.9 1.23  48 10 0.32 13 X80 0 13.2 2.05  48 15 0.32 10 X80 2 14.7 3.05  45 

Short term  

Populated –Liquid 

250 100 

5 0.51 11 X80 0 11.3 0.79  27 10 0.51 10 X80 1 12.3 1.35  27 15 0.51 9 X80 2 13.4 1.96  26 

Short term 

Populated –Liquid 

500 100 5 0.76 9 X80 1 10.9 0.64  13 10 0.61 10 X80 2 11.7 0.95  41 15 0.61 9 X80 4 12.6 1.36  40 

Short term  

Populated –Liquid 

750 100 5 0.76 9 X80 2 10.8 0.53  28 10 0.76 9 X80 2 11.5 0.81  28 15 0.76 9 X80 2 12.3 1.12  28 

Annexes 

309 

 

Table G4: Sensitivity of several cases to changes in the interest rate (continued)a. 

Time frame 

Terrain and phase 

Mass flow (kg/s) 

Length (km) 

Interest rate (%) 

OD (m) 

Pinlet

(MPa) Steel grade 

Npumps  LCALLb

 (€/t CO2

LCtransb 

(€/t CO2) ΔP (Pa/m) 

Short term 

Populated –Liquid 

100 250 5 0.32 10 X80 5 14.2 3.65  45 10 0.32 10 X80 5 16.8 5.71  45 15 0.32 10 X80 5 19.6 7.91  45 

Short term 

Populated –Liquid 

150 250 5 0.41 11 X80 2 13.5 2.88  31 10 0.41 10 X80 3 15.8 4.64  31 15 0.41 9 X80 7 18.2 6.53  30 

Short term 

Populated –Liquid 

250 250 5 0.51 10 X80 3 12.8 2.26  27 10 0.51 9 X80 6 14.5 3.62  26 15 0.51 9 X80 6 16.5 5.03  26 

Short term 

Populated –Liquid 

350 250 5 0.61 9 X80 4 12.3 1.94  20 10 0.61 9 X80 4 13.9 3.07  20 15 0.51 10 X80 6 15.6 4.17  52 

Short term 

Populated –Liquid 

500 250 5 0.76 9 X80 3 12.0 1.69  13 10 0.61 9 X80 10 13.3 2.61  40 15 0.61 9 X80 10 14.7 3.52  40 

Short term 

Populated –Liquid 

750 250 5 0.97 9 X80 2 11.7 1.41  11 

10 0.76 9 X80 7 12.8 2.14  28 

15 0.76 9 X80 7 14.4 2.92  28 

Short/ Mid/ Long 

Populated –Gaseous 

50 100 5 0.61 2.4 X52 n.a. 11.7 3.79  8.0 10 0.61 2.4 X52 n.a. 14.7 6.30  8.0 15 0.61 2.4 X52 n.a. 18.0 8.98  8.0 

a) The  italic figures  indicate that the optimal configuration differs from the base case with respect to diameter, inlet pressure or number of pumping stations.  b)  LCALL  refers  to  the  levelized  costs  associated with  initial  compression,  pipeline  and  pumping  stations, while LCtrans refer to the costs associated with only pipeline and pumping stations. 

Chapter 4 9.3

Annex H: EFFECTS and RISKCURVES 9.3.1

In this annex, the programs are described, which are used for modeling the dispersion and risk distances in chapter 4.  

The TNO program EFFECTS performs calculations to predict the physical effects  (e.g. gas concentration, heat radiation, overpressure) and consequences (e.g. level of lethality) of a release of a hazardous material. It contains a wide range of release‐, dispersion‐, fire‐ and explosion models.  These models  are  based  on  the  “Yellow  Book”  (Van  den  Bosch  and Weterings, 2005), but some have been adapted to more recent theoretical  insights. The different models work together to describe physical phenomena which may occur during a  (complex)  loss of containment scenario.  Important  inputs  for  the EFFECTS models are the  substance  released,  initial pressure and  temperature and puncture  size  causing  the release (TNO, 2013). 

RISCURVES  is  a  program  developed  by  TNO  to  perform  quantitative  risk  assessments (QRA).  It  is  used  for  calculating  locational  and  societal  risk  of  activities  concerning hazardous materials. The  risks are  calculated based on  failure  frequencies: probabilities  

Chapter 9 

310 

 

 

  

   

Table G5: Sensitivity of  the trunkline versus the point‐to‐point pipelin

e solution for various interest rates. The first source becomes 

available in

 2020. 

Length 

trunk

Length 

feeder

(km)

(km)

III

Tr.

PtP I

PtP II

Tr.PtP IPtP II

Tr.

PtP I

PtP II

LCALL 

PtP

LCtrans 

PtP

LCALL  

Trunk

LCtrans 

Trunk

59

10

11

34

20.5

0.32

0.32

14

3.13

13.4

2.96

10

11

10

11

34

20.41

0.32

0.32

16

4.62

15.4

4.34

15

11

10

11

34

20.41

0.32

0.32

18

6.3

18

6.32

59

10

11

34

20.5

0.32

0.32

14

3.13

13.5

3.06

10

11

10

11

34

20.41

0.32

0.32

16

4.62

15.5

4.45

15

11

10

11

34

20.41

0.32

0.32

18

6.3

18.1

6.42

59

10

11

34

20.5

0.32

0.32

14

3.13

13.7

3.23

10

11

10

11

34

20.41

0.32

0.32

16

4.62

15.7

4.62

15

11

10

11

34

20.41

0.32

0.32

18

6.3

18.3

6.61

59

11

11

32

20.5

0.32

0.32

13

2.9

13.2

2.73

10

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

15

4.3

15.1

4.03

15

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

18

5.87

17.6

5.92

59

11

11

32

20.5

0.32

0.32

13

2.9

13.3

2.82

10

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

15

4.3

15.2

4.13

15

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

18

5.87

17.7

6.02

59

11

11

32

20.5

0.32

0.32

13

2.9

13.4

2.98

10

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

15

4.3

15.4

4.31

15

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

18

5.87

17.9

6.19

200

75

200

2030

S. Pop.100

100

59

11

11

32

20.5

0.32

0.32

13

2.9

13.6

3.13

10

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

15

4.3

15.6

4.47

15

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

18

5.87

18

6.36

513

11

11

00

00.32

0.3

0.3

13

2.15

12.7

1.73

10

13

18

17

00

00.32

0.22

0.22

15

2.84

14.5

2.97

15

12

18

17

10

00.32

0.22

0.22

17

3.94

16.9

4.61

100

100

10

100

2030

S. Pop.

50

50

200

50

200

2030

S. Pop.100

100

200

25

200

2030

S. Pop.100

100

200

10

200

2030

S. Pop.100

100

200

50

200

2030

Popu

100

100

200

25

200

2030

Popu

100

Npump b

Diameterb

Levelized costs              

(€/tCO2)c,

d

200

10

200

2030

Popu

100

100

Distance

 

source II ‐

sink (km)

Source II

availability

Terrain

Mass flow 

(kg/s)

Interest 

rate (%

)Inlet pressure

b

Annexes 

311 

 

    

Table G5: Sensitivity of  the trunkline versus the point‐to‐point pipelin

e solution for various interest rates. The first source becomes 

available in

 2020 (continued

). 

59

13

12

10

10.5

0.32

0.32

12

1.29

11.8

1.38

10

14

13

12

00

10.41

0.32

0.32

13

1.98

13

1.92

15

14

12

12

01

10.41

0.32

0.32

15

2.76

14.6

2.91

510

910

11

00.61

0.5

0.5

11

1.01

11.4

0.98

10

10

14

13

10

10.61

0.41

0.41

12

1.27

12.4

1.49

15

10

14

13

10

10.61

0.41

0.41

13

1.76

13.6

2.2

510

12

12

00

00.76

0.51

0.51

11

0.68

11

0.71

10

912

12

10

00.76

0.51

0.51

12

1.04

12

1.26

15

912

12

10

00.76

0.51

0.51

13

1.45

13.2

1.87

59

10

11

11

00.9

0.61

0.61

11

0.63

11

0.69

10

10

10

11

11

00.76

0.61

0.61

12

0.96

11.8

1.03

15

10

10

11

11

00.76

0.61

0.61

13

1.33

12.7

1.49

59

99

11

10.91

0.8

0.8

11

0.63

10.8

0.59

10

910

12

11

00.91

0.61

0.61

12

0.84

11.7

0.98

15

910

10

11

10.91

0.61

0.61

12

1.17

12.6

1.4

512

11

11

00

00.51

0.41

0.41

12

1.06

11.5

0.92

10

12

11

11

00

00.51

0.41

0.41

13

1.62

12.7

1.57

15

12

11

11

00

00.51

0.41

0.41

14

2.25

14.1

2.39

510

11

11

11

10.6

0.41

0.41

13

2.3

12.8

2.23

10

12

11

11

11

10.51

0.41

0.41

15

3.45

14.5

3.36

15

12

11

10

11

20.51

0.41

0.41

17

4.76

16.7

4.95

510

11

11

22

20.6

0.41

0.41

14

3.55

13.8

3.3

10

11

11

10

32

40.51

0.41

0.41

16

5.3

16.1

4.98

15

11

11

10

32

40.51

0.41

0.41

19

7.26

19.1

7.35

510

11

11

23

30.6

0.41

0.41

15

4.8

14.9

4.4

10

11

10

10

45

50.51

0.41

0.41

18

7.17

17.9

6.75

15

11

10

10

45

50.51

0.41

0.41

22

9.79

21.7

9.97

510

11

10

34

60.6

0.41

0.41

17

6.06

16.1

5.52

10

11

10

10

67

60.51

0.41

0.41

20

919.6

8.52

15

10

10

10

97

60.51

0.41

0.41

24

12.3

24.1

12.4

150

500

10

500

2030

S. Pop.150

150

400

10

400

2030

S. Pop.150

150

300

10

300

2030

S. Pop.150

150

200

10

200

2030

S. Pop.150

500

100

10

100

2030

S. Pop.150

150

100

10

100

2030

S. Pop.500

300

100

10

100

2030

S. Pop.400

400

100

10

100

2030

S. Pop.300

100

100

10

100

2030

S. Pop.200

200

100

10

100

2030

S. Pop.100

Chapter 9 

312 

 

  

Table G5: Sensitivity of  the trunkline versus the point‐to‐point pipelin

e solution for various interest rates. The first source becomes 

available in

 2020 (continued

). 

511

11

13

12

10.41

0.32

0.3

14

3.26

13.4

2.81

10

11

11

14

12

20.41

0.32

0.22

16

4.65

15.5

4.39

15

11

11

14

12

20.41

0.32

0.22

18

6.19

18

6.28

511

10

11

12

20.41

0.3

0.32

14

3.62

14

3.32

10

11

13

11

13

20.41

0.22

0.32

17

5.53

17.3

5.95

15

11

13

11

13

20.41

0.22

0.32

20

7.82

21.5

9.47

510

911

13

20.6

0.5

0.32

13

2.3

12.5

2.07

10

12

12

11

12

20.51

0.41

0.32

14

3.16

13.9

2.93

15

12

12

11

12

20.51

0.41

0.32

16

4.17

15.7

4.12

510

11

10

12

10.6

0.32

0.5

13

2.43

12.9

2.44

10

12

11

12

12

20.51

0.32

0.41

15

3.68

15

3.95

15

12

11

12

12

20.51

0.32

0.41

17

5.21

17.8

6.21

59

11

11

32

20.5

0.32

0.32

14

2.93

13.3

2.81

10

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

15

4.33

15.2

4.05

15

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

18

5.9

17.4

5.73

200

75

200

2025

S. Pop

100

100

59

11

11

32

20.5

0.32

0.32

14

2.93

13.5

2.99

10

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

15

4.33

15.4

4.29

15

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

18

5.9

17.7

6.04

200

100

200

2025

S. Pop.100

100

59

11

11

32

20.5

0.32

0.32

14

2.93

13.7

3.21

10

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

15

4.33

15.7

4.54

15

12

11

11

22

20.41

0.32

0.32

18

5.9

18.1

6.34

59

10

10

34

40.5

0.32

0.32

14

3.19

13.5

3.07

10

11

10

10

34

40.41

0.32

0.32

16

4.68

15.5

4.41

15

11

10

10

34

40.41

0.32

0.32

18

6.35

17.9

6.19

59

10

10

34

40.5

0.32

0.32

14

3.19

13.7

3.27

10

11

10

10

34

40.41

0.32

0.32

16

4.68

15.8

4.7

15

11

10

10

34

40.41

0.32

0.32

18

6.35

18.2

6.51

513

11

11

00

00.32

0.3

0.3

13

2.17

12.5

1.58

10

13

18

18

00

00.32

0.22

0.22

15

2.85

14.2

2.59

15

12

18

18

10

00.32

0.22

0.22

17

3.96

16.4

4.06

100

100

10

100

2025

S. Pop.

50

50

200

75

200

2025

Popu.

100

100

200

50

200

2025

Popu.

100

100

200

50

200

2025

S. Pop.100

100

200

10

200

2030

S. Pop.100

200

200

10

200

2030

S. Pop.200

50

200

10

200

2030

S. Pop.

50

100

200

10

200

2030

S. Pop.100

Annexes 

313 

 

59

13

13

10

00.5

0.32

0.32

12

1.3

11.7

1.31

10

14

13

13

00

00.41

0.32

0.32

13

1.99

12.8

1.68

15

14

12

12

01

10.41

0.32

0.32

15

2.78

14.2

2.49

512

11

11

00

00.51

0.41

0.41

12

1.07

11.4

0.83

10

12

11

11

00

00.51

0.41

0.41

13

1.64

12.5

1.37

15

12

11

11

00

00.51

0.41

0.41

14

2.27

13.8

2.03

510

99

11

10.61

0.5

0.5

11

1.03

11.3

0.87

10

10

14

14

10

00.61

0.41

0.41

12

1.28

12.2

1.35

15

10

14

14

10

00.61

0.41

0.41

13

1.77

13.4

1.94

510

12

12

00

00.8

0.51

0.51

11

0.69

11

0.65

10

912

12

10

00.76

0.51

0.51

12

1.06

11.9

1.13

15

912

12

10

00.76

0.51

0.51

13

1.46

12.9

1.63

59

10

10

11

10.9

0.61

0.61

11

0.65

10.9

0.64

10

10

10

10

11

10.76

0.61

0.61

12

0.98

11.7

0.95

15

10

10

10

11

10.76

0.61

0.61

13

1.35

12.6

1.34

59

99

11

10.91

0.8

0.8

11

0.65

10.8

0.56

10

910

10

11

10.91

0.61

0.61

12

0.87

11.5

0.86

15

910

10

11

10.91

0.61

0.61

12

1.18

12.4

1.24

200

10

200

2025

S. Pop.100

200

510

11

91

23

0.6

0.32

0.5

13

2.44

12.6

2.16

10

12

11

12

12

20.51

0.32

0.41

15

3.57

14.3

3.31

15

12

11

12

12

20.51

0.32

0.41

17

4.94

16.5

4.91

a) In 2025, the same steel grades  are available as in the short term

.b)

S.Pop.,popu.andoffsh.refers

tosparselypopulated,populatedterrain

andoffshore

pipelines,respectively.Iftheconfigurationchangedwith

respect to the base

 case

 with an interest rate of 10%, the case

 is given in

 italic.  

c) The abbreviations Tr, PtP I, and PtP II refer to trunkline, point‐to‐point pipeline from source I, and point‐to‐point pipeline from source II to the sink, 

d)

LCALLrefers

tothelevelizedcostsassociatedwithinitialcompression,pipelineandpumpingstations,whileLC

transreferto

thecostsassociated

with only pipeline and pumping stations. The netw

ork approach

 (point‐to‐point pipelines or trunkline) w

hich result in

 the lowest LCALL, is bold.

400

100

10

100

2025

S. Pop.500

500

100

10

100

2025

S. Pop.400

200

100

10

100

2025

S. Pop.300

300

100

10

100

2025

S. Pop.200

100

100

10

100

2025

S. Pop.150

150

100

10

100

2025

S. Pop.100

      

Table G5: Sensitivity of  the trunkline versus the point‐to‐point pipelin

e solution for various interest rates. The first source becomes 

available in

 2020 (continued

). 

Chapter 9 

314 

 

that certain activities or events occur. For instance, the frequency of a rupture or leakage, the working or  failure of  a block  valve,  the  change of  a  certain weather  type, etc. The freedom in defining scenarios for a QRA is large, but guidelines are defined in the “Purple Book”  (Tiemessen  et  al.,  2005).  RISKCURVES  is  linked  to  an  internal  GIS  presentation system allowing  to present  individual  iso‐risk  contours and  societal  risk grids on a map (TNO, 2013). 

Annex I: Additional literature review and results 9.3.2

In Table  I1 and  I2,  literature overviews are given  for 10‐6  locational risk and 1%  lethality distances  for  CO2  pipelines,  respectively.  Table  I3  gives  an  overview  of  the  calculated failure frequency and costs for all scenarios. Additional results of the EFFECTS model are given for a full bore rupture and for a leakage in Table I4 and Table I5, respectively.  

Table I1: Overview of risk distances for CO2 pipelines in literature.  

Name  P (MPa) 

T (°C) 

Dispersion model 

Jet diameter (for rupture) 

OD (m) Failure chance (/1,000 km/year)

Share rupture: leakage 

Probit Locational 10

‐6 risk 

distance (m) 

Source 

OCAP (Gaseous) 

1.65  10 Pool sublimation

n.a. 0.66 0.61 25:75 TNO 21 Molag and Raben, 2006 

4.0  90

  1.65  10 Dispersion from a vessel 

n.a. 0.66 0.61 25:75 Lievense 3.5 Lievense, 2005 

ROADa 

12.8  60 Vertical dispersion 

Offshore: 30% of pipeline depth 

0.41 1.97 onshore; 0.0809 offshore 

25:15:60bTebodin 450‐600  Dijkshoorn 

and Kaman, 2011 

7.4  4 350‐850 

Baren‐drecht 

4.4  n.a. Vertical dispersion 

n.a. 0.71 0.07 inside corridor; otherwise 0.61.  

10:90 inside corridor; otherwise 25:75 

Tebodin 0  Heijne and Kaman, 2008 

QUEST pipeline 

15  5 Horizontal n.a. 0.17 5.4 x 10‐4  6:94

c10%vol  <5 Shell 

Canada Limited, 2011 

0.32 (straight)

<25 

0.32 (bend) 

<180 

Schematic assessment 

11.0  9 Vertical (two‐sided)

0.63 0.41 0.61 25:75 TNO 0 Koornneef et al., 2010     Horizontal

(two‐sided)0.63 0.41 0.61 25:75 0

    2.0 0.91 0.61 25:75 0

Sublimation pool 20% 

0.63 0.41 0.61 25:75 86

a) The locational risk distance are estimated from figures given in the report. The risk distances are caused by the offshore pipeline, due to the  limited discharge rate and  low momentum of the CO2. The contribution of the onshore pipeline to the locational risk is marginal.   

b) A  rupture  has  a  probability  of  25%,  a  leakage  of  80 mm  a  probability  of  15%  and  a  leakage  of  20 mm  a probability of 60%. 

c) The chance of a leakage of 5 mm is 94%, the chance of a rupture of 5% of the area is 2%, a rupture of 50% of the area is 2%, a rupture of 100% of the area is 1%, and a rupture of 200% of the area is 1%.  

Annexes 

315 

 

Table I2: Overview of 1% lethality distance for CO2 pipelines in literature.  

Name  P (MPa) 

OD(m) 

Pipeline segment (km) 

T (°C) 

Probit Failure type 

Dispersion model 

Weather type 

1% lethality (m) 

Source 

Kings‐north   

4.0  0.87 1 40 HSE Leakage, 150 mm  

Horizontal release 

D5 41 E.ON, 2012 

F2 43

15  D5 100

F2 102

4.0  Rupture Horizontal release, one sided 

D5 198

F2 196

15  D5 416

F2 399

4.0  8 Rupture Horizontal 19° angled; impinged, two sided 

D5 25F2 311  

15  D5 725

F2 751

Jänsch‐woude 

n.a. (MAOP = 14.0) 

0.36 n.a. (765 t CO2) 

n.a. SLOT (8%vol) 

Rupture n.a. D0.6 139 Vattenfall, 2011 Instant  D0.6 602

n.a. D6.7 81

OCAP  1.65  0.66 16.9 10 TNO 

Rupture 

Pool sublimation  

F1.5 180 Molag and Raben, 2006 D5 65

B3 174.0  F1.5 250

D5 105B3 60

ROAD  12.8  0.41 ≈25 60 Tebodin Rupture of the pipeline offshore 

Vertical dispersion (?) 

F1.5 1,792  Dijkshoorn and Kaman, 2011 

D5 8067.4  4 F1.5 1,478 

D5 694

Baren‐drecht 

14.9  n.a. n.a.(30,000 m

3) 

10 Tebodin Leakage, 80 mm 

Horizontal release 

F1.5 150 Dijkshoorn, 2009 D5 140

Rupture F1.5 275D5 175

Baren‐drecht 

4.4  0.71 <4.4 n.a. Tebodin Rupture  Vertical release 

D5 <2 Heijne and Kaman, 2008 

ROAD  13  0.41 5.2 (onshore)

<80 Tebodin Rupture, burried 

Vertical dispersion 

F1.5 8 Koers et al., 2010 D5 8

Leakage, burried 

F1.5 <0.5D5 <0.5

Rupture, above‐ ground  

Horizontal dispersion 

F1.5 156D5 145

Leakage, above‐ ground 

F1.5 37D5 35

UK region  10.0  0.30 12.23 7.9 40,000 ppm 

Leakage, 136 mm 

Horizontal, two‐sided (?)  

5 m/s 249 Vianello, 2012; Vianello et al., 2013 

Rupture 5 m/s 2630.91 25.75 Leakage, 

408 mm 5 m/s 626

Rupture 5 m/s 711

Chapter 9 

316 

 

Table I2: Overview of 1% lethality distance for CO2 pipelines in literature (continued).  

Port of Rotter‐dam 

3.45  0.51 31.5 10 Tebodin Rupture, buried 

Vertical dispersion 

F1.5 <1.5 Koers et al., 2010 D5 <1.5

Leakage, buried 

F1.5 <0.5D5 <0.5

Rupture, above‐ ground  

Horizontal dispersion 

F1.5 90D5 83

Leakage, above‐ground 

F1.5 15.5D5 14

Name  P (MPa) 

OD(m) 

Pipeline segment (km) 

T (°C) 

Probit Failure type 

Dispersion model 

Weather type 

1% lethality (m) 

Source 

QUEST (Canada) 

15.0  0.32 15 5.0 100,000 ppm 

Rupture (200% of OD) 

Horizontal, 66% of the momentum removed 

F1.5 260 Shell Canada Limited, 2011  0.16 F1.5 30

 

Annexes 

317 

 

   

Table I3: Failure frequency (per 1,000 km per year) an

d costs (in €/km) for all scenariosa.  

Failure

Costs

Failure

Costs

Failure

Costs

Failure

Costs

Failure

Costs

Failure

Costs

Failure

Costs

1. Base case

0.081

1,332,954

0.15

638,148

0.085

979,677

0.050

1,034,938

0.018

1,144,334

0.148

709,978

0.287

355,367

2. D

esign

 

factor 0.5

0.081

1,332,954

0.087

684,296

0.029

1,089,823

0.016

1,157,903

0.004

1,318,900

0.133

719,055

0.140

370,108

3. Concrete 

sheets

0.027

1,442,954

0.044

748,148

0.028

1,089,677

0.015

1,144,938

0.004

1,254,334

0.044

819,978

0.163

465,367

4. M

arker 

tape

0.054

1,333,174

0.097

638,368

0.056

979,897

0.032

1,035,158

0.011

1,144,554

0.096

710,198

0.225

355,587

5. Concrete 

sheets & 

marker tape

0.016

1,443,174

0.022

748,368

0.016

1,089,897

0.008

1,145,158

0.001

1,254,554

0.022

820,198

0.136

465,587

6. Burying 

the pipeline 

at 2.0 m

0.020

1,386,604

0.030

684,298

0.020

1,028,827

0.010

1,084,088

0.002

1,193,484

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

7. W

eekly 

surveillance

0.061

1,334,290

0.11

639,484

0.063

981,013

0.037

1,036,274

0.013

1,145,670

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

8. M

arker 

tape and 

weekly 

surveillance

0.042

1,334,510

0.073

639,704

0.044

981,233

0.025

1,036,494

0.008

1,145,890

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

9. M

ultiple 

measures

0.016

1,388,160

0.017

732,003

0.003

1,140,530

0.001

1,208,609

0.001

1,369,607

n.a.

n.a.

n.a.

n.a.

10. Installing 

block valves

0.081

1,343,880

0.15

639,682

0.085

982,768

0.050

1,038,029

0.018

1,147,425

0.148

711,954

0.287

356,126

III‐liq

a) The scenarios given in

 italic are not analyzed because

 another scenario give lower failure frequencies and lower costs.

Case I, North Netherlands

Case II, trunkline through

 the Netherlands

Case III, pipeline corridor

I‐gas

I‐liq

II‐3

II‐1

II‐0

III‐gas

Chapter 9 

318 

 

   

Table I4: EFFECTS results for a full bore rupture resulting in a vertical or horizontal release.   

Scenario

Unit

III‐

liquid

Pressure 

bar

110

Diameter

mm

210.1

Distance

 to 

rupture 

km16

Speed of sound 

in liquid phase

 

m/s

Outflow results

Max. flow rate 

kg/s

Time needed to 

empty pipeline 

s

Representative

 

flow rate 

kg/s

Representative

 

outflow 

duration 

s

Representative

 

pressure 

bar

Sauter mean 

diameter 

μm

Liquid mass 

fraction 

(‐)

Diameter 

expanded jet

m

Limit of 

momentum 

m

Nett mas flow 

rained out 

kg/s

Density of 

airborne mass 

kg/m

3

I‐gas

I‐liquid

II‐3 

II‐1

II‐0

III‐gas

895.4

392.4

590.6

586.6

578.6

497

22

101

100

120

170

23

565

565

593

653

16

16

16

16

16

16

4,285

1,950

4,372

4,973

6,320

1,385

572

885

2,333

2,293

2,217

126

2,612

2,070

2,071

2,081

5.3

65.9

5.9

834

1,800

1,614

1,617

1,623

1,232

0.45

0.44

0.45

0.45

4.3

4.2

4.3

4.3

17.2

8.8

11.8

0.8

1.3

1.3

1.3

6

1.9

55

55

1.9

00

00

Annexes 

319 

 

   

Table I4: EFFECTS results for a full bore rupture resulting in a vertical or horizontal release (continued).   

Flow rate 

kg/s

Duration of 

release

 s

Liquid mass 

fraction 

(‐)

Jet diameter 

m

1% lethality 

distance

am x m

 Vert.

Hor.

Vert.

Hor.

Vert.

Hor.

Vert.

Hor.

Vert.

Hor.

Vert.

Hor.

Vert.

10%

vol

D5

170x260 

(6)

260x230 

(17)

1x1

125x16

1x2

205x28

1x2

205x28

1x2

205x29

70x90 

(4)

105x85 

(9)

1x1

F1.5

790x1,355

1,015x1,605 

(17)

1x1

145x17

1x2

230x29

1x2

230x30

1x2

235x30

185x46

5

295x485 

(9)

20%

vol

D5

85x185 (6)160x165 

(17)

55x6

95x10

95x10

95x10

F1.5

165x695

375x630 

(17)

60x6

105x10

105x10

105x10

4,434

232

a)

Figure in

 brackets is related to the offset, meaning that the lethality distance

 starts from that distance

 onwards. 

Rupture 2‐sided outflow

16.7

1.2

1.8

1.8

1.8

8.8

00.45

0.53

0.45

0.45

834

1,800

1,614

1,617

1,623

1,232

1,144

1,770

4,666

4,586

Chapter 9 

320 

 

Table I5: EFFECTS results for a release from a leakage of 20 mm resulting in a vertical or horizontal release.   

Scenario  Unit I‐gas I‐liquid II‐3 II‐1 II‐0 III‐gas 

Pressure   bar 22 101 100 120 170 23 Leak size  mm 20 20 20 20 20 20 Volume   m

320,150 3,869 8,766 8,648 8,414 6,208 

Outflow results   

Max. flow rate   kg/s 1.3 25.6 25.5 27.9 33.2 1.4 Time needed to empty pipeline  

s > 100,000 > 100,000 > 100,000 > 100,000 > 100,000  > 100,000 

Representative flow rate  

kg/s 1.3 25.2 25.3 27.7 33.0 1.4 

Representative outflow duration  

s 1,800 1,800 1,800 1,800 1,800 1,800 

Representative pressure  

bar 22.0 98 98.9 118.5 167.5 23 

Sauter mean diameter  

μm 2.9 2.8 3.9 2.9  

Liquid mass fraction  

(‐) 0.55 0.55 0.66 0.55  

Diameter expanded jet

 m 11.2 0.16 0.16 0.14 0.16 11.2 

Limit of momentum  

m 12.0 12.0 

Nett mas flow rained out  

kg/s 0 0 0 0  

Density of airborne mass  

kg/m3  1.9 6.1 6.2 8.2 6.1 1.9 

1% lethality distance, 10%vol

a m x m  Vert.

 Hor. Vert.

 Hor. Vert.

 Hor. Vert.

 Hor. Vert.

 Hor.  Vert. 

 Hor. 

D5  <1 1 x 18 (12) 

‐ 12 x 1 ‐ 9 x 2 (2) 

‐ 10 x 2 ‐ 10 x 2 (1) 

<1  1x18 (12) 

F1.5  <1 1 x 18 (12) 

‐ 12 x 1 ‐ 9 x 1 (1) 

‐ 10 x 2 ‐ 9 x 2 (1) 

<1  1x18 (12) 

a) The  figure  in brackets  is  related  to  the offset, meaning  that  the lethality distance  starts  from  that distance onwards 

Chapter 6 9.4

In  Annex  J,  the  objective  function  as well  as  the  constrains  are  given  for  the  perfect foresight  model.  In  Annex  K,  the  method  and  data  used  for  correcting  the  CO2 compression costs to 11 MPa  is described. In Annex L, the  intermediate results from the real option approach  (ROA) are presented.  In Annex M, more detailed  results  from  the perfect foresight (PF) model are given.  

Annex J: Objective function and constraints for perfect foresight model 9.4.1

The objective is maximizing the NPV of the entire system, see eq. J8. The NPV consists of the value of  the CO2 emission allowances spared, minus  the  fixed and variable capture, transport and storage costs (J1‐J7).  

The maximization function is subject to various constraints. Constraints J9 and J10 are set 

Annexes 

321 

 

to  ensure  that  a  reservoir  can  only  be  opened  once  and  a  capture  unit  can  only  be retrofitted once. To ensure that maximum capacity of a given pipeline  is not crossed for onshore  as well  as  offshore  pipelines,  constrain  J11  and  J12  are  added.  Furthermore, three balancing constraints are set. First, all CO2 captured at or flowing into a source node must be transported out of the node (J13). Second, all CO2 transported to a landfall point should also be transported from the landfall point (J14). Third, all CO2 flowing into a sink node must be stored or transported out of the node (J15).  

In addition, four constrains are set to ensure that the reservoir properties are respected. First, the amount of CO2 stored cannot be higher than the sink capacity (J16). Second, the sink has to be capable of storing the annual CO2 amount for at least 20 years (J17). Third, the injectivity per well is limited (J18). Fourth, there is a maximum numbers of wells that a storage reservoir can accommodate (J19).  

Finally,  constraints  J20‐J27  are  binary,  integral  and  non‐negativity  constraints.  The explanation of the abbreviations, decision variables, input parameters and sets is given in Table J1. 

∑ ∑   (J1) 

∑ ∑ ∑   (J2) 

∑ ∑ ∑     

  (J3) 

∑ ∑ ∑ ∑

  (J4) 

∑ ∑   (J5) 

∑ ∑ ∑   (J6) 

_ ∑ ∑ ∑   (J7) 

: _  

    (J8) 

Subject to:  

∑ 1   ∀ j ϵ J; ∀ t ϵ T   (J9) 

∑ 1   ∀ s ϵ S; ∀ t ϵ T   (J10) 

∑ ∑ ∀ t ϵ T; ∀ k ϵ K  (J11) 

∑ ∑ ∀ t ϵ T; ∀ k ϵ K  (J12) 

∑ ∑ ∑ ∀ i ϵ S; ∀ t ϵ T  (J13) 

Chapter 9 

322 

 

∑ ∑ 0   ∀ l ϵ L; ∀ t ϵ T  (J14) 

∑ ∑ ∑ ∀ j ϵ J; ∀ t ϵ T  (J15)  

∑ /10 ∑    ∀ j ϵ J     (J16) 

/10 ∑    ∀ j ϵ J; ∀ t ϵ T    (J17) 

∑   ∀ j ϵ J; ∀ t ϵ T  (J18) 

∑   ∀ j ϵ R; ∀ t ϵ T  (J19) 

0,1  ∀ k ϵ K; ∀ d ϵ D; ∀ t ϵ T  (J20) 

0,1  ∀ i ϵ S; ∀ t ϵ T  (J21) 

0,1  ∀ j ϵ J; ∀ t ϵ T  (J22) 

0,1, … ,   ∀ j ϵ R; ∀ t ϵ T  (J23) 

0,1  ∀ k ϵ K  (J24) 

0,1  ∀ k ϵ K  (J25) 

0  ∀ i ϵ I; ∀ j ϵ Ni; ∀ t ϵ T  (J26) 

0  ∀ j ϵ W; ∀ t ϵ T  (J27) 

Table J1: Decision variables, input parameters and sets for the perfect foresight case.  

Decision variables  Unit 

ykdt 

1, if a pipeline is built using arc k with diameter d in period t0, otherwise 

 

sit  1, if a capture unit is added to source i in period t0, otherwise 

 

ujt  1, if reservoir j is opened in period t0, otherwise 

 

vk  1, if a pipeline using arc k is onshore0, otherwise 

 

zk  1, if a pipeline using arc k is offshore0, otherwise 

 

wjt  Number of wells constructed at reservoir j in period t  xijt  Annual amount of CO2 transported from i to j during period t kt CO2/y bjt  Amount of CO2 stored in reservoir j during period t kt CO2/y 

Inputs   

Fs, F

pl, F

pz, F

go, 

Fsr, F

w Fixed costs for constructing a CO2 capture installation at the source (

s), 

constructing a pipeline onshore (pl), constructing a pipeline offshore (

pz), 

making an onshore ‐ offshore connection (go), opening a storage reservoir (

sr), 

and constructing a well (w) 

k€ 

VCcap, VCtrans, VCstore 

Variable costs for CO2 capture (cap), transport (trans) and storage (store) k€ 

FCcap, FCtrans, FCstore 

Fixed costs for CO2 capture (cap), transport (trans) and storage (store) k€ 

NPVCO2_price  Net present value of the CO2 emission allowances spared k€ Lk  Pipeline length of a given arc km Vi

s  Variable costs for capturing CO2 from source i €/t 

Annexes 

323 

 

Table J1: Decision variables, input parameters and sets for the perfect foresight case (continued). 

Inputs (continued)    

OMcap, OMtrans, OMstore 

O&M costs for capturing (cap), transporting (trans) and storing (store) CO2 as percentage of the investment costs 

Qvp, Q

zp, Q

w  Maximum capacity of a given onshore (

vp) or offshore pipeline (

zp), and 

maximum capacity of a well (w) 

kt CO2/y 

Qr  Maximum capacity of a reservoir (

r) Mt CO2 

Pw 

Maximum number of wells at each reservoir site  mi  Amount of CO2 captured at source i kt CO2/y ai  Amount of allowances that do not have to be bought if CCS is applied at source 

i kt CO2/y 

r  Discount rate (= 10%) % τ  τ is used for summing over time periods y Pt  CO2 price in time t €/t CO2 lifetime  Minimum lifetime of the CCS project (=20 years) y 

Sets   

I, K, S, J,L, T  Set of all nodes, candidate arcs (links between the nodes), sources, reservoirs, landfall points and time periods 

 

D  Set of maximum pipeline capacities of all discrete diameters  Ni  Set of nodes adjacent to node i  

Annex K: Compression costs  9.4.2

The  capture  costs  presented  in  Table  6.2  include  compression  costs  to  11 MPa.  If  the capture  costs  mentioned  in  literature  did  not  include  compression  costs,  the  initial investment,  required  capacity,  energy  consumption  and  costs  of  compression  are calculated with eq. K1‐K4, respectively (adapted from Knoope et al., 2014).  

In  addition,  if  the  investment  and  variable  costs  include  compression  to  a  different pressure level than 11 MPa, these costs are corrected. The difference in investment costs is  calculated by  first  calculating  the  investment  cost  for  the  stated outlet pressure  and subtracting  this with  the  investment  costs  to  an  outlet  pressure  of  11 MPa.  A  similar approach is followed by calculating the difference in energy costs. 

y

comp

compcomp W

WII

0,0   (K1) 

  (K2) 

pump

stagesfirstcomp

PPEE 12

_   (K3) 

compcomp ECOE

EC 3600

  (K4) 

  where, Icomp are the investment costs of the compressor including dehydration (M€); I0 are  the costs  for  the  reference  scale  (21.9 M€); Wcomp  is  the capacity of  the compressor (MWe); Wcomp,0  is  the  reference scale of  the compressor  (13 MWe); y  is the scaling  factor (0.67); Ecomp is the energy consumption of compression (MJ/kg); mcap is the amount of CO2 captured (kg/s); Efirst_stages is the energy needed for compressing from atmospheric pressure 

Chapter 9 

324 

 

to  7.7 MPa  (0.319 MJ/kg);  P2  is  the  outlet  pressure  of  the  pump  (MPa);  P1  is  the  inlet pressure  of  the  pump  (=7.7 MPa);  ηpump  is  the  efficiency  of  the  pump  (=75%);  ρ  is  the density of CO2 (867 kg/m

3); ECcomp is the energy costs of compression (€/t); and COE is the costs of electricity (60 €/MWh). 

Annex L: Intermediate results from the real option approach 9.4.3

In this section, the choices made for a point‐to‐point pipeline, one (Trunk1), two (Trunk2) or three  (Trunk3) sizes oversized pipelines are clarified for each decision moment  in the ROA. Seven scenarios are analyzed. In section 9.4.3.1, the results for the base scenario are given. In the base scenario, CO2 can be stored onshore and offshore; the volatility of the CO2 price is 47%; the willingness of joining is 75% for large sources (>1 Mt/y) and 100% for small sources while  the probability of  joining  is 75%  for all sources. The other scenarios are  variations of  the base  scenario.  In  the only offshore  scenario,  the CO2  can only be stored offshore, see section 9.4.3.2.  In section 9.4.3.3,  the results  for  the  lower capture costs scenario are given. In this scenario, the investment as well as the variable costs for CO2  capture  are  assumed  to be  reduced with 30%.  In  the  lower  volatility  scenario,  the volatility  of  the  CO2  price  is  assumed  to  be  50%  lower  than  in  the  base  scenario,  see section  9.4.3.4.  In  section  9.4.3.5,  the  results  are  given  of  the  higher  probability  and willingness of joining scenario. In this scenario, the probability and willingness of joining is 100% for all sources. Lastly, in section 9.4.3.6 and section 9.4.3.7, the results are given for the  optimistic  onshore  and  optimistic  offshore  scenario.  These  optimistic  scenarios assume  that  the  capture  costs are  reduced by 30%,  the volatility  is 50%  lower and  the probability and willingness of joining is 100% for all sources.  

Base scenario  9.4.3.1

Source 3 wants  to  start with CCS  in 2034.  In Table  L1,  the  selection probability  for  this source  to  one  of  the  possible  sinks with  one  of  the  different  pipeline  configuration  is given.  It  can be  assessed  that  sink D  is  selected  in  99% of  the  cases.  In  Figure  L1,  the expected NPV distributions for the different trunkline are compared with a point‐to‐point pipeline  to  sink  D.  NPV  distributions  of  pipeline‐sink  combinations  with  a  selection probability below 1% are not figured. The risk of an expected NPV  lower than the point‐to‐point  pipeline  is  72%,  54%  and  80%  for  Trunk1,  Trunk2  and  Trunk3  to  sink  D, respectively. These are all considerably higher  than  the 20%  requirement and, hence, a point‐to‐point pipeline is constructed.  

In 2042, source 8 wants to start with CCS. The selection probability for this source for one of the different pipeline configuration to one of the possible sinks is given Table L2. Sink F is selected in 99.9% of the cases and only Trunk1 is an attractive trunkline. The risk of an expected  NPV  lower  than  the  point‐to‐point  pipeline  for  this  trunkline  is  37%.  This  is considerably higher  than  the 20%  requirement  and, hence,  a point‐to‐point pipeline  to sink F is constructed.  

Due to the opening of sink F, source 1 wants to start with CCS in 2042. However, one year construction time is assumed. Sink F is selected in all cases and only Trunk1 is an attractive trunkline.  The  selection  probability  for  Trunk1  is  only  15%.  Hence,  a  point‐to‐point 

Annexes 

325 

 

pipeline is constructed to sink F.  

Table L1: Selection probability of source 3 (ammonia) to different sinks and for different pipeline configuration for the base scenario.  

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2035  Source 3 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 0% 0.2% 0.2% 

Sink C 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink D 35% 13% 38% 14% 99% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 0% 0% 0% 0.8% 0.8% 

Total 35% 13% 38% 15% 100% 

 

Figure L1: Expected NPV distributions  for source 3  (ammonia)  for Trunk1, Trunk2 and Trunk3 to sink D for the base scenario in 2034. The red area on the left of the graph is a NPV lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution. 

Source 2 wants to start with CCS in 2048. The selection probability for this source for one of the different pipeline configuration to one of the possible sinks is given Table L3. It can be assessed  that  sink D  is  selected  in more  than 99% of  the cases and a point‐to‐point pipeline,  Trunk1  and  Trunk2  to  sink  D  are  the  most  interesting  options.  The  other selection probabilities are all below 1%.  In Figure L2, the expected NPV distributions  for the  two  trunklines  to sink D are compared with a point‐to‐point pipeline. The risk of an expected  NPV  lower  than  the  point‐to‐point  pipeline  is  95%  and  73%  for  Trunk1  and Trunk2 to sink D, respectively. These are all considerably higher than the 20% requirement and, hence, a point‐to‐point pipeline is constructed. 

 

Chapter 9 

326 

 

Table  L2:  Selection  probability  of  source  8  (PC)  to  different  sinks  and  for  different  pipeline configuration in the base scenario.  

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2042  Source 8 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink C 0% 0.1% 0% 0% 0.1% 

Sink D 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 37% 63% 0% 0% 99.9% 

Total 37% 63% 0% 0% 100% 

Table L3: Selection probability of source 2 (CHP‐CCGT) to different sinks and for different pipeline configuration for the base scenario.  

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2048  Source 2 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 0.2% 0% 0.2% 

Sink C 0% 0% 0.1% 0% 0.1% 

Sink D 70% 3.9% 26% 0% 99.7% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 0% 0% 0% 0% 0% 

Total 70% 3.9% 27% 0% 100% 

 

Figure L2: Expected NPV distributions for source 2 (CHP‐CCGT) for Trunk1 and Trunk2 to sink D for the base scenario in 2048. The red area on the left of the graph is a NPV lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution. 

Summary of layout for the base scenario 2034: A point‐to‐point pipeline (of 0.11 m) is constructed from source 3 to sink D.  2042: A point‐to‐point pipeline (of 0.32 m) is constructed from source 8 to sink F.  2042: A point‐to‐point pipeline (of 0.32 m) is constructed from source 1 to sink F.  2048: A point‐to‐point pipeline (of 0.17 m) is constructed from source 2 to sink D.  

Only offshore  9.4.3.2

Nothing happens before 2050.  

Annexes 

327 

 

Lower capture cost scenario 9.4.3.3

If the capture costs are reduced with 30%, sources 1, 3 and 8 all want to start with CCS in 2033. Source 8 has the lowest breakeven price and is evaluated first. For this source, it is in 88% of the cases cost‐effective to design Trunk 1 to sink F, see Table L4.  In Figure L3, the expected NPV distributions for Trunk1 are compared with a point‐to‐point pipeline to sink F. It can be assessed that the risk for this trunkline of a NPV lower than the point‐to‐point pipeline  is 11%. This  is  lower  than  the 20%  requirement, and  therefore Trunk1  is constructed.  

Table  L4:  Selection  probability  of  source  8  (PC)  to  different  sinks  and  for  different  pipeline configuration for the lower capital cost scenario.  

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2033   

Source 8 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink C 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink D 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 11% 88% 0.4% 0% 100% 

Total 11% 88% 0.4% 0% 100% 

Source 3 and 1 want  to  immediately  start with CCS and  join  the  trunkline. However, a construction period of 1 year is assumed. Source 3 has the lowest breakeven price and is evaluated first. Source 3 can constructs a point‐to‐point pipeline or trunkline from source cluster 1 (where source 3 is part of) to source cluster 2 (where source 8 is part of). With this trunkline, other sources in cluster 1 can benefit. The selection probabilities are 39%, 10%, 13% and 38% for a point‐to‐point pipeline, Trunk1, Trunk2 and Trunk3, respectively. The risk of a lower NPV than the point‐to‐point pipeline is 76%, 83% and 58% for Trunk 1, Trunk2 and Trunk3, respectively. Hence, the probability of a NPV lower than the point‐to‐point pipeline solution is higher than 20% for all trunkline configurations. Hence, a point‐to‐point pipeline is constructed from source 3 to the beginning of the trunkline.  

There  is still enough spare capacity  left and source 1 also  joins the trunkline to sink F  in 2034.  A  distribution  pipeline  is  constructed  from  source  1  to  the  beginning  of  the trunkline.  

Source 2 wants to start with CCS in 2035. Although there is enough spare capacity in the trunkline and enough storage capacity left in sink F, it is more cost‐effective for source 2 to  construct  a  pipeline  to  sink D  than  to  join  the  trunkline  to  sink  F.  The  tariff  has  to decrease  from 7.1 €/t  to 1.8 €/t,  to make  joining more  cost‐effective. To  assess which pipeline  configuration  is  the  best  option,  the  selection  probabilities  for  this  source  for different pipeline configurations and sinks are given in Table L5. It can be seen that Trunk1 and  Trunk2  to  sink D  and  Trunk2  to  sink  B  are  interesting  trunkline  configurations.  In Figure L4, the NPV distributions of these trunklines are given. It can be assessed that none of  these  trunklines  has  a  risk  of  less  than  20%  on  a NPV  lower  than  a  point‐to‐point pipeline to sink D. Hence, a point‐to‐point pipeline is constructed to sink D.   

Chapter 9 

328 

 

Table L5: Selection probability of source 2 (CHP‐CCGT) to different sinks and for different pipeline configuration for the lower capital cost scenario.  

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2035  Source 2 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 1.5% 0% 1.5% 

Sink C 0% 0% 0.8% 0.4% 1.2% 

Sink D 17% 19% 62% 0% 97% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 0% 0% 0% 0.1% 0.1% 

Total 17% 19% 64% 0% 100% 

 

Figure L3: Expected NPV distributions for source 8 (PC) for Trunk1 to sink F for the lower capture cost scenario in 2033. The red area on the  left of the graph  is a NPV  lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution.  

 

Figure L4: Expected NPV distributions  for  source 2  (CHP‐CCGT)  for Trunk1 and Trunk2  to  sink D and for Trunk2 to sink B for the  lower capture cost scenario  in 2035. The red area on the  left of the graph  is a NPV  lower and  the blue area on  the  right a higher NPV  than  the point‐to‐point pipeline solution. 

Annexes 

329 

 

In 2041, source 6 wants  to start with CCS. For  this source, not enough spare capacity  is present  in the existing  trunkline. For source 6,  it  is  in 99% of  the cases cost‐effective  to construct  a  point‐to‐point  pipeline  to  sink D.  So,  a  point‐to‐point  pipeline  to  sink D  is constructed. 

Source  5  joins  Trunk1  to  sink  F  in  2042  and  construct  a  distribution  pipeline  to  the beginning of the trunkline. The other sources do not want to start with CCS before 2050.   

Summary of layout for the lower capture cost scenario 2033: Source 8 constructs Trunk1 (of 0.41 m) to sink F.  2034: Source 3  joins Trunk1 to sink F and construct a not oversized distribution pipeline (of 0.11 m) to the beginning of the trunkline. 2034: Source 1  joins Trunk1 to sink F and construct a distribution pipeline (of 0.32 m) to the beginning of the trunkline. 2035: Source 2 constructs a point‐to‐point pipeline (of 0.17 m) to sink D. 2041: Source 6 construct a point‐to‐point pipeline (of 0.27 m) to sink D. 2042: Source 5  joins Trunk1 to sink F and construct a distribution pipeline (of 0.11 m) to the beginning of the trunkline. 

Lower volatility scenario 9.4.3.4

Source 3 wants  to  start with CCS  in 2028.  In Table  L6,  the  selection probability  for  this source is given for the different pipeline configuration to one of the possible sinks. It can be assessed that the point‐to‐point pipeline is in less than 5% of the cases the best option. In Figure L5, the expected NPV distributions for the different trunklines, with a selection probability of more than 1%, are compared with a point‐to‐point pipeline to sink D. None of the trunklines meets the target of less than 20% chance on a NPV lower than the point‐to‐point pipeline. Hence, a point‐to‐point pipeline is constructed from source 3 to sink D. 

Table L6: Selection probability of source 3 (ammonia) to different sinks and for different pipeline configuration for the lower volatility scenario. 

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2028  

Source 3 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 0% 0.3% 0.3% 

Sink C 0% 0% 0.02% 0.04% 0.1% 

Sink D 2.7% 7.5% 61% 21% 92% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 0% 0% 0% 7.1% 7.1% 

Total 3% 8% 61.4% 28% 100% 

In 2030, source 8 wants to start with CCS. In Table L7, the selection probabilities are given for different pipeline configuration  to different sinks.  It can be assessed  that a point‐to‐point pipeline and Trunk1 to sink F are in 99% of the cases the best solutions. In Figure L6, the NPV distribution of Trunk1 in comparison with the point‐to‐point pipeline to sink F is given. The risk of a NPV lower than the point‐to‐point pipeline is 19%, which is lower than the 20% requirement. Hence, Trunk1 is constructed.  

Chapter 9 

330 

 

Immediately, source 1 wants to start with CCS and join the trunkline from source 8 to sink F.  However,  one  year  construction  time  is  assumed.  There  is  a  possibility  to make  a trunkline  between  the  different  source  clusters,  in  such  a way  also  other  sources  can benefit. However,  this  leads  in  23% of  the  cases  to  a  lower NPV  than  a point‐to‐point pipeline. Hence, a point‐to‐point pipeline  (of 0.32 m)  is constructed  to  the beginning of the trunkline.  

  

Figure L5: Expected NPV distributions for source 3 (ammonia) for Trunk2 and Trunk3 to sink D and for Trunk3 to sink F for the lower volatility scenario in 2028. The red area on the right of the graph is  a  NPV  lower  and  the  blue  area  on  the  left  a  higher  NPV  than  the  point‐to‐point  pipeline solution. 

 

Figure L6: Expected NPV distributions for source 8 (PC) for Trunk1 to sink F for the lower volatility scenario  in 2030. The red area on the  left of the graph  is a NPV  lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution. 

   

Annexes 

331 

 

Source  2 wants  to  start with  CCS  in  2031. Although  there  is  enough  spare  capacity  in Trunk1 to sink F,  it  is more cost‐effective for this source to make a connection to sink E. For  this  source,  the  selection probabilities of  several pipeline  configurations  to  various sinks are given in Table L8. Four trunkline configurations are interesting, namely Trunk1 to sink  D  and  Trunk2  to  sink  B,  C,  or  D.  For  these  trunklines,  the  NPV  distribution  in comparison with a point‐to‐point pipeline to sink D is given in Figure L7. The lowest risk of 27% of a NPV lower than the point‐to‐point pipeline is realized by Trunk1 to sink D. This is higher than the 20% requirement, and hence a point‐to‐point pipeline is constructed.  

Table  L7:  Selection  probability  of  source  8  (PC)  to  different  sinks  and  for  different  pipeline configuration for the lower volatility scenario. 

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2030  

Source 8 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink C 0% 0.3% 0% 0% 0.3% 

Sink D 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 19% 80% 0.6% 0% 99.7% 

Total 19% 80% 0.6% 0% 100% 

Table L8: Selection probability of source 2 (CHP‐CCGT) to different sinks and for different pipeline configuration for the higher probability and willingness of joining scenario. 

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2031  

Source 2 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 2.7% 0% 2.7% 

Sink C 0% 0% 1.4% 0% 1.4% 

Sink D 11% 32% 52% 0% 96% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 0% 0% 0% 0% 0% 

Total 11% 32% 56% 0% 100% 

Table  L9:  Selection  probability  of  source  5  (paper  plant)  to  different  sinks  and  for  different pipeline configuration for the higher probability and willingness of joining scenario. 

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2033  

Source 5 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 0% 0.8% 0.8% 

Sink C 0% 0% 0% 0.3% 0.3% 

Sink D 58% 2.3% 0% 38% 99% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 0% 0% 0% 0% 0% 

Total 58% 2.3% 0% 39% 100% 

In 2029, source 5 wants to start with CCS. Also for this source it is more cost‐effective to construct an own pipeline  than  to  join  the existing  trunkline.  In Table  L9,  the  selection probabilities  are  given  for  different  pipeline  configuration  to  different  sinks.  It  can  be 

Chapter 9 

332 

 

assessed that sink D is selected in about 99% of the cases and Trunk1 and Trunk3 are the most interesting trunkline options. In Figure L8, the NPV distributions of these trunklines are given.  It can be assessed  that none of  these  trunklines meet  the 20%  requirement. Hence, a point‐to‐point pipeline is constructed to sink D.  

 

Figure L7: Expected NPV distributions for source 2 (CHP‐CCGT) for Trunk1 to sink D and Trunk2 to sink B, C, or D for the lower volatility scenario in 2031. The red area on the left of the graph is a NPV lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution. 

Source 6 wants to start with CCS in 2045. The remaining capacity in the existing trunkline to sink F (670 kt/y) is not enough to transport the required mass flow (1,100 kt/y). Hence, source 6 construct an own point‐to‐point pipeline to sink F. For this source, oversizing the pipeline to sink F  is not attractive, due to the  limited storage capacity  left. Furthermore, other trunklines have a selection probability of 0%, due to the limited amount of sources left combined with their late expected starting dates for CCS.  

 

Figure L8: Expected NPV distributions for source 5 (paper plant) for Trunk1 and Trunk3 to sink D for the lower volatility scenario in 2033. The red area on the left of the graph is a NPV lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution. 

Annexes 

333 

 

Summary of layout for the lower volatility scenario  2028: A point‐to‐point pipeline (of 0.11 m) is constructed from source 3 to sink D  2030: Trunk1 (of 0.41 m) is constructed from source 8 to sink F. 2031: Source 1 constructs a distribution pipeline (of 0.32 m) to the beginning of Trunk1 to sink F. 2031: Source 2 constructs a point‐to‐point pipeline (of 0.17 m) to sink D. 2033: Source 5 constructs a point‐to‐point pipeline (of 0.11 m) to sink D. 2045: Source 6 constructs a point‐to‐point pipeline (of 0.27 m) to sink F. 

Higher probability and willingness of joining scenario 

Source 3 wants to start with CCS in 2034. In Table L10, the selection probability is given of the different pipeline configurations to one of the possible sinks.  It can be assessed that sink D is selected in 98% of the cases and sink F in almost 2% of the cases. In Figure L9, the expected NPV distributions  for  the  trunklines, with a selection probability of more  than 1%, are compared with a point‐to‐point pipeline to sink D. The lowest risk of an expected NPV  lower  than  the  point‐to‐point  pipeline  is  36%  and  realized  by  Trunk2  to  sink  D. Although the risk of a NPV lower than the point‐to‐point pipeline is decreasing with about 15%‐points  for  the different  trunkline configuration compared  to  the base scenario,  the risk of a lower NPV than the best point‐to‐point pipeline is for all trunkline configurations still above the 20%‐requirement. Hence, a point‐to‐point pipeline to sink D is selected and no changes arise compared to the base scenario.  

Table L10: Selection probability of source 3 (ammonia) to different sinks and for different pipeline configuration for the higher probability and willingness of joining scenario. 

Year   

Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2034  Source 3 Sink A 0%  0%  0.1%  0%  0.1% Sink B 0%  0%  0%  0%  0% Sink C 0%  0%  0%  0.1%  0.1% Sink D 19%  11%  46%  23%  98% Sink E 0%  0%  0%  0%  0% Sink F 0%  0%  0%  1.7%  1.7% Total 19%  11%  46%  24%  100% 

Source 8 wants to start with CCS in 2042. The Monte Carlo analysis shows that Trunk1 to sink F is selected in 100% of the cases. The reason for this is that source 1 wants to start with CCS  in 2043, and with a willingness and probability of  joining  is 100%,  this  source always  joins the trunkline. Hence,  it  is cost‐effective for source 8 to construct Trunk1 to sink F. One year after construction, in 2043, source 1 joins Trunk1.  

Source 2 wants to start with CCS in 2048. The selection probability for this source for the various pipeline configuration to one of the possible sinks is given in Table L11. In Figure L10, the expected NPV distributions for Trunk1 and Trunk2 to sink D are compared with a point‐to‐point  pipeline.  The  risk  of  an  expected  NPV  lower  than  the  point‐to‐point pipeline  is  92%  and  53%  for  Trunk1  and  Trunk2,  respectively.  These  percentages  are considerably  higher  than  the  20%  requirement  and,  hence,  a  point‐to‐point  pipeline  is 

9.4.3.5

Chapter 9 

334 

 

constructed.  

Summary of layout for the higher probability and willingness of joining scenario  2034: Point‐to‐point pipeline (of 0.11 m) is constructed from source 3 to sink D.  2042: Trunk1 (of 0.41 m) is constructed from source 8 to sink F.  2043: Source 1  joins Trunk1 to sink F and construct a distribution pipeline (of 0.32 m) to the beginning of the trunkline.  2048: Point‐to‐point pipeline (of 0.17 m) is constructed from source 2 to sink D.  

 

Figure L9: Expected NPV distributions  for source 3  (ammonia)  for Trunk1, Trunk2 and Trunk3 to sink D and for Trunk3 to sink F for the higher joining probability scenario in 2034. The red area on the left of the graph is a NPV lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution. 

 

Figure L10: Expected NPV distributions for source 2 (CHP‐CCGT) for Trunk1 and Trunk2 to sink D for the higher joining probability scenario in 2048. The red area on the left of the graph is a NPV lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution. 

 

Annexes 

335 

 

Table L11: Selection probability of source 2 (CHP‐CCGT) to different sinks and for different pipeline configuration for the higher joining probability scenario.  

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2048  Source 2 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 0.2% 0% 0.2% 

Sink C 0% 0% 0.1% 0% 0.1% 

Sink D 48% 4.8% 47% 0% 99.7% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 0% 0% 0% 0% 0% 

Total 48% 4.8% 47% 0% 100% 

Optimistic onshore 

If the capture costs are reduced with 30% and the volatility is reduced with 50%, source 3 has a breakeven price of 48 €/t and wants  to  start with CCS  in 2027.  In Table  L12,  the selection probability for this source to one of the possible sinks with one of the different pipeline configuration  is given.  It can be assessed that  in all cases a trunkline  is selected and  Trunk2  to  sink D,  Trunk3  to  sink D  and  Trunk3  to  sink  F  are  the most  interesting options.  In  Figure  L11,  the  expected NPV  distributions  for  these  different  trunklines  is given. It can be assessed that Trunk2 and Trunk3 to sink D are always better options than the cheapest point‐to‐point pipeline option, while Trunk3 to sink F realize  in 42% of the cases a lower NPV than the point‐to‐point pipeline. So, both Trunk2 and Trunk3 meet the risk requirement of 20%. Trunk2 is preferred because this trunkline generate on average a higher NPV than Trunk3.   

Source 8 also wants to start with CCS in 2027. With a joining probability and willingness of joining of 100%, it is in 99% of the cases cost‐effective to design Trunk 1 to sink F. Hence, Trunk1 is constructed. 

Due  to  the presence of Trunk1  to sink F,  the  transportation costs of source 1 decrease. Consequently,  this  source wants  to  join  the  trunkline  immediately. However,  one  year construction is assumed. In 2028, a connection pipeline from source 1 to Trunk1 to sink F has  to  be  constructed.  A  point‐to‐point  pipeline  or  trunkline  can  be  constructed  from source cluster 1 (where source 1 is part of) to source cluster 2 (where source 8 is part of). With  this  trunkline, other sources  in cluster 1 can benefit. The selection probabilities of Trunk1 is 100% and is constructed.  

Source 2 and 5 wants to join Trunk3 to sink D in 2028. There is enough spare capacity in the  trunkline. Hence, both sources start with CCS and construct connection pipelines  to Trunk3 to sink D.  

In 2033, source 6 wants to start with CCS, but there  is not enough spare capacity  in the existing  trunklines.  The  selection  probability  for  this  source  for  different  pipeline configuration and to different sinks is given in Table L13. It can be assessed that Trunk1 to sink C and Trunk1 to sink F are interesting trunkline configurations. In Figure L12, the NPV distributions  are  given  of  these  trunklines,  in  relation  to  the  NPV  of  a  point‐to‐point 

9.4.3.6

Chapter 9 

336 

 

pipeline  to sink E. The  lowest probability of 20.2% of a  lower NPV  than a point‐to‐point pipeline  is  realized  by  Trunk1  to  sink  F.  However,  this  is  slightly  higher  than  the  20% requirement and, therefore, a point‐to‐point pipeline is constructed to sink E.  

Source 4 wants  to start with CCS  in 2045. There  is not enough storage capacity present within the existing trunklines. Hence, a new pipeline has to be constructed. The selection probability of Trunk1 to sink F  is 100%, because  it  is expected that source 7  joins almost immediately. Hence, Trunk1 to sink E is constructed.  

Source 7 wants to start with CCS in 2045 and wants to join Trunk1 to sink E. However, one year construction  time  is assumed.  In addition,  for  this source  it  is cost‐effective  to  join the  trunkline  between  the  two  source  clusters.  Hence,  source  7  construct  a  short distribution pipeline to the beginning of the trunkline connecting the two source clusters in 2046.  

Table L12: Selection probability of source 3 (ammonia) to different sinks and for different pipeline configuration for the optimistic onshore scenario.  

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2027  Source 3 Sink A 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink B 0% 0% 0% 0% 0.0% 

Sink C 0% 0% 0% 0% 0.0% 

Sink D 0% 0% 46% 13% 60% 

Sink E 0% 0% 0% 0% 0% 

Sink F 0% 0% 0% 40% 40% 

Total 0% 0% 46% 54% 100% 

Table  L13:  Selection  probability  of  source  6  (waste  plant)  to  different  sinks  and  for  different pipeline configuration for the optimistic onshore scenario.  

Year   Capture location  

Storage location 

Point‐to‐point pipe 

Trunk1 Trunk2 Trunk3 Total 

2034   

Source 6 Sink A 0%  0%  0%  0%  0% Sink B 0%  0%  0%  0%  0% Sink C 0%  27%  0.2%  0%  28% Sink D 0%  0%  0%  0%  0% Sink E 15%  0%  0%  0%  15% Sink F 0%  58%  0%  0%  58% Total 15%  85%  0.2%  0%  100% 

Summary of layout for the optimistic onshore scenario 2027: Source 3 construct Trunk2 (of 0.22 m) to sink D.  2027: Trunk1 (of 0.41 m) is constructed from source 8 to sink F.  2027:  Source  1  joins  Trunk2  to  sink  F  and  construct  an one  size  oversized  distribution pipeline ( of 0.32 m) from source cluster I to the beginning of the trunkline.  2027: Source 5  joins Trunk2 to sink D and constructs a distribution pipeline of 0.11 m to the beginning of the trunkline.  2028: Source 2  joins Trunk2 to sink D and constructs a distribution pipeline of 0.17 m to 

Annexes 

337 

 

the beginning of the trunkline.   2033: Source 6 construct point‐to‐point pipeline to sink E. 2045: Source 4 construct Trunk1 (of 0.32 m) to sink F. 2046:  Source  7  joins  the  trunkline  between  the  source  clusters,  and  connect  to  this trunkline with a short distribution pipeline of 0.22 m. Subsequently, source 7 joins Trunk1 to sink F.  

  

Figure L11: Expected NPV distributions  for source 3  (ammonia)  for Trunk2 and Trunk3 to sink D and Trunk3 to sink F for the optimistic onshore scenario  in 2027. The red area on the  left of the graph is a NPV lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution.

 

Figure L12: Expected NPV distributions for source 6 (waste plant) for Trunk1 to sink C and sink F for the optimistic onshore scenario in 2033. The red area on the left of the graph is a NPV lower and the blue area on the right a higher NPV than the point‐to‐point pipeline solution. 

Chapter 9 

338 

 

Optimistic offshore 

If  the  capture  costs  are  reduced with 30%,  the  volatility  is  reduced with 50%  and only offshore sinks are available, source 8 has a breakeven price of 60 €/t and wants to start with CCS  in 2029. With  a  joining probability  and willingness of  joining of 100%,  it  is  in 100% of  the  cases  cost‐effective  to  construct Trunk1  to  sink C. The  reason  for  the high cost‐effectiveness  is  that  source  1 wants  to  start with  CCS  already  in  2030  in  the  real option approach.  

Due to the opening of sink C and the presence of Trunk1, source 1, 2, 3 and 5 wants to start  immediately  with  CCS.  However,  one  year  planning  and  construction  time  is assumed.  Source  3  has  the  lowest  breakeven  price  and  is  evaluated  first.  In  2030,  a connection pipeline  from  source 3  to  the  trunkline has  to be built. The  landfall point  is nearest,  and  therefore  a  distribution  pipeline  to  the  landfall  point  is  constructed. Also source 5  joins  the  trunkline  in 2030 and construct a distribution pipeline  to  the  landfall point. 

Source 1 also wants  to  start with CCS  in 2030 and connect  to  sink C. However,  for  this source,  it  is more cost‐effective  to construct an own pipeline  than  joining  the  trunkline. The tariff for the trunkline has to decrease from 8.8 €/t to 5.5 €/t to make  joining more cost‐effective  than  constructing  an  own  pipeline, which  is  comparable  to  a  reasonable rate of return of 8.6% instead of 15.8%. Hence, a point‐to‐point pipeline is constructed to sink C. Note  that also  source 1 profit  from  the  initial  investments made by  source 8  in opening the sink.  

For source 2, it cost‐effective to join the trunkline to sink D. Hence, a distribution pipeline is constructed from source 2 to the landfall point to join the trunkline. Note that source 2 can only  join the trunkline because source 1 did not.  If source 1  joined the pipeline, not enough spare capacity was left for source 2.  

Source  6 wants  to  start with  CCS  in  year  2035.  Although  there  is  still  enough  storage capacity  in the trunkline, there  is not enough storage capacity  in sink C to store the CO2 

from  source 6  for 20  years. Hence,  source 6  can  construct  a pipeline  from  the  landfall point to sink B or can join the existing pipeline to sink C and construct a pipeline from sink C to sink B. The transportation costs of the option to construct a whole new point‐to‐point pipeline are 175 M€, while the option to join the trunkline and construct a shorter point‐to‐point pipeline are 143 M€. The  second option  is  less expensive, and  consequently a pipeline  is constructed from sink C to sink B.  It  is not  interesting to oversize the pipeline from sink C to B, due to the limited spare capacity in the existing trunkline combined with the limited storage capacity of sink B.  

The cost  for starting with CCS are  too high  for source 7 and 9, while source 4 wants  to start  with  CCS  before  2050.  However,  for  this  source  none  of  the  offshore  sinks  has enough storage capacity left for storing the CO2 of source 4 for 20 years. Hence, source 4 cannot start with CCS.  

9.4.3.7

Annexes 

339 

 

Summary of layout for the optimistic offshore scenario 2029: Trunk1 (of 0.41 m) is constructed from source 8 to sink C.  2030: Source 3  joins the trunkline and construct a distribution pipeline of 0.11 m to the landfall point.  2030: Source 5 joins the trunkline and constructs a distribution pipeline of 0.11 m to the landfall point.  2030: Source 1 construct a point‐to‐point pipeline of 0.32 m to sink C.  2030: Source 2 joins the trunkline and constructs a distribution pipeline of 0.17 m to the landfall point.  2035: Source 6  joins the trunkline and construct a distribution pipeline of 0.27 m to the beginning of the trunkline and construct a point‐to‐point pipeline from sink B to sink C. 

Annex M: Detailed results from the perfect foresight model  

In  this  annex,  the  layouts  are  summarized  of  the  different  scenarios  for  the  perfect foresight model.  

Summary of layout for the base scenario  2023: a trunkline of 0.27 m is constructed from collection point I to sink D.  2023: a point‐to‐point pipeline of 0.11 m is constructed from source 3 to collection point I.  2023: a point‐to‐point pipeline of 0.11 m is constructed from source 5 to collection point I.  2026: a point‐to‐point pipeline of 0.17 m is constructed from source 2 to collection point I.  2026:  a  point‐to‐point  pipeline  of  0.32  m  is  constructed  from  source  8  to  collection point II.  2026: a point‐to‐point pipeline of 0.32 m is constructed from source 1 to collection point I.  2026: a trunkline of 0.41 m is constructed from collection point II to sink F.  2026: a trunkline of 0.32 m is constructed from collection point I to collection point II.  2029:  a  point‐to‐point  pipeline  of  0.27  m  is  constructed  from  source  6  to  collection point II.  2038:  a  point‐to‐point  pipeline  of  0.11  m  is  constructed  from  source  9  to  collection point II.  

Summary of layout for the only offshore scenario 2027: a pipeline of 0.32 m is constructed from source 8 to landfall point.  2027: a trunkline of 0.32 m is constructed from source 5 to landfall point.  2027: a trunkline of 0.51 m is constructed from the landfall point to sink C.  2027: a point‐to‐point pipeline of 0.11 m is constructed from source 3 to source 5.  2027: a point‐to‐point pipeline of 0.17 m is constructed from source 2 to source 5.  2027: a point‐to‐point pipeline of 0.32 m is constructed from source 1 to source 5.  2040: a trunkline of 0.41 m is constructed from sink C to sink B.  2041: a trunkline of 0.27 m is constructed from sink B to sink A.  

Summary of layout for the lower capture cost / optimistic onshore scenario 2020: a trunkline of 0.27 m is constructed from collection point I to sink D.  2020: a point‐to‐point pipeline of 0.11 m is constructed from source 3 to collection point I. 

9.4.4

9.4.4.1

9.4.4.2

9.4.4.3

Chapter 9 

340 

 

2021: a point‐to‐point pipeline of 0.11 m is constructed from source 5 to collection point I. 2021: a point‐to‐point pipeline of 0.32 m is constructed from source 1 to collection point I. 2021:  a  point‐to‐point  pipeline  of  0.32  m  is  constructed  from  source  8  to  collection point II.  2021: a trunkline of 0.41 m is constructed from collection point II to collection point I.  2021: a trunkline of 0.51 m is constructed from collection point II to sink F.  2023: a point‐to‐point pipeline of 0.17 m is constructed from source 2 to collection point I. 2026:  a  point‐to‐point  pipeline  of  0.27  m  is  constructed  from  source  6  to  collection point II. 2029:  a  point‐to‐point  pipeline  of  0.11  m  is  constructed  from  source  9  to  collection point II. 2030: a point‐to‐point pipeline of 0.27 m is constructed from source 4 to collection point I. 2034: a trunkline of 0.27 m is constructed from sink F to sink E. 2035:  a  point‐to‐point  pipeline  of  0.22  m  is  constructed  from  source  7  to  collection point II. 2042: a trunkline of 0.51 m is constructed from collection point I to land fall point.  2042: a trunkline of 0.51 m is constructed from land fall point to sink C.  

Summary of layout for the optimistic offshore scenario 2024: a point‐to‐point pipeline of 0.32 m is constructed from source 1 to source 5.  2024: a point‐to‐point pipeline of 0.11 m is constructed from source 3 to source 5.  2024: a trunkline of 0.32 m is constructed from source 5 to landfall point.  2024: a point‐to‐point pipeline of 0.32 m is constructed from source 8 to landfall point.  2024: a trunkline of 0.41 m is constructed from the landfall point to sink C.  2040: a trunkline of 0.41 m is constructed from sink C to sink B.  2041: a trunkline of 0.27 m is constructed from sink B to sink A.   

References ‐ Apeland, S., Belfroid, S., Santen, S., Hustad, C.W., Tettero, M. et al., 2011a. Towards a 

transport  infrastructure  for  large‐scale  CCS  in  Europe.  Kårstø  CO2  pipeline  project: Extension to a European case. CO2 Europipe D4.3.2, 1‐84.  

‐ Apeland,  S.,  Belfroid,  S.,  Santen,  S.,  Hustad,  C.W.,  Tettero,  M.,  Klein,  K.,  2011b. Towards a transport  infrastructure for  large‐scale CCS  in Europe. Kårstø offshore CO2 pipeline design. CO2 Europipe D4.3.1, 1‐95.  

‐ Bradley,  T.,  2011.  CO2.  Kinder  Morgan  analyst  conference.  Retrieved  from: http://www.kindermorgan.com/investor/presentations/2011_Analysts_Conf_06_CO2.pdf  

‐ Bureau, G., Roussanaly, S., Husebye,  J., 2011. Cocate. Large‐scale CCS  transportation infrastructure in Europe. Economic assessment of CO2 export systems and comparison of implementation strategies. COCATE D4.1.2, 1‐181.  

‐ Cronenberg, C., Rottier R., van der Velde R., Breunese J., Remmelts G., 2009. Potential for CO2 storage  in depleted gas fields on the Netherlands Continental Shelf. Phase 2: Costs of transport and storage. C2051 / MD‐MV20090186, 1‐45. 

‐ Dakota Gasification Company, 2011. CO2 pipeline. Dakota Gasification Company. Last 

9.4.4.4

9.5

Annexes 

341 

 

accessed  in  October  2011.  Retrieved  from: http://www.dakotagas.com/Gas_Pipeline/CO2_Pipeline/index.html.  

‐ Damen,  K.,  Faaij,  A.,  Turkenburg,  W.,  2009.  Pathways  towards  large‐scale implementation  of  CO2  capture  and  storage:  A  case  study  for  the  Netherlands. International Journal of Greenhouse Gas Control 3, 217‐236.  

‐ Denbury,  2011.  Denbury  resources  inc.  2010  annual  report.  Shedding  light  on  a transformed Denbury. 1‐83. 

‐ Dijkshoorn, J.S.P., 2009. Addendum control check Barendrecht: CO2 concentrations on critical locations; maximum effect distance (in Dutch). Tebodin B.V, 3412028, 1‐15. 

‐ Dijkshoorn,  J.S.P., Kaman, F.J.H., 2011. QRA CO2  transport ROAD  (in Dutch). Tebodin B.V, 3413184, 1‐47. 

‐ Downie, M.,  2011.  CO2  transport  in  CCS.  UKCCS Winter  School,  School  of Marine Technology. University of Newcastle.  

‐ E.ON, 2012. Kingsnorth carbon capture & storage project. Consequence assessment of CO2 pipeline releases. Rev. 2. KCP‐ENT‐SHE‐REP‐0004, 1‐68. 

‐ E.ON, 2011a. Kingsnorth Carbon Dioxide Capture and Storage Demonstration Project. Key Knowledge Reference Book. 1‐66.  

‐ Eagleton  Engineering,  2012. Carbon dioxide projects. Representative  carbon dioxide projects.  Last  accessed  in  2012.  Retrieved  from: http://www.eagletoninc.com/cabondioxide.htm#.  

‐ Editorial staff, 1996. Maghreb‐Europe gas pipeline comes on stream. Europe Energy 8 November 1996.  

‐ Editorial  staff,  1993.  Gas  pipeline  for  Algeria.  The  New  York  Times;  Business  Day. Retrieved  from:  http://www.nytimes.com/1993/08/02/business/gas‐pipeline‐for‐algeria.html 

‐ EON UK (2011a). Kingsnorth carbon capture & storage project. Post‐FEED Project Cost Estimates. KCP‐EUK‐FIN‐LIS0002. 

‐ EON UK  (2011b). Kingsnorth CCS project. Platform & pipeline operating philosophy. Gaseous phase operation. KCP‐GNS‐PCD‐DPR‐0005. 

‐ Essandoh‐Yeddu, J., Gülen, G., 2009. Economic modeling of carbon dioxide integrated pipeline network  for enhanced oil  recovery and geologic  sequestration  in  the Texas Gulf Coast region. Energy Procedia 1, 1603‐1610.  

‐ Gasunie,  2011.  Gasunie  neemt  nieuw  station  in  gebruik.  Last  accessed  in  October 2011. Retrieved  from: http://noordzuidroute.gasunie.nl/hoofdmenu/nieuws/gasunie‐neemt‐nieuw‐station‐in‐gebruik.  

‐ Gazprom, 2011.  South  stream  is estimated  to  cost EUR 15.5 billion. Gazprom news. Retrieved from: http://www.south‐stream.info/index.php?id=70&L=1 

‐ GCCSI (2012). The global status of CCS 2012. Global CCS institute, 1‐218. ‐ Groot,  M.,  Meerdink  H.,  2007.  Arab  gas  pipeline  projects:  City  Gate  Al  Aqaba  & 

Rashadeyya. Elster‐Instromet Profiles 1, 15.  ‐ Heijne, M. A. M., & Kaman,  F.  J. H.  (2008). Veiligheidsanalyse Ondergrondse Opslag 

van CO2 in Barendrecht. Tebodin B.V., 3800784, 1‐78. ‐ Hydrocarbons‐technology, 2011a. Arad‐Szeged gas pipeline. Last accessed  in October 

2011.  Retrieved  from:  http://www.hydrocarbons‐technology.com/projects/arad‐

Chapter 9 

342 

 

szeged‐pipeline.  ‐ Hydrocarbons‐technology,  2011b.  Blue  Stream  Pipeline.  Last  accessed  in  October 

2011. Retrieved from: www.hydrocarbons‐technology.com/projects/bluestream/.  ‐ Hydrocarbons‐technology,  2011c.  Gazelle  natural  gas  pipeline,  Czech  Republic.  Last 

accessed  in  October  2011.  Retrieved  from:  http://www.hydrocarbons‐technology.com/projects/yamal‐europegaspipel/;.  

‐ Hydrocarbons‐technology, 2011d.  Interconnection Turkey Greece  Italy (ITGI) Pipeline. Last  accessed  in  October  2011.  Retrieved  from:  http://www.hydrocarbons‐technology.com/projects/turkeygreeceitalypip/.  

‐ Hydrocarbons‐technology, 2011e. South Wales gas pipeline. Last accessed  in October 2011.  Retrieved  from:  http://www.hydrocarbons‐technology.com/projects/southwalesgas/.  

‐ Hydrocarbons‐technology,  2011f.  Yamal  –  Europe  gas  pipeline.  Last  accessed  in October  2011.  Retrieved  from:  http://www.hydrocarbons‐technology.com/projects/yamal‐europegaspipel/IEA  (2011). CO2 capture and storage, RD&D Projects Database. Greenhouse Gas R&D Programme. 2011. 

‐ IEA GHG, 2008. Co‐production of hydrogen and electricity by coal gasification with CO2 capture ‐ updated economic analysis. 2008/9, 1‐528.  

‐ IEA GHG, 2002. Pipeline  transmission of CO2 and energy. Transmission  study  report. PH4/6, 1‐140.  

‐ IPCC  (2005).  IPCC  special  report  on  carbon  dioxide  capture  and  storage.  Cambridge University Press: USA. 

‐ Jessup, B. W. J. (2012). Personal communication about the Alberta Carbon Trunk Line. Enhance Energy Inc. 

‐ Kampman, B., Croezen, H.J., Verbraak, G.M., Brouwer, F.P.E., 2010. Rijden en varen op gas. Kosten en milieueffecten van aardgas en groen gas  in  transport. 10.4124.43, 1‐102.  

‐ Kinder Morgan, 2011. Kinder Morgan CO2. Kinder Morgan Business. Last accessed  in September 2011. Retrieved from: http://www.kne.com/business/co2.  

‐ Kinder Morgan Energy Partner, 2003. Annual report pursuant to section 13 0r 15(d) of the securities exchange act of 1934  for  the  fiscal year ended December, 31 2003. 1‐11234, 1‐176.  

‐ Knoope, M.M.J., Guijt, W., Ramírez, A., Faaij, A.P.C., 2014.  Improved cost models  for optimizing  CO2  pipeline  configurations  for  point‐to‐point  pipelines  and  simple networks. International Journal of Greenhouse Gas Control 22, 25‐46. 

‐ Koers,  P.,  de  Looij, M.,  Engbø, A.,  Bakker, M.,  Schouwenaars,  E.,  2010.  Final  public report: Safety study for liquid logistics shipping concept. Prepared by DNV for Vopak / Anthony Veder. 12TUIBY‐3, 1‐126. 

‐ Koornneef,  J.,  Spruijt, M., Molag, M.,  Ramírez,  A.,  Turkenburg, W.,  Faaij,  A.,  2010. Quantitative risk assessment of CO2 transport by pipelines ‐ A review of uncertainties and their impacts. J Hazard Mater 177, 12‐27. 

‐ Lievense, 2005. OCAP CO2 v.o.f. CO2 greengas project – risk analysis document of the NPM pipeline  (in Dutch). Raadgevend  Ingenieursbureau  Lievense B.V. Breda 042282 rev. 3, 1‐31. 

Annexes 

343 

 

‐ McCollough, D.E., 1986. The Central Basin pipeline: A CO2 system in West‐Texas.  ‐ McCoy, S.T., Rubin, E.S., 2008. An engineering‐economic model for pipeline transport 

of  CO2  with  application  to  carbon  capture  and  storage.  International  Journal  of Greenhouse Gas Control 2, 219‐229.  

‐ Mikunda, T., Van Deurzen,  J., Seebregts, A., Kerssemakers, K., Tetteroo, M., Buit,  L., 2011.  Towards  a  CO2  infrastructure  in  North‐Western  Europe:  Legalities,  costs  and organizational aspects. Energy Procedia 4, 2409‐2416.  

‐ Ministry of Petroleum, 2010. Arab gas pipeline. Strategic Projects. Arabic Republic of Egypt.  Last  accessed  in  October  2012.  Retrieved  from: http://www.petroleum.gov.eg/en/ProjectsandActivities/StrategicProjects/Pages/GasPipeline.aspx.  

‐ Mohitpour, M.,  Seevam,  P.,  Botros,  K.  K.,  Rothwell,  B., &  Ennis,  C.  (2012).  Pipeline transportation of carbon dioxide containing  impurities.  (1st edition ed.). ASME Press: New York, USA. 

‐ Molag, M., & Raben,  I. M. E.  (2006). Externe veiligheid onderzoek CO2 buisleiding bij Zoetermeer. TNO‐rapport, 2006‐A‐R0144/B, 1‐46. 

‐ Money Express, 2012. Transgaz va alege în februarie compania care va construi partea românească  din  conducta  Giurgiu‐Ruse.  Last  accessed  in  October  2012.  Retrieved from:  http://www.money.ro/transgaz‐va‐alege‐in‐februarie‐compania‐care‐va‐construi‐partea‐romaneasca‐din‐conducta‐giurgiu‐ruse_817336.html.  

‐ NEL‐pipeline, 2011. NEL  in  figures. Last accessed  in November 2011. Retrieved  from: http://www.nel‐pipeline.de/public/nel‐en/project/nel‐in‐figures.html.  

‐ Oosterkamp, A., Ramsen, J., 2008. State‐of‐the‐art overview of CO2 pipeline transport with relevance to offshore pipelines. POL‐O‐2007‐138‐A, 1‐87.  

‐ OPAL‐pipeline, 2011. The OPAL in figures. Last accessed in November 2011. Retrieved from: http://www.opal‐pipeline.com/.  

‐ Otter, N., Hanstock, D., Sharman, P., Timms, A., Morris, B. et al., 2003. Carbon dioxide capture and storage. Report of Department of  trade and  Industry  (DTI)  International Technology service mission to the USA and Canada from 27th October to 7th November 2002. Advanced Power Generation Technology Forum (APG TF), 1‐96.  

‐ PennEnergy, 1998. Energy demand uncertainties cloud pipeline construction outlook. International petroleum encyclopedia.  

‐ Petrova,  Z.,  2011.  Gazprom  revealed  the  price  of  the most  expensive  gas‐pipeline. Business News, Financial comments.  

‐ Piessens, K., Laenen, B., Nijs, W., Mathieu, P., Baele, J.M. et al., 2008. Policy Support System for Carbon Capture and Storage. SD/CP/04A, 1‐269.  

‐ Pitt  (2008).  StatoilHydro  takes  place  at  TAP  table.  Upstream  12  February  2012. Retrieved from: http://www.upstreamonline.com/live/article1152480.ece. 

‐ PPIAF,  2010.  Public‐Private  Infrastructure  Advisory  Facility  (PPIAF).  The  future  of natural gas market  in South East Europe. Chapter 3: Supply side options. The World Bank. Washington. 

‐ Reuters, 2011. Nabucco  investment seen at 12‐15 bln euros‐sources. Retrieved from: http://www.reuters.com/article/2011/05/05/nabucco‐turkey‐idUSIST00770920110505 

Chapter 9 

344 

 

‐ Roussanaly, S., 2012. Personal communication about Cocate cost model.  ‐ ScottishPower CCS Consortium, 2011. UK Carbon Capture and Storage Demonstration 

Competition. FEED Close Out Report. SP‐SP 6.0 ‐ RT015, 1‐65.  ‐ Serpa, J., Morbee, J., Tzimas, E., 2011. Technical and economic characteristics of a CO2 

transmission pipeline infrastructure. JRC62502, 1‐43.  ‐ Shell Canada Limited, 2011. QUEST carbon capture and storage project. Quantitative 

risk assessment: CO2 pipeline and injection wells. Shell Canada Limited, 1‐55. ‐ Smith,  C.E.,  2011.  Special  report:  Pipeline  construction  plans  continue  slide  despite 

growth in natural gas. Oil and Gas Journal 109, 110‐121.  ‐ Tiemessen, G.W.M., Heitink,  J., Wiekema, B.L.,  Janssen,  L.A.M., 2005. Guidelines  for 

quantitative  risk  assessment.  "Purple  book".  PGS  3.  VROM,  The  Hague,  the Netherlands.  

‐ TNO, 2013a. TNO safety software EFFECTS. User and reference manual. Version 9, 1‐211. 

‐ TNO,  2013b.  TNO  safety  software  RISKCURVES. Quick  start  guide  and  user manual. Version 9, 1‐162. 

‐ Van  den  Bosch,  C.J.H., Weterings,  R.A.P.M.,  2005. Methods  for  the  calculation  of physical effects  ‐ due to releases of hazardous materials  (liquids and gases)  ‐  'Yellow Book'. Third edition Second revised print. Publication Series on Dangerous Substances (PGS 3), The Netherlands. 

‐ Van  Osch,  M.,  Smeulders,  J.,  Veltin,  J.,  2010.  Inventory  and  quantitative characterization  of  technologies  available  for  each  part  of  the  CO2  infrastructure system. CATO‐2 Deliverable WP 2.1‐D03, 1‐42.  

‐ Vianello,  C.,  2012.  Risk  analysis  of  gas  distribution  network.  Annex  7:  CO2 consequences. Università degli studi de Padova, 187‐94. 

‐ Vianello,  C.,  Macchietto,  S.,  Maschio,  G.,  2013.  Risk  assessment  of  CO2  pipeline network for CCS ‐ A UK case study. Chemical Engineering Transactions 31, 13‐8. 

‐ West,  J.M.,  1974. Design  and  operation  of  a  supercritical  CO2  pipeline‐compression system, SACROC unit, Scurry County, Texas. paper SPE 4804.  

‐ Wildenborg,  T., Holloway,  S., Hendriks,  C.,  Kreft,  E.,  Lokhorst,  A.,  Brook, M.,  et  al., (2004). Cost curves  for CO2  storage. Part 2: European  sector. NITG 04‐238‐B1208, 1‐162. 

‐ Willbros, 2000. Cortez CO2 pipeline. MKTG 01\specs\025:1‐2.  ‐ Wingas Transport, 2008. Strengthening the Bavarian natural gas supply. Press release. 

Last  accessed  in  January  2012.  Retrieved  from:  http://www.wingas‐transport.de/256.html?&L=1.  

‐ Woods, D.R., 2007. Rules of thumb in engineering practice. Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany. 

‐ WorleyParsons,  EcoNomics,  2009.  Small  diameter  pipelines:  Total  installed  costs budget estimates. 401 001 ‐0051 4‐00‐PL‐REP‐0001, 1‐3.  

‐ ZEP, 2010. CO2 transport costs. Post‐demonstration CCS in the EU. 1‐52.  

 

345 

 

Dankwoord 

4.5  jaar ben  ik bezig geweest om onderzoek te doen naar de verschillende aspecten van CO2  infrastructuur ontwikkeling. Het resultaat van dit onderzoek  ligt nu voor u. Maar dit boek was er niet gekomen, of had er op zijn minst heel anders uitgezien, zonder de hulp van anderen.  

Als  eerste  wil  ik  graag  mijn  promotor  André  Faaij  en  copromotor  Andrea  Ramírez bedanken. Zonder André was  ik waarschijnlijk nooit aan een promotie‐traject begonnen. Toen  ik  tijdens  het  afronden  van  mijn  master  thesis  een  keer  informeerde  naar  de mogelijkheden  van promoveren,  reageerde hij  zo enthousiast en  vol  vertrouwen dat  ik niet  langer  twijfelde  en  de  stap maakte. Ook  tijdens mijn  promotie‐traject  had  je  een actieve rol, eerst in Utrecht en later vanuit Groningen. André, je hebt een gave om vrijwel in  een  oogopslag  de  zwakke  punten  uit  een  onderzoek  te  halen.  Je  suggesties  om  de verschillende artikelen na een hoger niveau te tillen waren altijd zeer waardevol.   

Andrea, if I didn’t know where to go with my research anymore, you was always there to guide me into the right direction. You have a great eye for detail but also didn’t forget the great picture. Thanks for all you time and patient for answering my questions, discussions and  providing  comments  on my  (always  relatively  long)  articles.  Andrea  and  André,  I would both like to thank you for the freedom you offered me for defining a large part of the scope of this thesis.  

Verder wil  ik  graag Wim Guijt  van  Shell bedanken  voor het beantwoorden  van  al mijn vragen over het ontwerpen, aanleggen, opereren en verwijderen van pijpleidingen. Voor mij was contact met iemand uit de industrie erg nuttig. De ‘reality‐check’ die je uitvoerde, heeft met name hoofdstuk 3 naar een hoger niveau getild. Onze verschillende gesprekken gaven me het gevoel dat mijn onderzoek niet alleen waardevol  is voor wetenschappers, maar ook voor de industrie. 

Hoofdstuk 4 was nooit tot stand gekomen zonder Ingrid Raben en Mark Spruijt van TNO. Ik vond het heel plezierig om met jullie samen te werken. Bedankt voor alle inzichten in de wereld van de veiligheid en risicoanalyse.  

CATO‐2  heeft  dit  proefschrift  financieel  mogelijk  gemaakt.  Buiten  dat  heeft  CATO‐2 verschillende  interessante  symposiums,  leuke  uitjes  en  gezellige  PhD  diners georganiseerd. Deze boden de mogelijkheid om echt deel uit  te maken  van de CATO‐2 gemeenschap en ook inzicht te krijgen in de andere delen van de CCS keten en aspecten van CCS implementatie. Dus CATO‐2, bedankt hiervoor.    

Via de CATO‐2 gemeenschap, ben  ik  in  contact gekomen met  verschillende experts die hebben geholpen om meer  inzicht  te krijgen  in de verschillende aspecten van CCS. Met het  risico om  iemand  te vergeten, wil  ik bij deze Chris Hendriks,  Joris Koornneef  (beide Ecofys),  Jeremy Veltin,  Stephan Belfroid, Philip Neele  (alle drie TNO), Chantal  Smulders (Shell), Wim Mallon (DNV‐GL) en Erwin Niessen (EBN) bedanken.  

 

Dankwoord 

346 

 

Furthermore, I would like to thank all my colleagues for the nice talks during lunch, coffee breaks or  just spontaneously  in  the hallways. A special  thanks goes  to all my colleagues who  helped me with  big  and  small  questions  related  to  CCS,  software, modeling  etc. Although we did not follow the same working hours, I couldn’t have a better roommate. Barbara, thanks that I always could share my frustration and good news with you. Bij deze wil ik ook Aisha, Siham, Petra en Fiona bedanken voor het uit handen nemen van de vele administratieve zaken die komen kijken bij een promotieonderzoek.  

Af en toe moet je afstand nemen van je onderzoek om er daarna met een frisse blik naar te kijken. En wanneer gaat dat nu beter dan als met  (schoon)familie en vrienden om  je heen.  Daarom wil  ik  bij  deze  al mijn  (schoon)familie  en  vrienden  bedanken  voor  alle gezellige etentjes, de goede gesprekken, de vrolijke borrels, de ontspannende weekendjes weg,  de  plezierige  fiets‐  en  wandeltochten,  de  geslaagde  winkeluitjes  en  leerzame culturele uitjes van de afgelopen jaren.  

Ik prijs mezelf gelukkig met ouders die mij de mogelijkheden en ruimte hebben gegeven om me te ontwikkelen en te doen wat ik graag wil. Mama, je hebt me geleerd om van het leven  te genieten en op mijn gevoel  te vertrouwen.  Ik hoop dat  je  iets van  jouw vlotte schrijfstijl terugvindt  in dit boek. Papa,  je hebt me geleerd om niet tevreden te zijn met een zes. De vaardigheid om overal lijstjes voor te maken, die ik van jou overgenomen heb, kwam zeer goed van pas de afgelopen 4.5 jaar.    

Onno, meer nog dan  ieder andere heb  je de diepte‐ en hoogtepunten meegemaakt van mijn promotie‐traject. Bedankt voor je steun en grote vertrouwen op moeilijke momenten en je aanstekelijke enthousiasme zodra er iets te vieren is (ook al is het maar een eerste draftversie die opgestuurd is). Ik hoop nog heel veel hoogtepunten met jou te vieren!  

 

 

347 

 

Curriculum Vitae 

Marlinde  Knoope  was  born  on  7th  of  November  1986  in Helvoirt,  the Netherlands.  She  studied  the bachelor  Science and Innovation Management at Utrecht University. After her bachelor, she started with  the master Energy Science at the same University. Her master thesis focused on assessing the learning potential, with a bottom‐up study as well as a  top‐down  approach,  of  gasification  technologies  for  the production  of  power  and  Fischer‐Tropsch  fuels  with  or without  carbon  capture  and  storage.  After  finishing  her master, she started as a PhD student for the group Energy & Resources  at  the Copernicus  institute of Utrecht University. The PhD project was part of the CATO‐2 program, the Dutch national  research program on CO2 capture and  storage. Her research  investigated  the  cost,  safety  and  uncertainties  of CO2 infrastructure development system.  

Peer reviewed articles and contributions: 

‐ Knoope,  M.M.J.,  Ramírez,  A.,  Faaij,  A.P.C.,  2013.  Future  technological  and economic performance of IGCC and FT production facilities with and without CO2 capture:  Combining  component  based  learning  curve  and  bottom‐up  analysis. International Journal of Greenhouse Gas Control 16, 287‐310.  

‐ Meerman,  J.C., Knoope, M.M.J., Ramirez, C.A., Turkenburg, W.C. & Faaij, A.P.C. (2013). Technical and economic prospects of coal‐ and biomass‐fired  integrated gasification  facilities  equipped  with  CCS  over  time.  International  journal  of greenhouse gas control, 16, 311‐323 

‐ Knoope, M.M.J.,  Ramírez,  A.,  Faaij,  A.P.C.,  2013.  A  state‐of‐the‐art  review  of techno‐economic  models  predicting  the  costs  of  CO2  pipeline  transport. International Journal of Greenhouse Gas Control 16, 241‐270.  

‐ Knoope, M.M.J., Guijt, W., Ramírez, A., Faaij, A.P.C., 2014. Improved cost models for optimizing CO2 pipeline configurations for point‐to‐point pipelines and simple networks. International Journal of Greenhouse Gas Control 22, 25‐46.  

‐ Knoope,  M.M.J.,  Raben,  I.,  Spruijt,  M.,  Ramírez,  A.,  Faaij,  A.P.C.,  2014.  The influence of risk mitigation measures on  the risk contours, costs and routing of CO2 pipelines. International Journal of Greenhouse Gas Control 29, 104‐124.  

‐ Knoope,  M.M.J.,  Ramírez,  A.,  Faaij,  A.P.C.,  2015.  Investing  in  CO2  transport infrastructure  under  uncertainty:  A  comparison  between  ships  and  pipelines. International Journal of Greenhouse Gas Control 41, 174‐193.  

(one more article is fortcoming, see chapter 6)  

the Chairman of the SENSE board the SENSE Director of Education

Prof. dr. Huub Rijnaarts Dr. Ad van Dommelen

The SENSE Research School has been accredited by the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences (KNAW)

Netherlands Research School for the

Socio Economic and Natural Sciences of the Environment

D I P L O M AFor specialised PhD training

The Netherlands Research School for the

Socio Economic and Natural Sciences of the Environment

(SENSE) declares that

Marlinde Marissa Jasmijn Knoope

born on 7 November 1986 in Helvoirt, The Netherlands

has successfully fulfilled all requirements of the

Educational Programme of SENSE.

Utrecht, 4 September 2015

SENSE Coordinator PhD Education

Dr. ing. Monique Gulickx

The SENSE Research School declares that MsMarlinde Knoope has successfully fulfilled all

requirements of the Educational PhD Programme of SENSE with a work load of 45.5 EC,

including the following activities:

SENSE PhD Courses

o Basic Statistics (2011)

o Environmental Research in Context (2011)

o Research in Context Activity: Co organising the 7th Dutch CCS Symposium: Contributions of

SP2 (CO2 transport and chain integration) of CATO2 (2014)

Other PhD and Advanced MSc Courses

o Advanced GIS for geoscientists, Utrecht University (2012)

o Building models for GIS analysis using ArcGIS 10, ESRI online course (2013)

o Distance analysis using ArcGIS 10, ESRI online course (2013)

o Network analysis using ArcGIS 10, ESRI online course (2013)

o Python for everyone using ArcGIS 10.1, ESRI online course (2013)

o Transforming data using extract, transform and load processes, ESRI online course (2013)

o Using raster data for site selection for ArcGIS 10.1, ESRI online course (2013)

External training at a foreign research institute

o Summer School International Energy Agency Greenhouse Gas (IEA GHG), University of Illinois

(2011)

Management and Didactic Skills Training

o Supervising computer practicums of BSc course ‘Life Cycle Analysis’ and MSc course

‘Advanced Energy Analysis’ (2011 2013)

o Supervising the Consultancy Project of the MSc ‘Energy Science’ (2013)

o Supervising MSc student with thesis entitled ‘Assessing the role of ships in the development

of a CO2 transportation system for large scale storage in the North Sea’ (2014)

Oral Presentations

o The development of an economic optimization tool for CO2pipelines. 11th

International

Conference on Greenhouse Gas Technologies (GHGT 11), 18 22 November 2012, Kyoto,

Japan

o The influence of risk mitigation measures on the risk contours, costs and routing of CO2

pipelines. UKCCSRC CATO2 ECR Networking Meeting, 24 25 March 2014, York, United

Kingdom

o Pipeline safety vs. costs: How does it influence the CO2 transportation network? The 7th

Dutch

CCS symposium 19 20 June 2014, Amsterdam, The Netherlands