中型船における CO2 回収装置設置の試設計に関する調査報告書

2023 年 3 月

0「中型船における CO2 回収装置設置の試設計に関する調査」
目次

1. 本調査の目的··························································2

2. 本調査の調査対象······················································2

3. 船舶に搭載する CO2 回収装置 に関する仕様及び要目表
4. 調査対象船舶の一般配置図····················3··············································6

5. 配管系統図 ···························································14
6. 復原性に関する資料 ···················································16
7. まとめ·······························································181「中型船における CO2 回収装置設置の試設計に関する調査」 報告

鉄道・運輸機構

１．本調査の目的
2050年カーボンニュートラルに向けた地球温暖化対策の強化に伴い、内航海運業界においても2050年カーボンニュートラルへの対応が求められており、昨年度、国交省において内航カーボンニュートラル推進に向けた検討会が開催され、その方向性が示されている。当該検討会において、内航海運業界の対応は、水素、アンモニア、LNG等といった代替燃料、省エネ機器等を組み合わせた連携型省エネ船の開発等が掲げられている。
代替燃料は、機関部のプラントを抜本的に変更するため、船員の再教育、燃料タンクの大型化、燃料供給体制の構築等といった課題があり、また、連携型省エネ船は、省エネ機器を組み合わせてもGHG削減率に限界がある等といった課題がある。
一方、陸上の清掃工場やセメント製造工場等において、排気ガス中のCO2を回収するための装置（以下、「CO2回収装置」）を設置し、回収したCO2を再利用するといった事例があることから、船舶においても、昨年度、外航船にCO2回収装置を設置した実証試験が実施されており、回収したCO2濃度等に関して良好な結果を得ている。CO2回収装置
は、排気ガス系統に追加を要するものの、現状の機関部のプラントを変更する必要がないため、内航船におけるカーボンニュートラルに向けた有望な技術の一つであると考えられる。
そこで、中型船に CO2 回収装置を設置するとした場合の試設計を行い、CO2 回収率、機関部のプラント周りの変更点、復原性能等の航行に必要な諸性能、技術的課題を調査し、CO2 回収の設置の可能性を調査する。

２．本調査の調査対象
CO2 回収装置（アミン吸収液を利用した化学吸収法）を念頭に置いた、モデル船の復原性等に問題が出ない設置量（船側のキャパシティ）の検討を行う。
本調査の調査対象船舶は、旅客船 1 隻、貨物船 1 隻とする。就航船に対応するべく貨物などへの影響を少なくできるよう配置を行う。また、搭載前後比較として船の構造・強度、船速を同等とするため、構造喫水の変更は行わず、軽荷重量の増加分は載荷重量の減少にて対応する。

23.

船舶に搭載する CO2 回収装置 に関する仕様及び要目表
本船に搭載する CO2 回収装置はアミン吸収液を利用した化学吸収法を用いた CO２分離回収技術である。吸収塔内にて CO２を含有する排ガスとアミン吸収液を向流接触させることで、ガス中の CO2 が選択的にアミン吸収液に吸収される。CO２を吸収したアミン吸収液はその後、再生塔へと移送される。再生塔で加熱し、アミン溶液と CO2 を分離、回収する。
(1) CO2 回収装置ユニット
表 1 CO2 回収装置ユニット要目
単位

１ユニットあたり

CO2 回収量kg/日

300

排ガス流量m3/h

100

CO2 回収率%

70消費電力kW15(※)

サイズ

mm2200 x 2200 x 2800

重量kg

3500

※ 再生塔の加熱は排ガスエコノマイザーで回収した熱エネルギーを利用することとし、電気ヒータは装備しないユニットの構成図を図 1 に示す。

図１

概略システム図を図 2 に示す。

CO2 回収装置ユニット構成図

図 2 概略システム図3

(2) SOｘスクラバー
排ガス洗浄および冷却を兼ねて前処理設備として SOｘスクラバーを装備する。
概略外形図を図 3 に示す。
表 2 SOｘスクラバー要目

図3

単位

１基あたり消費電力

kW45

サイズ

mm

φ1200 x 7000

重量kg

4500

概略外形図

(3) CO2 貯蔵設備
回収した CO2 を圧縮、冷却を行いタンクに貯蔵する。概略図を図 4 に示す。

図4CO2 貯蔵設備概略図

表 3 CO2 貯蔵タンク要目
単位１基あたり貯蔵容量kg

3000

圧力MPa2.1

温度℃

約 -20消費電力

kW16サイズmm

φ1200 x 4000

重量kg

6000

4(4) 陸揚げ方法
貯蔵した CO2 は港側の設備が不要でどこでも陸揚げが可能な低温液化ガスローリー車に陸揚げする。
ローリー車と船上の CO2 貯蔵タンクの高低差を利用し移送する。
イメージ図を図 5 に示す。

表 4 低温液化ガスローリー車要目

図 5 CO2 陸揚げイメージ図

単位

ローリー車

貯蔵容量kg

約 9000サイズm

長さ 10 x 高さ 2.9また、港に入港および陸揚げの際には港則法第四章ならびに危険物船舶運送及び貯蔵規則第五条の四に注意を払う必要がある。港の許可が必要となるが、CO2 は非引火性非毒性高圧ガスに分類され、他の危険物と比較し規制は緩やかである。

54. 調査対象船舶の一般配置図
就航船に対応するべく甲板上の空スペースを活用し、機関室配置、貨物への影響を少なくできるよう CO2 回収装置の配置を行う。また、搭載前後比較として船の構造・強度、船速を同等とするため、構造喫水の変更は行わず、軽荷重量の増加分は載荷重量の減少にて対応する。
(1) 旅客船
表 5 旅客船要目単位

旅客船

m120 x 16 x 10.6 x 4.6

総トン数トン

2720

定員名

600

最大搭載車両重量

ton706

全長 ｘ 幅 ｘ 深さ ｘ 構造喫水

（8 t トラック 38 台、乗用車 28 台）
主機関出力kW3300 x 2 基

通常航海中消費電力

kW

500kg/日95696

CO2 排出量(※)※ CO2 排出量 =（主機関からの CO2）+（補助機関からの CO2）=（CF x 主機常用出力 x 燃料消費率）+（CF x 通常航海中消費電力 x 燃料消費率）= 3.206 x 3300 kW x 0.85 x 2 台 x 201 g/kWh + 3.206 x (500/0.93) kW x 215 g/kWh≓ 95696 kg/日
CF：二酸化炭素排出係数（3.206 at A 重油）
CO2 回収装置を搭載する前の一般配置図を図 6、3D イメージ図を図 7 に示す。

6

図6一般配置図（旅客船）

図73D イメージ図（旅客船）7

CO2 回収装置を搭載した場合の一般配置図を図 8、3D イメージ図を図 9 に示す。
エンジンケーシング内に SOx スクラバー x 2 基を装備する。
CO2 回収装置の搭載面積を設けるため、層内ランプ配置に影響が出ない範囲で No.2
PROM. DECK を拡張した。従来の暴露部と拡張した DECK に CO2 回収装置を設置する。機器（電気品含む）の保護のため区画を新設し、内部に CO2 回収装置ユニットを 10 基、貯蔵設備を装備する。
機関室内には SOx スクラバー海水ポンプおよびシーチェストを装備する。
表6CO2 回収装置ユニット装備による変更点
単位CO2 回収装置ユニット装備

総トン数トン

2830

最大搭載車両重量ton578（8 t トラック 38 台、乗用車 28 台）

通常航海中消費電力
CO2 排出量(※)

kW756kg/日

100212※ CO2 排出量 =（主機関からの CO2）+（補助機関からの CO2）=（CF x 主機常用出力 x 燃料消費率）+（CF x 通常航海中消費電力 x 燃料消費率）= 3.206 x 3300 kW x 0.85 x 2 台 x 201 g/kWh + 3.206 x (756/0.93) kW x 215 g/kWh≓ 100212 kg/日
CF：二酸化炭素排出係数（3.206 at A 重油）
CO2 回収装置関連機器の消費電力増加に対する CO2 排出量は 4515 kg/日である。CO2回収量 3000kg/日に対し、排出量が逆転する結果となった。
排ガス洗浄、冷却など CO2 回収装置関連機器の簡略化などによる消費電力の低減またCO2 回収能力の向上が今後の課題として考えられる。

8図8

一般配置図（旅客船、CO2 回収装置装備）

図 9 3D イメージ図（旅客船、CO2 回収装置装備）

9

(2) 貨物船（7,000 ｋL Tanker）
表 7 貨物船要目単位

貨物船

m110 x 18 x 8.6 x 5.95

総トン数トン4250

定員名

18載貨重量

ton

6000

主機関出力

kW

2200 x 1 基

通常航海中消費電力

kW

180kg/日29900

全長 ｘ 幅 ｘ 深さ ｘ 構造喫水

CO2 排出量(※)※ CO2 排出量 =（主機関からの CO2）+（補助機関からの CO2）=（CFｘ主機常用出力ｘ燃料消費率）+（CFｘ通常航海中消費電力ｘ燃料消費率）= 3.206 x 2200 kW x 0.85 x 184 g/kWh + 3.206 x (180/0.93) kW x 230 g/kWh≓ 29900 kg/日CF：二酸化炭素排出係数（3.206 at A 重油）
CO2 回収装置を搭載する前の一般配置図を図 10、3D イメージ図を図 11 に示す。

図 10

一般配置図（貨物船）

10図 113D イメージ図（貨物船）

11

CO2 回収装置を搭載した場合の一般配置図を図 12、3D イメージ図を図 13 に示す。
エンジンケーシング内に SOx スクラバー x 1 基を装備する。
CO2 回収装置の搭載面積を設けるため B DECK を拡張した。従来の暴露部と拡張した
DECK に CO2 回収装置を設置する。機器（電気品含む）の保護のため区画を新設し、内部に CO2 回収装置ユニットを 3 基、貯蔵設備を装備する。
機関室内には SOx スクラバー海水ポンプおよびシーチェストを装備する。
表8CO2 回収装置ユニット装備による変更点
単位

CO2 回収装置ユニット装備

総トン数トン4410

載貨重量ton5920

通常航海中消費電力

kW296kg/日

31041

CO2 排出量(※)※ CO2 排出量 =（主機関からの CO2）+（補助機関からの CO2）=（CF x 主機常用出力 x 燃料消費率）+（CF x 通常航海中消費電力 x 燃料消費率）= 3.206 x 2200 kW x 0.85 x 184 g/kWh + 3.206 x (296/0.93) kW x 230 g/kWh≓ 31041 kg/日
CF：二酸化炭素排出係数（3.206 at A 重油）
CO2 回収装置関連機器の消費電力増加に対する CO2 排出量は 1141 kg/日である。CO2
回収量 900kg/日に対し、排出量が逆転する結果となった。
排ガス洗浄、冷却など CO2 回収装置関連機器の簡略化などによる消費電力の低減またCO2 回収能力の向上が今後の課題として考えられる。

12図 12図 13一般配置図（貨物船、CO2 回収装置装備）

3D イメージ図（貨物船、CO2 回収装置装備）

13

5. 配管系統図(1) 旅客船
CO2 回収装置を搭載した系統図を図 14 に示す。追加、変更箇所を赤字部とする。
排ガスエコノマイザー後流部に CO2 回収装置を設ける。
SOx スクラバーにて洗浄、冷却処理した排ガスを切替えダンパーにて分岐供給した排ガスを回収装置ユニットに導設する。
回収した CO2 は冷却、圧縮を行い CO2 貯蔵タンクに貯蔵行う。
SOｘスクラバーに必要な海水は機関室に海水ポンプ、シーチェストを装備し供給することとする。各機器に必要な冷却清水は機関室の既存の冷却清水系統より分岐供給する。

図 14系統図（旅客船）14(2) 貨物船（7,000 ｋL Tanker）
CO2 回収装置を搭載した系統図を図 15 に示す。追加、変更箇所を赤字部とする。
排ガスエコノマイザー後流部に CO2 回収装置を設ける。
SOx スクラバーにて洗浄、冷却処理した排ガスを切替えダンパーにて分岐供給した排ガスを回収装置ユニットに導設する。
回収した CO2 は冷却、圧縮を行い CO2 貯蔵タンクに貯蔵行う。
SOｘスクラバーに必要な海水は機関室に海水ポンプ、シーチェストを装備し供給することとする。各機器に必要な冷却清水は機関室の既存の冷却清水系統より分岐供給する。

図 15系統図（貨物船）

15

6. 復原性に関する資料(1) 旅客船
1) トリム計算概要
本計算については、CO2 回収装置搭載前にて最も復原性能の厳しい「満載入港状態全旅客最上層甲板集合状態」にて搭載前後の評価を行う。
最も厳しい状態の選定については、別添-1 の 1 ページ、総括表より行うが、復原性基準はどのケースにおいても十分に満足しており、本計算上厳しくなるのは損傷時復原規則である為、GoM で選定を行った。
また、トリム計算を行う際には、下記条件のもと計算を行う。
①船の構造・強度、船速を同等とするため、構造喫水の変更は行わず、CO2 回収装置搭載における、軽荷重量の増加分は載荷重量の減少にて対応する。
②載荷重量の変更の際は、航続距離は同等、客室や車両搭載可能箇所に変更がないため旅客人数や車両台数は変更を行わず、車両の単重にて調整を行う。
2) トリム計算 及び 復原性「満載入港状態 全旅客最上層甲板集合状態」については、消費物件は 90%消費として F.O.及び D.O.、F.W.は 10%積付、トラック及び乗用車は満載、旅客は最上層に集合した状態である。CO2 回収装置搭載後においては、搭載前とトリムや GoM が同等になるよう調整を行う。また、CO2 回収装置については、別添-1 の 4 ページにて軽荷重量の変化として評価を行う。
別添-1 の 2 ページ、CO2 回収装置搭載前のトリム計算において、GoM は 1.94 m である。別添-1 の 5 ページ、CO2 回収装置搭載後のトリム計算における GoM は 1.74 m となっており、GoM が 0.20 ｍ悪化する結果となった。
本船は前述の通り、損傷時復原が厳しい船となっており損傷時復原性を満足するた
めには、別添-1 の 6 ページに示す許容 GoM 曲線の右側に各コンディションがプロットされる必要がある。本図において、CO2 回収装置搭載後においても、許容 GoM 曲線を満足するため、搭載後についても問題ない復原性を有する。
しかしながら、CO2 回収装置搭載における関連重量分である約 128 t 分の重量分、貨物重量(TRUCK 及び CAR)が減少することとなった。

16

(2) 貨物船（7000ｋL Tanker）
1) トリム計算概要
本計算については、
CO2 回収装置搭載前にて最も復原性能の厳しい「WORST STABILITY
CONDITION」にて搭載前後の評価を行う。
最も厳しい状態の選定については、別添-2 の 1～2 ページ、SUMMARY TABLE より行
い、復原性を満足するためには、別添-2 の 7 ページに示す、REQUIRED GoM CURVE のSUFFICIENT STABILITY 側にある必要があるが、この図にて最も厳しいケースが「WORSTSTABILITY CONDITION」であることが確認できる。
また、トリム計算を行う際には、下記条件のもと計算を行う。
①船の構造・強度、船速を同等とするため、構造喫水の変更は行わず、CO2 回収装置搭載における、軽荷重量の増加分は載荷重量の減少にて対応する。
②載荷重量の変更の際は、航続距離は同等とし、CARGO OIL の重量にて調整を行う。
2) トリム計算 及び 復原性「WORST STABILITY CONDITION」については、消費物件及び貨物は満載にした状態で、各バラストタンクの積載を 1%とし、各バラストタンクの自由表面影響を最大で評価した積付である。CO2 回収装置搭載後においては、搭載前とトリムや GoM が同等になるよう調整を行う。また、CO2 回収装置については、別添-2 の 5 ページにて軽荷重量の変化として評価を行う。
別添-2 の 3 ページより CO2 回収装置搭載前のトリム計算において、GoM は 0.66 mである。
この状態において、CO2 回収装置搭載を行うと GoM が 0.1 m 悪化し、別添-2 の 7 ページに示す許容 GoM 曲線にて確認できる通り復原性を満足することはできない。
対策として、GoM に悪影響を与えている液体の自由表面影響を少なくする為、No.2及び 3 W.B.T を P/S/C の 3 タンクに分割し対策を行う。この対策により、該当タンクの自由表面による慣性モーメントは、合計 3,090m4 から 1,500m4 と減らすことができる。
また、貨物はトリムを考慮し可能な限り船尾側から減らすが、No.5 C.O.T.は SLOPT.も兼用しているため、No.4 C.O.T.の積載量を減らす。
上記対策の結果、別添-2 の 7 ページに示す通り、CO2 回収装置搭載後のトリム計算
における GoM は 0.76 m となり、搭載前と同等以上の GoM が得られる為、復原性能を満足する。
しかしながら、CO2 回収装置搭載における関連重量分である約 80 t 分の重量分、貨物重量(No.4C.O.T への積載)が減少することとなった。
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7. まとめCO2 回収装置の設置について、排気ガス系統に装備を要する事から船体の上層部への装備を行う必要があった。貨物スペースへの影響を抑えるべく検討したこともあり、甲板上の空スペースを利用した。設置スペース、復原性能への影響を考慮し CO2 回収装置を分割配置（旅客船 10 ユニット、貨物船 3 ユニット）とした。
CO2 回収装置の前処理装置として SOx スクラバーを装備するため、機関室内に海水ポンプおよびシーチェストの追加を行った。各機器の冷却清水は既存冷却清水系統からの分岐供給とした。
CO2 回収装置関連による重量重心変化は高所に積載するため影響はあり、復原性は悪くなる。旅客船に関しては、規則満足値から GoM にて約 0.25m 裕度があり、CO2 回収装置搭載による影響は GoM にて 0.20m 低下となっており、裕度内の変化であるため、復原性については問題ない結果となった。一方で、貨物船では WORST STABILITY
CONDITION にて、裕度がなく、対策前で GoM が 0.1m 低下し復原性を満足することができないが、本コンディションにて GoM に影響の大きい自由表面影響に対して、W.B.T.のタンク分割数を増やすことで自由表面影響を低下させて、復原性を満足させる対策とした。
また、搭載前後比較として船の構造・強度、船速を同等とするため、構造喫水の変更は行わず、軽荷重量の増加分は載荷重量の減少にて対応しているため、旅客船については 128t 分トラック及び乗用車の重量が減少、貨物船については 80t 分 CARGO TANKへの積載量が減少する。
今回の検証では CO2 回収装置関連機器の消費電力増加に対する CO2 排出量が CO2 回収量よりも増えてしまう結果となった。今後の課題として、排ガス洗浄、冷却など CO2 回収装置関連機器の簡略化、回収装置の能力向上による消費電力の低減を行う必要がある。また、CO2 回収量に対する軽荷重量の増加（載荷重量の減少）分についても CO2 回収装置の採否の判断基準となる。
表 9 総括表
CO2 回収量

消費電力

総トン数

載貨重量

GoM 変化(kg/日)

変化

変化

変化（m)

(kW)

（トン）

（ton）

復原性能

旅客船

3000+256+210-128-0.2

満足

貨物船

900+116+160-80-0.1

不満足※+0.1※満足※G0M 改善対策として、バラストタンクの分割を行う
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