LNG-säiliöalus

LNG-säiliöalus Bostonin lähellä.

LNG-säiliöalus on nesteytettyä maakaasua (engl. liquefied natural gas) kuljettava säiliöalus. Maakaasua voidaan siirtää tuotantopaikalta kuluttajille putkijohtoja pitkin, mutta pitkiä matkoja, vaikkapa maanosasta toiseen, maakaasua on edullisinta kuljettaa nesteenä säiliöaluksissa. Nesteyttämällä 600 litraa kaasumaista maakaasua muuntuu yhdeksi litraksi nestettä, jonka tiheys on 420–490 kg/m³.

Alus

Normaalissa ilmanpaineessa maakaasu pysyy nesteenä, jos sen lämpötila on −163 °C. Siksi sen varastoinnissa ja kuljetuksessa tarvitaan hyvin lämmöneristetyt säiliöt. Näin voidaan minimoida lämpövuoto säiliöihin ja siitä johtuva lastin kiehuminen (boil-off) kaasuksi. Lämmöneristyksen hyvyyttä kuvataan boil-off -luvulla (boil-off rate, BOR), joka ilmaisee kuinka monta prosenttia lastista haihtuu vuorokaudessa. Tyypillinen LNG-aluksen BOR on 0,15–0,25 %/d.

Suurten nesteytettyä maakaasua kuljettavien alusten säiliöiden koko on tyypillisesti 120 000–140 000 m³. Vuonna 2005 valmistui siihen mennessä suurin membraanityypin alus, kooltaan 153 500 m³ Gaz de Francen Provalys ja 2006 samankokoinen Gaselys NYK Linelle.

LNG-aluksissa on koko lastitilan pituinen kaksoisrunko, jotta niihin mahtuisi riittävästi painolastivettä paluumatkaa varten. Tankkeja ympäröivissä ruumatiloissa on kaasunilmaisimet ja tilat on suojattu (inertoitu) typellä. Pallotankkeja ympäröivät ruumatilat ovat ilmatäytteisiä ja ne inertoidaan vasta kaasuvuodon sattuessa.

Moottori

Osa nestelastista kuitenkin väistämättä muuttuu kaasuksi (boil-off gas, BOG) ja tämä kaasu on poistettava säiliöistä paineen ja lämpötilan hallitsemiseksi. Lasti pysyy nesteenä ja kylmänä laskemalla kaasuuntunut osa ulos. Halvin ja yksinkertaisin menetelmä on käyttää kaasu aluksen polttoaineena ja tarvittaessa ottaa enemmänkin lastia polttoaineeksi (pakotettu boil-off, forced boil-off gas). Varapolttoaineena alukset käyttävät öljyä.

LNG-alukset ovat olleet lähes ainoita uudisrakennuksia, joihin on asennettu höyryturbiineja. Vesiputkihöyrykattilassa palava kaasu kuumentaa veden yli 500-asteiseksi höyryksi, joka johdetaan korkeapaine- ja matalapaineturbiineihin. Turbiinit ovat pyörimissuuntaa vaihtavia ja kytketty alennusvaihteen avulla potkuriin. Myös aluksella tarvittava sähkö kehitetään turbiinigeneraattoreilla.

Tällainen alus ei yleensä tarvitse kallista laitteistoa (re-liquefaction unit) kaasuuntuneen lastin uudelleennesteyttämiseen, ellei tehon tarve ole alempi kuin sen hetkinen kaasun tarjoama määrä. Joitakin LNG-aluksia on varustettu näillä kalliilla ja paljon energiaa kuluttavilla (3-5 MW) nesteytyskompressoreilla, jolloin alus voi käyttää koneistonsa polttoaineena öljyä eikä asiakkaan kuljetettavaksi antamaa maakaasua. Nykyisin yleisin rakennettava alusmuoto käyttää luonnollisesti syntyvän kaasun (kompressoituna) polttoaineena sekoittaen sitä tarpeen mukaan raskaaseen tai kevyeen polttoaineeseen. Vuonna 2014 tarjolla on myös nesteytyskompressori, joka toimii ainoastaan kaasun paineistuksen kompressorin avulla (n. 1 MW). jolloin voidaan tehokkaasti valita maakaasun tai muiden polttoaineiden välillä.

Alusten jaottelu

LNG-alukset jaotellaan säiliöiden rakenteen perusteella kahteen pääryhmään ja pääryhmät useaan alaryhmään:

Itsekantava ja membraanisäiliötyyppi (poikkileikkaus)

• itsekantava säiliö (self-supporting tank)
  • pallosäiliö (spherical tank)
  • prismaattinen säiliö (prismatic tank)
  • lieriönmuotoinen vaakasäiliö (cylindrical horizontal tank) oli varhaisissa aluksissa käytetty tyyppi
  • pyramidisäiliö (pyramid tank)
• membraanisäiliö (membrane tank), jossa kantavana rakenteena toimii laivan runko
  • alaryhmien tunnuksina käytetään valmistajien nimiä ja valmistajien antamia tyyppinimiä

Pallosäiliö

Pallosäiliö on suuri, halkaisijaltaan jopa yli 40-metrinen pallo, jonka on alumiinia. Pallotankin ulkopintaan on kiinnitetty noin 300 mm:n paksuinen polystyreenieriste. Pallojen lähiympäristö sekä lastinkäsittelyjärjestelmän putket, pumput, koneet ja laitteet ovat ruostumatonta terästä. Pallojen ympärille rakennettu laiva on normaalia laivaterästä. Kryogeenisiä pallotankkeja on rakennettu myös 9 % nikkeliä sisältävästä teräksestä, mutta alumiini on osoittautunut suotuisammaksi rakennusmateriaaliksi.

Säiliöt ovat sileäseinäisiä ja jäykisteettömiä. Ne kootaan jopa sadan neliömetrin kokoisista, 440 asteen lämpötilassa muottien välissä tai kylmämuokatuista muokatuista paneeleista, jotka hitsataan vaiheittain yhteen. Pallosäiliö kootaan eripaksuista alumiinilevyistä (30–70 mm) ja paneelien yhdistämiseen tarvitaan 2,5 kilometriä hitsaussaumaa, jossa ei saa olla pienintäkään virhettä. Kohdassa, jossa pallotankkiin liittyy sylinterimäinen tukilieriö, on pallon ainesvahvuus jopa n. 170 mm. Tätä liitoskohtaa kutsutaan 'ekvaattorirenkaaksi'. Saumat tarkastetaan röntgenkuvaamalla ja ultraäänellä heti hitsauksen jälkeen, ja jokainen valmis pallotankki koeponnistetaan vedellä ja ilmanpaineella.

Pallo, jonka tilavuus on 33 000 m³ ja paino 900 000 kg, tukeutuu laivan kaksoispohjan ja pallesäiliöiden varaan erityisen tukilieriönavulla pallotankin keskellä sijaitsevan tukirenkaan ("ekvattorirenkaan") kautta. Säiliön eristys kattaa koko pallotankin ja osan tukilieriötä, ja on myös koottu erikoisrakenteisista eristepaneeleista.

Pallosäiliön kehitti aikanaan Moss Rosenberg Verft, ja säiliötyyppiä kutsutaan siksi myös Moss-tyypiksi.

Pallotankeista on olemassa muunnos, jossa pallotankin keskelle on liitetty suora korotusrengas, jonka korkeus on halkaisijaltaan noin 40-metrisessä pallotankissa esimerkiksi 1,35 m tai 2,65 m. Tankin tilavuutta voidaan kasvattaa lisäosalla ilman, että tankin halkaisijaa kasvatetaan, ja aluksen leveys säilyy ennallaan. Näkyvyyden takia etummainen säiliö voidaan säilyttää pallomaisena ja vain taaemmat kolme säiliötä ovat korotettuja. Jos korotus on 2,65 m, niin aluksen lastikapasiteetti kasvaa 10 000 m³. Tällaisten venytettyjen pallosäiliöiden käyttäminen ei edellytä oleellisia muutoksia aluksen teräsrunkoon, ja sovellus tekee mahdolliseksi suuremman lastauskyvyn samoilla laivan päämitoilla.

Eräs toinen pallosäiliön muunnos on yhdysvaltalaisen Ocean LNG:n kehittämä säiliö, joka on lieriömäinen, mutta siinä on pallokalotin muotoiset päädyt. Yhden säiliön halkaisija on 36 m, korkeus 40 m ja tilavuus 36 000 m³. Tällaisia tankkeja ei ole vielä rakennettu.

Prismaattinen säiliö

Prismaattinen säiliö on itsekantava ja aluksen rungosta erillään oleva, mutta sen särmiöt noudattavat mahdollisimman hyvin rungon muotoa. Säiliöt rakennetaan joko seosalumiinilevystä, 9 % nikkeliä sisältävästä teräslevystä tai ruostumattomasta teräksestä. Eristeenä käytetään lasikuitulujitteista polyuretaanisolumuovia.

Säiliö on tuettu ja kannatettu aluksen kaksoisrungon sisäpuolelle erikoisvaneristen tukien varaan. Rakenteen jäykistämiseksi ja nesteen loiskumisen vähentämiseksi säiliön sisäseinillä on palkkeja ja jokainen säiliö on lisäksi jaettu laipiolla kahtia. Aluksen sääkansi on suora laidasta laitaan, mikä vähentää ilmanvastusta ja parantaa näkyvyyttä pallosäiliöalukseen verrattuna.

Prismaattisen säiliötyypin kehitti japanilainen IHI-yhtiö (Ishikawajima-Harima Heavy Industries), joka käyttää siitä lyhennettä SPB (self-supported prismatic shape IMO type-B).

Pyramidisäiliö

Pyramidisäiliö on yhdysvaltalaisen ConocoPhillips-yhtiön kehittämä itsekantava säiliötyyppi. Sen alaosa noudattaa laivan rungon muotoa ja yläosa kohoaa laivan kannen yläpuolelle kaveten pyramidin tavoin. Pyramidisäiliö on oikeastaan prismaattisen säiliön muunnos, jossa säiliön yläosaa on korotettu. Säiliötyyppi mahdollistaa lyhyempien laivojen rakentamisen lastitilaa pienentämättä ja muoto ehkäisee lisäksi lastin loiskumista.

Membraanityyppi

Membraanityypin aluksessa on kantavana rakenteena täydellinen kaksoisrunko eli kaksinkertainen pohja, laidoitus, poikittaislaipiot ja yläkansi. Sisärungon sisäpintaan on kiinnitetty eristys ja sitä lastilta suojaavat ohuet metallilevyt. Vuosien varrella on kehitetty useita eristeratkaisuja, jotka eroavat toisistaan raaka-aineiltaan ja rakenteiltaan.

Gaz Transport (GT) kehitti membraanityypin, joka perustuu 36 % nikkeliä ja 0,2 % hiiltä sisältävän teräksen (invar) käyttöön. Tällaisen teräslevyn lämpölaajeneminen on hyvin vähäistä. Eristeenä on halpa ja tehokas paisutettu perliitti, jonka tukirakenteena käytetään vanerikennostoa. Eriste koostuu kahdesta kerroksesta ja kahdesta kennostosta, joiden välissä on toinen invarlevy. Ensimmäisiä säiliöitä tehtäessä leveimmän markkinoilla olleen 0,5 mm:n paksuisen invarlevyn leveys oli 0,4 m, joten kennojenkin koko oli 0,4 m. Ensimmäinen tällaista eristetyyppiä käyttävä alus, Hypolite Worms, valmistui 1968.

Uudemmassa GT-tyypissä on 0,7 mm:n paksuinen invarlevy, jonka leveys on 0,5 m, joten kennostokin on 0,5 m. Perliitti on käsitelty silikonilla, jotta se ei imisi vettä ja kosteutta. Eristeen paksuus on tarpeen mukaan 200–300 mm. Aluksessa, joka kuljettaa 137 500 m³ nesteytettyä kaasua, on 52 000 vanerilaatikkoa ja 108 km kaasutiiviiksi hitsattavaa invarsaumaa.

Erilaisten membraanityyppien mallimerkintänä on numero. Esimerkiksi GT No. 82, GT No. 85, GT No. 88 ja GT No. 96.

Technigaz-säiliötyyppi (TGZ) on edellisen tavoin aluksen sisään rakennettu. Sisimpänä pintana siinä on 1,2 mm poimutettu ruostumaton teräslevy.

TGZ Mark I on mallimerkintä, jota käytetään Technigaz ja Conch -yhtiöiden 1967 kehittämästä membraanityypistä, joka perustuu balsapaneelijärjestelmään.

TGZ Mark II -mallissa balsa korvattiin PVC/vaneri-rakenteella.

TGZ Mark III -mallissa laivan kaksoisrungon sisäpintaan on kiinnitetty eristelevyt, joiden materiaalina on lasikuidulla lujitettu polyuretaanisolumuovi. Eriste koostuu kahdesta kerroksesta, joiden välissä on alumiinilevy, jonka molempiin pintoihin on vahvikkeeksi liimattu lasikangas. Sisemmän eristeen sisäpinnalla on 1,2 mm:n paksuinen ruostumaton teräslevy.

Gaz Transport & Technigaz (GTT) syntyi vuonna 1994, kun yritykset sulautuivat yhteen. Ranskalaisyritys tarjosi markkinoille edelleen vanhoja tyyppejä uusilla tunnuksilla: GTT Mk 3 ja GTT No. 96. Yritys kehitti myös näiden tyyppien yhdistelmän, joka sai tunnuksen GTT CS1 (combined system no. 1). Tässä membraanityypissä säiliön sisäpintana on 0,7 mm invarlevy ja lämmöneristeenä toimii lasikuidulla lujitettu polyuretaanisolumuovi. Eristeen keskellä on tukirakenteena komposiitti (nimenä Triplex), joka muodostuu alumiinilevystä ja sen molempiin pintoihin liimatusta lasikankaasta. Tämä rakenne on kiinnitetty laivan sisemmän rungon sisäpintaan. Eristeen ja laivan rungon välinen tila on täytetty typellä ja tilassa on ilmaisimet metaanikaasuvuotojen havaitsemiseksi.

Historiaa

Ensimmäinen prototyyppilaitos maakaasun nesteyttämiseksi valmistui vuonna 1912 Länsi-Virginiaan ja laitoksen tuotanto alkoi 1917. Ensimmäinen kaupallinen nesteytyslaitos valmistui Clevelandiin, Ohioon 1941. Nesteytettyä maakaasua säilytettiin 1950-luvulla terässäiliöissä, joissa oli sisällä balsaeriste tai solupolystyreeni (styrofoam). Vain balsa oli käyttökelpoinen aine, mutta sekin kärsi mekaanisista vaurioista joutuessaan kosketuksiin −163-asteisen nesteen kanssa.

Ensimmäinen varsinainen LNG-säiliöalus oli 1945 valmistunut Marline Hitch, johon rakennettiin viisi alumiinisäiliötä, joissa oli balsapuinen runko ja uretaanieriste vanerikennostossa. Alus sai uudeksi nimekseen Methane Pioneer ja se vei ensimmäisen lastinsa, 5 000 m³, tammikuussa 1959 Lake Charlesista Louisianasta Canvey Islandiin Englantiin. Alus oli dieselkäyttöinen poiketen seuraajistaan, jotka käyttivät kaasua polttoaineenaan höyryturbiineissaan.

Vuonna 1964 Shell aloitti kaupallisen maakaasukuljetuksen Algerian Arzewista Canvey Islandiin kahdella aluksella. Vickers-Armstrong, Barrow-in-Furness rakensi Methane Princess -aluksen, jossa oli yhdeksän itsekantavaa alumiinisäiliötä, joiden tilavuus oli yhteensä 27 400 m³. Harland and Wolff rakensi Belfastissa samanlaisen aluksen, joka sai nimekseen Methane Progress.

Vuonna 1965 valmistuneessa ranskalaisessa Jules Verne -aluksessa oli seitsemän lieriömäistä, 9 % nikkeliä sisältävää terässäiliötä, joiden yhteistilavuus oli 25 500 m³. Säiliöiden eristeenä oli perliitin, PVC:n ja lasikankaan yhdistelmä.

Japani aloitti nesteytetyn maakaasun tuonnin Alaskasta marraskuussa 1969. Gaz Transport -membraanityyppinen Polar Alaska toi kaasun Tokioon. Toinen samanlainen alus, Arctic Tokyo, aloitti samalla reitillä maaliskuussa 1970. Samana vuonna esiteltiin Moss-pallosäiliö. Japanilaisen IHI:n (Ishikawajima-Harima Heavy Industries) kehittämä prismaattinen säiliö esiteltiin 1985. Kaksi ensimmäistä tällaisia säiliöitä käyttävää alusta, Polar Eagle ja Arctic Sun, luovutettiin 1993 ja ne aloittivat liikenteen Alaskan ja Tokion välillä. Vuonna 2013 sovittiin LNG:n kuljetuksista myös Alaskan pohjoisosista Japaniin ja sitä kautta muualle Aasian markkinoille.

Vuonna 2004 valmistui ensimmäinen dieselsähköistä koneistoa käyttävä alus, Gaz de France Energy. Joko kaasua tai raskasta polttoölyä polttoaineenaan käyttävän aluksen säiliöiden yhteistilavuus on 74 000 m³.

Vuonna 2017 venäläiset aloittivat LNG-liikenteen Koillisväylällä. Sitä on arvosteltu ympäristöriskeistä.

LNG-säiliöalukset Suomessa

28. joulukuuta 2022 Inkoon satamaan ankkuroitunut LNG-säiliöalus FSRU Exemplar saatiin kytketyksi Gasgridin kaasunsaantiverkkoon 16. tammikuuta 2023. 291-metriseen terminaaliin mahtuu noin 68 000 tonnia nesteytettyä maakaasua. Määrä tarkoittaa noin 1 050 gigawattituntia energiaa. Laivan vuotuinen höyrystyskapasiteetti ylittää Suomen vuotuisen maakaasun käyttötarpeen. LNG-terminaali mahdollistaa myös Balticconnector-yhdysputken kautta kaasutoimituksia Baltian maihin ja jopa Puolaan.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta LNG-säiliöalus Wikimedia Commonsissa