Energy efficiency in offshore oil and gas production

Hovedmålet for EFFORT er å utvikle teknologier for energieffektivisering innen olje og gass produksjon. Implementering av ny miljøvennlig teknologi vil resultere i mer effektiv kraftproduksjon, redusert energiforbruk og dermed reduserte CO2 utslipp. Målet var å undersøke hvordan en mest effektivt kan utnytte spillvarmen som er tilgjengelig på offshore platformer. For å sikre at prosjektet resulterte i implementerbare teknologi løsninger, fokuserte forskningen på offshore spesifikke krav, hvor de viktigste er lav vekt og kompakthet. EFFORT var finansiert av PETROMAKS programmet til Norges Forskningsråd og industrl partnerne Statoil, PETROBRAS, Shell Technology and TOTAL. SINTEF og NTNU var forskningpartnere og leverandør medlemmer var. Halvorsen Tech, Norge, Alfa Laval Nordic, Sverige, Wartsila, Norge ogDresser Rand, USA. Kraftproduksjon ved bruk av naturgass og dieselolje er hovedkilden til utslipp av CO2 fra norsk sokkel med hele 78.9 % av totalutslippene i 2010 (kilde Oljedirektoratets fakta hefte 2011). Energieffektivisering av kraftproduksjonen er et av de viktigste og mest miljøvennlige virkemidlene for energisparing og reduksjon av utslipp. Forskningsmetoden involverte karakterisering av varme og kraftbehov på olje og gass plattformene og så utvikling av sofistikerte modelleringsprogrammer for å optimalisere varmegjenvinning og kraftproduksjons teknologi som varmevekslere, ekspandere samt kompakte kraftproduksjonssykluser med varmegjenvinning fra eksosen fra gass turbiner og varme fra kompresjonsprosessene ved eksport av gass. Modellene ble deretter brukt til å optimalisere kraft produksjon på 3 case studier: 1. En halvt nedsenkbar plattform på norsk sokkel som produserer hovedsakelig gass og noe olje og opererer med 15 MW konstant varmebehov.. 2. En "brown field" på norsk sokkel med marginalt varmebehov og stort kraftbehov. En stor injeksjonspumpe er installert for å opprettholde reservoar trykk. 3. Et felt under utvikling i Brasil med en FPSO som produserer hovedsakelig tungolje. Den har stort varmebehov på 65 MW i startfasen som gjør den veldig forskjellig fra Case 1. EFFORT viste at det var mulig å redusere gassforbruk og CO2 utslipp med 22% for to av de tre casene. I begge tilfelle opererer turbinene under redusert last. For den tredje case studien var det et forbedringsptensiale oå 6 % i redusert gass forbruk og CO2 utslipp. De mest effektive scenarioene var: Scenario 1: Bunnsykel Høyest potensial for energisparing oppnås gjennom kompakte bunnsykluser for gass turbinen. En dampsykel økte effektiviteten av gassprodukjsonen fra 0.38 til 0.51 som er en 34% økning i energieffektivitet. For Case 1 som opererer på dellast er dette en 22% reduksjon i gassforbruk og CO2 utslipp på 60 000 tonn per år. Hvis turbinen opererte med høyere last kunne potensialet vært opp til 25% sparing. 22 % reduksjon tilsvarer en inntjening i driftskostnader på 17 millioner US Dollar per år pga lavere gassforbruk og sparte CO2 avgifter. Dette gir en tilbakebetalingstid på 4 år for teknologien. Vekt økningen ved installasjon av en bunnsykel er 349 tonn. Den store vekt økningen skyldes at den ekstra turbinen som nå teknisk sett ikke trenges kan ikke fjernes fra plattformen i drift fordi den er installert som del av en container.. Installert vekt av bunnsykelen er 700 tonn og løftevekt er ca 900 tonn. Økningen i fotavtrykk er 142 m. Installering av en bunnsykel ville i dette tilfellet vært mulig under konstruksjonsfasen for plattformen. En installering i ettertid ville ikke vært mulig av to grunner. Den første er at vekten ville overstige vektreserven på plattformen. Den andre grunnen er økonomisk fordi det ville involvere en lang nedstenging av produksjonen på plattformen. Dette ville blitt så kostbart at det ikke ville gjort prosjektet gjennomførbart. Bunnsykelen kan også installeres i Case 3 som er FPSO. Også her resulterer den i 22% reduksjon i CO2 utslipp og brenselforbuk. Den beste løsningen er uttak av damp ved lavt trykk for å gi prosess varme. Implementering ville resultert i en kostnadsbesparelse på 13 M US dollar i CO2 avgifter (norsk sokke) og brenselforbruk (Brasil). Vektøkning som følge av installering er 198 tonn. Vektøkningen er lavere siden det var allerede varmegjenvinnings utstyr installert på denne FPSO for å dekke det store varmebehovet. Det er en relativt liten økning i fotavtrykk på 70 m2. Reduksjon i turbin størrelse: Å erstatte turbinen med en mindre turbin som kjører på høyere last og effektivitet gir en 2-5% reduksjon i CO2 utslipp. Den årlige kostnadsbesparelsen er 4M US dollar og tilbakebetalingstiden er mindre enn ett år. Denne løsningen kan implementeres i Case 1 og 2. Den kan bli installert under rutiner for utskifting av turbinen med en minimal kostnad. EFFORT har resultert i to spinn-off prosjekter, KPN COMPACTS og en SINTEF kontrakt med Wartsila. EFFORT har utdannet on en Post-doc, en PhD, 3 master studenter, 2 prosjekt studenter and 4 sommerstudenter.17

SP1 System analysis Concepts meeting the requirements stated in the objectives will be developed in industry partner workshops. Concepts in this context are the compact bottoming power cycles and surplus heat recovery systems in combination with more of t he process equipment on the offshore installation. The potential of i.a. bottoming cycles using transcritical CO2 and compact heat recovery steam generators (HRSG) with once-through (OT) technology will be evaluated with respect to energy efficiency and C O¬2 footprint. Promising concepts will be further subject to techno- economical analyses and Life Cycle Assessment (LCA). SP2 Compact power cycles and utilisation This sub-project will focus on compact bottoming cycles for gas turbines and heat recovery and utilization accommodated for offshore operation, including extending the upper temperature limit for the transcritical CO2 Rankine cycle to beyond 500 °C. Hence, cycles and equipment recognised by low weight and volume, high energy efficiency and work ing fluids that are safe and has a minimum environ. impact are sought. Integration within the existing process with a minimum of modifications and shut-down time is also a topic of research. SP3 Enabling technologies The objective of SP3 is to innovate a nd bring forward compact heat exchanger and expander technologies enabling exploitation of surplus heat for production of electricity and other purposes on offshore installations. The equipment will have to handle novel working fluids and varying stream c onditions. Laboratory and pilot scale experiments will be performed and component pilots will be constructed to support the develop. of the systems, heat exchangers and turbines. Application potential Having 189 gas turbines on the NCS, of which only thr ee are equip. with steam-based bottoming cycles, the applica. potential is large if EFFORT results, dissemin. and spin-offs influence future decisions regarding energy efficiency measures applied offshore.