Til hovedinnhold


Fra å utgjøre rundt 35 prosent av norsk petroleumsproduksjon i 2006, kan gass passere oljen allerede i 2013. [1] Dette vil etter hvert kreve nye løsninger.

Tekst: seniorforsker Mona J. Mølnvik og seniorforsker Svend Tollak Munkejord

Naturgass er i ferd med å bli en global vare, og det er ikke lenger slik at det finnes områder hvor gassen er svært billig. Ifølge en av verdens ledende analyseselskaper innen olje og gass, USG, [2] vil 22 prosent av verdens uoppdagede olje- og gassressurser ligge i Arktis. 80 prosent av dette er lokalisert offshore, og en del av disse ressursene befinner seg langt unna eksisterende infrastruktur.  

Fallende erstatningsrate
25 november skriver Dagens Næringsliv Statoil vil til Grønland, noe som viser at olje- og gass selskapene er på jakt etter nye leteområder og potensialer for å øke sine reserver. Erstatningsraten på norsk sokkel er nå nede på 50 prosent, det vil si at vi produserer mer olje og gass enn det som hvert år oppdages. På norsk sokkel er nye gassfunn ofte lokalisert i mindre felt. En del av de nyeste funnene utenfor Norge er ikke lønnsomme å knytte til eksisterende infrastruktur.

I fremtiden vil utfordringen bli å utvikle anlegg som gjør gassen flytende ute på feltet, slik at den kan fraktes over lange strekninger med skip uten at dette fører til større utslipp og belastning på miljøet forøvrig.

Figur 2 Fire scenarier for remote gas.

Forventninger i nord
27. april i år kunngjorde Statsminister Jens Stoltenberg at Russland og Norge var blitt enige om hvor delelinjen i Barentshavet skulle gå etter 40 år med forhandlinger. Nå gjenstår det en praktisk utforming av avtalen før den kan ratifiseres og undertegnes på begge sider. På grunn av forventningene til olje- og gassressurser i dette området, vil dette få konsekvenser for utviklingen av nordområdene, uansett hvordan Norge på sikt velger å stille seg til petroleumsvirksomhet i disse områdene.

Derfor jobber vi med løsninger for å konvertere gassen på en flyter i nærheten av feltene i prosjektet Remote Gas. Prosjektet utvikler ny kunnskap om teknologi, muligheter og utfordringer knyttet til etablering av flytende produksjonsanlegg.

Remote Gas
Målet med Remote Gas har vært å muliggjøre konkurransedyktig produksjon av gass fra fjerntliggende felt basert på produksjon av LNG eller metanol på en flytende installasjon. ”Remote gas” trenger løsninger som ikke er avhengig av eksisterende rør-infrastruktur og blir betegnet som ”floating LNG” og ”floating methanol” på engelsk.

Prosjektet har hatt tre hovedaktiviteter; LNG, metanol og felles systemutfordringer. 

Felles systemutfordringer
I delprosjektet felles systemutfordringer ”whole-system issues” ble følgende systemutfordringer studert:

  • Sikkerhet, pålitelighet og miljø (DNV)
  • Kraftforsyning (SINTEF Energi)
  • Opererbarhet og regulerbarhet (SINTEF IKT)
  • Designmetodikk (SINTEF Energi)
  • Teknisk-økonomiske analyser (Aker Solutions)

Fire scenarier
For å danne et felles ståsted for de ulike forskningstemaene ble det i 2005 gjennomført en scenariestudie ledet av seniorforsker Grethe Tangen. Dette arbeidet resulterte i fire scenarier for Remote Gas i 2020 [3] (se figur 2).

Figur 3 Fire konsepter for gasskonvertering på flyter utviklet i Remote Gas.

Atlantis beskrev blant annet at Statoil og Hydro ville slåes sammen (slik ble det jo) og at det ble opprettet en felles norsk-russisk forvaltning av ressursene i delelinjeområdet. Videre beskrev scenariet at gassproduksjon ville foregå på flytere med utstrakt bruk av havbunnsprosessering og med systemer for CO2 innfanging og lagring.

Hovedkonklusjonen av dette arbeidet pekte på følgende tema:

  • Flytende gass konvertering og produksjon av LNG
  • Mobile flytere
  • Produksjon i arktiske områder
  • Fokus på miljøkonsekvenser av produksjon
  • Havbunns løsninger
  • Modulær design og skalerbarhet av prosesser

For å konkretisere forskningen ble det videre utviklet fire konsepter for “remote gas” (se figur 3) som siden har blitt benyttet i forskningen innen felles systemutfordringer, Pinocchio LNG for LNG-prosesser og ReMET for metanolprosesser.

LNG-prosesser
Innen LNG har Remote Gas fokusert på to ulike temaer og nivåer; tidsvarierende tofasestrømning i LNG produksjonsutstyr og designmetodikk for offshore LNG-produksjonsanlegg.

For å lage LNG må naturgass kjøles fra omgivelsestemperatur til ca -60 oC. Kjøleprosessen er energikrevende, men blir stadig mer effektiv. Mellom 5 og 10 prosent av naturgassen forbrukes som energitilførsel når den skal omformes til LNG. Kulden til kjøling av naturgass tilføres ved å komprimere et kjølemedium (ofte en blanding av ulike hydrokarboner og nitrogen) som deretter trykkavlastes slik at det fordamper. Da blir det kaldt. Det kalde mediet benyttes så for å kjøle naturgassen i ulike varmevekslerarrangement.

Tidsvarierende tofasestrømning i LNG produksjonsutstyr: Når vi skal designe en LNG-varmeveksler, er det to hovedutfordringer. For det første er varmeoverføringen fra den kalde til den varme siden avhengig av strømningsformen, det vil si om det er en væskefilm eller dråper, om dråpene rives løs eller settes av, og så videre. Dette bildet er komplisert og vil variere gjennom varmeveksleren. For det andre er man avhengig av at strømmene av naturgass og kjølemedium fordeler seg jevnt mellom ulike rørarrangement eller kanaler. Denne fordelingen er også avhengig av strømningsformen.

Intrikat dynamikk
Det er ikke enkelt å beskrive fluiddynamikken til blandinger av hydrokarboner som kondenserer (LNG) eller fordamper (kjølemediet) ved kryogene [4] temperaturer. Dagens ingeniørverktøy er bare i stand til å gi grove overslag når det gjelder strømningsformer og  fordeling. Dette kan føre til kostbar prøving og feiling i konstruksjonen av varmevekslerne.

Denne aktiviteten bygger på antakelsen om at man er nødt til å forstå detaljene i det som skjer i varmeveksleren, før man kan beskrive den sammensatte helheten. Derfor har vi isolert enkeltfenomener som studeres eksperimentelt, som for eksempel en dråpe som avsettes på en væskefilm, se Figur 4. Disse detaljerte observasjonene brukes til å utvikle og verifisere tilsvarende detaljerte matematiske modeller. Disse igjen vil kunne brukes til å forbedre ingeniørverktøyene for varmevekslerdesign, noe som trengs for å bringe fram mer kompakte og energieffektive LNG-prosessanlegg. [5]

Figur 4 viser eksempel på at level set-metoden er egnet til å beskrive strømnings-fenomener som kan forekomme i varmevekslere. Øverst vises beregninger, nederst eksperimenter. Målet er å forstå ulike dråpe-film-fenomener som er relevante for varmevekslerdesign. For å fange den raske dråpedynamikken, brukes et høyhastighetskamera som kan ta opptil 4000 bilder per sekund med høy oppløsning. Videre brukes en LED lyskilde for å få en mest mulig jevn belysning i opptakene. [6,7]

Designmetodikk for offshore LNG-produksjonsanlegg: Målet med denne aktiviteten er å utvikle kompetanse og metodikk som trengs for å utføre analyse av offshore produksjonsanlegg for LNG.

Forskerne har utviklet en designmetodikk som baseres på å integrere simuleringsverktøy som beskriver prosessen på ulike detaljeringsnivå. På sikt vil denne aktiviteten dra nytte av resultatene fra detaljstudiene av hva som foregår inne i en varmeveksler. Metodikken utvikles og testes gjennom arbeidet med Remote Gas-konseptet Pinocchio LNG.

Prosjektet fokuserer også på å utvikle kunnskap om formulering av problemstilling og metodikk for robust og effektiv optimalisering av offshore LNG-prosesser. To metoder er spesielt undersøkt; SQP (sequential quadratic programming) og ES (evolutionary search).

Operabilitet og regulering. Dette er studert med utgangspunkt i konseptene Pinocchio LNG og ReMET slik at forskerne kan utvikle metoder for å etablere reguleringsstrategier og undersøke betydningen av disse på relevante eksempler . 

Figur 5 TEALRC-prosessen som er benyttet i Pinocchio LNG-konseptet.

Det økonomiske potensialet for LNG produksjon på flyter
Teknologien kan muliggjøre produksjon fra felt som ellers ikke ville vært mulig å bygge ut, dermed kan man regne hele overskuddet i feltets levetid som potensial. Da er det snakk om beløp i milliardklassen. Videre vil vi ved å etablere effektive og robuste prosesser unngå produksjonsstans på grunn av driftsproblemer og ombygginger. Får vi i tillegg frem teknologi som muliggjør CO2 fangst på LNG-anlegg på flytere, kan potensialet for gevinst bli enda høyere. Det vil antakelig bli krevende å få tillatelse til å bygge ut fremtidige LNG-anlegg uten et alternativ for CO2-håndtering.

Referanser:

  1. Fakta 2009     
  2. Bird, Kenneth J. et al, 2008, Circum-Arctic resource appraisal; estimates of undiscovered oil and gas north of the Arctic Circle:  U.S. Geological Survey Fact Sheet 2008-3049, 4 p.    
  3. Grethe Tangen and Mona Mølnvik, Scenarios for remote gas production, Applied Energy, Volume 86, Issue 12, December 2009, Pages 2681-2689.
  4. Kryogen er betegnelse for svært lave temperaturer.
  5. Olsen, R., Maråk, K.A., Zhao H. and Munkejord, S.T., An Experimental And Computational Strategy For An Increased Understanding Of Two-Phase Flow Of Natural Gas, 5th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Sun City, South Africa, 2007.
  6. Zhao, H. An Experimental Investigation of Liquid Droplets Impinging Vertically on a Deep Liquid Pool. PhD Theses at NTNU 2009:230, ISBN 978-82-471-1864-1, Norwegian University of Science and Technology.
  7. Teigen, K. E., Munkejord, S. T. and Bjørklund, E. A computational study of the coalescence process between a drop and an interface in an electric field. In: Sixth International Conference on CFD in the Oil & Gas, Metallurgical and Process Industries, SINTEF / NTNU Trondheim, Norway, 10 — 12 June 2008. Preprint.
     
Kontakt:
Mona Jacobsen Mølnvik

 


FAKTA

Remote Gas er et KMB-prosjekt (Kompetansebyggende prosjekt Med Brukermedvirkning).

Prosjektet har en total ramme på 48,1 millioner kroner over fem år (2005-2009).

Remote Gas ble ledet av SINTEF Energi. Prosjektet ble finansiert av Petromaks programmet i Norges forskningsråd.

Industripartnere i Remote Gas er; Statoil, UOP, Bayerngas Norge, DNV og Aker Solutions.