Kraftforsyning til installasjoner på havbunnen

Transkript

1 Kraftforsyning til installasjoner på havbunnen Efiks oktober 2007 Prof. Erling Ildstad Inst for elkraftteknikk NTNU

2 Innhold Bakgrunn og Status Elkraft utfordringer Hva gjør vi ved NTNU/SINTEF?

3 Store teknologiske skritt i løpet av kort tid: Fra plattformer til landbaserte havbunn-innstallasjoner

4 Nyhamna Langeled to UK Storegga Slide Edge -250m Control Umbilicals And MEG Template A Template B -850m 12 MW inverters for subsea motors/compressors

5

6

7

8 Offshore elektrifisering:

9 Langsiktig perspektiv: The Europeen Offshore super grid Offshore Vindmøller + gasskraftverk med CO2 håndtering

10 Oljeindustriens utfordringer - sokkel + internasjonalt: Økt produksjon av vann, sand og gass fra modne felt Kostnadseffektiv utbygging og drift av mindre fjerntliggende felt Rørtransport av komplekse olje/gass/vann blandinger/hydrater Dypvannsbrønner langt fra land / eksisterende infrastruktur Kaldt miljø

11 Økt behov for elektrisk kraft til undervannsinstallasjoner: Motordrifter flerfasepumper Oljepumper Separasjonsutstyr Vanninjeksjonspumper Gasskompresjon Oppvarming av lange rørledninger og manifolder Kontrollsystem

12 Behandling av brønnstrøm fra reservoaret Olje Gass Kondensat Formasjonsvann Sand Syrer Rå-olje gass Sand vann Syrer

13 Prosessutstyr på havbunnen: - Fjerning av vann for hindring av hydratplugger Nivået i separatoren reguleres av pumpene

14 Eksempel på NTNU/SINTEF prosjekt: Elektrokoalesens for effektiv separasjon av vann og olje (PhD oppg.)

15 Eksempel på prosjekt ved NTNU/SEfAS: Direkte elektrisk oppvarming av rørledninger AC støm for ohmsk oppvarming av selve rørledningen -Hindrer dannelse av voks/hydrater Topside power supply Power supply cables Power cable/ Piggy-back Connections Connection Current transfer zone Well stream pipe Current transfer zone

16 Installasjon av DEH system (Tyrihans Sommer 2007)

17 Lang avstand til prosessanlegg krever høyere spenning og mer utstyr på havbunnen =>marinisering av et stort antall elkraftkomponenter

18 Modulære system for Distribusjon av kraft på havbunnen (SEPDIS)

19 Kraftelektronikk omformer med bryter og transformator Passiv kjøling i 1 atm kammer, basert på fordampning av kjølemediet (ABB & Framo Engineering)

20 Motorer Vikling av stator i vannfylt motor (Hayward Taylor) Installasjon av pumpe (FRAMO Engineering AS)

21 Koblere (Brytere) Helt nødvendig for å kunne lage, installere og drifte modulære systemer (heve utstyr for vedlikehold og utskifting) De fleste av dagens design er en videreutvikling av koblere for lavspent kontrollsystemer Utfordring å hindre vanninntregning: Før, under og etter sammenkobling

22 Bryting av strøm. - Problematisk i luft. Hva med subsea?

23 MECON fra ABB/Ocean Design Koblingen gjøres i flere trinn: Mekanisk Innestengt vann i koblingskammeret erstattes av isolasjonsolje Elektrisk

24 Eksempel på subsea høyspent koblere (Tronic) 11 kv 3-fase 36 kv 1-fase

25 Undervanns høyspennings isolasjonsteknikk Risiko for at vann trenger inn ved installasjon Vann diffunderer inn over tid Systemet må ha en viss toleranse for vann Ofte hybride isolasjonssystemer Fast isolasjon utgjør hovedisolasjonen Olje benyttes for å fylle hulrom Feltforhold og holdfasthet påvirkes av vanninnhold i oljen Kjemisk kompatibilitet mellom olje, fast isolasjon og spesialmaterialer for feltstyring

26 Redusert holdfasthet pga fuktighet AC holdfasthet til oljegap med 2.5mm IEC elektroder Metning Silikonolje og oljer basert på ester (MIDEL) har samme prinsipielle avhengighet av vanninnhold. Metningskonsentrasjon for silikonolje typisk 200 ppm. For MIDEL ppm. Grenseflater mellom olje og fast isolasjon har redusert holdfasthet ved fuktig olje. Holdfastheten reduseres 50-80% i tangentiell retning.

27 Faglige utfordringer for E-bransjen + NTNU/SINTEF Gode systemløsninger for fremføring og distribusjon av elektrisk kraft til undervannsinstallasjoner Pålitelige komponenter med riktig levetid Test og kvalifisering av løsninger før de tas i bruk Tilstandskontroll av de elektriske anleggene på havbunnen

28 Forsknings utfordringer: LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB Økt systemforståelse for bedre simuleringer Trykksetting av kraftelektronikk Kjølemetoder for kompakte omformere Virkning av høyt hydrostatisk trykk, temperatur og fuktighet på de elektriske isolasjonsegenskapene Aldrings- og nedbrytingsmekanismer, både elektrisk og kjemisk Materialkompatibilitet samspill mellom ulike materialer Kunnskap om feilårsaker og feilmekanismer Gode tilstandskontrollmetoder; referanser, databaser, statistikk Testmetoder for kvalifisering

29 KMB Subsea Power JIP Partners PROSPECTS: Updated 4th October 2007

30 Laboratorier ved NTNU/SINTEF Energiforskning Høye spenninger og strømmer Høyspenningshaller og celledelt hall Høystrøm-bryterlab Trykk (med og uten spenning) Små trykktanker til materialtesting: 100 bar Større tank med lave strømmer/spenninger: 40 bar, L ca 1.0 m, innv D 80 cm Tanker med spenning: 100 bar, L 1.5 m, innv D 20 cm, 52 kv, ikke gjennomføringer 150 bar, L 1.0 m, innv D 30 cm, 15 kv 30 bar, L 10.0 m, innv D 30 cm, 90 C Avanserte analyseinstrumenter

31 Etablering av Subsea-lab på Gløshaugen Gjør den store høyspenningshallen kvadratisk Reduserer ikke muligheten for høyspennings prøving i hallen! ca 240 m 2 nye arealer fordelt på to etasjer To etasjer over porten

32 Hovedtyngden av institutt for elkraftteknikks PhD aktivitet skal ligge innenfor følgende 3 prioriterte forskningsområdene: 1. Energimarked og forsyningssikkerhet Samspill mellom ulike energikilder og energibærere. Planlegging under markedsbaserte betingelser. Leveringskvalitet og sikkerhet i elektrisitetsforsyningen. Modellering av kraft og energimarkeder, bruk av nettet i internasjonal elhandel 2. Utnyttelse av fornybare energikilder Utvikling av driftssikre offshore vindmølle generatorer. Kraftelektronikk og kabler for nettilkobling av vindmøller, solceller, brenselceller, små bølge- og vannkraftverk. 3. Elektrifisering av offshore og undervanns olje og gass produksjon Kraftelektronikk for store hydrostatiske trykk. Undervanns høyspennings koblere. Nye isolasjonsmaterialer for høye trykk og temperaturer. Gass- /dieselelektriske fremdrifter for skip og plattformer. System for tilstandskontroll og vedlikehold.

33 Utdanning av nye spesialister: KMB-prosjektene: 4 doktorgradsstudier NTNU-SUP programmet: 3 doktorgradsstudier MSc studenter ved NTNU Institutt for elkraftteknikk vil bli involvert gjennom prosjektarbeid og hovedoppgaver. => Spennende fremtidsmuligheter!

34

35 Takk for oppmerksomheten

36

37

38

39 Overall structure of a program for development and qualification of equipment for subsea power supply Subsea power supply Main focus of NTNU strategic programme: PhDs NTNU strategic programme BIP/JIP DEH Mulig omfang for BIP/JIPprosjekter: 5-10 MNOK/år BIP/JIP KMB-project KMB-project KMB-project Test- og kvalifiseringsoppdrag Generic topics Solve basic restrictions BIP/JIP AC connectors BIP/JIP Power converters Applied Technology Projects Totalt budsjett for de tre KMBprosjektene: ca 65 MNOK over 5 år BIP/JIP (some examples mentioned) Main focus of KMB projects: to generate knowledge necessary for implementing applied technology projects Main focus of BIP/JIP: to bring specific results on limited topics based on the knowledge gained in the KMB-project

40 Knowledge Friendship Team work PARTNERSHIP INNOVATION

41 Historisk utvikling:

42

43 Systemløsninger plattformdrift av undervannspumper Tekniske utfordringer: Resonansfenomener i lang kabel Oppstart av motor

44 Fullskala forsøk ved Orkanger:

45

46

47 Status for termineringer og koblere Flere system med spenning inntil 6 kv er i drift, med godt resultat Troll Pilot med et 11 kv system har vært i drift siden Flere leverandører arbeider med systemer inntil 36 kv Prototyper er bygget og testet Langtidsprøver ikke gjennomført Gasskompresjon på havbunnen vil kreve utstyr med større effekt For spenninger over 24 kv må materialvalg og design i stor grad baseres på erfaringer fra design av høyspentutstyr på land. Nødvendig å påkjenne materialer med høyere feltstyrker for å holde størrelsen på komponentene nede. Høye krav til pålitelig drift og sikker installasjon

48 SINTEF Energiforsknings Petromaks KMB-initiativ: Electric power systems for subsea processing and transportation of oil and gas " Hovedaktiviteter: 1. Vurdering av eksisterende utfordringer og teknologier Beskrive state of the art for kraftforsyningssystemer til undervannsinstallasjoner. Undersøke hva som er typiske krav til en subseainstallasjon (i den grad noe slikt finnes) og hva som er tekniske utfordringer ved ulike løsninger. 2. Fenomenstudier Studere ulike fenomen som kan forstyrre driften av et kraftforsyningsanlegg til en subsea installasjon eller redusere installasjonens levetid. 3. Modellutvikling og validering Basert på behov som fremkommer i aktivitet 2 skal det utvikles nødvendige regnemodeller for system og for de aktuelle komponenter.

49 Undervanns produksjonsutstyr: Troll Pilot

50 Role of electricity : El i klima- sammenheng. EFIKS, Steinar Bysveen, EBL EBL drivkraft i utviklingen av Norge som energinasjon

51 Oversikt Et globalt perspektiv noen glimt Eurelectrics Role of Electricity -prosjekt EUs mål og virkemidler Klimapolitikk og norsk energibransje

52 Kostnader ved tiltak globalt perspektiv 2030 EUR/tCO 2 e Smart transit Small hydro Industrial non-co 2 Airplane efficiency Stand-by losses Air Conditioning Lighting systems Fuel efficient commercial vehicles Sugarcane biofuel Fuel efficient vehicles Water heating Insulation improvements Nuclear Livestock/ soils Cellulose ethanol Industrial feedstock substitution CCS EOR; New coal Forestation Industrial non-co 2 Wind; low pen. Co-firing biomass Forestation CCS; new coal Soil Avoided deforestation America Industrial motor systems ppm krever 40 euro/tonn (325 kr) - Store reduksjoner uten kostnad - Stort antall mulige tiltak Kilde: Vattenfall Solar Industrial CCS Coal-to- Avoid CCS;coal Gas shift Deforestation retrofit Waste Asia Utslippsreduksjoner GtCO 2 e/year

53 Muligheter i alle sektorer skog 25 % avfall, landbruk 6 % kraftprod. 22 % 70 % av tiltakene er er basert på eksisterende teknologi transport 11 % bygninger 14 % industri 22 % 30 % krever teknologiutvikling Kilde: Vattenfall, 2007 Tiltakskost < 40 euro(325 kr)/tonn

54 De største landene er viktigst EU + 10 land står for: 71% av befolkningen 83% av utslippene 86% av BNP Befolkning (topp 25) Bangladesh Nigeria, Vietnam, Filippinene, Etiopia, Egypt, Kongo Thailand Nederland Taiwan USA, Kina, EU25*, Russland, India, Japan, Brasil, Mexico, Indonesia, Iran, Tyrkia BNP (topp 25) Korea, Canada Australia, Argentina, Polen, Sør-Afrika Ukraina Pakistan Saudi-Arabia Utslipp (topp 25) Kilde: Vattenfall, 2007

55 Studie av samspillet mellom energipolitikk, miljøpolitikk og energimarkeder Hvordan kan elektrisiteten bidra til å løse klimautfordringen? Hva er konsekvensen av ulike politiske veivalg

56 Role of electricity - metode Fire scenarier med ulike sett av virkemidler, forutsatt likt CO 2 -kutt i alle Modellering Forbruksteknologier Produksjonsteknologier Konsekvenser for priser og kostnader, produksjon og forbruk

57 Ny teknologi, forbruk - eksempler Industri Plug in-hybrid Transport Husholdningsmaskiner Effektive motorer Varmepumper Belysning

58 Bidrag fra fornybar energi Vannkraft Vindkraft Biomasse Solceller Termisk solkraft Tidevann, bølger, saltgradienter

59 CO 2 -utskillelse og -deponering Reduserer CO2- utslipp fra kull- og gasskraftverk betydelig Gir effektivitetsreduksjon på 5-14 prosent Kan gi økt oljeproduksjon? Source: Total

60 Kjernekraft teknisk utvikling Generation I Early Prototype Reactors Generation II Commercial Power Reactors Generation III Advanced LWRs Generation III+ Evolutionary Designs Offering Improved Economics for Near-Term Deployment Generation IV - Highly Economical - Enhanced Safety - Minimal Waste - Proliferation Resistant - ABWR - System Shippingport - Dresden, Fermi I - Magnox - LWR-PWR, BWR - CANDU - AGR Source: VGB Powertech Gen I Gen II Gen III Gen III+ Gen IV

61 Scenarier og utslippsmål Energieffektivisering Innenfor alle sektorer JA NEI JA Elektroteknikk Belysning, husholdningsapparat, motorvarmere, varmepumper, plug-in hybrid biler NEI NEI JA Fornybar energi Videreføring av støtte, ikke økning av nivå JA NEI JA (*) Kjernekraft Ingen utfasing, forlenget levetid, ingen nye NEI JA JA kjernekraftland unntatt nye medlemsland Karbonfangst og -lagring Efficiency & RES Supply Scenario Role of Electricity Innfanging fra kull- og gasskraftverk samt utvikling av systemer transport og lagring NEI JA JA (*): Mindre støtte for biomasse enn "Efficiency & RES pga. mindre landbruksstøtte

62 Stor forskjell i kostnad for CO 2 -reduksjon Carbon Value in '05/t CO Supply Scenario 116 Efficiency & RES Role of Electricity Role of Electricityscenariet når en topp i 2020 med 56 (450 kr) per tonn, for så å falle til 35 (285 kr) i 2030 De øvrige scenariene gir vesentlig høyere tiltakskostnad helt opp i over kr per tonn

63 Mindre energi mer elektrisitet Mtoe EU25 - Total Final Energy Demand Baseline TWh Demand for Electricity Role of Electricity 1200 Supply Scenario 4500 Supply Scenario 1100 Role of Electricity 4000 Baseline 1000 Efficiency & RES Efficiency & RES Source: PRIMES

64 Redusert CO 2 -intensitet i kraftproduksjon 0.60 EU25 - Carbon Intensity of Power Generation t CO2/ MWh Baseline Efficiency & RES Supply Scenario Role of Electricity

65 Hvor vil CO2-reduksjonene komme fra? I Role of Electricity-scenariet: Energieffektivitet CO2- håndtering Kjernekraft Fornybar energi Fra kull til gass o.a. 31 % 24 % 17 % 3 % 24 %

66 Konklusjoner, Role of Electricity Betydelig utslippsreduksjon er mulig Kostnadene kan være håndterbare, men svært avhengige av energipolitiske valg Kostnadseffektivitet er avgjørende for å nå miljøpolitiske mål Vi trenger alle bidrag både til produksjon og til effektivisering på forbrukssiden

67 Hva skjer i EU?

68 Tre energipolitiske hovedlinjer i Europa Økonomisk effektivitet Energikostnader viktig for global konkurranseevne, arbeidsplasser Forsyningssikkerhet Pålitelige energisystemer Importavhengighet gir sårbarhet også sikkerhetspolitisk dimensjon Miljøhensyn særlig klima

69 Klimapolitikk i EU EU leder an i global klimapolitikk Oppfylling av Kyoto-avtalen Sterk satsing på fornybar energi og energieffektivitet Har etablert verdens første internasjonale kvotesystem CO 2 -utslipp har fått en pris Kvotesystemet er det sentrale virkemiddelet for å oppfylle EUs Kyoto-mål Mer ambisiøse mål bestemt i (30) prosent reduksjon av utslipp innen prosent reduksjon innen prosent øket energieffektivisering 20 prosent fornybar-andel (av samlet energiforbruk)

70 Hva betyr EUs kvotemarked? Kvotepriser gir økte kostnader for kullkraft Kvotepris ( /tonn CO2) kvotekostnad (øre/kwh) År 0 Figuren viser hvordan kvoteprisen påvirker marginalkostnad ved kullkraftproduksjon. Antar at kullkraftverket slipper ut 0,8 kg CO 2 /kwh. Kvotepriser fra NordPool

71 Støtte til vindkraft i Europa - eksempler Land Type støtte Støtteperiode Tillegg til kraftpris (gjennomsnitt ) øre/kwh Storbritannia Sertifikatsystem Til 2027 (så langt) 56,8 (samme on- og offshore) Sverige Sertifikatsystem + tillegg 15 år til onshore 33 offshore Tyskland Feed in (garantert pris) 20 år Onshore: 35,7 (<5 år), 9,7 (>5 år) Offshore: 40,6 (<8 år), 16,4 (>8 år) Danmark Feed in (ulike modeller) 20 år Samme offshore/onshore Tilkoblet : 18,6 (10 år)/20,8 Tilkoblet : 20,8 Tilkoblet 2005+: 13,8 Øket støtte varslet i juni 2007 Kilde: PointCarbon for EBL (2006)

72 Sterk vekst i vind store nasjonale forskjeller

73 Nye utfordringer for kraftsystemet Klimapolitiske føringer gir stor utfordring for kraftsystemet Mer uregulert kraft, særlig vindkraft Mer tungt regulerbar kraft (kull med CO2-håndtering, kjernekraft) Krever store investeringer i kraftsystemet Nye løsninger kan komme f.eks et supergrid (offshore HVDC-nett for offshore vind og transmisjon)

74 Vi er en del av Europas energisystem

75 CO 2 -regnskap norsk kraftforbruk Utslipp (mill. tonn pr. år) Norsk kraftproduksjon 0 Norsk kraftforbruk* 4-6 (importert kullkraft tilsv. underdekning i normalår) *Importert kullkraft tilsv. underdekning i normalår (omlag ti prosent av dagens norske utslipp)

76 Fornybar/CO 2 -fri produksjon Mer fornybar reduserer CO 2 -utslipp fra nordisk kraftproduksjon Kraftproduksjon i Norden TWh Denne forskjellen tilsvarer 1/3 av Norges CO 2 - utslipp Kilde: Nordel Norsk vannkraftproduksjon Termisk produksjon basert på fossile brensler

77 Fornybar/CO 2 -fri produksjon 25 støtte utover produksjonspris for kullkraft - øre/kwh Forsvarlig ny fornybar- støtte Anslag CO 2 -pris Fornybar kraftproduksjon fortrenger kullkraft og reduserer CO2- utslipp. Tiltakskost CO2 på forsvarer støtte til fornybar på øre/kwh kroner pr. tonn redusert CO2-utslipp

78 Fornybar/CO 2 -fri produksjon Hvordan kan mulighetene realiseres? Effektiviser konsesjonsbehandlingen. Det må være lettere å få ja til gode prosjekter Lang behandlingstid gjør det vanskelig å respondere på etterspørsel i markedet og på miljøpolitiske virkemidler Behovet for god saksbehandling må være førende for behandlingstid, ikke mangel på saksbehandlingskapasitet Etabler støtteordninger som fungerer. Regjeringens forslag vil ikke utløse vesentlig ny produksjon Norske energiressurser er konkurransedyktige med andre klimatiltak I dag skjer investeringene i andre land uheldig for forsyningssikkerheten Realistiske prognoser for forbruk. Usikkerheter knyttet til el til offshore- sektor, transport, effekten av effektivisering

79 Energieffektivisering Mer effektiv bruk av energi kan gi betydelig bidrag En del effektiviseringstiltak er lønnsomme uten statsstøtte Legg til rette for miljøvennlig forbrukeradferd Toveiskommunikasjon kunden får info om forbruk og pris i sann tid Varedeklarasjoner gir kunnskap om miljøvirkninger og mulighet for opprinnelsesgarantert strøm

80 Teknologiutvikling er nødvendig Hold alle opsjoner åpne (vindmøller til havs, thorium, sol, bølger, salt, m.m.). CO 2 -fangst og lagring viktig. Mye kunnskap etablert de siste årene. Skill klart mellom kort (aktuelle tiltak nå) og lang sikt (FoU).

81 Internasjonalt samarbeid Internasjonale kvotesystemer er avgjørende for kostnadseffektivitet. EUs system viktig utgangspunkt Kvotepris gir også målestokk for andre tiltak Ny forpliktende avtale om reduksjoner (etter Kyoto) avgjørende viktig. Forskning og teknologiutvikling krever mer internasjonalt samarbeid.

82 Energi og klima hva skjer? Norge EU Behandling av klimameldingen Støtteordninger for ny fornybar og energieffektivisering Byrdefordeling + virkemidler, 20/20/20-målene Evaluering av kvotesystem og ny fornybar-politikk Globalt Hva skjer etter Kyoto? Samarbeidsavtaler utenom FN f.eks. gjennom Asia-Pacific Economic Cooperation (APEC)

83 Oppsummering Ny tidsepoke: Satsing på fornybar energi og energieffektivisering. Det gir både utfordringer og mange store muligheter for norsk energiforsyning. Vår bransje kan bidra til å redusere utslipp både i Norge og utenfor landets grenser. Det er mange mulige gode løsninger. Håper alle dere vil være med på å finne de beste løsningene!