EUROPAS BEHOV FOR NATURGASS OG DENS KVALITETER JAN GEORG HENRIKSEN JØRGEN THOMASSEN

EUROPAS BEHOV FOR NATURGASS OG DENS KVALITETER JAN GEORG HENRIKSEN JØRGEN THOMASSEN TPG4140 NATURGASS TRONDHEIM, NOVEMBER 2010

Sammendrag Denne rapporten omhandler hovedsakelig Europas behov for naturgass, og samspillet mellom Europa og Russland. Den tar også for seg nye teknologier som blir sentrale for å sikre utvikling i gassindustrien. I starten av rapporten er det gjort en generell utredning om naturgass hvor sentrale begreper i gassindustrien er forklart. Naturgass blir først pumpet opp fra reservoarer og blir deretter prosessert for å kunne oppnå riktige spesifikasjoner. Mange begreper som wobbe indeks, brennverdi og komposisjon er viktige innen gassnæringen, og disse skal ligge innenfor gitte verdier. Disse verdiene er smått forskjellige innenfor Europa. Norge er verdens nest største eksportør av naturgass etter Russland. Norge dekker i dag om lag halvparten av Europas forbruk av naturgass. Prognoser viser at Europa har et økende behov for gass. Produksjonen innad i Europa, inkludert Norge, er synkende. Russland har verdens klart største gassreservoarer og vil derfor spille en betydelig rolle for Europa i årene fremover. Samarbeid og implementering av ny teknologi må til dersom Europa skal klare å dekke dette behovet fram mot 2030. 2

Innholdsfortegnelse Innledning...4 1 Generelt om naturgass...5 1.1 Unngå hydratdannelse...5 1.2 Transportering...5 1.3 Annen prosessering...6 2 Gasskvalitet...6 2.1 Wobbe indeks...6 2.2 Brennverdi...7 2.3 Komposisjon...8 3 Naturgass i Norge og Europa...8 3.1 Utfordringer for framtiden...9 4 Ny teknologi...12 4.1 3-D og 4-D seismikkavbildning...12 4.2 Kveilerørteknologi...12 4.3 Tynnhullsboring...12 4.5 Subsea installasjoner...14 4.6 Liquefied Natural Gas...15 4.7 Brenselceller...15 5 Konklusjon...17 6 Referanser...18 3

Innledning Europa får et stadig høyere forbruk av energi. Denne energien har historisk sett kommet fra alle mulige energibærere, men i disse dager med internasjonale avtaler og protokoller er behovet for renere energi større enn det var før. På kontinentet har det før i tiden vært brukt mye kull og olje. Dette har vært i endring i noen år nå, og tilgangen på naturgass har vokst kraftig. Dette medfører dog noen problemer, da spesielt i forhold til import og eksport. Det er nå et nettverk av rørledninger som fører naturgass stort sett over alt i Europa, og land med mye gassresurser har for stor makt når det kommer til energi. Politikk har en veldig stor innvirkning på gassmarkedet, derfor vil det være best for helheten om det er flere land som kan eksportere gass. Naturgassen kan ikke ha en tilfeldig sammensetning, da både brennere, rørsystemer og lignende nå har blitt designet innenfor visse standarder og verdier. I denne oppgaven blir det tatt opp hvordan utsiktene til naturgassen er og hvor den kan komme fra. Samtidig er det skrevet om kvaliteter og spesifikasjoner til gass for å gi et lite bilde av hva som kreves av selskapene som behandler energibæreren. 4

1 Generelt om naturgass For at kunder skal kunne få en gass som kan brukes, må den gjennom mange trinn. Dette innebærer blant annet pumping fra reservoarer, prosessering og transportering. I tillegg må reservoarene oppdages og de må godkjennes som økonomisk lønnsomme for selskapene som skal pumpe opp gassen. 1.1 Unngå hydratdannelse Gassen som pumpes opp vil bestå av forskjellige stoffer avhengig av hvor man befinner seg. (se kapittel 2.3 for mer om komposisjon). Denne gassen må først prosesseres for å unngå hydratdannelser i transporteringen. Hydrater oppstår når det er en blanding av vann og hydrokarbongass. Hydrokarbonene som kan danne hydrat er etan, metan, propan og butan.[1] En måte å unngå hydrater på er å tilsette glykol (absorpsjon) i gassen, for eksempel MEG (monoetylen glykol) hvor mengden som trengs påvirkes av trykk og temperatur. 1.2 Transportering Når gassen skal transporteres øker man trykket slik at trykk og temperatur ut av rørledningen havner på et ønskelig nivå. Temperaturen vil synke ned mot temperaturen til vannet hvor rørledningen ligger (rundt 5 o C), og trykket er ønskelig mellom 105 og 115 bar. Rørene kan ligge under havbunnen, på havbunnen eller et sted midt imellom og de er bygd opp for å få ned friksjon, unngå korrosjon samt for å få opp vekt og stabilitet. [2] Figur 1 Tverrsnitt av rørledning 5

1.3 Annen prosessering Annen viktig prosessering er fjerning av salter, CO 2, Sulfater, kvikksølv og tunge hydrokarboner. Metoder for fjerning av nevnte stoffer kan være absorpsjon, adsorpsjon, membranprosessering og ekspansjon og separasjon. 2 Gasskvalitet Det er forskjellige verdier på gass som blir solgt, både innenlands og ved eksportering til kontinentet. Gassen trenger en viss kvalitet for å unngå enkelte tilstander som for eksempel kondensering av væske, korrosjon, erosjon og hydrater som nevnt i 1.1. Forskjellige reservoarer vil ha forskjellig komposisjon opp fra brønn, og salgsgassen vil variere noe fra ulike felt og prosesseringsanlegg. Det er dog noen verdier som gassen må ha før den blir solgt. Noen verdier som trenger tilsyn ved kjøp/salg er wobbe indeks, komposisjon og brennverdi. Verdier naturgassen skal ha kan sees i tabell 1. [3] Tabell 1 Eksempler på verdier til naturgass 2.1 Wobbe indeks Wobbe indeksen gir en tilbakemelding på hvor mye varme som blir slipt ut av en brenner, eller kvaliteten på forbrenningsgassen. Noen land har andre faktorer på enn bare wobbe indeks for hvilke spesifikasjoner en gass må ha, for eksempel bruker man i Storbritannia Incomplete Combustion Factor (ICF) og Soot Index (SI). [4] Feil wobbe indeks kan resultere i for eksempel yellow tipping som er en tilstand hvor 6

gassen ikke er fullstendig forbrent. Dette gir igjen mindre energi fra forbrenningen og mer utslipp til omgivelsene. For høy indeks vil forårsake understøkiometrisk forbrenning, CO produksjon, sot, for tidlig tenning og forandring i NO x utslipp og luft-gass forholdet vil minke. For lav indeks kan lede til høyere flamme og høyere CO utslipp. [5] Wobbe indeks er definert som GHV GHV WI (1) spgr MW 28.964 Hvor GHV: Øvre brennverdi (MJ/Sm 3 ) spgr: Spesifikk gravitasjon (tetthet i forhold til luft) MW: Molvekt (kg/kmol) 2.2 Brennverdi Brennverdi sier noe om hvor mye energi det er i gassen for en viss mengde. Enheten til brennverdi er som oftest gitt i MJ/Sm3, kj/kg eller kwh/kg. Som vist i tabell 2 så er brennverdiene til tre eksempler innenfor gitt ønskelig verdi i forhold til tabell 1, henholdsvis 41,40MJ/m 3, 41,14MJ/m 3 og 41,44MJ/m 3 (gitt at tetthet på gassen er 0,85kg/m3 ved normalt trykk og temperatur). Som tabellen viser varierer LHV på de forskjellige gassene med ca 5MJ/kg fra N-Heptan til Metan, så naturgass vil holde seg rundt 48-49MJ/kg i brennverdi.[6] Tabell 2 Eksempler på komposisjoner og brennverdier 7

2.3 Komposisjon Komposisjonen til naturgass vil ikke variere veldig mye på markedet. Metan og etan vil uansett være hovedbestanddelen. Som nevnt i 1.1 vil komposisjonen til gassen pumpet opp fra reservoarene variere, og det er ofte CO 2 nivået som gjør at komposisjonen endrer seg mest. Påkrevd CO 2 mengde er mindre enn 2.5mol %, total mengde S skal være mindre enn 30mg/m 3 og H 2 S mindre enn 5mg/m 3. [7] Typiske komposisjoner er vist i tabell 2 ovenfor: ~92% metan, ~4%etan, ~1% CO 2 samt noe N 2 og tyngre hydrokarboner som propan, butan og pentan. Tunge hydrokarboner gir mer CO 2 utslipp, så disse vil man bli kvitt. 3 Naturgass i Norge og Europa Norge er verdens nest største eksportør av Naturgass etter Russland. I følge Oil and Gas Journal har Norge 2.3 trillioner kubikkmeter utnyttbar naturgass igjen i sine gassreservoarer. [8] Framtidsrettet forskning og ny teknologisk utvikling vil føre til at dette tallet vil kunne vokse de nærmeste årene. Figur 2 - Europas naturgassproduksjon, 1970-2020 8

Norge bruker nærmest ingenting av denne gassen selv, da mesteparten blir eksportert til kontinentet og Storbritannina. Gass eksportert til resten av Europa fra Norge og Russland utgjør en stor del av den totale energien konsumert i Europa. 3.1 Utfordringer for framtiden På bakgrunn av den nye energipolitikken i europeiske land vil behovet for naturgass i Europa øke drastisk i årene framover. Årsaken til dette er primært utfasing av kullkraftverk og atomkraftverk kombinert med et økende energibehov. [9] Gass fra Norge og Russland er derfor viktig for å stabilisere energimarkedet i Europa og møte det økende behovet for naturgass. Russland har et stort ansvar med å fylle framtidas gassbehov i Europa og resten av verden. Russland har den klart største gassbeholdningen i verden. Men selv om produksjonen er økende så øker også konsumet. Det stilles derfor spørsmålstegn ved om Russland vil kunne klare å eksportere nok gass til Europa fram mot 2030. Nedenfor vises fire forskjellige prognoser på Russlands produksjon og forbruk av naturgass fram mot 2030. IEA-450: World Energy Outlook scenario (2009). IEA-Ref: Siste IEA scenario. ES-low: Energistrategi fra russiske myndigheter, lavest. ES-high: Energistrategi fra russiske myndigheter, høyest. Figur 3 - Prognoser på Russlands forbruk av naturgass fram mot 2030, gitt i Mtoe. 9

Figur 4 - Prognoser på Russlands produksjon av naturgass fram mot 2030, gitt i Mtoe. Det er store usikkerheter knyttet til slike prognoser, da mye avhenger av internasjonale gasspriser og politiske beslutninger. For eksempel har Gazprom nå monopol på eksport ut av Russland. Russiske myndigheter er betydelig mer optimistiske enn IEA. Forskjellen i scenarioene skiller så mye som 27 % i 2020 og 60 % i 2030. [10] Det kan se ut som om Europa kan få gassmangel etter 2015 skal vi tro Eurogas long term outlook to 2030. I følge rapporten vil produksjonen i Europa synke med en tredjedel innen 2020 og en fjerdedel innen 2030. Derfor er Europa stadig mer avhengig av import fra andre land. Figur 5 - Prognose for Europa, Eurogas long term outlook to 2030. I artikkelen Europe and natural gas - Are tough choices ahead? [2] beskriver forfatteren viktigheten av nettopp dette. Figuren under er hans projeksjon på 10

utviklingen for forbruk og produksjon av naturgass i Europa. Figuren er basert på Gazproms prognoser. Her ser vi at det er et stort gap mellom produksjon og import, og behov. Artikkelforfatteren mener et gap kan oppstå allerede i 2011. Liknende projeksjoner er å finne på International Energy Agency (IEA) sine nettsider. Det kan se ut som at Europa er på vei inn i en gasskrise. Ingen vet helt sikkert hvordan vi skal løse den. Men en ting som er helt klart, er at Norge, Russland og andre gassproduserende land har et stort ansvar med å utnytte reservene best mulig. Figur 6 - Gassprojeksjon for Europa fram mot 2020. For å møte framtidas energiutfordringer er man nødt til å forbedre eksisterende teknologi og finne nye måter å utnytte energien på jorda på. Når det gjelder naturgass kan dette oppnås ved å: Øke produksjonen i eksisterende brønner ved å oppgradere gammel teknologi Øke antallet produserende brønner Implementere ny teknologi i nye brønner Finne nye og mer effektive metoder for å utnytte energien i naturgass 11

4 Ny teknologi 4.1 3-D og 4-D seismikkavbildning Utviklingen av 3D og 4D seismisk avbildning er med på å endre måten vi leter etter naturgass på. Denne teknologien kan identifisere gassforekomster lettere, plassere brønner mer effektivt, redusere antall tørre hull som bores og redusere borekostnadene. Det er nødvendig å spre denne teknologien til hele verden da den fører med seg store økonomiske og miljømessige fordeler. Figur 7 Seismikk 4.2 Kveilerørteknologi Kveilerørteknologi kan erstatte tradisjonelle stive, leddede borerør med en lang, fleksibel kveilet rørstreng. Dette reduserer kostnadene for boring, krever mindre boreplass, krever mindre boreslam og reduserer tiden som normalt trengs for å lage borerørtilkoblinger. Kveilerør kan også brukes i kombinasjon med tynnhullsboring for å gi meget økonomiske boreforhold og mindre påvirkning på miljøet. 4.3 Tynnhullsboring Tynnhullsboring, eller Slimhole drilling, betyr ganske enkelt å borre et slankere hull i bakken for å komme til naturgass og oljeforekomster. Minst 90 prosent av en brønn skal bores med et bor mindre enn seks tommer i diameter (mens konvensjonelle brønner bruker bor på 12,25 tommer) for å kunne defineres som tynnhullsboring. 12

Tynnhullsboring kan forbedre effektiviteten av boreoperasjonene, samt redusere miljøpåvirkningen. Faktisk kan kortere boretid og mindre boringsmannskaper skape en reduksjon i borekostnadene på opp i mot 50 %, mens den reduserer boringens fotavtrykk med så mye som 75 prosent. [11] Figur 8 - Tynnhullsboring 4.4 Hydraulisk oppsprekking Hydraulisk oppsprekking, også kalt "Fracking" eller "Frac'ing", brukes for å frigjøre naturgass som er fanget i skifer steinformasjoner. En flytende blanding som er 99 prosent vann og sand injiseres inn i fjellet ved svært høyt trykk, og skaper sprekker i fjellet. Dette gir naturgassen en bane der den kan strømme til brønnhodet. Væskeblandingen bidrar også til å holde formasjonen mer porøs. Skifergass har ikke før de siste årene vært lønnsomt å utvinne, men ny teknologi med horisontal boring har gjort det lønnsomt. [12] 13

Figur 9 Brønner til pumping av skifergass Det er nå billigere med noe av skifergassen enn såkalt konvensjonell gass, noe som kan ha innvirkning på Norges eksport av blant annet LNG til USA. Det er også store forekomster av skifergass i Europa, men på grunn av tett bebygde områder er det begrenset hvor man kan bore. I Norge er det mulighet for boring nær Oslo og Andøya, her er det i følge Ola Magne Sæther såpass høyt trykk og temperatur at gassen kan ha kokt bort. I store deler av Europa er det såpass tettbebygd at det vil være vanskelig å få til utbygging. Noen store selskaper som ExxonMobil og Shell ser på muligheter i blant annet Sverige, Tyskland og Polen. Det kunne vært gunstig for gassmarkedet i Europa med utbygging av skifergassanlegg da Europa er for avhengige av gass fra Russland. Man vil nødig ha en ny situasjon som i 2008 da Russland stengte av gassen til Ukraina. [13] 4.5 Subsea installasjoner Subsea installasjoner er også en viktig teknologisk retning og Norge er i verdenstoppen når det kommer til offshore subsea boring og raffinering. Med feltet snøhvit, som ble satt i drift i 2007, baner Norge vei for resten for resten av verden når med tanke på framtidas miljøutfordringer. Anlegget på Melkøya prosesserer LNG og fjerner CO2 som blir pumpet ned igjen 2500 meter under havbunnen [14] 14

Figur 10 Snøhvit 4.6 Liquefied Natural Gas Ved å kjøle naturgass ned til rundt -160 C ved ~2-3bar resulterer i kondensering av gassen til flytende form, kjent som Liquefied Natural Gas (LNG). LNG kan være svært nyttig siden LNG tar opp omtrent en sekshundredel av volumet av naturgass i gassform. Med stadige nyvinninger som reduserer kostnadene forbundet med kjølingsprosessen og mottaksanlegget for LNG er dette en del av framtidas energiløsning. Fordi det er lett å transportere kan LNG skape økonomisk lønnsomhet i brønner der rørledningsutbygging ikke lønner seg. Økt bruk av LNG er noe som åpner for produksjon og markedsføring av naturgassforekomster som tidligere var økonomisk uopprettelige. Norge begynte å eksportere LNG i 2007 [15] 4.7 Brenselceller Brenselceller drevet av naturgass er en svært spennende og lovende ny teknologi for ren og effektiv produksjon av elektrisitet. Brenselceller har muligheten til å generere elektrisitet ved hjelp av elektrokjemiske reaksjoner, i motsetning til fossilt brensel. En brenselcelle fungerer ved å sende strømmer av drivstoff (vanligvis hydrogen) og antioksidanter over elektroder som er atskilt med en elektrolytt. Dette gir en kjemisk 15

reaksjon som genererer strøm uten å kreve at forbrenning av drivstoff, eller tillegg av varmen som er vanlig i den tradisjonelle produksjonen av elektrisitet. [16] Figur 11 - Brenselceller er den reneste produksjonsmetoden for å utvikle elektrisitet fra fossile brensler. Brenselceller kan komme i svært kompakte størrelser, noe som åpner for tilgang på elektrisitet på steder der dette ellers ikke hadde vært mulig. Brenselceller er effektive og konverterer energi lagret i fossilt brensel til elektrisitet langt mer effektivt enn tradisjonell produksjon av elektrisitet ved hjelp av forbrenning. Dette betyr at mindre drivstoff er nødvendig for å produsere samme mengde elektrisitet. The National Energy Technology Laboratory anslår at, dersom det brukes i kombinasjon med naturgassturbiner, kan brenselcelleanlegg som opererer i en størrelse på 1-20 MW få en virkningsgrad på 70 %. [17] Den generasjonen av elektrisitet har tradisjonelt vært en svært forurensende, ineffektiv prosess. Men med ny brenselcelleteknologi, kan fremtidens el-produksjonen endre seg dramatisk fram mot 2030. Forskning og utvikling i brenselcelleteknologi pågår, for å sikre at teknologien er raffinert til et nivå der det er kostnadseffektivt. 16

5 Konklusjon Naturgass kommer til å spille en stor rolle for Europa i årene framover. Mange eksisterende kraftverk er gamle og klare for utskiftning. Energipolitikken i Europa endrer seg som følge av klimamålene. Mange atom- og kullkraftverk skal fases ut. Ny teknologi er nødt til å implementeres i alle ledd i gassindustrien. Selskaper og land som innehar ny teknologi må forplikte seg til å inngå samarbeid med myndigheter i Russland og ellers i Europa. Russland er kanskje nødt til å åpne for kommersielle aktører. Men en kan ikke se på EU-Russland problematikken som et ensidig problem. Prognoser for den videre utviklingen av gassindustrien i Europa og Russland skiller seg sterkt fra hverandre. Skal vi klare å imøtekomme framtidas energiutfordringer må begge parter samarbeide tett. 17

6 Referanser [1] http://no.wikipedia.org/wiki/hydrat [2] TEP4185 Industrial Process and Energy Technology, Gas processing Part-IIb, Fredheim [3] Analyse av kvalitet for naturgass, Temadag og årsmøte NFOGM 19/3-2010, Solbraa, Løkken (2010) [4] www.pilottaskforce.co.uk/files/workgroup/1148.pdf [5] http://www.marcogaz.org, MAIN EFFECTS OF GAS QUALITY VARIATIONS ON APPLICATIONS [6] Vassmo Andersen, Dahl, Gassco, November 11, 2004 [7] TEP4185 Industrial Process and Energy Technology, Gas processing Part-III, Fredheim [8] http://www.eia.doe.gov/cabs/norway/naturalgas.html [9] http://www.energybulletin.net/node/53656 [10] EU-Russia Gas Relations: a View From Both Sides [11] http://www.arabianoilandgas.com/article-4611-drilling-technology/1/print/ [12] http://www.aftenposten.no/okonomi/utland/article3456279.ece [13] http://www.petro.no/modules/module_123/proxy.asp?c=27&i=13427&d=2&mid=79 [14] http://www.statoil.com/en/technologyinnovation/protectingtheenvironment/carbon captureandstorage/pages/captureandstoragesnohvit.aspx [15] http://www.eia.doe.gov/cabs/norway/naturalgas.html [16] http://www.knowledgepublications.com/doe/doe_fuel_cell_handbook_hydrogen_pow er_generation.htm [17] http://www.netl.doe.gov/ 18

Figurer: 1 TEP4185 Industrial Process and Energy Technology, Gas processing Part-IIb, Fredheim 2 http://www.321energy.com/editorials/mearns/mearns121307a.png 3 EU-Russia Gas Relations: a View From Both Sides 4 EU-Russia Gas Relations: a View From Both Sides 5 Eurogas long term outlook to 2030. 6 http://www.energybulletin.net/node/53656 7 http://naturalgas.org/environment/technology.asp 8 http://www.slimhole.org/slimhole-figure.jpg 9 http://www.tu.no/olje-gass/article264038.ece 10 http://www.statoil.com/en/technologyinnovation/protectingtheenvironment/carbon captureandstorage/pages/captureandstoragesnohvit.aspx 11 http://www.knowledgepublications.com/doe/doe_fuel_cell_handbook_hydrogen_pow er_generation.htm 19