3 - Teknologi for kraft fra land
Kraft fra land er blant tiltakene som gir størst utslippsreduksjon fra olje- og gassvirksomheten på sokkelen.
Å forsyne innretninger med kraft fra land innebærer at kraften til innretningene overføres i kabel fra kraftnettet på land. Dette fører til lavere utslipp på innretningene siden kraften ikke lenger produseres ved bruk av gass eller diesel.
3.1 Bruk av kraft på innretningene og kraftoverføring
En petroleumsinnretning har tre hovedbruksområder for kraft.
Disse er:
- produksjon av elektrisitet
- direkte drift av utstyr
- varmeproduksjon.
Diverse prosessutstyr, som mindre motorer og kompressorer, er ofte elektrisk drevet. I tillegg brukes elektrisitet til belysning og boligformål.
Elektrisiteten produseres i de fleste tilfeller i gassturbiner lokalt på innretningen. Større utstyr som kompressorer for eksport eller injeksjon av gass drives av mekanisk kraft, såkalt direktedrevet utstyr.
Gass brennes da i gassturbiner som er koblet til kompressoren og driver denne direkte. Varme trengs til prosessering av olje, gass og vann, og i mindre mengder, til oppvarming av boligkvarter.
I de fleste tilfeller hentes varmen fra eksosen til gassturbinene gjennom en varmegjenvinningsenhet, men den kan også produseres i gassfyrte- eller elektriske kjeler. Kraft fra land kan i prinsippet overføres på to måter: Som likestrøm (på engelsk «direct current», DC), eller som vekselstrøm (på engelsk «alternating current», AC).
Likestrøm er bedre egnet enn vekselstrøm til å overføre store kraftmengder over lange avstander. Dersom kraften overføres fra land som likestrøm må den imidlertid omformes på land og på innretningen siden kraftnettet både på innretningene og på land er basert på vekselstrøm.
Omformerutstyret er som regel tungt og plasskrevende, og er kostbart eller umulig å plassere på mange eksisterende innretninger. Johan Sverdrup og Valhall er eksempler på felt med innretninger som får kraft fra land som likestrøm.
Den totale kostnaden med bruk av vekselstrøm er normalt lavere enn for likestrøm fordi vekselstrøm ikke må omformes, og derfor krever mindre og lettere utstyr på land og på innretningene. Men vekselstrøm har større begrensninger når det kommer til hvor mye kraft som kan overføres over en gitt avstand.
Goliat, Gjøa, Martin Linge og Troll er eksempler på felt med innretninger som får kraft fra land som vekselstrøm. Frekvens i kraftsystemet på land og på mange offshore-innretninger er 50 Hz. Noen innretninger er imidlertid basert på amerikanske standarder for elektrisk utstyr og bruker en frekvens på 60 Hz.
Dersom innretninger med ulik frekvens skal kobles sammen, eller om en områdeløsning skal forsyne innretninger med ulike frekvenser, kreves det frekvensomformere.
3.2 Kraft fra land til eksisterende innretninger
En eksisterende innretning må bygges om for at den skal kunne få kraft fra land. Dette er normalt store prosjekter og som regel betydelig mer kostbart enn å dimensjonere en ny innretning for kraft fra land.
Flere av kraft fra land prosjektene som utredes til eksisterende innretninger medfører investeringer i størrelsesorden fire til fem milliarder kroner. Ombyggingene og kostnadene varierer for ulike innretninger og kraft fra land prosjekter, og er avhengig av hvor mye utstyr på innretningen som skal byttes ut.
Kostnadene blir høyere dersom direktedrevet utstyr byttes, sammenlignet med at kun gassturbinene som produserer elektrisk kraft byttes ut. Dersom noe turbindrift skal beholdes på innretningene er det fornuftig, fra et kostnadsperspektiv, å dekke varmebehovet med varmegjenvinning fra turbineksosen.
Noen sentrale elementer som påvirker omfanget og kostnadene ved en ombygging til kraft fra land er listet opp under.
- Plass og vektkapasitet: Kraft fra land krever ofte installasjon av mye nytt utstyr. Dette kan være utfordrende fordi det som regel er begrenset plass- og vektkapasitet på innretningen. Det er kostbart, og i noen tilfeller umulig å øke denne kapasiteten.
- Avstand til land: For innretninger som ligger langt til havs må kraft fra land overføres som likestrøm, fordi tapet i kraftoverføringen blir uforholdsmessig stort dersom kraft skal overføres som vekselstrøm over lange avstander. Likestrøm medfører at tungt og plasskrevende omformerutstyr må installeres på innretningen, noe det ofte ikke er plass og vektkapasitet til.
- Kraft fra land til flytende ikke-vinddreiende innretninger: Kraftkabler som skal kobles til flytende innretninger må være dynamiske. Det vil si at de må tåle innretningens bevegelser. Dette gjør kabeldesignet mer komplekst. Per i dag er det kun kvalifisert dynamiske kabler for vekselstrøm. Figur 3.1 viser Goliat-innretningen, som er et eksempel på en flytende, ikke-vindreiende innretning.
Kraft fra land til vinddreiende innretninger med dreieskive, (FPSO): En FPSO av denne typen dreier rundt sin egen akse, ved bruk av en dreieskive, for å legge seg opp mot vinden.
Kraft fra land til slike FPSO-er krever at kraften kan overføres gjennom dreieskiva. Uten dreieskive ville en kabel koblet til FPSO-en bli vridd i stykker på grunn av innretningens bevegelser. Det finnes i dag ingen innretning som får kraft fra land gjennom en dreieskive.
Figur 3.2 viser Skarv-innretningen, som er et eksempel på en flytende, vinddreiende innretning.
Figur 3.1 Den flytende, ikke-vinddreiende innretningen på Goliat-feltet. (Kilde: Vår Energi)
Figur 3.2 Den flytende, vinddreiende innretningen på Skarv-feltet. (Foto: Aker BP)
3.3 Teknologiutvikling siden 2008
Det skjer en kontinuerlig teknologiutvikling relatert til kraft fra land, der hovedmålet er å gjøre utstyret lettere og mer kompakt, samt å kunne overføre mer kraft over lengre avstander til lavere kostnad.
Figur 3.3 viser teknologier for likestrøm og vekselstrøm som en funksjon av overføringsavstanden, og hvor mye kraft som overføres. Utvalgte prosjekter for kraft fra land og havvind som har blitt gjennomført eller studert er tegnet inn.
I så måte viser figuren hvordan kraft fra land har blitt overført som vekselstrøm over stadig lengre avstander. Store kraftoverføringer over lange avstander som til Valhall og Utsirahøgda er ikke egnet for vekselstrøm, og er derfor bygget ut med likestrøm.
Troll A var den første og lenge også den eneste innretningen på sokkelen som fikk kraft fra land som vekselstrøm. Dette skjedde i 1996. Løsningen er utvidet i to omganger, i 2005 og i 2015. Overføringsavstanden er forholdsvis kort, ettersom Troll A ligger nært land.
I 2010 ble Gjøa den andre innretningen som fikk kraft fra land som vekselstrøm, gjennom en betydelig lengre overføring. Overføringsavstanden økte ytterligere med Goliat-prosjektet i 2015, og igjen med Martin Linge i 2016.
Sistnevnte er foreløpig den lengste overføringen av vekselstrøm på sokkelen. Det framgår av figuren at teknologier som reaktiv kompensering og lavfrekvent overføring gjør det mulig å overføre vekselstrøm over enda lengre avstander enn det som er gjort så langt.
Det finnes også prosjekter for havvind som bruker samme teknologi som kraft fra land, der større kraftmengder overføres med vekselstrøm enn det som gjøres på sokkelen i dag. Utviklingen siden 2008 har gjort at vekselstrøm kan brukes til å overføre mer kraft over lengre avstander til lavere kostnad.
Derfor kan flere innretninger nå få kraft fra land som vekselstrøm enn tilfellet var i 2008. Siden 2008 har teknologien også utviklet seg og gjort det mulig å plassere mer omformerutstyr på havbunnen.
Dette kan være for frekvensomforming, spenningsreduksjon og vekselretting fra likestrøm til vekselstrøm. Når utstyr plasseres på havbunnen spares det plass og vekt på innretningene.
En annen endring er utviklingen av teknologi for å ta lavspent vekselstrøm gjennom dreieskiven. Det finnes foreløpig ingen FPSO-er som får kraft fra land på denne måten. Så langt har årsaken til dette vært at teknologien ikke har vært moden nok, og at det kreves omfattende og kostbare modifikasjoner på eksisterende FPSO-er.
Teknologiutviklingen kan imidlertid føre til at kraft fra land til FPSO-er med dreieskive blir mer aktuelt framover. Et eksempel er utviklingen av undervannstransformatorer. Disse brukes til å endre spenningsnivået, noe som gjør det mulig å overføre kraft gjennom dreieskiven.
Kraften kan da overføres fra land med en høyere spenning, omformes i en undervannstransformator på havbunnen ved innretningen og deretter føres gjennom dreieskiven med flere kabler.
Figur 3.3 Teknologier for likestrøm og vekselstrøm som en funksjon overføringsavstand og mengden kraft som overføres. (Kilde: Aker Solutions)