Vulkanutbruddet som løste plattformenes plassproblemer

Oljeplattformer har det trangere om plassen enn det er i en tenårings klesskap. Skal det noe nytt inn, må noe ut. Men hva?

For noen plattformer har elektrifisering vært en løsning for å skaffe elektrisk kraft og samtidig redusere utslipp. Men løsningen er ikke gjennomførbar for alle plattformer. Så hvordan skaffer vi plass til renere strøm på plattformer?

Vi skal tilbake til april 2010. Vulkanen Eyjafjallajökull på Island spydde ut aske som drev med vinden, spredte seg over Europa og stanset flytrafikken. I over to uker. Folk ble tvunget til å endre planer og kunne ikke annet enn å forholde seg til situasjonen «askefast».

Også en gruppe Sintef-forskere satt midt i askeskyen og kunne ikke gjøre det de egentlig skulle. Så de brukte den uventede overskuddstiden på å skrive både prosjektplan og søknad om finansiering på et prosjekt de ikke hadde funnet tid til før. Det viste seg å være smart.

En uke tenketid

Mona Mølnvik var forskningsleder ved Sintef Energi i 2010. Hun forteller at noen oljeselskaper allerede hadde vært innom og signalisert betydelig interesse for å se nærmere på energieffektivisering av gassturbiner offshore. 

– Det er litt morsomt å tenke på, sier Mølnvik. – Vi hadde hatt lyst til å ta tak i det, men det ble aldri tid. Og så fikk vi en hel uke til å jobbe ut dette prosjektet.

Det ble starten på det som siden har blitt en lang rekke forskningsprosjekter over en tidsperiode på 15 år. I år er den første bunnsyklus-piloten blitt virkelighet. Den testes på en gassturbin hos Sustainable Energy på Stord. 

– En bunnsyklus er et dampanlegg som bruker den varme eksosen fra en gassturbin til å lage damp og ekstra strøm. Gassturbinen og bunnsyklusen  kalles til sammen en kombinert syklus, forklarer Mølnvik.

Er løst på land

På norske plattformer står det rundt 250 gassturbiner. De gir strøm til olje- og gassproduksjon offshore og jobber både hardt og effektivt. En del er erstattet med kraft fra land, men tilgang på kraft og avstand fra land påvirker valg av løsning. Gassturbinene produserer ikke bare strøm til driften og gir energi til mekanisk drift av sånt som eksportkompressorer. De slipper også ut enormt mye varme gjennom eksosen, rett ut i lufta, sammen med CO₂. 

Dette er bortkastet energi og gir unødvendig mye utslipp. Og utslipp koster også ekte penger, etter at CO₂-avgift ble innført. Så langt er alle enige om at det trengs en forbedring, det er bare løsningene som har latt vente på seg.

På land er dette løst for lenge siden. Gasskraftverk fanger eksosvarmen, lager damp av den og bruker dampen til å drive en ekstra turbin. Det kalles en bunnsyklus og gir vesentlig mer strøm av drivstoffmengden som brukes.

På plattformer har det vært nærmest umulig å gjøre det samme, fordi utstyret rett og slett har vært for stort og tungt til å få plass. Noen av de eldre og større plattformene kunne ta i bruk denne typen kombikraft og fikk installert bunnsykluser allerede for et kvart århundre siden. Men nå er det så trangt på plattformene som fortsatt drifter med kraft fra gassturbiner, at det ikke er rom for å sette inn slike bunnsykluser.

Problemet til forskerne var altså å finne finne plass til den teknologien vi trenger.

Men nå, sammen med teknologiselskapet Techouse, har de utviklet en løsning som gjør at teknologien kan få plass på de trange plattformene. 

Men hvordan fungerer nå dette med bunnsykluser egentlig?

– Hvis vi tar ut varmen fra eksosen, lager damp og lager strøm av den dampen, kan vi faktisk ta bort én av fire gassturbiner, forklarer Mølnvik. Men det er en rekke utfordringer for å få oppsettet til å bli tilstrekkelig lite og lett, legger hun til.

– I dette prosjektet har vi spesifikt sett på å tilpasse sånne ting som tynne nok rørtykkelser, for å få vekt og plass til å være innenfor de rammene som er tilgjengelig offshore, og samtidig klare å være tilstrekkelig robuste til å tåle å stå på en plattform. Men det er ikke bare å bytte ut et rør og så er vi i havn med en løsning, forteller hun.

Mange krav

Kjernen i løsningen er en varmeveksler. Den leder varmen fra eksosen og overfører den til vann, som varmes opp til damp, som via en turbin blir til strøm.

En varmeveksler ute på en plattform må tåle svært store temperatursvingninger og trykk, og så må den som nevnt være liten og lett nok til faktisk å få plass på en plattform som allerede er bygd og i drift. Både effektiv og sterk, og liten og tynn samtidig.

Og absolutt alle detaljer i designprosessen, hvilke rør, hvilken strømningsvei, hvilken geometri som velges, har konsekvenser for alt annet. Det er mye å holde styr på! Her måtte de rett og slett gå omveien og utvikle et eget verktøy for akkurat dette. Det ble til beregningsprogrammet FlexHX, også utviklet hos Sintef.

Programmet lar forskerne simulere og optimalisere ulike varianter og design på datamaskinen før de bygger noe som helst. Det er kanskje nå det passer å nevne at den ferdige varmeveksleren de har utviklet, er på størrelse med en voksen vinterhytte, tettpakket med rør i optimaliserte konfigurasjoner.

For å klare å få bunnsyklusanlegget tilstrekkelig kompakt og lett, må rørene i varmeveksleren være tynnere enn vanlig og «pakkes tettere» med finner.

Finner er de små ribbene som øker overflaten der varmen overføres. Ifølge Sintef-forsker Ruben Mocholi Montanes fantes det ingen driftserfaring med så tynne rør fra før. Det var derfor en risiko for at det kunne oppstå mer vibrasjon, som over tid sliter ned utstyret. Sintef har gjort simuleringene, men det var likevel nødvendig å få testet i praksis.

En annen utfordring er at materialet utsettes for store temperatursvingninger hver gang anlegget startes og stoppes, og dette kan gi mer utmatting over tid. Simuleringene fra tidligere prosjekter har pekt på hvor svakhetene kunne være. Men vil det likevel være bra nok?

Testingen på Stord i sommer var avgjørende. Hvordan oppførte det nydesignede bunnsyklusanlegget seg i praksis?

Som en tomannsbolig

Pål Kloster er teknologidirektør i Techouse. Han har jobbet med dette siden 90-tallet, da de første plattformene fikk installert sine anlegg –  blant annet på Statfjord C og på flytende oljeplattformer i Brasil og i Angola.

I sommer har Kloster vært helt oppslukt av testingen av det nye demoanlegget. Nyvinningen er vist fram til en rekke mulige klienter. Nå forteller han entusiastisk:

–  Demo-anlegget på Stord er basert på varmegjenvinning fra en 5 MW gassturbin. Den tar bare en fjerdedel av plassen som de vanligste gassturbinene på norsk sokkel.

Varmegjenvinningskjelen har derimot full størrelse i lengde- og høyderetningen. Til gjengjeld krever den bare 25 prosent av den «vanlige» bredden.

For oss landkrabber ser størrelsen på anlegget ut som en romslig tomannsbolig, med en pipe så stor at den største julenissen fint hadde kunnet klatre ned – med sekk. Kloster fortsetter:

– Vi baserer oss på at det er normalt med rundt 10 start og stopp per år.

For å simulere 30 års levetid ble kjelen startet og stoppet mer enn 300 ganger. Alle data ble registrert hvert sekund for å kunne analysere ytelse og respons på kjelen. 

Han legger til at de har brukt høyhastighetsfilming for å kunne registrere mulige vibrasjonsproblemer.

– Det er helt avgjørende for et dampanlegg å ha kontroll på vann- og dampkvaliteten. I demoanlegget ble ledningsevne, pH og oksygennivå kontrollert og overvåket nøye, sier Kloster.

Resultatet? Null lekkasjer etter 305 start og stopp, og den tålte  temperatursvingningene greit. Testingen var med andre ord svært vellykket.

Men selv om selve anlegget er digert som et hus, er det fortsatt det å få på plass tynne nok, og samtidig solide nok, rør som har vært hovedutfordringen:

– Vi lyktes. Rørene i demoanlegget er på 1,65 mm med påsveisede finner på mellom 0,5 og 0,75 millimeter tykkelse. 

Kan brukes av andre

En grundig analyse av rådataene er ferdig om kort tid. Men allerede nå gir testene god grunn til å stole på de tynne rørene, ifølge forskerkollega Mocholi Montane.

– Vibrasjonene holder seg innenfor det som er trygt, så vi kan puste lettet ut, sier han.

– Det gjør at teknologien kan brukes flere steder, som på eldre plattformer der det er trangt om plassen og lite rom for å endre utformingen. 

Testene bekrefter også noe annet, ifølge Montane: Simuleringene Sintef Energi har bygget opp gjennom årevis med forskning, stemmer overens med virkeligheten.

Og kontrollsystemet Techouse har utviklet for anlegget, som er skreddersydd for nettopp dette prosjektet, har fungert godt.

Skyndte seg langsomt

Mona Mølnvik mener historien ikke først og fremst handler om en maskin. Men også om hva som må til for å få en god idé fra notatblokka til en fungerende prototyp. Det krever mange prosjekter, mange mennesker og tar tid.

– Bransjen er ofte utålmodig, og utålmodighet er ikke alltid en fordel når investeringene er store. 

– Vi må ta oss tid til å finne gode nok svar, fastslår Mølnvik.

Noen ganger kan det altså hjelpe at at flyene står stille en stund.

Artikkelen ble først publisert på Gemini.no

Hun får ansvaret for Melkøyas framtid