Case studies for the selection of optimal solutions for power production and heat generation in oil and gas upstream facilities

Oil and gas upstream facilities are plants designed to recover and treat hydrocarbons and employs large quantities of energy in the form of electricity and heat. With the approach followed over the last decades, the requests of the facilities are fulfilled mainly using the available hydrocarbon resources. In particular, natural gas is typically burned to move gas turbines and to generate heat in boilers or other systems. However, in this way, a key resource is consumed with emissions of Green-House-Gases. For this reason and considering the growing interest toward sustainability and energy efficiency, the design philosophy of power production and heat generation systems has begun to change. In this view, this thesis examines, through various case studies, possible shifts from the traditional approach, considering power production and heat generation in a broader context. It is evaluated the possibility to interact with the electricity market, more sustainable configurations are pursued and the role of renewables in the upstream sector is studied. This evaluation of the potential integration of renewables in the context of upstream oil and gas is of particular significant and innovative since the use of these technologies in this industry is still in the early stages of development. In particular, this work addresses both the technical and economic impact of these systems in representative facilities, computing possible savings in terms of fuel gas consumption and carbon dioxide emissions and the net present value of different optimizations, trying to understand what can be their role in the actual condition and in the upcoming years. From this analysis, it is derived that optimal solutions for power production and heat generation often lie in a shift from the traditional approach and in a transformation of oil and gas companies into all-around energy firms, which will not only produce and supply hydrocarbons, but will also provide electricity to the market. In this evolution, also renewables could play an important role, allowing savings of a key resource such as natural gas and reducing the environmental impact of upstream facilities.

Gli impianti di produzione petrolifera sono progettati per estrarre e trattare idrocarburi e impiegano grandi quantità di elettricità e calore. L'approccio seguito nel corso degli ultimi decenni è stato quello di soddisfare le richieste di queste centrali utilizzando principalmente gli idrocarburi disponibili. In particolare, il gas naturale viene bruciato per produrre potenza con turbine a gas e per generare calore. Tuttavia, in questo modo, viene consumata una risorsa chiave con conseguenti emissioni di gas serra. Per questo motivo e considerando il crescente interesse verso la sostenibilità e l'efficienza energetica, la filosofia di progettazione sta incominciando a cambiare. In tale contesto, questa tesi prende in esame, attraverso vari casi studio, possibili variazioni nell’approccio tradizionalmente seguito, considerando la produzione di potenza e la generazione di calore in un quadro più ampio, valutando la possibilità di interagire con il mercato elettrico, ricercando configurazioni più sostenibili e studiando il ruolo delle energie rinnovabili in impianti di produzione petrolifera. L’analisi della potenziale integrazione delle rinnovabili è particolarmente significativa e innovativa in quanto l'uso di tali tecnologie nel settore petrolifero è ancora nelle prime fasi di sviluppo. Questo studio considera sia l'impatto tecnico che quello economico di tali sistemi in impianti rappresentativi, calcolando risparmi in termini di gas combustibile ed emissioni di anidride carbonica e il valore attuale netto di varie ottimizzazioni, cercando di capire quello che può e potrà essere il ruolo delle rinnovabili. Da questa analisi risulta che le soluzioni ottimali per la produzione di energia e la generazione di calore, spesso si basano su un allontanamento dall’approccio tradizionalmente seguito e su una trasformazione delle compagnie petrolifere in società energetiche a tutto tondo, che non si limitino a produrre idrocarburi, ma che forniscano anche energia elettrica al mercato. Con questa evoluzione, anche le fonti rinnovabili potranno svolgere un ruolo importante, consentendo risparmi di gas naturale e riducendo l'impatto ambientale degli impianti petroliferi.