Optimization models for liberalized natural gas markets

This thesis presents different optimization models for the natural gas value chain. It focuses on the new challenges faced by the participants in the value chain for Norwegian gas after the liberalization of the European gas markets. Most of the models have a producer perspective and are designed to help analyze the value chain for natural gas and give decision support for the gas producers. The modelling framework in this thesis consists of linear programming, mixed integer programming, quadratic programming, stochastic programming and mixed complementarity problems. The thesis consists of this introductionary summary and four papers. Some of the work in this thesis has been sponsored by the VENOGA and the RAMONA project. VENOGA is a project involving Statoil, the Research Council of Norway, NTNU and SINTEF. The goal of the project is to build decision support models and competence for efficient operation and coordination in value chains where Norwegian gas is central. The RAMONA project involves the University in Stavanger, the University in Bergen, NTNU, SINTEF, Statoil, Gassco and CognIT. The intention with the project is to develop methods to optimize regularity and security of supply for the Norwegian gas production- and transportation system

Stochastic electricity dispatch: A challenge for market design

We consider an energy-only electricity market where some generation and/or load is uncertain, and where there are flexibility costs, i.e. some conventional power plants have to be scheduled well before real time in order to participate in the dispatch, while for others, additional cost incurs if generation plans have to be adjusted close to real time. In practice, electricity markets are often organized with sequential market clearing, and in this paper, we consider two sequential markets, for instance representing a day-ahead and a real-time market. We compare the outcomes of 1) a stochastic market clearing model, i.e. an integrated model that takes into account both markets and the uncertainty, to 2) a myopic market clearing model, where the first market is cleared based only on given bids, and not taking into account neither the uncertainty nor the bids to the second market. Compared to previous literature, our main contribution is that we compare the two different market models with respect to both efficiency and allocation of surplus, and thus the incentives they imply for the market participants. We discuss what information is needed in market agent bids and how that information can be manipulated. While the stochastic market clearing gives a solution with a higher expected social welfare, it poses several challenges for market design. The stochastic dispatch may lead to a dispatch where the day-ahead prices deviate from the bid curves to the first market. This can lead to incentives for self-scheduling, in that it may require market participants to accept prices that deviate from the marginal costs or benefits corresponding to the scheduled quantities. Our analysis shows that the intermittent producer has an incentive to deviate from the system optimal plan in both the myopic and stochastic model, and this incentive is particularly strong under the myopic model. We also discuss how the expected social welfare of the market outcome under stochastic market clearing depends on the quality of the information that the system operator will base the market clearing on. In particular, we show that an intermittent producer may have an incentive to misreport the probability distribution for its generation.acceptedVersio

Optimization Model to Analyse Optimal Development of NaturalGas Fields and Infrastructure

We present an optimization model for analysis of system development for natural gas fields, processing and transport infrastructure. In this paper we present our experience from performing analyses for the natural gas industry with the optimization model. We also present a model extension in the form of continuous investment decisions. This extension allows the capacity in pipelines, processing facilities and compressors to be determined within a given range by the model. We also give a partial model description along with a case example that demonstrates the importance of using continuous investment decisions when considering design in natural gas systems

Sirkulær økonomi i morgendagens byggenæring

Denne rapporten er utarbeidet på oppdrag fra Statsbygg. Formålet med rapporten er å belyse begrepet sirkulær økonomi og gi et diskusjonsgrunnlag for videre satsning. Fokuset er avgrenset til den norske byggenæringen og rapporten trekker frem utvalgte eksempler på hva sirkulær økonomi kan være for denne. Rapporten er altså ikke en utfyllende og komplett oversikt over sirkulær økonomi. Hva er sirkulær økonomi? Sirkulær økonomi er et tog som er i ferd med å få opp dampen. Slik et tog har hjul og går på skinner, så har en sirkulær økonomi lukkede material- og energisløyfer, grønn vekst og økt ressursutnyttelse. Men det er fortsatt ikke klart hva som driver toget framover, hvor det er på vei og hvem som er ombord. Og hvem står igjen på perrongen? Hvilken relevans har sirkulær økonomi for norsk byggenæring? God ressursutnyttelse er sentralt i en sirkulær økonomi. I den norske byggenæringen er det områder hvor ressursene ikke utnyttes godt nok. Fire eksempler på dette er i) håndtering av materialer og komponenter etter bruk, ii) ressursbruk i byggeprosessene, iii) arealutnyttelse og iv) energieffektive bygninger og områder. Drivkrefter og barrierer. Overordnede drivkrefter for en sirkulær økonomi er et behov for grønn økonomisk vekst, bedre ressursutnyttelse og redusert miljøpåvirkning. Drivkreftene omfatter både pisk (lover, forskrifter) og gulrøtter (nye forretningsmodeller, ny teknologi, nye insentiver). Det er også barrierer på veien. Eksempler på dette er blant annet mangel på tilbud og etterspørsel i ombruksmarkedet, endringsmotstand fra de som ser sirkulær økonomi som en risiko, og en fragmentert byggenæring med knappe marginer. Hvilken rolle har Statsbygg i en sirkulær økonomi? Denne delen av rapporten springer ut fra en workshop om sirkulær økonomi med deltakere fra SINTEF, Statsbygg og eksterne aktører. Tema var hvilken rolle Statsbygg kan eller bør ha i den videre utviklingen. Muligheter for Statsbygg til å være en pådriver er mange: - Være i front i byggenæringen (eksempelets makt) - Være en pådriver i egen verdikjede (stille krav, åpne for nye kontraktmodeller) - Være åpne for kreativitet og innovasjon (involvere nye aktører, lage nye muligheter i prosjekter) Hvor går veien? Veien fram mot en sirkulær økonomi blir til i en balansegang mellom handling i dag og planer for i morgen, mellom profitt og verdi, mellom helhetstenkning og detaljløsninger. Hva kan vi gjøre i dag og hva er snubletrådene? Det er større behov for å diskutere hva en sirkulær økonomi er, enn å ytterligere begrunne hvorfor vi trenger den. Avslutningsvis kan vi la veien gå i sirkel, tilbake i historien og lære fra tidligere tider hvor gjenbruk og ombruk var en dyd av nødvendighe

Sirkulær økonomi i morgendagens byggenæring

Denne rapporten er utarbeidet på oppdrag fra Statsbygg. Formålet med rapporten er å belyse begrepet sirkulær økonomi og gi et diskusjonsgrunnlag for videre satsning. Fokuset er avgrenset til den norske byggenæringen og rapporten trekker frem utvalgte eksempler på hva sirkulær økonomi kan være for denne. Rapporten er altså ikke en utfyllende og komplett oversikt over sirkulær økonomi. Hva er sirkulær økonomi? Sirkulær økonomi er et tog som er i ferd med å få opp dampen. Slik et tog har hjul og går på skinner, så har en sirkulær økonomi lukkede material- og energisløyfer, grønn vekst og økt ressursutnyttelse. Men det er fortsatt ikke klart hva som driver toget framover, hvor det er på vei og hvem som er ombord. Og hvem står igjen på perrongen? Hvilken relevans har sirkulær økonomi for norsk byggenæring? God ressursutnyttelse er sentralt i en sirkulær økonomi. I den norske byggenæringen er det områder hvor ressursene ikke utnyttes godt nok. Fire eksempler på dette er i) håndtering av materialer og komponenter etter bruk, ii) ressursbruk i byggeprosessene, iii) arealutnyttelse og iv) energieffektive bygninger og områder. Drivkrefter og barrierer. Overordnede drivkrefter for en sirkulær økonomi er et behov for grønn økonomisk vekst, bedre ressursutnyttelse og redusert miljøpåvirkning. Drivkreftene omfatter både pisk (lover, forskrifter) og gulrøtter (nye forretningsmodeller, ny teknologi, nye insentiver). Det er også barrierer på veien. Eksempler på dette er blant annet mangel på tilbud og etterspørsel i ombruksmarkedet, endringsmotstand fra de som ser sirkulær økonomi som en risiko, og en fragmentert byggenæring med knappe marginer. Hvilken rolle har Statsbygg i en sirkulær økonomi? Denne delen av rapporten springer ut fra en workshop om sirkulær økonomi med deltakere fra SINTEF, Statsbygg og eksterne aktører. Tema var hvilken rolle Statsbygg kan eller bør ha i den videre utviklingen. Muligheter for Statsbygg til å være en pådriver er mange: - Være i front i byggenæringen (eksempelets makt) - Være en pådriver i egen verdikjede (stille krav, åpne for nye kontraktmodeller) - Være åpne for kreativitet og innovasjon (involvere nye aktører, lage nye muligheter i prosjekter) Hvor går veien? Veien fram mot en sirkulær økonomi blir til i en balansegang mellom handling i dag og planer for i morgen, mellom profitt og verdi, mellom helhetstenkning og detaljløsninger. Hva kan vi gjøre i dag og hva er snubletrådene? Det er større behov for å diskutere hva en sirkulær økonomi er, enn å ytterligere begrunne hvorfor vi trenger den. Avslutningsvis kan vi la veien gå i sirkel, tilbake i historien og lære fra tidligere tider hvor gjenbruk og ombruk var en dyd av nødvendighetpublishedVersio

Measures against hydrocarbon leaks: taxonomy, effect and costs. A literature study of measures against hydrocarbon leaks.

publishedVersio

Value of multi-market trading for a hydropower producer

We present a case study for a price-taking hydropower producer trading in the three short-term energy markets, day-ahead, intra-day and the balancing market. The study uses a scheduling software with a detailed representation of a real Norwegian power plant optimizing the operations and trade for historical market data from 2015. The motivation for the study is to make an assessment of the value of trading in multiple markets relative to day-ahead trading only, utilizing a simplifying perfect foresight assumption. This gives the basis for assessing the value of developing more complex models with a more precise representation of uncertainty in the decision process. The analysis show a significant added value from participating in more markets than day-ahead, with the balancing market giving the largest contribution

Value of multi-market trading for a hydropower producer

We present a case study for a price-taking hydropower producer trading in the three short-term energy markets, day-ahead, intra-day and the balancing market. The study uses a scheduling software with a detailed representation of a real Norwegian power plant optimizing the operations and trade for historical market data from 2015. The motivation for the study is to make an assessment of the value of trading in multiple markets relative to day-ahead trading only, utilizing a simplifying perfect foresight assumption. This gives the basis for assessing the value of developing more complex models with a more precise representation of uncertainty in the decision process. The analysis show a significant added value from participating in more markets than day-ahead, with the balancing market giving the largest contribution.acceptedVersio

Planning of an Offshore Well Plugging Campaign: A Vehicle Routing Approach

When a petroleum well no longer serves its purpose, the operator is required to plug and abandon (P&A) the well to avoid contamination of reservoir fluids. An increasing number of offshore wells needs to be P&A’d in the near future, and the costs of these operations are substantial. Research on planning methods in order to allocate vessels that are required to perform these operations in a cost-efficient manner is therefore essential. We use an optimization approach and propose a mixed integer linear programming model based on a variant of the uncapacitated vehicle routing problem that includes precedence and non-concurrence constraints to plan a plugging campaign. P&A costs are minimized by creating optimal routes for a set of vessels, such that all operations that are needed to P&A a set of development wells are executed. In a case study, we show that our proposed optimization approach may lead to significant cost savings compared to traditional planning methods and is well suited for P&A planning purposes on a tactical level.acceptedVersio

Value-Creation Potential from Multi-Market Trading for a Hydropower Producer

We study a hydropower producer’s potential for value-creation from multi-market trading given the price variations in the markets and the flexibility provided through access to hydro reservoirs. We use a perfect foresight optimization model for a price-taking hydropower producer co-optimizing his trades in the day-ahead, intra-day and balancing markets. The model is used on real market data from Norway, Sweden and Germany. The study shows a theoretical potential for added value when selling energy in multiple markets relative to optimal day-ahead sale. Most of this value is achievable also when the perfect foresight is limited to the period from day-ahead bidding until operation. Flexible production plants achieve the largest relative added values for multi-market sales, and has the largest benefit from a long horizon with perfect foresight