Υπόθαλάσσιος επανασχεδιασμός σε εξέλιξη για πλωτό υπεράκτιο άνεμο

Υπεράκτιο πλωτό αιολικό πάρκο που χρησιμοποιεί MECON Collector Hubs Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Baker Hughes

Ο συνδετήρας wet mate υψηλής τάσης 66 kV που επί του παρόντος υποβάλλεται σε τεχνική πιστοποίηση από την Baker Hughes, ζυγίζει περίπου έναν τόνο και διαθέτει πάνω από 40 λίτρα χάλκινου καλωδίου προστασίας διηλεκτρικού λαδιού με διάμετρο έως 1.200 τετραγωνικά χιλιοστά.

Ο σύνδεσμος έχει σχεδιαστεί για να κάθεται στον βυθό της θάλασσας στο άκρο ενός δυναμικού καλωδίου που προέρχεται από πλωτές ανεμογεννήτριες και να το συνδέει σε έναν κόμβο συλλογής που τελικά αποδίδει τα μεγαβάτ ενέργειας που παράγει σε έναν υποθαλάσσιο υποσταθμό και στη συνέχεια στην ακτή.

Υπάρχουν πολλά που μπορεί να πάνε στραβά.

Η αστοχία του καλωδίου είναι ένα πρόβλημα υψηλού κόστους για τη σταθερή υπεράκτια αιολική ενέργεια, παρόλο που, όπως οι εφαρμογές πετρελαίου και φυσικού αερίου, περιλαμβάνει στατική καλωδίωση. Οι αστοχίες δυναμικών καλωδίων αναμένεται να είναι ακόμη πιο συχνές όταν απογειώνεται η πλωτή αιολική βιομηχανία.

Η Baker Hughes αξιοποίησε την εμπειρία της σε πετρέλαιο και φυσικό αέριο για να επανασχεδιάσει και να αυξήσει το εύρος ισχύος του συνδέσμου υψηλής τάσης AC wet mate Marine Electrical Connectors (MECON) για να μειώσει τον αντίκτυπο της βλάβης του καλωδίου. Οι τριφασικοί σύνδεσμοι wet mate της εταιρείας ενοποιούν τρεις συνδέσεις σε ένα ενιαίο περίβλημα, βελτιστοποιώντας την καθαρότητα του μονωτικού υγρού ενώ ελαχιστοποιούν τις πιθανές διαδρομές διαρροής σε σύγκριση με τους μονοφασικούς συνδέσμους που χρησιμοποιούνται από άλλους στον κλάδο. Αυτά απαιτούν τρεις συνδέσεις για κάθε καλώδιο και επομένως δημιουργούν τρεις πιθανές διαδρομές διαρροής.

«Αν κοιτάξετε άλλες τεχνολογίες, υπάρχουν τρεις μεμονωμένες συνδέσεις μέσα σε ένα πλαίσιο σύνδεσης που μοιάζει απλώς με έναν ενιαίο σύνδεσμο. Το πλεονέκτημα του συστήματός μας είναι ότι και οι τρεις μεμονωμένες συνδέσεις φάσης βρίσκονται πραγματικά σε έναν μόνο μηχανικό σύνδεσμο», λέει ο Mike Birch, Product Manager για Offshore Power Systems στην Baker Hughes .

Για τη διαμόρφωση αστεριών μας, δεν έχουμε ποτέ περισσότερα από ένα σε μία γραμμή, επομένως ολόκληρο το πεδίο μπορεί να τυποποιηθεί σε ένα μέγεθος, συνήθως 95 ή 150 τετραγωνικά χιλιοστά.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Baker Hughes

Οι σύνδεσμοι μπορούν να ξεπλυθούν με ROV, που σημαίνει ότι μπορούν να εγκατασταθούν από ένα ROV που πρώτα ξεπλένει τη διεπαφή βύσματος-συλλέκτη με θαλασσινό νερό για να απομακρύνει τυχόν υπολείμματα. Ακολουθεί έκπλυση γλυκού νερού και στη συνέχεια αιθανόλη πριν από την έγχυση του διηλεκτρικού ελαίου. Το λάδι εκκινεί και απομονώνει την ηλεκτρική σύνδεση.

Η Baker Hughes έχει κλιμακώσει τους συνδέσμους wet mate από την αρχική έκδοση 12 kV, που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στο πετρέλαιο και το φυσικό αέριο το 1999, έως τα 36 kV και τώρα 66 kV για εφαρμογές πλωτής αιολικής ενέργειας. Η εταιρεία επικουρείται από μεγάλες εταιρείες ενέργειας που δυνητικά ενδιαφέρονται για τους συνδέσμους που δεν έχουν ακόμη αναπτυχθεί. Η συμβολή τους ήταν ανεκτίμητη, λέει ο Birch, καθώς τα υπάρχοντα πρότυπα IEC καλύπτουν μόνο συνδέσμους έως 36 kV και η βιομηχανία χρειάζεται έναν πίνακα πιστοποίησης που θα γίνει ευρέως αποδεκτός.

Οι σύνδεσμοι διασυνδέονται με έναν υποθαλάσσιο κόμβο συλλεκτών. Εδώ η Baker Hughes έχει στοχεύσει στην απλότητα, τουλάχιστον για την πρώτη γενιά εξοπλισμού, επομένως ο κόμβος συλλέκτη είναι ουσιαστικά ένα περίβλημα γεμάτο λάδι με υγρούς συνδέσμους γύρω από το εξωτερικό. "Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη στο MECON Collector μας, δεν υπάρχει τίποτα έξυπνο μέσα στο κουτί, απλά συλλέγει ενέργεια μέσω πολλαπλών εισόδων και την εξάγει μέσω μιας εξόδου."

MECON Wet Connect με τεχνολογία εσωτερικού αποζεύκτη
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Baker Hughes Καθώς δεν υπάρχει καθορισμένος εξοπλισμός διακόπτη στον συλλέκτη, η υγρή σύνδεση Baker Hughes παρέχει αυτή τη λειτουργία μέσω ενός εσωτερικού αποζεύκτη που λειτουργεί μέσω ROV και έχει σχεδιαστεί για να απομονώνει ένα καλώδιο χρησιμοποιώντας το διακόπτη στον σύνδεσμο μετά την τροφοδοσία της συστοιχίας κάτω. Η μετάβαση στην ύπαρξη διακοπτών στο κέντρο συλλογής ώστε η εργασία να μπορεί να εκτελείται από απόσταση και υπό ηλεκτρικό φορτίο μπορεί να έρθει εγκαίρως, αλλά προς το παρόν ο Birch πιστεύει ότι η απλότητα και το χαμηλότερο κόστος είναι αυτό που χρειάζεται η βιομηχανία.

Η απλότητα του σχεδιασμού διαψεύδει τη σημασία του, επειδή με πολλαπλούς στρόβιλους συνδεδεμένους απευθείας σε μια πλήμνη συλλέκτη, τα προβλήματα που σχετίζονται με τα καλώδια αλυσίδων μαργαρίτας εξαλείφονται. Επί του παρόντος χρησιμοποιείται για σταθερό υπεράκτιο άνεμο, εάν ένα καλώδιο αστοχήσει σε οποιοδήποτε σημείο της αλυσίδας, η ισχύς από ένα ολόκληρο τρένο μπορεί να χαθεί, αλλά ο κόμβος συλλέκτη επιτρέπει μια διαμόρφωση αστεριών όπου κάθε τουρμπίνα συνδέεται με τον κόμβο συλλέκτη ανεξάρτητα από τον άλλο τουρμπίνες.

«Αν κοιτάξετε τη διαμόρφωση του αστεριού, προφανώς έχει πλεονεκτήματα από τη διαθεσιμότητα, επειδή μπορείτε να απομονώσετε μια μεμονωμένη τουρμπίνα ή ομάδα τουρμπινών, ανάλογα με τη διαμόρφωση. Το δεύτερο μέρος αυτού είναι επειδή δεν έχετε πολλαπλούς στρόβιλους σε σειρά, μπορείτε να μειώσετε το μέγεθος των καλωδίων και να τυποποιήσετε σε ένα μέγεθος.”

Σε μια αλυσίδα μαργαρίτα, οι διάμετροι καλωδίων θα μπορούσαν να ξεκινούν από 95 τετραγωνικά χιλιοστά χαλκού, στη συνέχεια να αυξηθούν στα 300 και στη συνέχεια, ας πούμε, στα 1.000, καθώς η ισχύς από κάθε στρόβιλο συγκεντρώνεται κατά μήκος της συστοιχίας.

«Για τη διαμόρφωση αστεριών μας, δεν έχουμε ποτέ περισσότερα από ένα σε μία γραμμή, επομένως ολόκληρο το πεδίο μπορεί να τυποποιηθεί σε ένα μέγεθος, συνήθως 95 ή 150 τετραγωνικά χιλιοστά. Υπάρχει μια τεράστια διαφορά στο κόστος μεταξύ 1.000 τετραγωνικών χιλιοστών και 95 τετραγωνικών χιλιοστών. Αυτό είναι το όφελος CAPEX, αλλά υπάρχει και μια προοπτική OPEX. Σημαίνει ότι χρειάζεται να έχετε μόνο ένα μέγεθος καλωδίου σε απόθεμα.»

Υψηλής τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος αιολική ενέργεια σε στοιχεία ενεργητικού.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Baker Hughes

Αυτό το είδος τυποποίησης είναι ζωτικής σημασίας για τη βιωσιμότητα της ανερχόμενης πλωτής αγοράς αιολικής ενέργειας, λέει ο Birch. «Σε αντίθεση με τη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου, δεν μπορούμε να έχουμε ειδικά συστήματα στην πλωτή αιολική ενέργεια – τα περιθώρια είναι πολύ χαμηλά για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Χρειάζεται να έχουμε δομημένα δομικά στοιχεία – συνδέσμους, κόμβους συλλεκτών, τουρμπίνες – αυτός είναι ο μόνος τρόπος για να επιτύχουμε οικονομίες κλίμακας που μπορούν να μειώσουν το εξισορροπημένο κόστος της ενέργειας.” Η πιστοποίηση του προϊόντος για τους νέους συνδέσμους αναμένεται να ολοκληρωθεί το επόμενο έτος, το καιρός για τη δραματική ανάπτυξη της κυμαινόμενης αγοράς αιολικής ενέργειας που αναμένει η Birch από το 2027. «Το μέλλον είναι πολλά υποσχόμενο, με τις προβλέψεις να υπολογίζουν περίπου 270 GW εγκατεστημένη πλωτή αιολική δυναμικότητα έως το 2050. Με μέσο όρο 15 MW ανά τουρμπίνα, για να επιτευχθεί αυτό θα απαιτηθούν περισσότερες από 700 πλωτές ανεμογεννήτριες που θα αναπτύσσονται ετησίως για τα επόμενα 25 χρόνια».

Η Birch προβλέπει μια σειρά από πιθανές διαμορφώσεις που θα χρησιμοποιηθούν. Ο υποθαλάσσιος σχεδιασμός Baker Hughes μπορεί να μεταφέρει την ενέργεια του στροβίλου σε ένα χερσαίο δίκτυο ή επιπλέον σε υπεράκτιες εγκαταστάσεις ή σε πλατφόρμες power-to-x. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για παλιρροϊκές συστοιχίες, μια ευκαιρία που η Birch θεωρεί ότι είναι κατάλληλη για ορισμένες εφαρμογές, όπως η παροχή ενέργειας σε νησιά. Για τη μεταφορά ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις στην ακτή, το σύστημα μπορεί επίσης να περιλαμβάνει αντιδραστήρες μεσαίου σημείου που αποκαθιστούν την ακεραιότητα της μετάδοσης μέσω του καλωδίου εξαγωγής, έτσι ώστε το τρέχον όριο των περίπου 100-150 χιλιομέτρων από τον υποσταθμό στην ακτή να μπορεί να επεκταθεί.

Αναμένεται περισσότερη ανάπτυξη συνδετήρων στο μέλλον. «Σήμερα εξετάζουμε τα 66 kV, αλλά οι τουρμπίνες 20 MW είναι στο δρόμο που θα απαιτήσουν 132 kV. Μερικά από αυτά τα πεδία απλά δεν θα είναι οικονομικά βιώσιμα χωρίς αυτούς τους πολύ μεγάλους στρόβιλους».