إعادة تصميم تحت سطح البحر لطاقة الرياح البحرية العائمة

مزرعة رياح عائمة قبالة الساحل تستخدم مراكز تجميع الطاقة MECON الصورة مقدمة من شركة Baker Hughes

يبلغ وزن موصل الميت الرطب عالي الجهد 66 كيلو فولت الذي يخضع حاليًا للتأهيل الفني من قبل شركة بيكر هيوز حوالي طن واحد ويحتوي على أكثر من 40 لترًا من الزيت العازل لحماية كابل النحاس حتى قطر 1200 مليمتر مربع.

تم تصميم الموصل ليتم وضعه على قاع البحر في نهاية كابل ديناميكي قادم من توربينات الرياح العائمة وتوصيله بمركز تجميع يقوم في النهاية بتوصيل ميغاواط الطاقة التي ينتجها إلى محطة فرعية تحت سطح البحر ثم إلى الشاطئ.

هناك الكثير من الأمور التي يمكن أن تسوء.

إن فشل الكابلات يمثل مشكلة عالية التكلفة بالنسبة لطاقة الرياح البحرية الثابتة، على الرغم من أنها، مثل تطبيقات النفط والغاز، تتضمن كابلات ثابتة. ومن المتوقع أن تصبح حالات فشل الكابلات الديناميكية أكثر شيوعًا عندما تنطلق صناعة طاقة الرياح العائمة.

استفادت شركة Baker Hughes من خبرتها في مجال النفط والغاز لإعادة تصميم وزيادة نطاق الطاقة لموصلات التيار المتردد عالية الجهد من Marine Electrical Connectors (MECON) لتقليل تأثير فشل الكابل. تعمل موصلات التيار المتردد ثلاثية الطور من الشركة على دمج ثلاثة اتصالات في غلاف واحد، مما يحسن نظافة سائل العزل مع تقليل مسارات التسرب المحتملة مقارنة بالموصلات أحادية الطور التي تستخدمها شركات أخرى في الصناعة. تتطلب هذه الموصلات ثلاثة اتصالات لكل كابل وبالتالي تخلق ثلاثة مسارات تسرب محتملة.

يقول مايك بيرش، مدير المنتجات لأنظمة الطاقة البحرية في شركة بيكر هيوز: "إذا نظرت إلى التقنيات الأخرى، فستجد ثلاثة اتصالات فردية داخل إطار اتصال يبدو وكأنه موصل واحد. وتتمثل فائدة نظامنا في أن جميع اتصالات الطور الفردي الثلاثة موجودة في موصل ميكانيكي واحد".

بالنسبة لتكوين النجم الخاص بنا، لا يوجد لدينا أكثر من نجم واحد في خط واحد، وبالتالي يمكن توحيد المجال بأكمله إلى حجم واحد، عادة 95 أو 150 مليمتر مربع.
الصورة مقدمة من شركة بيكر هيوز

إن الموصلات قابلة للغسيل في الماء بواسطة مركبة تعمل عن بعد، مما يعني أنه يمكن تركيبها بواسطة مركبة تعمل عن بعد تغسل أولاً واجهة الموصل والمجمع بمياه البحر لإزالة أي حطام. ويتبع ذلك الغسيل بالمياه العذبة ثم الإيثانول قبل حقن الزيت العازل. ويبدأ الزيت في عزل الاتصال الكهربائي.

وتعمل شركة بيكر هيوز على توسيع نطاق موصلاتها الرطبة من الإصدار الأصلي 12 كيلو فولت، الذي استخدم لأول مرة في النفط والغاز في عام 1999، إلى 36 كيلو فولت والآن 66 كيلو فولت لتطبيقات الرياح العائمة. وتتلقى الشركة المساعدة من شركات الطاقة الكبرى المهتمة بالموصلات التي لم يتم نشرها بعد. ويقول بيرش إن مدخلاتها كانت لا تقدر بثمن، حيث تغطي معايير IEC الحالية فقط الموصلات حتى 36 كيلو فولت والصناعة بحاجة إلى مصفوفة تأهيل سيتم قبولها على نطاق واسع.

تتصل الموصلات بمركز تجميع تحت سطح البحر. وهنا تهدف شركة بيكر هيوز إلى البساطة، على الأقل بالنسبة للجيل الأول من المعدات، لذا فإن مركز التجميع عبارة عن حاوية مملوءة بالزيت مع موصلات مبللة حول الجزء الخارجي. "لا توجد أجزاء متحركة داخل مجمع MECON الخاص بنا، ولا يوجد شيء ذكي داخل الصندوق، فهو ببساطة يجمع الطاقة من خلال مدخلات متعددة ويصدرها من خلال مخرج واحد."

MECON Wet Connect مع تقنية الفصل الداخلي
نظرًا لعدم وجود معدات تبديل محددة في المجمع، فإن توصيلات بيكر هيوز الرطبة توفر هذه الوظيفة من خلال قاطع داخلي يتم تشغيله عبر ROV ومصمم لعزل الكابل باستخدام المفتاح في الموصل بعد إيقاف تشغيل المصفوفة. قد يأتي التحول إلى وجود مفاتيح في مركز المجمع بحيث يمكن تنفيذ المهمة عن بُعد وتحت الحمل الكهربائي في الوقت المناسب، ولكن في الوقت الحالي يعتقد بيرش أن البساطة وانخفاض التكاليف هما ما تحتاجه الصناعة.

إن بساطة التصميم تخفي أهميته، وذلك لأن توصيل توربينات متعددة مباشرة بمحور تجميعي يزيل المشاكل المرتبطة بكابلات الترابط المتسلسل. وفي الوقت الحالي، تستخدم هذه التقنية في محطات الرياح البحرية الثابتة، فإذا تعطل كابل في أي نقطة من سلسلة الترابط المتسلسل، فقد تفقد الطاقة من القطار بأكمله، ولكن محور التجميع يتيح تكوينًا نجميًا حيث يتم توصيل كل توربين بمحور التجميع بشكل مستقل عن التوربينات الأخرى.

"إذا نظرت إلى تكوين النجمة، فمن الواضح أنه يتمتع بفوائد من حيث التوافر لأنه يمكنك عزل توربين فردي أو مجموعة من التوربينات، اعتمادًا على التكوين. والجزء الثاني من ذلك هو أنه نظرًا لعدم وجود توربينات متعددة في سلسلة، يمكنك تقليل حجم الكابلات وتوحيدها على حجم واحد."

في سلسلة الأقحوان، يمكن أن تبدأ أقطار الكابلات عند 95 مليمترًا مربعًا من النحاس، ثم تزيد إلى 300 ثم، على سبيل المثال، 1000، مع تجميع الطاقة من كل توربين على طول المصفوفة.

"بالنسبة لتكويننا النجمي، لا نمتلك أكثر من كابل واحد في خط واحد، لذا يمكن توحيد الحقل بالكامل إلى حجم واحد، عادةً 95 أو 150 مليمترًا مربعًا. هناك فرق هائل في التكلفة بين 1000 مليمتر مربع و95 مليمترًا مربعًا. هذه هي فائدة CAPEX، ولكن هناك أيضًا منظور OPEX. هذا يعني أنك تحتاج فقط إلى الاحتفاظ بحجم كابل واحد في المخزون."

طاقة الرياح ذات الجهد العالي المتردد للأصول.
الصورة مقدمة من شركة بيكر هيوز

ويقول بيرش إن هذا النوع من التوحيد القياسي أمر بالغ الأهمية لاستدامة سوق طاقة الرياح العائمة المزدهرة. "على عكس صناعة النفط والغاز، لا يمكننا أن نمتلك أنظمة مخصصة في طاقة الرياح العائمة - فالهوامش منخفضة للغاية بالنسبة للطاقة المتجددة. نحن بحاجة إلى بناء كتل بناء منظمة - موصلات ومراكز تجميع وتوربينات - هذه هي الطريقة الوحيدة للحصول على اقتصاديات الحجم التي يمكن أن تخفض تكلفة الطاقة المستوية". ومن المتوقع أن تكتمل تأهيل المنتج للموصلات الجديدة العام المقبل، في الوقت المناسب للنمو الكبير في سوق طاقة الرياح العائمة الذي يتوقعه بيرش من عام 2027. "المستقبل واعد، مع تقديرات تقدر حوالي 270 جيجاوات من سعة طاقة الرياح العائمة المثبتة بحلول عام 2050. وبمتوسط 15 ميجاوات لكل توربين، سيتطلب تحقيق ذلك نشر أكثر من 700 توربين رياح عائم سنويًا على مدى السنوات الخمس والعشرين القادمة".

ويتوقع بيرش استخدام مجموعة من التكوينات المحتملة. ويمكن لتصميم بيكر هيوز تحت سطح البحر أن ينقل طاقة التوربينات إلى شبكة برية أو بالإضافة إلى منشآت بحرية أو منصات طاقة إلى x. ويمكن استخدامه أيضًا لمجموعات المد والجزر، وهي الفرصة التي يرى بيرش أنها مناسبة لبعض التطبيقات، مثل توفير الطاقة للجزر. وبالنسبة لنقل الطاقة لمسافات طويلة إلى الشاطئ، يمكن للنظام أيضًا أن يتضمن مفاعلات منتصف الطريق تعيد تأسيس سلامة النقل عبر كابل التصدير بحيث يمكن تمديد الحد الحالي الذي يبلغ حوالي 100-150 كيلومترًا من المحطة الفرعية إلى الشاطئ.

ومن المتوقع أن تشهد الفترة المقبلة المزيد من تطوير الوصلات. "نحن نتطلع إلى 66 كيلو فولت اليوم، ولكن هناك توربينات بقوة 20 ميجاوات في الطريق والتي ستتطلب 132 كيلو فولت. بعض هذه الحقول لن تكون مجدية اقتصاديًا بدون هذه التوربينات الضخمة للغاية".