Дълбоководни вятърни турбини

Използването на офшорните ветрове като енергиен източник е все по-често срещана индустриална практика в крайбрежните зони. И макар мощността на инсталациите от такъв тип да е едва 5 GW в края на 2012, до 2020 г. тя може да нарасне осем пъти, достигайки 40 GW и задоволявайки 4% от енергийните нужди на Европа.

Прогнозите за бъдещето са още по-смели - очаква се капацитетът на офшорните вятърни турбини да достигне 150 GW до 2030 г., като по този начин само чрез офшорна вятърна енергия ще се добива повече от една шеста от цялото електричество, нужно на ЕС. За да се случи това обаче, е необходимо установяването на адекватна правна рамка в областта.

Друго условие за осъществяването на подобен план е проектирането на турбини, подходящи за по-дълбоки води, за да стане възможно оползотворяването на огромния потенциал на Атлантическо и Средиземно море и по-дълбоките зони на Северно море.

Разработката, тестването и инсталацията на технологии за дълбоководни вятърни паркове са дейности, които все по-често се намират във фокуса на световното внимание, не само заради принципната важност на въпроса за възобновяемите енергийни източници, но и защото са доказателство, че европейските страни все повече се доближават до търсените мащаби на търговско развитие в тази сфера.

Европейските практики водят след себе си последователи от американски и азиатски компании, решени да внедрят технологията на своите местни пазари. И въпреки лидерските позиции на компаниите от Стария континент в тази сфера, те са в постоянно съревнование с колегите си от САЩ и Япония.

Съвременни видове дълбоководни турбини

В съвременните офшорни вятърни паркове се използват три основни типа дълбоководни платформи или носещи структури, адаптирани от офшорната петролна и газова индустрия:

Стълбообразен буй (Spar Buoy). При този тип структура голям цилиндричен буй стабилизира вятърната турбина посредством баласт. Така центърът на тежестта е много по-ниско във водата от точката на плаваемост. Обикновено долната част на платформата е тежка, а горната е изградена от кухи елементи, които се разполагат близо до повърхността и изместват центъра на плаваемост нагоре.

Платформа с прикрепящи въжета (Tension Leg Platform). При нея се залага на структура с висока степен на плаваемост, която е наполовина потопена във водата. Обтягащи въжета са привързани към платформата и закотвени на морското дъно, за да осигурят баланс между плаваемост и стабилност.

Полупотопяема структура (Semi-submersible). В изпълнението на тази платформа са комбинирани основните принципи от предишните два дизайна, като е добавена полупотопяема структура, която да осигури необходимата стабилност.

Технически и инфраструктурни предизвикателства

Дълбоководните структури са иновация, която трябва да премине през различни стадии на развитие преди да навлезе на пазара. Съвременните подводни платформи са създадени за дълбочини в рамките на 40-50 м, а дълбоководната офшорна среда започва при дълбочина от над 50 м.

В този смисъл технологията е все още на ранен етап от развитието си и за да се осъществи търговското й разрастване и приложение в по-сериозен мащаб, секторът трябва да открие решения на редица технически, икономически и политически въпроси. Ако това се случи, първите дълбоководни офшорни вятърни ферми могат да заработят до 2017.

При иновативен дизайн от такъв тип основното предизвикателство е свързано с проектирането. Експериментални плаващи структури и цели прототипи ще са необходими за утвърждаването на нови цифрови софтуерни инструменти, чието приложение е свързано със симулиране на поведението на различни концепции за плаващи структури.

Все още не са утвърдени моделиращи инструменти, които да пресъздават комбинация от поведението на дадена турбина и условията, в които функционира една подводна структура. За да осигури успешно проектиране, софтуерът трябва да е способен да анализира едновременно взаимодействието между аеродинамиката, структурното поведение на платформата (заедно с придържащите въжета) и турбината.

Допълнително предизвикателство е подсигуряването на достатъчно добре развит модел. За да стане възможно подобряването на дизайна, е необходимо да се разработят и утвърдят моделиращи инструменти и цифрови кодове, които да симулират поведението на цялостната структура. В това се състои и първата стъпка към успешното развитие на технологията за дълбоководните вятърни паркове.

Внедряването на вятърни турбини и дълбоководни офшорни платформи като цялостни суперструктури е друг важен технически въпрос, който значително влияе върху цената на проекта и количеството произведена енергия. Възможна първа стъпка е монтирането на конвенционална офшорна турбина върху плаваща платформа, но това не е единственото решение. За да се подобрят проектите за дълбоководни офшорни турбини в икономически план, от съществена важност е да се разработи технология, която да оптимизира системната архитектура.

Дизайнът на конвенционалните вятърни турбини трябва да бъде осъвременен, така че те да станат приложими и върху плаващи подводни структури. Ако ефективно се оптимизира цялата система “вятърна турбина - платформа”, приложението на дълбоководните технологии ще става все по-конкурентно на останалите практики в бранша. Важна роля в процеса на оптимизация има размерът на турбината, така че той трябва да бъде внимателно обмислен.

За сравнение, през 2012 средният капацитет на офшорните турбини, новоприсъединени към мрежата, нараства на 4 MW, в сравнение с 3,6 MW от предишната година. Само четвърт (9) от представените в последствие проекти са за турбини, по-малки от 5 MW. Останалите 29 (или 76%) предлагат концепции за по-мощни съоръжения и на практика това е тенденцията, към която ще трябва да се придържат и разработчиците в сферата на дълбоководните офшорни технологии.

С оглед осигуряването на по-висока приложимост на дизайните е препоръчително да се използват по-мощни турбини и да се разработват нови материали. В допълнение, трябва да се подходи с особено внимание към типологията - комбинация от мястото и специфичните технологични променливи (напр. вода, дълбочина, размер на турбината), тъй като това е основният параметър, на чиято база се създава всяка концепция за дизайн и локация.

Изборът на подводна платформа също е тясно свързан с работата на вятърната турбина. Обикновено нейният тип се определя от това как турбината трябва да бъде контролирана.

Контролираните движения и начинът, по който те влияят върху функционирането на системата и стратегиите за контрол на ротора, са пряко свързани с динамичния отговор на плаващата структура.

Тази взаимовръзка налага някои ограничения при разработване на цялостния дизайн. Например полупотопяемите платформи и платформите с обтягащи въжета може да са наглед по-скъпо решение, но да осигуряват по-стабилни условия на функциониране на системата, близки до наземните. Налагането на ефективен контрол върху турбината подобрява стабилността на цялостната система и само по себе си може да доведе както до значително намаляване на разходите, така и до по-добра ефективност.

Специално внимание изисква и разработката на завършени и адекватни системи за контрол, които да съдействат за стабилността на структурата и да подобряват производителността на енергия, като свеждат до минимум претоварването и загубите.

Свързване с мрежата

Предизвикателствата пред плаващите офшорни вятърни паркове и тяхното свързване с мрежата от подстанцията до брега не се различават по същество от тези, пред които са изправени и системите с фиксирани платформи. Основна потенциална пречка отново е разстоянието до брега, а заедно с това и достъпът до мрежи на мястото на свързване. Когато става въпрос за кабелна технология, важен въпрос е динамичната секция на кабелите (онази, която физически се движи).

Движението, индуцирано от турбината и подвижната платформа, може да подложи кабелите на допълнително натоварване. При дълбочини, по-големи от 100 м, разположението на кабела също може да причини технически проблеми. За да бъде потопен на повече от 50 м или положен на дъното, ще е необходим по-дълъг кабел, който обаче и по-лесно ще се движи. В този смисъл е необходимо все по-задълбочено да се изучава динамиката на кабелите, както и да се прави системна оценка на ефективните решения, понижаващи разходите.

И тъй като системите за прикрепяне и закотвяне също изискват задълбочено проучване, секторът на дълбоководните технологии за производство на енергия от офшорни ветрове може много да научи от опита на петролния и газовия сектор, където тези системи се използват от много години. Интензивната обмяна на опит и сътрудничеството с тези сектори значително ще подобри ефективността на дълбоководните вятърни технологии и ще способства за по-бързото им развитие.

Инсталация, функциони-ране и поддръжка

Изискванията за захранваща верига и пристанищна инфраструктура са сходни при всички типове офшорни вятърни съоръжения. Подобно на структурите с фиксирани платформи, изграждането на силна захранваща верига остава водещ приоритет и при дълбоководните офшорни системи. Необходимо условие е пристанищата да позволяват по-висока производителност и да осигуряват достатъчно пространство за инсталация и съхранение на компонентите.

Изискванията за турбината и пристанищна инфраструктура може и да са подобни на тези при фиксираните системи, но дълбоководните проекти се различават значително в икономически план по разходите за инсталация, функциониране и поддръжка.

Офшорните вятърни системи изискват интензивни инвестиции и в този смисъл разходите по инсталацията им не са за пренебрегване. Не такъв е случаят с повечето дълбоководни офшорни инсталации, които могат да бъдат сглобени наземно и след това да бъдат изтеглени във водата. Тази практика снижава нуждата от използването на плавателни съдове за транспортиране, което значително редуцира разходите по инсталирането.

Допълнително предимство е намаляването и на времетраенето на самата инсталация, тъй като дълбоководните офшорни турбини са по-малко зависими от времето и морските условия. Индустрията прави постоянни опити да занижи размера на разходите за инсталация, ето защо е необходима по-нататъшна разработка на проекти за самоинсталиращи се и наземносглобяеми системи.

Най-голямото предизвикателство в този аспект най-вероятно се крие в инсталацията и боравенето с обтягащи въжета и котви, тъй като е от особена важност какво оборудване се използва в процеса, както и дали въжетата и котвите са проектирани така, че да осигуряват надеждност на системата по време на експлоатацията й.

Именно закачането на осигурителни въжета към плаващата платформа е една от най-трудните фази на процеса по инсталация. За намаляването на рисковете при осигуряването на плаващите структури с въжета отново се черпи полезен опит от петролния и газовия сектор.

По въпросите, свързани с функционалността и поддръжката, движението на дълбоководната офшорна турбина отново е предизвикателство, а инспектирането на осигурителните въжета и котвите коства доста усилия и разходи. И все пак, да не забравяме, че повечето дълбоководни офшорни системи могат да бъдат сглобени на брега и транспортирани до желаната локация.

Така в случай на авария цялата структура може да бъде транспортирана до брега за ремонт с влекач. А това отново спестява разходи, елиминирайки нуждата от използване на скъпи плавателни съдове като самоиздигащите се шлепове.