1. Uvod
U kontekstu globalnog fokusa na razvoj gospodarstva s niskom-ugljikom i kineskog cilja "dvo-ugljika", energija vjetra, kao čisti i održivi obnovljivi izvor energije, postala je središnja točka za vlade i energetske divove diljem svijeta. S kontinuiranom izgradnjom kopnenih vjetroelektrana, sve zrelijom tehnologijom i sve nižim troškovima, kopnena vjetroelektrana brzo se razvila, a globalni novoinstalirani kopneni kapacitet vjetroelektrana dosegnuo je 61,8 GW samo u 2019. godini. Međutim, ograničena kopnenim zemljištem koje se može iskorištavati i izvorima energije vjetra, pučinska energija vjetra postupno je postala trend razvoja. Konkretno, kineska jugoistočna obalna područja su gospodarski razvijena, imaju dobro-uspostavljenu elektroenergetsku mrežu i obilne izvore energije vjetra na moru, što ih čini vrlo prikladnim za-razvoj velikih razmjera i mrežno povezivanje vjetroelektrana na moru.
2. Trenutačni status industrije vjetroelektrana na moru
Godine 2020. globalni novopovezani kapacitet pučinske vjetroelektrane premašio je 6 GW, otprilike isto kao i 2019. Deset godina ranije, 2010., globalni novoinstalirani pučinski kapacitet vjetroelektrane bio je manji od 1 GW. U međuvremenu, udio pučinske vjetroelektrane u globalnom novoinstaliranom kapacitetu vjetroelektrane također je porastao s 2,5% u 2010. na sadašnjih 7%.
2.1 Trenutno stanje i trendovi prekomorske industrije vjetroelektrana na moru
Što se tiče poretka zemalja prema novoinstaliranom kapacitetu, prvih pet svjetskih tržišta vjetroelektrana na moru u 2020. bili su Kina, Nizozemska, Belgija, UK i Njemačka. Stručnjaci iz industrije predviđaju da će globalno tržište pučinske vjetroelektrane doživjeti prosječnu godišnju stopu rasta od preko 30% između 2020. i 2025. Ova se procjena temelji na sljedećim razlozima:
01
Nagli pad troškova pučinske vjetroelektrane posljedica je povećanja veličine pučinskih vjetroturbina (vidi sliku 2-1), što može značajno uštedjeti na početnim ulaganjima i kasnijim troškovima rada i održavanja.
Slika 2-1 Globalni razvojni trendovi offshore vjetroturbina
Izvor podataka: GWEC Market Data Platform, kolovoz 2020
02
Uz vlade diljem svijeta koje podižu svoje ciljeve za razvoj offshore vjetroelektrana, očekuje se brzi rast azijskih tržišta Kine, Vijetnama, Japana i Južne Koreje. Na europskom tržištu, osim što zapadnoeuropske zemlje nastavljaju snažno razvijati offshore vjetroelektrane, istočnoeuropske zemlje također će započeti s izgradnjom offshore vjetroelektrana. Nadalje, prva velika-elektrana vjetroelektrana na moru u Sjedinjenim Državama bit će spojena na mrežu 2023.
03
Industrijalizacija plutajuće energije vjetra (vidi sliku 2-2) imat će širi raspon primjena jer je plutajuća temeljna struktura prikladna za dubokomorska područja s dubinom vode od 50 do 200 metara. Prema Svjetskom energetskom izvješću, globalni instalirani kapacitet plutajuće energije vjetra dosegnut će 8 do 10 GW do 2030. godine.
Slika 2-2 Shematski dijagram plutajuće offshore vjetroelektrane
2.2 Trenutačni status kineske offshore vjetroelektrane
Kineska industrija pučinske vjetroelektrane započela je relativno kasno, ali je njen razvoj posljednjih godina bio iznimno brz. Od 2018. kineski novopostavljeni kapacitet pučinske vjetroelektrane stalno vodi druge zemlje. Konkretno, 2020. godine novopovezani mrežni kapacitet Kine premašio je 3 GW po prvi put. Na temelju kumulativnog instaliranog kapaciteta, Kina je nadmašila Njemačku i do kraja 2020. postala drugo{6}}najveće tržište pučinske vjetroelektrane na svijetu. Prema procjenama temeljenim na stopama rasta pučinske vjetroelektrane u raznim zemljama, Kina je 2021. zamijenila UK kao najveće svjetsko tržište pučinske vjetroelektrane.
2.2.1 Opseg instaliranog kapaciteta i priključenja na mrežu nastavlja rasti.
Projekt pučinske vjetroelektrane Shanghai Donghai Bridge, prvi veliki -projekt pučinske vjetroelektrane u Kini, koji je započeo 2006., a započeta izgradnja 2008., uspješno je instalirao 34 jedinice pučinske vjetroturbine domaće proizvodnje od 3 MW, s ukupnim instaliranim kapacitetom od 102 MW, čime je otvoren uvod u razvoj pučinske vjetroelektrane u Kini.
Godine 2016. Nacionalna uprava za energetiku objavila je 13. pet-godišnji plan za razvoj energije vjetra i uvela niz glavnih povoljnih politika za poticanje razvoja energije vjetra na moru, što također znači da je razvoj energije vjetra na moru u Kini prešao s "demonstracije projekta" na brzu stazu "brzog razvoja".
Godine 2020. projekti vjetroelektrana na moru ušli su u kritično razdoblje užurbane instalacije. Prema statistici, u prvoj polovici godine istodobno je u izgradnji bilo 30 projekata instalirane snage 12.972.800 kilovata, uključujući 11 novozapočetih projekata i 3 projekta koja su u potpunosti priključena na mrežu.
2.2.2 Kapacitet pojedinačne jedinice vjetroturbina povećava se iz godine u godinu.
Prema podacima s kraja 2019., u pogledu kapaciteta pojedinačne jedinice, jedinice od 4 MW imaju najveći kumulativni instalirani kapacitet, dok je 5 MW postalo glavni model za projekte vjetroelektrana na moru (vidi sliku 2-3).
Dana 12. srpnja 2020., prva kineska vjetroturbina od 10 MW uspješno je spojena na mrežu i proizvodila je električnu energiju u vjetroelektrani na moru Xinghua Bay u provinciji Fujian, postavljajući novi rekord za kapacitet jedne vjetroturbine na moru u Kini. Iz perspektive razvojnih planova proizvođača vjetroturbina, 8 MW postalo je nova polazna točka, a velike-obačne vjetroturbine od 10 MW i više navedene su kao ključni razvojni modeli.
Slika 2-3 Postotak kapaciteta offshore vjetroturbina u Kini na kraju 2019.
2.2.3 Izgradnja vjetroelektrana na moru postupno se pomiče s priobalnih plitkih voda na duboka-mora i duboka-vodena područja.
Do kraja 2019. ukupni odobreni kapacitet pučinske vjetroelektrane u Kini dosegnuo je 35 milijuna kilovata. Među njima, Jiangsu i Guangdong imaju odobrene kapacitete veće od 10 milijuna kilovata, dok su Fujian i Zhejiang odobrili kapacitete veće od 3 milijuna kilovata. Dostupni-obalni resursi za budući razvoj su ograničeni, dok Kina ima golemo područje dubokih-morskih voda koje se mogu iskoristiti, za koje se očekuje da će u budućnosti postati fokus razvoja pučinske energije vjetra.
3. Hardverski zahtjevi za industrijske Ethernet sklopke u offshore vjetroelektranama
Vjetroturbine i trafostanice na moru izgrađene su desecima kilometara od kopna, u iznimno teškim uvjetima. Ovo postavlja vrlo visoke zahtjeve na opremu, posebno na core komunikacijsku opremu, prvenstveno u pogledu pouzdanosti, otpornosti na slani sprej, visoke i niske temperature te elektromagnetske smetnje. Nadalje, održavanje opreme na moru ograničeno je vremenskim prilikama, pomorskim propisima i rasporedom plovila, što čini i hitno i rutinsko održavanje izuzetno teškim, s vrlo nepredvidivim vremenom. Ovo postavlja izuzetno visoke zahtjeve za stabilan i pouzdan rad Ethernet preklopnika.
3.1 Zahtjevi za pouzdanost
Nekoliko ključnih pokazatelja pouzdanosti opreme:
1) Srednje vrijeme do kvara (MTTF)
2) Srednje vrijeme između kvarova (MTBF)
3) Srednje vrijeme do popravka (MTTR)
3.1.1 Indikator MTBF
Jedan od najvažnijih pokazatelja performansi za industrijske Ethernet preklopnike je srednje vrijeme između kvarova (MTBF). Najšire prihvaćeni i najmjerodavniji standardi su MIL-HDBK-217, GJB/Z299B i Bellcore. Većina stranih marki industrijskih prekidača koristi američki MIL-HDBK 217F kao referentni standard i koristi HALT (High-Accelerated Life Test) i HASS (High-Accelerated Stress Screening) testove tijekom istraživanja i razvoja i testiranja proizvodnje kako bi se provjerilo ispunjava li MTBF proizvoda zahtjeve dizajna. MTBF većine industrijskih Ethernet preklopnika je preko 20 godina, a neki čak prelaze 50 godina.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) uglavnom se koristi u fazi istraživanja i razvoja proizvoda. Učinkovit je u otkrivanju mogućih nedostataka u proizvodima i važna je metoda ispitivanja za inženjere dizajna za poboljšanje pouzdanosti proizvoda.
HASS (Highly Accelerated Stres Screening) je visoko-ubrzani proces provjere stresa koji se izvodi na proizvodnoj liniji nakon što su proizvodi prošli HALT test kako bi se odredile njihove radne ili destruktivne granice. 100% proizvoda mora sudjelovati u provjeri. Njegova je svrha osigurati da proizvedeni proizvodi nemaju skrivene nedostatke ili barem identificirati i riješiti te nedostatke prije nego što proizvodi napuste tvornicu. HASS koristi ubrzani stres kako bi pronašao neispravne proizvode u kratkom vremenu, skratio ciklus korektivnih radnji i identificirao proizvode s istim problemima.
3.1.2 Indikator MTTR
Tipični zahtjevi za lokacije vjetroelektrana na moru su: srednje vrijeme do popravka (MTTR) koje daje proizvođač, što je općenito 0,5 do 1 sat kada se ne uzimaju u obzir vrijeme podrške upravljanju i vrijeme isporuke; a vrijeme za dijagnosticiranje (ili pregled) i ažuriranje neispravnih utikača treba biti manje od 30 minuta.
Ako industrijski prekidač doživi hardverski kvar i ako se ne uzimaju u obzir vrijeme podrške upravljanja i vrijeme isporuke, a potrebna je samo jednostavna zamjena, u većini slučajeva proizvod industrijskog prekidača može se zamijeniti u roku od 1 sata, ispunjavajući kupčeve MTTR zahtjeve.
3.2 Zahtjevi za otpornost na koroziju
Ključna karakteristika morskog operativnog okruženja je visoka razina slane vode. Proizvodi industrijskog Ethernet preklopnika moraju imati dizajn zaštitnog premaza na sklopnoj ploči kako bi se postigla razina zaštite G3 i potpuno u skladu sa zahtjevima standarda ISA-S71.04-1985 (klasifikacija G3- Hash Group A) i EN60068-2-60 Metoda 4 kako bi radili stabilno i pouzdano dugo vremena u surovim morskim uvjetima.
Rane offshore vjetroelektrane imale su veliki broj kvarova na prekidačima. Nakon otvaranja kućišta prekidača, na sklopnim pločama su pronađeni vidljivi tragovi opekotina. Jedan od razloga za to bio je taj što ti prekidači nisu imali zaštitni premaz.
3.3 Zahtjevi za visoke i niske temperature
Budući da se različite vjetroelektrane na moru nalaze na različitim geografskim širinama, njihovi klimatski uvjeti uvelike variraju. Na primjer, zimi najniža temperatura u vjetroelektrani na moru Zhuanghe u Dalianu može doseći -15 stupnjeva Celzija, dok ljeti najviša temperatura u vjetroelektrani na moru Xuwen u Zhanjiangu može doseći 38 stupnjeva Celzija. Temperatura unutar tornjeva vjetroturbina može biti čak i viša od vanjske temperature. Stoga se na normalnu radnu temperaturu industrijskih sklopki postavljaju vrlo visoki zahtjevi.
Iako većina proizvođača industrijskih prekidača na tržištu navodi radne temperature svojih prekidača kao -40 stupnjeva do +70 stupnjeva , ili čak -40 stupnjeva do +85 stupnjeva , ove brojke izvedene su iz kratkotrajnih-laboratorijskih ispitivanja. Na primjer, zahtjevi za ispitivanje ugledne domaće ustanove za ispitivanje određuju da u okruženjima s visokom{12}}temperaturom prekidač, dok je uključen, treba staviti u središte komore za ispitivanje okoliša, a temperaturu treba podići na 70 stupnjeva i održavati 2 sata. Uređaj bi trebao funkcionirati normalno na +70 stupnjeva, a stopa pohranjivanja i prosljeđivanja trebala bi doseći 100%. Ako je ovaj zahtjev ispunjen, promjena se smatra合格 (kvalificirana/prihvatljiva).
Tehnički zahtjevi za isto -temperaturno okruženje su sljedeći: Prekidač, dok je uključen, postavlja se u središte komore za ispitivanje okoliša, a temperatura se snižava na -40 stupnjeva, a zatim se na toj temperaturi održava 2 sata. Uređaj bi trebao funkcionirati normalno na -40 stupnjeva, sa stopom pohranjivanja i prosljeđivanja od 100%; također bi se trebao moći normalno pokrenuti na -40 stupnjeva. Ako su ti zahtjevi ispunjeni, smatra se 合格 (kvalificiranim/prihvatljivim). Stoga test samo provjerava može li raditi stabilno 2 sata na ovoj ekstremnoj temperaturi.
Dok industrijski prekidači u offshore vjetroelektranama ne moraju izdržati tako ekstremne temperature, oni moraju raditi kontinuirano tijekom duljeg razdoblja u surovim temperaturnim okruženjima, te čak mogu biti podložni dodatnim štetnim učincima iz drugih vanjskih okruženja. Samo za industrijske prekidače koji su izdržali test vremena može se reći da zadovoljavaju zahtjeve visokih i niskih temperatura za vjetroelektrane na moru.
(Nastavit će se)