TELE-FONIKA Kable S.A.
Sieć ekspercka
17.09.2018

Przesyłanie Energii Elektrycznej Drogą Morską

Przesyłanie Energii Elektrycznej Drogą Morską
Wojciech Skoczylas - Wiceprezes ds. Sprzedaży Wysokie Napięcia, TFKable Group
Leszek Resner - Szef Produkcji, TFKable Group
 
Niniejszy artykuł przedstawia opis kabli, stosowanych w sektorze kabli podmorskich, produkowanych w Zakładzie Bydgoszcz Grupy TFKable. Opisuje ich rodzaje, przeznaczenie oraz wskazuje na różnice w  konstrukcji wynikającej w głównej mierze z ich wszechstronnego  przeznaczenia. Począwszy od kabli typu SPC1 (Subsea Power Cables), SPU (Subsea Production Umbilical)2 czy Intra-Array Cable3 poprzez kable kontrolne IWOCS (Intervention Workover Control System)4 skończywszy na kablach typu INTERCONECTOR5 łączące wyspy i państwa. Procesowi produkcyjnemu kabli podmorskich towarzyszy precyzja, powtarzalność oraz najwyższa jakość wykonania. Wykorzystanie technologii „Factory-Joint”6 na etapie produkcyjnym przekłada się na ich niezawodność w trakcie eksploatacji ponieważ ewentualna awaria w przeznaczonym dla nich środowisku pracy wiąże się z wysokimi kosztami oraz złożonymi procedurami naprawczymi. 
 
1 Kable typu SPC (Subsea Power Cables) - kable przeznaczone do przesyłu  prądu elektrycznego najczęściej pomiędzy platformami morskimi lub platformą a lądem.
2  SPU (Subsea Production Umbilical) - tzw. Umbilical to kable przeznaczone do przesyłu prądu elektrycznego, płynów, gazów oraz danych informacyjnych i innych mediów niezbędnych do funkcjonowania platform wydobywczych
3 Intra-Array Cable – kable wykorzystywane do przesyłania energii elektrycznej pomiędzy turbinami wiatrowymi zainstalowanymi na morzu.. 
4 IWOCS (Intervention Workover Control System) - system pozwalający na szybkie przywrócenie zasilania w energie elektryczną w przypadku wystąpienia awarii układów  systemów podmorskich. Stosowany również do tymczasowego zapewnienia zasilania urządzeń zainstalowanych na dnie morza.
5 INTERCONECTOR – kabel energetyczny wysokiego napięcia, najczęściej o napięciu od 150kV, przeznaczony to transferu energii drogą morską na duże odległości.
6  FACTORY-JOINT – łączenie dwóch odcinków, pojedynczych żył kabli energetycznych w procesie wytwarzania kabli podmorskich, poprzez odtworzenie poszczególnych warstw konstrukcji kabla.
  

WPROWADZENIE   

Pierwszy podmorski kabel, przeznaczony do przesyłu energii elektrycznej został położony w Bawarii, na dnie rzeki Isar w 1811 r. Od tej chwili rozpoczął się proces ich nieustannego rozwoju, zmian konstrukcyjnych mających na celu zwiększenie poziomu napięcia, obciążenia oraz długości samych kabli. Od samego początku kable podmorskie charakteryzowały się koniecznością stosowania w ich budowie tzw. uszczelnienia pełniącego funkcję zabezpieczenia przed negatywnym wpływem wody i wilgoci na właściwości izolacyjne kabla. W połączeniu z zabezpieczeniami mechanicznymi (pancerzem) kable podmorskie wyróżniały się na tle pozostałych dostępnych na rynku kabli i przewodów.

 
Sieć ekspercka
Rys. 1. Bydgoska Fabryka Kabli z lat 20-tych XX w.
 

Grupa TFKable swoją historię z kablami podmorskimi rozpoczęła w 2008 roku kiedy w Zakładzie Bydgoszcz uruchomiono produkcję jednożyłowych kabli elektroenergetycznych dla brytyjskiej spółki JDR Cable Systems. W efekcie realizacji stabilnej strategii rozwoju w sierpniu 2017 r. Grupa TFKable nabyła brytyjską spółkę specjalizującej się w dostarczaniu wysokowydajnych, zaawansowanych technologicznie systemów podmorskich, które znajdują zastosowanie w sektorach wydobywczych ropy naftowej i gazu oraz energii odnawialnej.Tym samym, Grupa TFKable dołączyła do światowej czołówki dostawców rozwiązań z branży przemysłu energii elektrycznej drogą morską.

Sieć ekspercka
  Rys. 2. Zakład produkcyjny Bydgoszcz
 
Kable stosowane do przesyłania energii elektrycznej droga morską.

JDR to dostawca światowej klasy rozwiązań podmorskich dla sektora ropy naftowej i gazu oraz energetyki odnawialnej. Od 20 lat z sukcesem rozwija się dzięki wiedzy technologicznej i wiarygodności. Portfolio firmy JDR rozrasta się z roku na rok, firma angażuje się w coraz to nowsze i bardziej zaawansowane technologicznie przedsięwzięcia z zakresu projektowania, produkcji, dostaw, instalacji oraz prac serwisowych.

Sieć ekspercka

Rys. 3. Portfolio kabli podmorskich oferowanych przez JDR w zależności od aplikacji. Od prawej strony kabel typu SPC, dwa typy kabli Umbilical, system IWOCS

Kable SPC (subsea power cables) – to grupa kabli energetycznych zmienno-prądowych, przesyłających prąd elektryczny najczęściej pomiędzy platformami lub turbinami wiatrowymi, ulokowanymi na morzu oraz między platformą a lądem. Do tej grupy zalicza się również tzw. kable Intra-Aray, zaprojektowane między innymi do bezpośredniego łączenia ze sobą turbin wiatrowych. Typowa konstrukcja takiego kabla składa się z 3 żył kabla wykonanego w technologii z uszczelnianą żyłą roboczą oraz izolacją XLPE, skręconych razem z dodatkowym przewodem światłowodowym, zabezpieczone warstwą taśm bitumicznych, pancerza z drutów stalowych oraz warstwą zewnętrzną, chroniącą całość.  Pojedyncze kable, które są produkowane w zakładzie Bydgoszcz, a następnie zgodnie z procesem produkcji przekazywane do fabryki w Hartlepool, charakteryzują się unikalną technologią uszczelniania żył roboczych. Uszczelnienie to gwarantuje odporność na wnikanie słonej wody pod ciśnieniem min.  5 bar co odpowiada ok. 50 m głębokości.

Z uwagi  na ograniczenia, wynikające z możliwości produkcyjnych w stosunku do długości pojedynczych odcinków, szeroko stosowaną praktyką przy produkcji kabli podmorskich jest łączenie pojedynczych żył w procesie ich skręcania, stosując przy tym metodę tzw.  FACTORY-JOINT. W przypadku kabli podmorskich, wymagany jest specyficzny sposób łączenia, taki który zagwarantuje podobną wytrzymałość, jak oryginalny fragment kabla oraz bardzo wysoką jakość. Co więcej, istotnym, ze względu na charakter procesu produkcyjnego jest również zachowanie zbliżonej średnicy w miejscu łączenia do oryginalnego fragmentu kabla, tak aby umożliwić przeciąganie go przez kolejne elementy linii produkcyjnych.

Sieć ekspercka
Rys. 4. Przykładowy schemat FACTORY-JOINT dla kabla DC 120kV
 

Wykonanie łączenia typu FACTORY-JOINT, polega na połączeniu żyły roboczej przy pomocy specjalnie zaprojektowanych zgrzewarek, odtworzeniu warstw półprzewodzącej na żyle, izolacyjnej oraz półprzewodzącej na izolacji,  poprzez manualne nakładanie odpowiednich taśm, a następnie usieciowaniu tych warstw oraz odtworzeniu-połączeniu żyły powrotnej i powłoki. Wykonanie takiego łączenia zajmuje do kilku dni, i wymaga bardzo dokładnego sprzętu oraz wykwalifikowanego personelu. Istotą jest powtarzalność, zapewnienie odpowiedniej czystości oraz dokładność. Dzięki nieustannym próbą, szkoleniom oraz modernizacjom i udoskonalaniu sprzętu oraz procedur, spółka JDR należąca do Grupy TFKable może poszczycić się niezawodnością wykonywanych FACTORY-JOINT.

Kable SPU (Subsea Production Umbilical) – potocznie nazywanymi umbilicale projektowane są pod indywidualne potrzeby klienta. W zależności od oczekiwań mogą pełnić jednocześnie funkcję kabli energetycznych średnich lub niskich napięć, role przewodu przesyłowego dla mediów typu olej, woda, gaz oraz dostarczyć możliwość transferu danych za pomocą światłowodu czy innego rodzaju kabli teleinformatycznych. Ze względu na przeznaczenie składają się z rur wykonanych z tworzywa sztucznego lub stali, kabli, wypełnienia pełniącego często rolę wzmacnianego szkieletu oraz nieodzownego w przypadku kabli podmorskich pancerza z drutów stalowych oraz powłoki ochronnej. Materiały wysokiej jakości, potwierdzone licznymi certyfikatami, doświadczenie w projektowaniu, ciągłe doskonalenie oraz dbałość o szczegóły na najwyższym poziomie podkreślają pozycję spółki jako lidera oraz godnego zaufania dostawcy kabli SPU.

System IWOCS (Intervention Workover Control System) – składa się z przewodu zasilającego, elementów konstrukcyjnych, mechanicznych oraz hydraulicznych. Systemy IWOCS w większości składają się z przewodu typu umbilical, zainstalowanego w konstrukcji nazywanej „reeler” - zdawacz, pozwala ona na łatwy załadunek całego systemu na pokład statku oraz bezpośrednie odwijanie nawiniętego przewodu. System posiada najczęściej dodatkowo specjalny wtyk przyłączeniowy, który zdalnie wpinany jest do urządzenia znajdującego się na dnie morza.  

IWOCS używany jest jako tymczasowy przewód, zasilany ze statku w celu wykonania wstępnych odwiertów, do kontrolowania i monitorowania sprzętu podwodnego podczas prac instalacyjnych czy napraw.Systemy IWOC dostarczane przez JDR są specjalnie zaprojektowane, z przeznaczeniem do stosowania w najbardziej wymagających warunkach.

Sieć ekspercka
Rys. 5. Kable umbilical JDR przygotowane do stosowania w systemach IWOCS
 

INTERCONECTOR – to kabel energetyczny wysokiego napięcia, najczęściej o napięciu od 150kV wzwyż, przeznaczony to transferu energii drogą morską na duże odległości. Ich cel, to głównie umożliwienie swobodnego i najbardziej ekonomicznego sposobu transferowania energii elektrycznej pomiędzy krajami. Pozwala to na zapewnienie bezpieczeństwa dostaw energii i ma znaczący wpływ na niwelowanie wahania cen, co z kolei ma wpływ na wskaźniki wzrostu gospodarki kraju.

Pierwszy, komercyjny podmorski kabel HVDC został ułożony w roku 1954 w Szwecji, połączył wyspę Gotland z kontynentem (poziom napięcia wynosił 100kV, max. obciążenie 20MW, długość 90km). Do roku 2017, łączna ilość kabli typu Interconector wzrosła do około 8000km.  Z racji strat energii, jakie są generowane podczas przesyłania energii elektrycznej  kablami typu AC na dłuższe dystanse (wynikające między innymi z tzw. efektu naskórkowości), kable typu Interconector, występują najczęściej w wersji DC. Przesyłanie energii w postaci prądu stałego, immanentnie związane jest z koniecznością zastosowania stacji przetwornikowych, które z kolei stanowią znaczący udział w kosztach całej linii przesyłowej. Niemniej jednak straty energii w kablach AC, przy dużych odległościach są znacznie wyższe niż łączne koszty całego systemy DC.  Konstrukcja kabli wykonanych w technologii DC, nie odbiega znacząco od kabli, które przesyłają prąd zmienny. Konstrukcja ewoluowała podobnie jak w przypadku kabli lądowych WN, znaczący wpływ miała zmiana konstrukcji o izolacji papierowo-olejowej, na powszechnie stosowany obecnie materiał XLPE. To właśnie materiał izolacyjny, stosowany w kablach DC oraz aspekty produkcyjne i tzw. reżim technologiczny, stanowią podstawową różnicę w wykorzystywaniu  kabli przeznaczonych na napięcie stałe a zmienne. Bardzo wysoka czystość izolacji, nawet na poziomie molekularnym, dokładność oraz stabilność procesu w całej długości produkowanego odcinka, jest w tym przypadku obligatoryjnym czynnikiem uzyskania wysokiej jakości. Dlatego też stosowane, specjalne materiały XLPE, wymagają znacznie dłuższego czasu tzw. „odgazowania”. Same z kolei są zmodyfikowane w taki sposób, aby generować jak najmniej tzw. produktów ubocznych (by-products) w trakcie procesu sieciowania.
 
Sieć ekspercka 
Rys. 6. Kable typu Interconector w Europie
 

Poza podstawowymi wymaganiami wynikającymi z norm, branża energetyki morskiej charakteryzuje się  szczególnie wysokimi oczekiwaniami względem odpowiedniego zapewnienia jakości. Pełna dokumentacja produkcyjna, wykraczająca ponad podstawowe praktyki oraz obligatoryjne wymagania norm, stanowią nieodzowną część produktów dostarczanych do klientów. Nadzór nad produkcją, odbiory i badania, liczne audyty i kontrole inspektorów ze strony klientów oraz inwestorów, mają zapewnić szczególną dbałość oraz odpowiednie zaangażowanie w produkcję kabli podmorskich. Gwarancja na podstawie odpowiedniej dokumentacji procesu, w postaci elektronicznych danych z każdego etapu procesu produkcyjnego, samokontroli, badań oraz poszczególnych parametrów produkcyjnych w każdej minucie, pozwala na zdefiniowanie Grupy TFKable, jako godnego zaufania partnera. Aby osiągnąć tak wysoki poziom kontroli procesów i spełnić wszystkie oczekiwania klienta, nieodzownym są również nowoczesne maszyny, automatyczne systemy kontroli oraz pomiarów, przystosowana infrastruktura, szkolenia procedury oraz instrukcje. Przykładem tego są systemy rentgenowskie (tzw. X- Ray) oraz ultrasonograficzne, służące do ciągłego monitorowania parametrów  konstrukcyjnych kabli, czy tzw. pomieszczenia czyste. Wspomniane powyżej pomieszczenia zaprojektowane zostały tak, aby spełnić bardzo rygorystyczne wymagania klas czystości wg normy ISO 14644 - „Pomieszczenia czyste i związane z nimi środowiska kontrolowane”.

Zrealizowane projekty przez Grupę TFKable

Grupa TFKable, z powodzeniem zrealizowała ponad 60 projektów w branży energetyki odnawialnej i wydobycia ropy i gazu. Do najważniejszych należą dostarczenie kabli do dwóch największych na świecie morskich farm - London Array (2011 rok),  Greater Gabbard (2009 rok) oraz Hornsea1 (2017) a także realizowane aktualnie dostawy do farm Formosa1 i Hornsea2. W kolejnych latach JDR dostarczał kable do takich projektów jak Meerwind, Nordsee One, Dudgeon, Galloper, Veja Mate, Rampion, Race Bank, Sandbanks, Beatrice, Hornsea One. W roku 2017 TELE-FONIKA   Kable wraz z JDR, dostarczając kable dla projektów Aberdeen Bay oraz East Anglia 1, poszerzyła swoje portfolio o kable  podmorskie wysokich napięć  o napięciu do 66kV. Do roku 2017 zakład produkcyjny w Bydgoszczy dostarczył do JDR ponad 7 tyś km żył  podmorskich, na bazie tego zakład produkcyjny JDR w Hartlepool w Wielkiej Brytanii dostarczył ponad 2 tyś km kabli podmorskich.

Sieć ekspercka
Rys. 7. Wstawianie materiału izolacyjnego do komory czystości.
 

Przyszłość w energetyce morskiej.

Według Stowarzyszenia WindEurope już za kilkanaście lat około 30 proc. energii powinno być wytwarzane z wiatru. Żeby tak się mogło stać według WindEurope konieczne są inwestycje sięgające 240 mld euro do roku 2030. Grupa TF-Kable uczestniczyła i uczestniczy w realizacji ponad 30 proc., wszystkich wybudowanych i obecnie stawianych morskich farm wiatrowych. W przyszłości również w naszym kraju energetyka wiatrowa może stanowić ważne uzupełnienie tzw. miksu energetycznego. Według szacunków McKinsey & Company, gdyby faktycznie udało się wybudować elektrownie o planowanej mocy, wartość polskiego PKB dzięki inwestycjom w sektor offshore wind mogłaby wzrosnąć nawet o 66 mld złotych, natomiast polski rynek wygenerowałby ok. 77 tysięcy dodatkowych miejsc pracy. Warto zauważyć, że w opinii ekspertów Polskiego Towarzystwa Morskiej Energetyki Wiatrowej, uwzględniając uwarunkowania formalno-prawne oraz aspekty techniczno-realizacyjne można oczekiwać, że pierwsze morskie elektrownie wiatrowe w Polsce mogą dostarczyć energię z morza na ląd około 2022 roku. Przy czym realizacja pierwszej fazy budowy tych inwestycji, przypadnie na okres 2020-2025, natomiast do roku 2030 możliwe będzie wybudowanie i uruchomienie farm wiatrowych na morzu o łącznej mocy nawet 6 GW. 

Najnowsze dostępne analizy jednoznacznie pokazują, że koszt budowy morskich farm wiatrowych stale się zmniejsza. Jest to możliwe dzięki m.in. zastosowaniu nowych i większych turbin o mocy 8 MW. W rezultacie napięcie kabli łączących turbiny zmieniło się z 33kV na 66kV, a napięcie kabli eksportowych wzrosło ze 132kV do 230kV. Pozwoliło to zredukować koszt wytworzenia farm. Przykładowo: koszt wytworzenia 1 MWh na farmie West Duddon Sands, który w 2011 r. wynosił 170 euro, spadł do 65 euro, co uzyskano podczas ostatniej aukcji w Wielkiej Brytanii dla prądu z farmy Hornsea2. Dla porównania trzeba zauważyć, że według dostępnych i publikowanych danych w Wielkiej Brytanii koszt 1 MWh generowany z węgla to 72 euro, a z gazu – 70 euro. Nawet jeżeli weźmiemy pod uwagę stabilność dostaw, nie ulega wątpliwości, że koszt energii z wiatru jest realną alternatywą dla tej uzyskiwanej z paliw kopalnych. Warto przy okazji wspomnieć, że cenę 1 MWh, z dopiero co zatwierdzonej inwestycji budowy elektrowni atomowej Hinkley Point, uzgodniono na 111 euro na okres 35 lat. W roku 2025 przewidywana moc turbin będzie się kształtować na poziomie od 13 do 15 MW. Część tych turbin to turbiny pływające, co pozwoli zmniejszyć koszt wytworzenia, eliminując podstawy turbin.
 
Ciągle rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, kurczące się źródła paliw kopalnych, dojrzałość w dbaniu o środowisko naturalne oraz bardzo szybki rozwój technologii, czynią rynek energii morskiej bardzo atrakcyjnym. Dlatego też, pojawia się coraz więcej innowacyjnych, wręcz wizjonerskich projektów, które stają się coraz bardziej rzeczywiste. Przykładem jest projekt sztucznej wyspy na Morzu Północnym, która ma zasilać 80 mln ludzi w Europie w energię odnawialną i ma zostać otwarta do roku 2027. Wyspa została zaprojektowana na powierzchni 6 km kw., wraz z własnym pasem startowym i portem, będzie również otoczona polami przybrzeżnych turbin wiatrowych. Z założenia "North Sea Wind Power Hub", będzie przesyłał energię elektryczną za pośrednictwem kabli dalekiego zasięgu do Wielkiej Brytanii i Holandii, a następnie do Danii, Niemiec, Norwegii i Belgii. Holenderski operator sieci energetycznej TenneT, autor projektu, opublikował raport, w którym twierdzi, że wyspa będzie o miliardy euro tańsza niż konwencjonalne farmy wiatrowe i międzynarodowe kable energetyczne.
 
Sieć ekspercka
Rys. 8. Wizja sztucznej wyspy, wraz z wiatrakami morskimi – projekt „North Sea Wind Power Hub”

 

 Literatura:

[1]    Opracowania własne JDR.

[2]    Opracowania własne Grupy TFKable, strona internetowa www.tfkable.com.

[3]    Publikacja na stronie „TELE-FONIKA Kable przejmie firmę JDR” https://www.tfkable.com/aktualnosci/informacje,799.html

[4]    Strona internetowa www.gospodarkamorska.pl

[5]    Generating Energy & Prosperity - Offshore Renewable Catapult, March 2013.

[6]    EU Reg No 1316/2013 Connecting Europe Facility

[7]    Data submitted by London Array & Walney OREI.

[8]    General advice on assessing potential impacts of and mitigation for human activities on MCZ features, using existing regulation and legislation, June 2011.

[9]    Britned, 2014, Neart na Gaoithe Offshore Wind Development, March 2013.

[10]  HVDC Submarine Power Cables in the World,  JRC technical Reports,  Authors:  Mircea Ardelean, Philip Minnebo

[11] DEVELOPMENT OF FLEXIBLE JOINT FOR LARGE CAPACITY SUBMARINE O.F. CABLE  M. Takaoka, Member, IEEE T. Mohtai S. Yoshida The Fujikura Cable Works, Ltd. Tokyo, Japan

[12] Development of Coaxial Type DC Extruded Insulation Cable and Factory Joint Tetsuya Yamanaka , Takeo Kimura, Kazuo Watanabe , Ikuo Shigetoshi, CICRE Regional Meeting, 2001,in India

Power Transmission by Sea

Abstract: The article contains description of cables used in broadly understood industry of submarine cables, which are offered by TFKable Group. It presents types of cables together with the purpose and differences in their designs are discussed here. Cables used for transmission of electricity by sea have diverse constructions resulting from varying purposes such cables are used for, starting from the SPC1 (subsea power cables) or Intra-Array Cables2, through SPU cables (subsea production umbilical)3 or IWOCS (Intervention Workover Control System)4 up to so called INTERCONNECTOR5 cables that connect islands and countries with each other.

Production process of subsea cables must always be very precise and repeatable and ensure high quality of workmanship.  Connections of individual lengths made during production process, so called ‘FACTORY-JOINT`s6 are produced with very high attention to detail in order to ensure repeatable quality, which in turn results in high reliability of subsea cables during their operation.

Due to environmental conditions in which subsea cables operate, each failure results in great costs related to the effect itself as well as complicated repair procedures. However, constantly growing demand for this type of cables and increased interest of Poland in the development of renewable energy at sea makes this industry very attractive for cable manufacturers. 


1 SPC cables (subsea power cables) are power cables usually transmitting electricity between oil platforms or an oil platform and land.

2 Intra-Array Cables – cables used for transmitting electricity between off-shore wind turbines

3 SPU (subsea production umbilical) cables- so called ‘umbilical cables’ are cables used for supplying electricity and fluids, such as water, oil; as well as transmitting data and information with the use of fibre optics installed in the, or any other necessary consumables, for example to oil platforms 

4 IWOCS (Intervention Workover Control System) –systems allowing for quick restoration of operation, supply of power or any other utilities in the event of failure of systems – subsea systems. They may also be used for temporary supply of power to devices installed on the seabed.

5 INTERCONNECTOR – HV power cable, usually at least 150kV, used for power transmission by sea over very long distance.

6 FACTORY-JOINT – connection between two lengths of single cores of power cables made already during production of sub-sea cables by recreation of each layer of cable design.

Słowa kluczowe: Tele-Fonika Kable S.A., JDR Cable Systems, Grupa TFKable, kable podmorskie, energetyka morska, wymagania, przyszłość, kable typu SPC, SPU, IWOCS, Interconnector, FACTORY-JOINT, farmy morskie