Las operaciones remotas de campo petrolero a menudo se enfrentan al desafío de proporcionar energía confiable en entornos submarinos duros. Fuentes de energía tradicionales como generadores de superficie o baterías pueden limitarse en eficiencia y longevidad, especialmente a medida que los campos se mueven hacia aguas más profundas, más lejos de la costa, o requieren distancias de atajo.

La necesidad de energía subsea en operaciones offshore modernas

A medida que los campos offshore maduran y los operadores empujan hacia cuencas más profundas y remotas, la demanda de energía subséa ha crecido afiladamente. El equipo de procesamiento subséa, como bombas multifase, sistemas de separación y compresores, requiere una potencia eléctrica significativa para impulsar la producción, ampliar la vida de campo y permitir desarrollos más largos.

Paralelamente, la industria se mueve hacia sistemas de subsea todo-eléctricos, que eliminan fluidos de control hidráulico y reducen el peso de la parte superior. Potenciar estos sistemas desde una plataforma distante o instalación onshore se vuelve impráctico más allá de 100 millas#8211;150 km. La generación de energía subsea ofrece una alternativa: producir electricidad directamente en el fondo marino, utilizando recursos energéticos locales como corrientes o gas natural del embalseoductor, o hidrógeno.

Principales innovaciones en la generación de energía subsea

Varias tecnologías están ahora a la vanguardia de la generación de energía subséa, cada una con ventajas distintas para diferentes condiciones de funcionamiento. La más prometedora incluye turbinas submarinas, células de combustible, sistemas híbridos y conceptos emergentes como turbinas de gas subséa y almacenamiento energético.

Turbinas submarinas

Las turbinas submarinas de bajo agua aprovechan la energía cinética de las corrientes oceánicas y las mareas para generar electricidad. Diseñados para entornos de alta presión y corrosivos, estas turbinas se montan normalmente en bases basadas en la gravedad o ancladas al fondo marino. Producen energía continua y predecible en regiones con flujos de marea fuertes o corrientes o de océano consistentes.

Aunque las corrientes de marea son específicas para el sitio, muchas cuencas de aguas profundas (por ejemplo, Brasil offshore, África Occidental y el Mar del Norte) experimentan suficientes flujos para generar energía significativa. Los principales retos técnicos son la manipulación, la corrosión y el mantenimiento de sellos rotativos bajo presión extrema. La investigación continua en recubrimientos avanzados, la prevención de la bioapulsión y generadores de transmisión directa (el servicio de cambios) está mejorando rápidamente la vida

Células de combustible de Subsea

Las células de combustible ofrecen un método silencioso de la generación de energía eléctrica mediante reacciones químicas. Para aplicaciones submarinas, la membrana de intercambio proton (PEM) y las células de combustible de óxido sólido (SOFC) son las más estudiadas. Las células de combustible PEM funcionan a baja temperatura (60 manzanas#8211;80 sellados#176;C) usando hidrógeno y aire puro (o oxígeno), produciendo sólo agua y calor como presiones de subproductos.

Los SOFC operan a temperaturas más altas (600#8211;1000ác#176;C) y pueden funcionar directamente en gas natural, reformando el metano internamente, lo que es una ventaja importante para las instalaciones de subsea porque se evita el transporte y almacenamiento de hidrógeno. Proyectos como el ]DeepSea Subsea Fuel Cell] (desarrollado por Aker Solutions y otras células de presión)

Turbinas de gas de Subsea

A pesar de que se están desarrollando turbinas de gas subséperes para aplicaciones de alta potencia (escala de megawat). Estas turbinas se derivan de turbinas de gas aero-derivativas o industriales, adaptadas para el uso de subseas reemplazando la ingesta de aire con un suministro de oxígeno a bordo o utilizando el agua circundante como un disipador de calor.

Sistemas híbridos y almacenamiento energético

No hay una fuente de alimentación única óptima para todos los escenarios. Los sistemas híbridos combinan dos o más tecnologías de generación con almacenamiento energético para equilibrar la oferta intermitente y la demanda variable. Por ejemplo, una turbina submarina proporciona energía básica, mientras que una célula de combustible o un banco de baterías maneja cargas máximas o llena las brechas durante la marea de cierre.

Los sistemas de gestión energética (EMS) coordinan estas fuentes, maximizando el uso de energía renovable y minimizando el consumo de combustible. Estos sistemas son particularmente atractivos para los pozos remotos de satélite que no están continuamente atendidos; la planta híbrida puede funcionar autónomamente durante meses, transmitiendo datos de condición a través de módems acústicos o inductivos. La integración de gemelos digitales y algoritmos predictivos mejora aún más la eficiencia pronos previsionando velocidades actuales, la degradación de las células de la degradación de las células de combustible y la baterías.

Ventajas para operaciones remotas de campo de petróleo

Los sistemas de energía submarina modernos ofrecen beneficios concretos que mejoran la economía de proyectos y el rendimiento ambiental:

  • ]Reliability mejorado: Generating power locally elimina el punto de falla más largo, el cable umbilical o el generador de la parte superior. Las centrales eléctricas subsea están diseñadas para una alta disponibilidad (a menudo ⁇ 98%), con múltiples redundancias y diagnósticos remotos. Esto reduce el tiempo de inflexión y el defermento de producción no planeado.
  • Beneficios ambientales: Las turbinas subacuáticas producen emisiones cero durante la operación. Las células de combustible que utilizan gas natural logran cerca de cero NOx y SOx, y si el hidrógeno es originado por electrolisis renovable, las emisiones de carbono disminuyen a cero. Las turbinas de subsea pueden incorporar la captura o la reposición de carbono, reduciendo drásticamente la huella de carbono total.
  • ]Eficiencia del Cost: El gasto de capital para la generación de energía subséa es a menudo inferior al de cables de salida largos y sus transformadores asociados y conmutadores. Los costos operativos se reducen porque no hay transporte de combustible continuo (para marea) o porque el gas producido se utiliza localmente en lugar de desactivado.
  • ] Flexibilidad Operacional: Los sistemas de energía subséa pueden ser reequipados a los subsuelos existentes o a los manifolds sin importantes modificaciones de la parte superior. También permiten distancias de atajo más allá de 100 km, abriendo nuevas reservas que antes eran poco económicas. La potencia se puede ampliar agregando módulos de turbina o pilas de pilas de pilas de pilas de combustible.
  • Mejoras seguras: El equipo de generación de localización en los fondos marinos reduce el número de personal en las plataformas y la necesidad de manejo de combustibles peligrosos en la parte superior. Los sistemas de subsea están diseñados para intervenciones de funcionamiento remoto, reduciendo la exposición a las operaciones de clima pesado y elevación.

Estudios de casos y despliegues en el mundo real

Aunque la generación de energía subsea sigue siendo un mercado de nicho, varios proyectos pioneros han validado la tecnología en entornos operacionales.

Una de las primeras demostraciones a gran escala fue el proyecto Subsea Gas Compression en Equinor manzana#8217;s Asgard field, que utilizó una turbina de alta potencia para impulsar compresores para una mayor recuperación de gas. Mientras que la turbina demostró ser la misma tecnología para el impulso eléctrico.

Un ejemplo más reciente es la Potencia marina orbital O2] turbina (2 MW), desplegada frente a la costa de Escocia, que se ha utilizado para suministrar energía a estaciones de carga submarina para vehículos submarinos autónomos (AUVs). Aunque no alimenta directamente el equipo de producción, el proyecto demuestra la madurez de turbinas de marea en un entorno de alta energía.

En 2021, OneSubsea (una empresa Schlumberger) anunció la prueba exitosa de un sistema de células de combustible subséa valorado a 10 kW, diseñado para alimentar sensores de subsuelos y módulos de control durante largos períodos. El sistema operado durante más de 6 meses en un entorno de los fondos marinos simulados, demostrando la durabilidad de las células de combustible PEM bajo presión.

El almacenamiento de energía subséa también ha visto uso práctico. Battery Energy Storage Systems (BESS)] desplegado por Saipem en el Mar Mediterráneo proporciona potencia de respaldo para unidades de control de subseas, asegurando que las válvulas y los actuadores permanecen funcionales durante las interrupciones de la energía de la parte superior.

Para más información sobre proyectos específicos, véase Offshore Magazine limitar#8217; s coverage of subsea fuel cell advances y Equinor limit#8217;s overview of subsea compresión technology].

Desafíos y obstáculos técnicos

A pesar de los rápidos progresos, el despliegue de la generación de energía submarina enfrenta varios retos importantes:

  • Alto Presión y Corrosión: El equipo debe operar a profundidades de agua superiores a 3000 metros, con presión externa hasta 300 bar. Todos los materiales, sellos y penetraciones eléctricas deben estar cuidadosamente diseñados para prevenir el ingreso de agua de mar. Sistemas de compensación de presión activa (por ejemplo, en recintos llenos de aceite) añaden complejidad.
  • Reliability for 25+ Years: Los sistemas de energía de subsea deben diseñarse para una intervención mínima o sin intervención sobre la vida del campo. Esto exige pruebas extensas, derrames de componentes y redundancia incorporada. Por ejemplo, los rodamientos en turbinas submarinas a menudo requieren sellos de funcionamiento seco o levitación magnética para eliminar el desgaste.
  • Power Conditioning and Transmission: El voltaje y la frecuencia generados deben ajustarse a las exigencias del equipo subsea. La electrónica de energía (por ejemplo, unidades de frecuencia variable) es necesaria para convertir y regular la energía; estos mismos electrónicos son un punto de falla. Transmitir la energía a través de conectores subsea con bajas pérdidas sigue siendo un reto de ingeniería, especialmente para aplicaciones directas de alta tensión (HVDC).
  • ]Mantenimiento e intervención: Si un generador de subsea falla, el costo de movilización para un buque de reparación puede ser de millones de dólares diarios. Por lo tanto, los diseños modulares que permiten la sustitución de unidades de energía basadas en ROV son esenciales. Algunos operadores están desarrollando interfaces de potencia de subsea estandarizadas para permitir el intercambio de módulos de generadores.
  • Crecimiento de la marina y bioincrustación: Las turbinas subacuáticas y los intercambiadores de calor son vulnerables a la bioincrustación, lo que reduce la eficiencia y puede bloquear las partes móviles. Los revestimientos antiincrustantes y las operaciones de limpieza periódica (por ejemplo, mediante cepillos de ROV o dosis química) son necesarios en aguas de alto crecimiento.
  • Permiso ambiental:] Las turbinas tidal pueden afectar a la hidrodinámica local y la vida marina. Las células de combustible, especialmente las que utilizan gas natural, requieren permisos para combustión (aunque el agotamiento es mínimo). Las evaluaciones de impacto ambiental y la vigilancia continua son obligatorias para la mayoría de los proyectos.

Future Outlook

La trayectoria de la generación de energía subsea apunta hacia una mayor integración con las tecnologías digitales y autónomas. Para 2030, varias tendencias probablemente reformarán el paisaje.

Grid inteligente y gemelas digitales

Los operadores están desarrollando redes inteligentes de subsea que conectan múltiples fuentes de energía, turbinas, pilas de combustible, con balanceo de carga en tiempo real. Los gemelos digitales del sistema de energía permiten a los operadores predecir fallos, optimizar el consumo de combustible y simular el impacto de añadir nuevas cargas.Este enfoque, ya utilizado en sistemas de utilidades de alta costura, está siendo adaptado para subsea por empresas como

Almacenamiento de energía como servicio

En lugar de poseer baterías, los operadores pueden alquilar unidades de almacenamiento de energía subséa como servicio, con el proveedor responsable de mantenimiento y sustitución. Este modelo de negocio reduce capital inicial y fomenta la innovación en la química de almacenamiento (por ejemplo, baterías de flujo, almacenamiento de hidrógeno) que pueden soportar alta presión.

Integración con viento desbordado

Aunque las turbinas eólicas offshore son estructuras superficiales, su electricidad puede ser transmitida subséa a los pozos remotos de energía. Sin embargo, el siguiente paso podría ser subestaciones flotantes que combinan el poder eólico con la generación de subseas, creando un microgrido híbrido que utiliza el poder de las células de marea o combustible cuando el viento es bajo.

Potencia para vehículos submarinos autónomos (UA)

La generación de energía subséa también puede servir a la creciente flota de vehículos usados para la inspección, mantenimiento y reunión de datos. Las estaciones de acoplamiento equipadas con células de combustible subséa o turbinas de marea pueden recargar los vehículos de combustible inalámbrico (a través de acoplamientos inductivos), permitiendo operaciones submarinas persistentes sin buques de apoyo superficial.

El largo plazo: Factores de los fondos marinos

La visión final es la fábrica de fondos marinos, donde todos los equipos de producción, separación y compresión están completamente electrificados por la energía subséa local. Esto eliminaría la necesidad de cualquier infraestructura superficial, reduciendo drásticamente los costos de capital y los riesgos de seguridad. Las turbinas de gas subséa quemarían el gas producido para generar electricidad, mientras que las turbinas de combustible y las tidas proporcionan respaldo.

En resumen, las innovaciones en la generación de energía subséa están desbloqueando nuevas posibilidades para las operaciones remotas de campo de petróleo. Las turbinas subacuáticos, las células de combustible y los sistemas híbridos ofrecen alternativas fiables, limpias y rentables a la energía de primera línea tradicional. Si bien siguen existiendo problemas técnicos, los proyectos de campo probados y el continuo RC2 indican que el poder de subs se convertirá en un componente estándar del desarrollo de las aguas profundas.