Le operazioni di campo petrolifero remoto spesso affrontano la sfida di fornire energia affidabile in ambienti subacquei difficili. Le fonti di energia tradizionali come generatori di superficie o batterie possono essere limitate in efficienza e longevità, soprattutto quando i campi si muovono in acqua più profonda, più lontano dalla riva, o richiedono distanze di tieback prolungate.

La necessità di energia subacquea nelle operazioni offshore moderne

Poiché i campi offshore maturano e gli operatori spingono verso la profondità, più i bacini remoti, la domanda di energia subacquea è cresciuta bruscamente. L'apparecchiatura di lavorazione subacquea, come pompe multifase, sistemi di separazione e compressori, richiede una significativa potenza elettrica per aumentare la produzione, estendere la vita sul campo e consentire sviluppi più lunghi.

Parallelamente, l'industria si sta muovendo verso sistemi subacquei completamente elettrici, che eliminano i liquidi di controllo idraulici e riducono il peso superiore. L'alimentazione di questi sistemi da una piattaforma lontana o da un impianto onshore diventa impraticabile oltre 100–150 km. La generazione di energia subacquea offre un'alternativa: produrre energia elettrica direttamente sul fondale, utilizzando risorse energetiche locali come correnti oceaniche, gas naturale dal serbatoio, o dall'idrogeno.

Le innovazioni chiave nella generazione di energia subacquea

Molte tecnologie sono all'avanguardia nella generazione di energia subacquea, ognuna con vantaggi distinti per le diverse condizioni operative, tra cui turbine subacquee, celle a combustibile, sistemi ibridi e concetti emergenti come turbine a gas subacquee e stoccaggio energetico.

Turbine subacquee

Le turbine subacquee sfruttano l'energia cinetica delle correnti oceaniche e delle maree per generare energia elettrica. Progettate per ambienti ad alta pressione, corrosivi, queste turbine sono tipicamente montate su fondazioni a gravità o ancorate al fondale marino. Producono energia continua e prevedibile in regioni con forti flussi di marea o correnti oceaniche costanti.

Sebbene le correnti di marea siano specifiche per il sito, molti bacini d'acqua profonda (ad esempio, Brasile offshore, Africa occidentale e Mare del Nord) sperimentano forti flussi per generare energia significativa. Le principali sfide tecniche sono fouling, corrosione e mantenimento di guarnizioni rotazionali sotto pressione estrema.

Celle di carburante sottomarine

Le celle a combustibile offrono un metodo di generazione di energia elettrica silenziosa e a combustione zero con reazioni chimiche. Per applicazioni submarine, le cellule a combustibile a protone (PEM) e a ossido solido (SOFC) sono le più studiate. Le celle a combustibile PEM operano a bassa temperatura (60–80°C) utilizzando l'energia idrogeno puro e l'aria (ossigeno), producendo solo acqua e calore come sottoprodotti.

I sistemi SOFC funzionano a temperature più elevate (600–1000°C) e possono funzionare direttamente sul gas naturale, riformando il metano internamente, che è un grande vantaggio per le installazioni subacquee perché il trasporto e lo stoccaggio dell'idrogeno sono evitati.

Turbine di gas sottomarine

Nonostante le turbine a gas subacquee siano state sviluppate per applicazioni ad alta potenza (scala di metawatt), queste turbine sono derivate da turbine aero-derivative o industriali a gas, adattate per l'uso subacqueo sostituendo l'apporto di aria con un'alimentazione a bordo dell'ossigeno o utilizzando l'acqua circostante come dissipatore di calore.

Sistemi ibridi e stoccaggio dell'energia

I sistemi ibridi combinano due o più tecnologie di generazione con l'accumulo di energia per bilanciare l'offerta intermittente e la domanda variabile. Ad esempio, una turbina subacquea fornisce la potenza base, mentre una cella di combustibile o una banca della batteria gestisce carichi di picco o riempie le lacune durante la marea slack.

I sistemi di gestione dell'energia (EMS) coordinano queste fonti, massimizzando l'uso di energia rinnovabile e riducendo al minimo il consumo di carburante. Tali sistemi sono particolarmente attraenti per i pozzi satellitari remoti che non sono continuamente frequentati; l'impianto ibrido può funzionare autonomamente per mesi, trasmettendo i dati delle condizioni tramite modem acustici o induttivi. L'integrazione di gemelli digitali e algoritmi predittivi migliora ulteriormente l'efficienza previsionale prevedendo le velocità, prevedendo le velocità attuali, il degradando le velocità, il degrado delle celle di degrado delle celle a combustibile e il degrado.

Vantaggi per le operazioni di Oilfield remoto

I moderni sistemi di potenza subacquea offrono vantaggi concreti che migliorano l'economia del progetto e le prestazioni ambientali:

  • Affidabilità potenziata:[] La generazione di energia elimina localmente il punto di guasto più lungo: il cavo o il generatore di alto livello. Le centrali subacquee sono progettate per una elevata disponibilità (spesso > 98%), con una ridondanza multipla e una diagnostica remota.
  • Vantaggi ambientali:[ Le turbine subacquee producono emissioni zero durante il funzionamento. Le celle a combustibile che utilizzano gas naturale raggiungono NOx e SOx vicini allo zero, e se l'idrogeno viene generato da elettrolisi rinnovabile, le emissioni di carbonio cadono a zero. Le turbine a gas subacquee possono incorporare la cattura o la reiniezione del carbonio, riducendo drasticamente l'impronta generale del carbonio.
  • Efficienza dei costi:[ La spesa per la produzione di energia subacquea è spesso inferiore a quella per i cavi di step-out lunghi e i loro trasformatori e switchgear associati. I costi operativi sono ridotti perché non c'è trasporto di carburante in corso (per marea) o perché il gas prodotto viene utilizzato localmente invece di essere svagato.
  • Flessibilità operativa:[] I sistemi di alimentazione subacquea possono essere rettituiti agli alberi o ai collettori sottomarini esistenti senza modifiche di alto livello. Inoltre consentono distanze di cravatta prolungate oltre 100 km, aprendo nuove riserve che erano in precedenza poco economiche.
  • Miglioramenti di sicurezza:[[] L'attrezzatura di generazione in cantiere sul fondale riduce il numero di personale su piattaforme e la necessità di una movimentazione di carburante pericolosa al di sopra della superficie. I sistemi subacquei sono progettati per interventi a distanza, abbassando l'esposizione a condizioni meteorologiche pesanti e operazioni di sollevamento.

Studi sui casi e Distribuzioni reali

Sebbene la generazione di energia subacquea sia ancora un mercato di nicchia, diversi progetti pionieristici hanno convalidato la tecnologia in ambienti operativi.

Una delle prime dimostrazioni su larga scala è stata il progetto Subsea Gas Compression[], che ha utilizzato una turbina subacquea ad alta potenza per guidare compressori per il recupero del gas. Mentre la turbina era principalmente per l'azionamento meccanico, la stessa tecnologia è stata adattata per la stessa generazione di gas.

Un esempio più recente è la turbina Orbital Marine Power O2 (2 MW), schierata al largo della costa scozzese, che è stata utilizzata per fornire energia alle stazioni di ricarica subacquee per veicoli subacquei autonomi (AUVs).

Nel 2021, OneSubsea[] (una società Schlumberger) ha annunciato il successo di un sistema a celle a combustibile sottomarine con un punteggio di 10 kW, progettato per alimentare sensori e moduli di controllo sottomarine per periodi prolungati. Il sistema operato per oltre 6 mesi in un ambiente simulato a base di mare, dimostrando la durata delle celle a combustibile PEM sotto pressione.

Sistemi di stoccaggio dell'energia della batteria (BESS)[] distribuiti da []Saipem[ nel Mar Mediterraneo forniscono potenza di backup per le unità di controllo subsea, assicurando che le valvole e gli attuatori rimangano funzionali durante le interruzioni di corrente di alto livello.

Per ulteriori informazioni su progetti specifici, vedere []Offshore Magazine’s copertura di progressi delle celle a combustibile subacqueo[[ e Equinor’s panoramica della tecnologia di compressione subacquea[].

Sfide e ostacoli tecnici

Nonostante i rapidi progressi, l'implementazione della generazione di energia subacquea affronta diverse sfide significative:

  • Alta pressione e corrosione:[] L'attrezzatura deve operare a profondità d'acqua superiore a 3000 metri, con pressione esterna fino a 300 bar. Tutti i materiali, i sigilli e le penetrazioni elettriche devono essere accuratamente progettati per prevenire l'ingresso dell'acqua di mare.
  • Affidabilità per 25+ Anni:[] I sistemi di alimentazione subacquea devono essere progettati per nessun intervento minimo sulla vita del campo. Questo richiede un'estesa prova, deragliamento dei componenti e ridondanza incorporata. Ad esempio, i cuscinetti nelle turbine subacquee richiedono spesso guarnizioni a secco o una levitazione magnetica per eliminare l'usura.
  • Condizionamento e trasmissione del cavo:[ La tensione e la frequenza generati devono corrispondere alle esigenze delle apparecchiature submarine. L'elettronica di potenza (ad esempio, le unità di frequenza variabili) è necessaria per convertire e regolare la potenza; queste elettroniche sono un punto di guasto.
  • Maintenance e Intervento:[] Se un generatore subacqueo non riesce, il costo della mobilitazione per un vaso di riparazione può essere di milioni di dollari al giorno. Pertanto, i progetti modulari che permettono la sostituzione di unità di potenza basate su ROV sono essenziali. Alcuni operatori stanno sviluppando interfacce di potenza subsea standardizzate per consentire lo smeriglio a caldo dei moduli di generatore.
  • La crescita e la biofouling dei mari:[ Le turbine e gli scambiatori di calore subacquei sono vulnerabili alla biofouling, che riduce l'efficienza e può bloccare le parti in movimento. I rivestimenti antifouling e le operazioni di pulizia periodica (ad esempio, utilizzando spazzole ROV o dosaggio chimico) sono necessari in acque ad alta crescita.
  • Permettendo ambientale:[[] Le turbine di mare possono influenzare l'idrodinamica locale e la vita marina. Le celle a combustibile, soprattutto quelle che utilizzano il gas naturale, richiedono permessi per la combustione (anche se lo scarico è minimo).

Prospettive future

La traiettoria della generazione di energia subacquea punta verso una maggiore integrazione con le tecnologie digitali e autonome. Entro il 2030, diverse tendenze probabilmente rimodelleranno il paesaggio.

Smart Grid e Digital Twins

Gli operatori stanno sviluppando reti intelligenti subacquee che collegano più fonti di energia – turbine, celle a combustibile, batterie – con bilanciamento del carico in tempo reale. I gemelli digitali del sistema di alimentazione permettono agli operatori di prevedere guasti, ottimizzare il consumo di carburante e simulare l'impatto di aggiungere nuovi carichi. Questo approccio, già utilizzato nei sistemi di utilità topside, è stato adattato per subsea da aziende come ABB[FLT:[FLT:]]]]]

Conservazione dell'energia come servizio

Oltre a possedere batterie, gli operatori possono affittare unità di stoccaggio sottomarini come servizio, con il fornitore responsabile della manutenzione e della sostituzione. Questo modello di business riduce il capitale di fronte e incoraggia l'innovazione nella chimica di stoccaggio (ad esempio, batterie di flusso, stoccaggio di idrogeno) che può sopportare alta pressione.

Integrazione con vento offshore

Sebbene le turbine eoliche offshore siano strutture superficiali, la loro elettricità può essere trasmessa sottomarina a pozzi remoti. Tuttavia, il passo successivo potrebbe essere una sottostazioni galleggianti che combinano l'energia eolica con la generazione subacquea, creando un microgrid ibrido che utilizza la potenza tidale o di celle a combustibile quando il vento è basso.

Potenza per veicoli subacquei autonomi (AUV)

La generazione di energia subacquea può anche servire la flotta crescente di AUVs utilizzata per l'ispezione, la manutenzione e la raccolta di dati. Le stazioni di docking dotate di celle a combustibile subacqueo o turbine tidali possono ricaricare AUVs in modalità wireless (tramite l'accoppiamento induttivo), consentendo operazioni subacquee persistenti senza navi di supporto superficiale.

Durata più lunga: Fattorie al mare

La visione finale è la fabbrica dei fondali marini, dove tutte le attrezzature di produzione, separazione e compressione sono completamente elettrizzate dalla potenza subacquea locale. Questo rimuoverebbe la necessità di qualsiasi infrastruttura di superficie, riducendo drasticamente i costi di capitale e i rischi di sicurezza. Le turbine a gas subacquee brucerebbero il gas prodotto per generare energia elettrica, mentre le celle a combustibile e le turbine tidali forniscono il backup.

In sintesi, le innovazioni nella generazione di energia subacquea stanno sbloccando nuove possibilità per le operazioni di campo petrolifero remoto. Le turbine subacquee, le celle a combustibile e i sistemi ibridi offrono alternative affidabili, pulite e convenienti alla potenza di alto livello tradizionale.