De activiteiten op het olieveld op afstand staan vaak voor de uitdaging om betrouwbare energie te leveren in zware onderwateromgevingen. Traditionele energiebronnen zoals oppervlaktegeneratoren of batterijen kunnen beperkt worden in efficiëntie en levensduur, vooral als velden dieper water in gaan, verder van de kust, of langere afstand nodig hebben. Recente innovaties in de energieopwekking onder zee transformeren hoe deze afgelegen locaties worden aangedreven, verhogen veiligheid, efficiëntie en duurzaamheid, terwijl de afhankelijkheid van dure topplatforms en lange navelstrengen wordt verminderd. Dit artikel onderzoekt de belangrijkste technologieën, de implementaties in de praktijk en toekomstige vooruitzichten voor de opwekking van onderzeese energie in de olie- en gasindustrie.

De behoefte aan onderzeese energie in moderne offshore-activiteiten

Naarmate offshore-velden verder groeien en exploitanten diepere, meer afgelegen bekkens binnen dringen, is de vraag naar onderzeese stroom sterk toegenomen. Onderzeese verwerkingsapparatuur . . zoals multifase pompen, scheidingssystemen en compressoren .vereist aanzienlijke elektrische stroom om de productie te stimuleren, de levensduur van het veld te verlengen en langere-stap-out ontwikkelingen mogelijk te maken . Traditionele methoden van het leveren van stroom van het oppervlak via onderzeese stroomkabels hebben technische en economische beperkingen: spanningsdaling over lange afstanden, hoge kapitaalgoederen voor grote diameter kabels, en kwetsbaarheid voor mechanische schade.

Tegelijkertijd beweegt de industrie zich naar volledig elektrische onderzeese systemen, die hydraulische regelvloeistoffen elimineren en het gewicht van de bovenzijde verminderen. Deze systemen van een ver gelegen platform of onshore faciliteit wordt onpraktisch voorbij 100–150 km. Onderzeese elektriciteitsopwekking biedt een alternatief: het produceren van elektriciteit direct op de zeebodem, met behulp van lokale energiebronnen zoals oceaanstromingen, aardgas uit het reservoir, of waterstof. Deze aanpak vermindert navelscomplexiteit, vermindert emissies en maakt autonome werking mogelijk.

Kerninnovaties in de energieproductie van onderzeese energie

Verschillende technologieën staan nu op de voorgrond bij de opwekking van onderzeese energie, elk met verschillende voordelen voor verschillende bedrijfsomstandigheden. De meest veelbelovende zijn onderwaterturbines, brandstofcellen, hybride systemen en opkomende concepten zoals onderzeese gasturbines en energieopslag.

Turbines voor onderwatergebruik

Onderwaterturbines benutten de kinetische energie van oceaanstromingen en getijden om elektriciteit te genereren. Ontworpen voor hogedruk, corrosieve omgevingen, zijn deze turbines meestal gemonteerd op de zwaartekracht-gebaseerde funderingen of verankerd aan de zeebodem. Ze produceren continue, voorspelbare kracht in gebieden met sterke getijdenstromen of consistente oceaanstromingen. Bijvoorbeeld, systemen zoals de Sabella D10 turbine (gewaardeerd op 200 kW) zijn getest in toepassingen op afstand, waaruit blijkt dat mariene stroom kan betrouwbaar ondersteunen onderzeese hydraulische pompen en besturingssystemen. Het modulaire ontwerp van deze turbines maakt het mogelijk voor gemakkelijke inzet, ophalen en schaalvergroting, waardoor ze geschikt zijn voor gefaseerde veldontwikkeling.

Hoewel de getijdenstromen locatiespecifiek zijn, ervaren veel diepzeebekkens (bijvoorbeeld offshore Brazilië, West-Afrika en de Noordzee) sterke stromen om betekenisvolle energie te genereren. De belangrijkste technische uitdagingen zijn vervuiling, corrosie en het behoud van rotatiesealen onder extreme druk. Doorlopend onderzoek in geavanceerde coatings, biofouling preventie en direct-drive generatoren (het vermijden van versnellingsbakken) is snel verbetering van de betrouwbaarheid, met sommige ontwerpen gericht op de levensduur van 25 jaar onderzeese.

Onderzeese brandstofcellen

Brandstofcellen bieden een stille, nul-verbrandingsmethode om elektriciteit te genereren met behulp van chemische reacties. Voor onderzeese toepassingen zijn protonenuitwisselingsmembraan (PEM) en vaste oxide brandstofcellen (SOFC) de meest bestudeerde. PEM-brandstofcellen werken bij lage temperatuur (60–80°C) met zuivere waterstof en lucht (of zuurstof), produceren alleen water en warmte als bijproducten. Ze zijn compact, efficiënt (50–60% elektrisch rendement), en kunnen worden verzegeld tegen hoge externe druk.

SOFCs werken bij hogere temperaturen (600–1000°C) en kunnen direct op aardgas draaien, waardoor methaan intern wordt gereformeerd, wat een groot voordeel is voor onderzeese installaties omdat waterstoftransport en opslag worden vermeden. Projecten zoals de DeepSea Subsea Fuel Cell[] (ontwikkeld door Aker Solutions en anderen) hebben kilowatt-schaal SOFC systemen in druk testtanks gedemonstreerd. Bij brandstof met geproduceerd gas leveren deze brandstofcellen een minimaal vermogen aan de brandstof met minimale emissies in vergelijking met een gasturbine. Ze werken ook stil, verminderen akoestische interferentie met het mariene leven, en vereisen geen bewegende onderdelen, wat de betrouwbaarheid verbetert.

Onderzeese gasturbines

Hoewel minder bekend, worden onderzeese gasturbines ontwikkeld voor hoogvermogen toepassingen (megawatt schaal). Deze turbines zijn afgeleid van aero-infuus of industriële gasturbines, aangepast voor gebruik onderzeese door het vervangen van de luchtinlaat door een aan boord zuurstoftoevoer of het gebruik van het omringende water als een warmtespoelbak. Een voorbeeld is het GE Subsea Power System, die een gasturbine met een watergekoelde generator in een drukgecompenseerde behuizing integreert. De turbine verbrandt aardgas uit het reservoir, produceert elektriciteit direct op de put. Dit elimineert de behoefte aan lange elektriciteitskabels en vermindert top-side voetafdruk. De belangrijkste horden zijn het beheren van de uitlaat . .of door het injecteren van kooldioxide terug in de formatie of door het behandelen van het uitlaatgas . en het verzekeren van snelle opstart en belasting na verschillende onderzeese omstandigheden. Ondanks deze uitdagingen worden subzee turbines beschouwd als een levensvatbare technologie voor diepwater hubs die 3–10 MW van kracht vereisen.

Hybride systemen en energieopslag

Geen enkele energiebron is optimaal voor alle scenario's. Hybride systemen combineren twee of meer generatietechnologieën met energieopslag om intermitterende aanbod en variabele vraag in evenwicht te brengen. Zo levert een onderwaterturbine basisvermogen, terwijl een brandstofcel of batterijbank piekbelastingen behandelt of gaten vult tijdens het vloedgetijde. Lithium-ion-batterijen (en meer recentelijk natrium-ion- of solid-state-batterijen) kunnen onderzeese worden ingezet in drukgecompenseerde behuizingen, die tientallen kilowatturen back-up bieden voor kritieke controles en noodstopsystemen.

Energiebeheersystemen (EMS) coördineren deze bronnen, maximaliseren het gebruik van hernieuwbare energie en minimaliseren het brandstofverbruik. Dergelijke systemen zijn bijzonder aantrekkelijk voor niet-aanwezige externe satellietbronnen; de hybride installatie kan maanden zelfstandig draaien, conditiegegevens doorgeven via akoestische of inductieve modems. De integratie van digitale tweelingen en voorspellende algoritmen verbetert de efficiëntie door het voorspellen van huidige snelheden, de afbraak van brandstofcellen en de toestand van de batterij van gezondheid.

Voordelen voor Remote Oilfield Operations

Moderne onderzeese energiesystemen leveren concrete voordelen op die de projecteconomie en de milieuprestaties verbeteren:

  • Verbeterde betrouwbaarheid: Het genereren van stroom verwijdert lokaal het langste punt van storing.De navelkabel of bovenstroomgenerator. De subzeese elektriciteitscentrales zijn ontworpen voor een hoge beschikbaarheid (vaak > 98%), met meervoudige redundantie en remote diagnoses. Dit vermindert ongeplande stilstand en productieuitstel.
  • Milieuvoordelen: Onderwaterturbines produceren nul emissies tijdens het gebruik. Brandstofcellen die aardgas gebruiken bereiken bijna nul NOx en SOx, en als waterstof afkomstig is van hernieuwbare elektrolyse, dalen de koolstofemissies tot nul. Onderzeese gasturbines kunnen koolstofafvang of herinjectie omvatten, waardoor de totale koolstofvoetafdruk drastisch wordt verlaagd. Daarnaast verwijdert het onderzeese vermogen de behoefte aan topside-generatorplatforms, waardoor de visuele impact en het risico van koolwaterstoffenlekken door oppervlaktebewerkingen worden verminderd.
  • Kostenefficiëntie: De kapitaalgoederen voor de opwekking van onderzeese elektriciteit zijn vaak lager dan die voor lange step-out kabels en hun bijbehorende transformatoren en schakelapparatuur. Operationele kosten worden verminderd omdat er geen continu brandstoftransport (voor getijden) of omdat geproduceerd gas lokaal wordt gebruikt in plaats van gevlamd. Het modulaire ontwerp maakt incrementele investeringen mogelijk naarmate de productie in het veld afneemt.
  • Operationele flexibiliteit: Onderzeese energiesystemen kunnen worden aangepast aan bestaande onderzeese bomen of spruitstukken zonder grote wijzigingen aan de bovenzijde. Ze maken ook uitgebreide terugslagafstanden mogelijk tot meer dan 100 km, waardoor nieuwe reserves worden geopend die voorheen niet rendabel waren. De stroom kan worden vergroot door toevoeging van turbinemodules of brandstofcelstapels.
  • Safety Improvations: Het lokaliseren van opwekkingsuitrusting op de zeebodem vermindert het aantal medewerkers op platforms en de noodzaak van gevaarlijke brandstofbehandeling bovenin. Onderzeese systemen zijn ontworpen voor op afstand bediende interventie, waardoor de blootstelling aan zwaar weer en hijswerken wordt verminderd.

Casestudies en concrete acties

Hoewel de productie van onderzeese energie nog steeds een nichemarkt is, hebben verscheidene baanbrekende projecten de technologie in operationele omgevingen gevalideerd.

Een van de vroegste grootschalige demonstraties was het Subsea Gas Compressie project op Equinor’s Asgard-veld, dat een hoog vermogen onderzeese gasturbine gebruikte om compressoren te drijven voor een verbeterde gasterugwinning. Terwijl de turbine voornamelijk voor mechanische aandrijving was, wordt dezelfde technologie aangepast voor zuivere elektrische opwekking. Het project bewees dat gasgestookte apparatuur jarenlang betrouwbaar kan werken op 300 meter diepte.

Een recenter voorbeeld is de turbine Orbital Marine Power O2 (2 MW), die voor de kust van Schotland is ingezet en die is gebruikt om stroom te leveren aan onderzeese laadstations voor autonome onderwatervoertuigen (AUV's). Hoewel het project niet direct productie-apparatuur aanwakkert, toont het project de rijpheid van getijdenturbines in een hoogenergetische omgeving.

In 2021 kondigde OneSubsea (een bedrijf van Schlumberger) de succesvolle testen van een subzee brandstofcelsysteem met een vermogen van 10 kW, ontworpen om subzeesensoren en controlemodules gedurende langere perioden te voeden.Het systeem dat meer dan 6 maanden in een gesimuleerde zeebodemomgeving wordt gebruikt, bewijst de duurzaamheid van PEM brandstofcellen onder druk. Veldproeven in de Golf van Mexico zijn gepland om te beginnen, met het doel om brandstofcellen in bestaande productielussen te integreren om de belasting op top-side generatoren te verminderen.

De opslag van energie onder zee heeft ook een praktisch gebruik gezien. Battery Energy Storage Systems (BESS)[ in de Middellandse Zee wordt ingezet door Saipem[] zorgt voor back-upvermogen voor onderzeese controle-eenheden, zodat kleppen en actuatoren tijdens stroomonderbrekingen aan de bovenzijde functioneren. Deze batterijen, gehuisvest in drukbestendige titaniumbehuizingen, werken al meer dan drie jaar zonder degradatie.

Voor nadere lezing over specifieke projecten, zie Offshore Magazine’s dekking van onderzeese brandstofcelvooruitgang en Equinor’s overzicht van onderzeese compressietechnologie .

Uitdagingen en technische horden

Ondanks snelle vooruitgang wordt de inzet van onderzeese elektriciteitsopwekking voor verschillende belangrijke uitdagingen gesteld:

  • Hoge druk en corrosie: Apparatuur moet werken op waterdiepten van meer dan 3000 meter, met externe druk tot 300 bar. Alle materialen, afdichtingen en elektrische doorboringen moeten zorgvuldig worden ontworpen om zeewateringang te voorkomen. Actieve drukcompensatiesystemen (bv. olie-gevulde behuizingen) maken het complex.
  • Betrouwbaarheid gedurende 25+ Jaar: Onderzeese energiesystemen moeten ontworpen zijn voor geen of minimale interventie gedurende de levensduur van het veld. Dit vereist uitgebreide testen, determineren van componenten en ingebouwde redundantie. Zo zijn lagers in onderwaterturbines vaak drooggereden afdichtingen of magnetische levitatie nodig om slijtage te elimineren.
  • Power Conditioning and Transmission: De opgewekte spanning en frequentie moeten voldoen aan de eisen van onderzeese apparatuur. Power electronica (bijvoorbeeld variabele frequentieaandrijvingen) zijn nodig om stroom om te zetten en te reguleren; deze elektronica zelf zijn een uitvalpunt. Transmissie van vermogen over onderzeese connectoren met lage verliezen blijft een technische uitdaging, vooral voor hoogspanningsstroom (HVDC) toepassingen.
  • Onderhoud en interventie:] Als een onderzeese generator uitvalt, kunnen de kosten van mobilisatie voor een reparatieschip miljoenen dollars per dag bedragen. Daarom zijn modulaire ontwerpen die het mogelijk maken om ROV-gebaseerde vervanging van energie-eenheden. Sommige exploitanten zijn het ontwikkelen van gestandaardiseerde onderzeese power interfaces om hete-swapping van generatormodules mogelijk te maken.
  • Marine Groei en Biofouling: Onderwaterturbines en warmtewisselaars zijn kwetsbaar voor biofouling, wat de efficiëntie vermindert en bewegende delen kan blokkeren. Antifouling coatings en periodieke reiniging (bijvoorbeeld met behulp van ROV-borstels of chemische dosering) zijn noodzakelijk in hooggroeiende wateren.
  • Milieuvergunning: Getijdenturbines kunnen invloed hebben op de lokale hydrodynamica en het mariene leven. Brandstofcellen, vooral die met aardgas, vereisen een vergunning voor verbranding (ook al is uitlaat minimaal). Milieu-effectbeoordelingen en continue monitoring zijn voor de meeste projecten verplicht.

Toekomstige vooruitzichten

Het traject van de energieopwekking onder zee wijst op een grotere integratie met digitale en autonome technologieën. Tegen 2030 zullen verschillende trends het landschap waarschijnlijk veranderen.

Slimme raster en digitale tweeling

Exploitanten ontwikkelen slimme onderzeese netwerken die meerdere stroombronnen verbinden.Turbinen, brandstofcellen, batterijen en real-time belastingsbalancering. Digitale tweelingen van het elektriciteitssysteem stellen exploitanten in staat storingen te voorspellen, het brandstofverbruik te optimaliseren en de impact van het toevoegen van nieuwe ladingen te simuleren.Deze aanpak, die al wordt gebruikt in topside utility systems, wordt aangepast voor onderzeese door bedrijven als ABB en Siemens Energy[].

Energieopslag als dienst

In plaats van batterijen te bezitten, kunnen exploitanten subzee energieopslageenheden huren als een dienst, met de leverancier verantwoordelijk voor onderhoud en vervanging. Dit bedrijfsmodel vermindert vooraf kapitaal en stimuleert innovatie in opslagchemie (bijv. stroombatterijen, waterstofopslag) die hoge druk kunnen weerstaan.

Integratie met offshorewind

Hoewel offshore windturbines oppervlaktestructuren zijn, kan hun elektriciteit onderzeese worden overgedragen aan externe bronkoppen. Echter, de volgende stap zou kunnen zijn drijvende onderstations die windkracht combineren met onderzeese opwekking, het creëren van een hybride microgrid dat gebruik maakt van getijden- of brandstofcelvermogen wanneer wind laag is. Het eerste subzee-energiecentrale concept, voorgesteld in Noorwegen, benijdt een zeebodemhub die stroom ontvangt van drijvende turbines en verspreidt het naar onderzeese verwerkingseenheden, waardoor de behoefte aan bemand platform wordt uitgesloten.

Vermogen voor autonome voertuigen voor onderwatergebruik (AUV's)

Onderzeese stroomopwekking kan ook de groeiende vloot van AUV's bedienen die gebruikt worden voor inspectie, onderhoud en gegevensverzameling. Dokstations uitgerust met onderzeese brandstofcellen of getijdenturbines kunnen AUV's draadloos opladen (via inductieve koppeling), waardoor persistente onderwateractiviteiten mogelijk zijn zonder oppervlaktesteunschepen. Bedrijven als L3Harris OceanServer en Ocean Infinity[] ontwikkelen dergelijke systemen actief.

Langere termijn: Zeebedfabrieken

De uiteindelijke visie is de zeebodemfabriek, waar alle productie, scheiding en compressie apparatuur volledig geëlektrificeerd wordt door lokale onderzeese stroom. Dit zou de behoefte aan oppervlakte-infrastructuur te verwijderen, drastische vermindering van de kapitaalkosten en de veiligheid risico's. Onderzeese gasturbines zou verbranden het geproduceerde gas om elektriciteit te genereren, terwijl brandstofcellen en getijdenturbines back-up. Koolstofdioxide kan worden opnieuw gestookt of opgeslagen in diepe zoutoplossing aquifers. Verschillende internationale onderzoeksinitiatieven, waaronder de Subsea Power Generation Joint Industry Project (JIP) , werken naar dit doel toe.

Samengevat, innovaties in de energieopwekking onder zee ontsluiten nieuwe mogelijkheden voor het uitvoeren van olievelden op afstand. Onderwaterturbines, brandstofcellen en hybride systemen bieden betrouwbare, schone en kosteneffectieve alternatieven voor traditionele topside power. Hoewel er technische uitdagingen blijven bestaan, geven projecten die in het veld worden beproefd en lopende O&O aan dat onderzeese energie binnen het volgende decennium een standaardcomponent zal worden van de ontwikkeling van het diepzeeveld. Zie het rapport over Subsea Power Generation door het Oil and Gas Climate Initiative.