Quindi, in applicazioni così esigenti, quali fattori dovrebbe considerare l'ingegnere di elettronica di potenza nella progettazione di soluzioni di alimentazione?

Telaio di base comune per applicazioni subacquee con interconnessioni ROV (Fonte: PRBX/Shutterstock/Vismar UK)

Architettura elettrica sottomarina:
in genere, gli impianti sottomarini ricevono energia dalla terraferma o da una piattaforma tramite cavi di trasmissione ad alta tensione a lunga distanza, che li convogliano verso stazioni di trasformazione galleggianti o sommerse. Qui, la tensione viene ridotta localmente in corrente alternata o continua, nell'intervallo compreso tra 300 e 900 V CA o tra 400 e 1500 V CC, per alimentare le apparecchiature locali e, infine, per ottenere tensioni CC inferiori per l'applicazione finale. Questo sembra essere un approccio standard, come avviene per le reti elettriche e le apparecchiature elettroniche nelle applicazioni industriali a terra. Tuttavia, quando l'apparecchiatura finale si trova sul fondale marino e riguarda petrolio, gas o altre apparecchiature sensibili, i requisiti di qualità e sicurezza sono significativamente più elevati.

La rete elettrica sottomarina contiene componenti quali interruttori, trasformatori di riduzione di tensione, sistemi di distribuzione dell'energia e apparecchiature di monitoraggio e controllo che alimentano diverse apparecchiature, tra cui pompe, compressori, sistemi di iniezione dell'acqua e dispositivi di controllo della sicurezza. Per garantire efficienza e sicurezza, i componenti elettrici possono essere installati su un telaio di base comune sul fondale marino (Figura 1) e interconnessi tramite connettori specifici per l'applicazione, in grado di gestire bassa tensione per la segnalazione e alta tensione per l'alimentazione, e capaci di resistere alla pressione idrostatica e alle connessioni subacquee. Inoltre, per motivi di sicurezza e per garantire un funzionamento ininterrotto, la rete locale è supportata da gruppi di continuità (UPS), che possono essere anch'essi situati sul fondale marino.
Tutti i componenti della rete sono recuperabili e progettati e costruiti sia per il normale funzionamento che per eventuali guasti. Tuttavia, poiché sono spesso installati a profondità inferiori ai limiti operativi umani, potrebbero richiedere l'intervento di veicoli a comando remoto (ROV) e sono stati progettati di conseguenza.

 Alimentatore progettato per essere alloggiato all'interno di un cilindro pressurizzato (Crediti immagine: PRBX/VB120-5)

Cosa c'è di così speciale nelle fonti di energia sottomarine?

Gli alimentatori sottomarini si classificano in due categorie principali:
• Unità di alimentazione autonome containerizzate (SC-PSU)
Le SC-PSU sono progettate per resistere a pressioni molto elevate. Incorporano connettori per acque profonde e chassis rimovibili progettati per la movimentazione da parte di ROV. Le SC-PSU richiedono una vasta esperienza nella progettazione di apparecchiature per acque profonde e sono spesso progettate e prodotte dalle stesse aziende che forniscono trasformatori e sottostazioni sottomarine.

• Unità di alimentazione integrata (E-PSU)
Le E-PSU sono integrate nell'apparecchiatura pressurizzata finale e non sono esposte ad alta pressione né entrano in contatto con l'elemento liquido. Le E-PSU sono più simili agli alimentatori industriali, ma con un'affidabilità estremamente elevata e caratteristiche specificamente adattate alle esigenze degli operatori sottomarini.

Unità di alimentazione integrata (E-PSU) in sintesi.
I progettisti di elettronica di potenza che lavorano su alimentatori sottomarini spesso descrivono il loro lavoro come: "Progettare un alimentatore estremamente robusto, affidabile e intelligente per uno degli ambienti più ostili della Terra, dove il guasto non è un'opzione". Questa è un'ottima sintesi delle sfide che i progettisti affrontano nello sviluppo di soluzioni di alimentazione destinate alle profondità marine, dove l'accesso umano è spesso limitato ai ROV (veicoli sottomarini a controllo remoto).
Come accennato nell'introduzione, la gamma di applicazioni sottomarine è ampia e si applicano standard e best practice diversi a seconda del segmento specifico a cui è destinato l'alimentatore. Tuttavia, esiste un approccio comune per tutte: condurre analisi dei rischi per valutare correttamente la tecnologia e la sicurezza operativa.
In collaborazione con il produttore delle apparecchiature, il calcolo del carico elettrico è uno dei primi compiti da considerare durante la progettazione del sistema di alimentazione. Gli ingegneri devono stimare il carico elettrico richiesto da tutti gli elementi sottomarini che consumeranno elettricità al fine di selezionare una fonte di alimentazione appropriata. Ogni carico locale può essere classificato in diverse categorie, ad esempio, vitale, essenziale e non essenziale:
• Vitale: l'interruzione di corrente metterà in pericolo la sicurezza del personale o causerà gravi danni alle attrezzature della piattaforma/nave/fondale marino?
• Essenziale: l'interruzione di corrente causerà un degrado o una perdita della produzione di petrolio/gas o, nel caso del cavo transcontinentale, delle comunicazioni?
• Non essenziale: l'interruzione non influisce sulla sicurezza o sulla produzione?
A seconda dell'apparecchiatura finale e del livello di rischio, possono essere prese in considerazione diverse tecnologie, come una soluzione di alimentazione ridondante, il bilanciamento automatico del carico o una risorsa di alimentazione di emergenza che commuta su un UPS. In tutti i casi, le fonti di alimentazione devono essere in grado di comunicare con il sistema di monitoraggio centrale, dove elevati livelli di sicurezza operativa sono raggiunti grazie agli ultimi sviluppi nel controllo digitale e negli algoritmi predittivi.
Poiché alcune parti delle attrezzature sottomarine per l'estrazione di petrolio e gas passano da un funzionamento completamente idraulico a un funzionamento ibrido, ad esempio valvole motorizzate monitorate e controllate elettronicamente, gli alimentatori devono essere integrati all'interno del cilindro pressurizzato. Inoltre, nella progettazione di alimentatori per cavi di trasmissione, come i ripetitori di segnale, lo spazio è un fattore critico e i progettisti di alimentatori devono considerare il volume disponibile per adattare l'alimentatore all'applicazione finale (Figura 02).
Data la compattezza e l'elevato livello di integrazione, un'altra considerazione importante nella progettazione di un alimentatore per operazioni sottomarine è la compatibilità elettromagnetica all'interno del sistema integrato. Durante la progettazione finale dell'apparecchiatura vengono eseguiti test di interoperabilità approfonditi, che a volte possono richiedere l'adozione di una topologia diversa, come quella multifase con sfasamento attivo, per ridurre le interferenze elettromagnetiche.
Nelle applicazioni sottomarine, la durata e l'affidabilità sono di primaria importanza. Gli alimentatori devono essere progettati con un elevato margine di sicurezza e con il minimo stress elettrico e termico possibile su ciascun componente (Figura 03). La selezione dei componenti è una parte importante della progettazione che può influenzare la scelta della topologia e delle pratiche costruttive. Un esempio è la scelta dei transistor di commutazione preferiti con una scheda madre progettata per facilitare il raffreddamento per conduzione.

Considerazioni di progettazione per standard diversi.
La maggior parte dei progettisti di alimentatori è abituata agli standard comuni per applicazioni industriali, mediche, di trasporto o di difesa, ma quando si tratta di aree specifiche come le applicazioni sottomarine di petrolio e gas, è necessario considerare standard specifici come quelli stabiliti dall'American Petroleum Institute (API). Come mostrato nella Figura 4, lo standard copre una serie di aree specifiche e alimentatori per garantire la conformità alle diverse sezioni dello Standard for Subsea Production and Processing Control Systems (API 17F). Questo standard include test specifici e protocolli di comunicazione.
Inoltre, per quanto riguarda i connettori sottomarini, elenchiamo due tipologie di connettori ISO-13628. Questi stabiliscono requisiti generali e raccomandazioni globali per lo sviluppo di sistemi di produzione sottomarini completi, dalla fase di progettazione fino allo smantellamento e all'abbandono. Questo standard non si applica solo ai connettori ed è spesso utilizzato come complemento all'API.

Esempi di standard AMI e ISO applicabili alle applicazioni sottomarine nel settore petrolifero e del gas (Credito immagine: PRBX)

Energia sostenibile per applicazioni sottomarine.
La maggior parte delle applicazioni sottomarine è alimentata da terra tramite cavi elettrici a lunga distanza, oppure da una piattaforma tramite cavi di trasmissione ad alta tensione, spesso lunghi dai 10 ai 100 km. Tuttavia, diverse applicazioni richiedono soluzioni energetiche remote. In genere, una nave o una piattaforma galleggiante con generatori di energia tradizionali può essere posizionata sopra il giacimento petrolifero, ma considerando l'ambiente e la sostenibilità, questa soluzione non è ottimale. Pertanto, la comunità dell'ingegneria sottomarina ha iniziato a esplorare opzioni alternative.
Tra i numerosi progetti in tutto il mondo, Renewable Energy for Subsea Power (RSP) è uno dei più interessanti e promettenti. Si propone di rispondere alla seguente domanda: come possono essere combinate le tecnologie verdi per fornire energia e comunicazioni affidabili e continue a basse emissioni di carbonio alle apparecchiature sottomarine, offrendo un'alternativa economicamente vantaggiosa ai cavi ombelicali in futuro? L'azienda scozzese Mocean Energy, pioniera nel settore dell'energia oceanica (che ha sviluppato Blue X, un convertitore di energia ondosa da 20 metri, 38 tonnellate e 10 kW (Figura 5)), e un gruppo di partner specializzati nello stoccaggio e nella gestione dell'energia sottomarina hanno sviluppato un modello di business che combina energia ondosa, energia solare e sistemi di accumulo energetico per alimentare apparecchiature sottomarine destinate a progetti petroliferi e del gas (Figura 6). Questo è un ottimo esempio che dimostra come l'energia ondosa, combinata con le tecnologie solari e delle batterie, possa offrire un'alternativa affidabile ed economicamente vantaggiosa ai costosi cavi ombelicali per applicazioni sottomarine.

Convertitore di energia dalle onde Blue X (WEC) di Mocean Energy - (Crediti immagine: PRBX / Per gentile concessione di Mocean Energy - Colin Keldie - EMEC)

In conclusione:
l'elettronica di potenza sottomarina è spesso considerata un settore di nicchia, ma per un progettista di soluzioni di alimentazione per le profondità marine rappresenta una fantastica opportunità per esplorare una gamma affascinante di applicazioni che richiedono tecnologia avanzata, affidabilità estrema e vera innovazione. Questo, unito a idee emergenti come le energie rinnovabili per l'alimentazione sottomarina (RSP), rende il nostro lavoro incredibilmente stimolante e motivante, spingendoci a superare i limiti dei nostri sistemi di alimentazione per esplorazioni ancora più profonde.

Il convertitore di energia dalle onde fornisce energia rinnovabile per una vasta gamma di applicazioni sottomarine - (Crediti immagine: PRBX / Per gentile concessione di Mocean Energy)

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Autore: Patrick Le Fèvre, PRBX, Direttore Marketing e Comunicazione

Riferimenti:
POWERBOX (PRBX):
https://www.prbx.com/

Mocean Energy:
https://www.mocean.energy/

American Petroleum Institute (API)
https://www.api.org/

Organizzazione internazionale per la standardizzazione
https://www.iso.org/home.html