1. Uvod
V ozadju globalne osredotočenosti na razvoj nizko-ogljičnega gospodarstva in kitajskega cilja »dvo-ogljika« je vetrna energija kot čist in trajnosten obnovljiv vir energije postala osrednja točka za vlade in energetske velikane po vsem svetu. Z neprekinjeno gradnjo kopenskih vetrnih elektrarn, vse bolj zrelo tehnologijo in padajočimi stroški se je kopenska vetrna energija hitro razvila, globalna na novo nameščena kopenska vetrna energija pa je samo leta 2019 dosegla 61,8 GW. Vendar pa je vetrna energija na morju omejena z zemljišči, ki jih je mogoče izkoriščati, in viri vetrne energije postopoma postala razvojni trend. Zlasti jugovzhodna obalna območja Kitajske so gospodarsko razvita, imajo dobro-vzpostavljeno električno omrežje in obilne vire vetrne energije na morju, zaradi česar so zelo primerna za-razvoj velikega obsega in omrežno povezavo vetrne elektrarne na morju.
2. Trenutno stanje industrije vetrne energije na morju
Leta 2020 je svetovna na novo priključena zmogljivost vetrne elektrarne na morju presegla 6 GW, kar je približno enako kot leta 2019. Deset let prej, leta 2010, je bila svetovna na novo nameščena zmogljivost vetrne elektrarne na morju manj kot 1 GW. Medtem se je tudi delež vetrne energije na morju v svetovni na novo postavljeni zmogljivosti vetrne energije povečal z 2,5 % leta 2010 na sedanjih 7 %.
2.1 Trenutno stanje in trendi čezmorske industrije vetrne energije na morju
Kar zadeva razvrstitev držav glede na novo nameščene zmogljivosti, so bili leta 2020 med petimi največjimi svetovnimi trgi vetrne energije na morju Kitajska, Nizozemska, Belgija, Združeno kraljestvo in Nemčija. Strokovnjaki iz industrije napovedujejo, da bo svetovni trg vetrne energije na morju med letoma 2020 in 2025 doživel povprečno letno stopnjo rasti nad 30 %. Ta ocena temelji na naslednjih razlogih:
01
Hiter upad stroškov vetrne energije na morju je posledica naraščajoče velikosti vetrnih turbin na morju (glej sliko 2-1), ki lahko znatno prihranijo pri začetnih naložbah ter kasnejših stroških delovanja in vzdrževanja.
Slika 2-1 Globalni razvojni trendi vetrnih turbin na morju
Vir podatkov: GWEC Market Data Platform, avgust 2020
02
Ker vlade po vsem svetu zvišujejo svoje cilje za razvoj vetrne elektrarne na morju, se pričakuje, da bodo azijski trgi Kitajske, Vietnama, Japonske in Južne Koreje doživeli hitro rast. Na evropskem trgu bodo poleg zahodnoevropskih držav, ki bodo še naprej intenzivno razvijale vetrne elektrarne na morju, začele graditi vetrne elektrarne na morju tudi vzhodnoevropske države. Poleg tega bo leta 2023 na omrežje priključena prva velika-vetrna elektrarna na morju v Združenih državah.
03
Industrializacija plavajoče vetrne elektrarne (glej sliko 2-2) bo imela širši obseg uporabe, ker je struktura plavajočih temeljev primerna za globokomorska območja z globino vode od 50 do 200 metrov. Po podatkih Svetovnega energetskega poročila bo globalna nameščena zmogljivost plavajoče vetrne elektrarne do leta 2030 dosegla 8 do 10 GW.
Slika 2-2 Shematski diagram plavajoče vetrne elektrarne na morju
2.2 Trenutno stanje kitajske industrije vetrne energije na morju
Kitajska industrija vetrne energije na morju se je začela razmeroma pozno, vendar je bil njen razvoj v zadnjih letih izjemno hiter. Od leta 2018 je kitajska na novo nameščena zmogljivost vetrne elektrarne na morju dosledno vodila druge države. Zlasti leta 2020 je na novo povezana omrežna zmogljivost Kitajske prvič presegla 3 GW. Na podlagi kumulativne nameščene zmogljivosti je Kitajska prehitela Nemčijo in do konca leta 2020 postala drugi{6}}največji trg vetrne energije na morju. Glede na ocene, ki temeljijo na stopnjah rasti vetrne energije na morju v različnih državah, je Kitajska leta 2021 zamenjala Združeno kraljestvo kot največji svetovni trg vetrne energije na morju.
2.2.1 Obseg nameščene zmogljivosti in priključkov na omrežje še naprej narašča.
Projekt vetrne elektrarne na morju Shanghai Donghai Bridge, prvi veliki -kitajski projekt vetrne elektrarne na morju, ki se je začel leta 2006 in začel graditi leta 2008, je uspešno namestil 34 doma proizvedenih 3 MW enot vetrnih turbin na morju s skupno nameščeno zmogljivostjo 102 MW, s čimer je bil uvod v razvoj vetrne elektrarne na morju na Kitajskem.
Leta 2016 je Nacionalna uprava za energijo izdala 13. pet-letni načrt za razvoj vetrne energije in uvedla vrsto večjih ugodnih politik za spodbujanje razvoja vetrne energije na morju, kar tudi pomeni, da se je razvoj vetrne energije na morju na Kitajskem premaknil od "predstavitve projekta" k hitremu "hitremu razvoju".
Leta 2020 so projekti vetrne elektrarne na morju vstopili v kritično obdobje hitre namestitve. Po statističnih podatkih se je v prvem polletju hkrati gradilo 30 projektov z instalirano močjo 12.972.800 kilovatov, od tega 11 na novo začetih projektov in 3 projekti, ki so bili v celoti priključeni na omrežje.
2.2.2 Zmogljivost posamezne enote vetrnih turbin se iz leta v leto povečuje.
Glede na podatke s konca leta 2019 imajo enote z zmogljivostjo posamezne enote 4 MW največjo kumulativno nameščeno zmogljivost, medtem ko je 5 MW postalo glavni model za projekte vetrne elektrarne na morju (glej sliko 2-3).
12. julija 2020 je bila prva kitajska vetrna turbina z močjo 10 MW uspešno priključena na omrežje in je proizvedla električno energijo v vetrni elektrarni Xinghua Bay na morju v provinci Fujian, s čimer je postavila nov rekord glede zmogljivosti ene vetrne turbine na morju na Kitajskem. Z vidika razvojnih načrtov proizvajalcev vetrnih turbin je 8 MW postalo novo izhodišče, velike-vetrne turbine na morju z močjo 10 MW in več pa so navedene kot ključni razvojni modeli.
Slika 2-3 Odstotek zmogljivosti vetrnih turbin na morju na Kitajskem ob koncu leta 2019
2.2.3 Gradnja vetrnih elektrarn na morju se postopoma seli iz obalnih plitvih voda v globoko-morska in globoko-vodna območja.
Do konca leta 2019 je skupna odobrena zmogljivost vetrne elektrarne na morju na Kitajskem dosegla 35 milijonov kilovatov. Med njimi sta imela Jiangsu in Guangdong odobrene zmogljivosti, ki presegajo 10 milijonov kilovatov, medtem ko sta Fujian in Zhejiang odobrila zmogljivosti, ki presegajo 3 milijone kilovatov. Razpoložljivi-obalni viri za prihodnji razvoj so omejeni, medtem ko ima Kitajska obsežno območje globokomorskih-morskih voda, ki jih je mogoče izkoriščati, za katere se pričakuje, da bodo v prihodnosti postale središče razvoja vetrne energije na morju.
3. Zahteve glede strojne opreme za industrijska stikala Ethernet v vetrnih elektrarnah na morju
Vetrne turbine in podpostaje na morju so zgrajene več deset kilometrov stran od kopnega, v izjemno težkih okoljih. To postavlja zelo visoke zahteve za opremo, predvsem osrednjo komunikacijsko opremo, predvsem glede zanesljivosti, odpornosti na slano prho, visoke in nizke temperature ter elektromagnetne motnje. Poleg tega je vzdrževanje opreme na morju omejeno z vremenom, pomorskimi predpisi in uporabo ladij, zaradi česar sta tako nujno kot rutinsko vzdrževanje izjemno težavno, saj je čas zelo nepredvidljiv. To postavlja izjemno visoke zahteve glede stabilnega in zanesljivega delovanja Ethernet stikal.
3.1 Zahteve glede zanesljivosti
Več ključnih kazalnikov zanesljivosti opreme:
1) Povprečni čas do napake (MTTF)
2) Povprečni čas med napakami (MTBF)
3) Povprečni čas do popravila (MTTR)
3.1.1 Indikator MTBF
Eden najpomembnejših kazalnikov zmogljivosti za industrijska stikala Ethernet je srednji čas med napakami (MTBF). Najbolj splošno sprejeti in verodostojni standardi so MIL-HDBK-217, GJB/Z299B in Bellcore. Večina tujih blagovnih znamk industrijskih stikal uporablja ameriški MIL-HDBK 217F kot referenčni standard in uporablja teste HALT (High-Accelerated Life Test) in HASS (High-Accelerated Stress Screening) med raziskavami in razvojem ter proizvodnim testiranjem, da preverijo, ali MTBF izdelka izpolnjuje konstrukcijske zahteve. MTBF večine industrijskih ethernet stikal je več kot 20 let, nekatera celo presegajo 50 let.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) se uporablja predvsem v fazi načrtovanja raziskav in razvoja izdelka. Učinkovit je pri razkrivanju morebitnih napak v izdelkih in je pomembna metoda testiranja za inženirje oblikovanja za izboljšanje zanesljivosti izdelka.
HASS (Highly Accelerated Stress Screening) je visoko-postopek pospešenega preverjanja obremenitve, ki se izvaja na proizvodni liniji, potem ko so izdelki opravili preizkus HALT, da se določijo njihove operativne ali destruktivne meje. 100% izdelkov mora sodelovati v pregledu. Njegov namen je zagotoviti, da so proizvedeni izdelki brez kakršnih koli skritih napak, ali vsaj prepoznati in odpraviti te napake, preden izdelki zapustijo tovarno. HASS uporablja pospešen stres, da v kratkem času najde pokvarjene izdelke, skrajša cikel korektivnih ukrepov in identificira izdelke z enakimi težavami.
3.1.2 Indikator MTTR
Tipične zahteve za lokacije vetrnih elektrarn na morju so: srednji čas do popravila (MTTR), ki ga zagotovi proizvajalec, ki je na splošno 0,5 do 1 ure, če se ne upošteva časa podpore upravljanju in časa dostave; čas za diagnosticiranje (ali pregled) in posodobitev okvarjenih vtičev pa mora biti krajši od 30 minut.
Če industrijsko stikalo doživi okvaro strojne opreme in če se ne upoštevata čas podpore za upravljanje in dobavni rok ter je potrebna le preprosta zamenjava, je v večini primerov izdelek industrijskega stikala mogoče zamenjati v 1 uri, tako da izpolnjuje zahteve stranke MTTR.
3.2 Zahteve glede odpornosti proti koroziji
Ključna značilnost morskega delovnega okolja je visoka raven solnega pršenja. Izdelki industrijskih ethernetnih stikal morajo zagotavljati zasnovo zaščitne prevleke vezja, da dosežejo raven zaščite G3 in so v celoti skladni z zahtevami standardov ISA-S71.04-1985 (razvrstitev G3- Hash Group A) in EN60068-2-60 Metoda 4, da lahko dolgo časa delujejo stabilno in zanesljivo v težkem morskem okolju.
Zgodnje vetrne elektrarne na morju so imele veliko število okvar stikal. Ob odpiranju ohišij stikala so bile na vezju vidne ožgane sledi. Eden od razlogov za to je bil, da ta stikala niso imela zaščitnega premaza.
3.3 Zahteve glede visokih in nizkih temperatur
Ker se različne vetrne elektrarne na morju nahajajo na različnih zemljepisnih širinah, se njihove podnebne razmere zelo razlikujejo. Na primer, pozimi lahko najnižja temperatura v vetrni elektrarni na morju Zhuanghe v Dalianu doseže -15 stopinj Celzija, medtem ko lahko poleti najvišja temperatura v vetrni elektrarni na morju Xuwen v Zhanjiangu doseže 38 stopinj Celzija. Temperatura v stolpih vetrnih turbin je lahko celo višja od zunanje temperature. Zato se za normalno delovno temperaturo industrijskih stikal postavljajo zelo visoke zahteve.
Čeprav večina proizvajalcev industrijskih stikal na trgu navaja delovne temperature svojih stikal kot -40 stopinj do +70 stopinj ali celo -40 stopinj do +85 stopinj, te številke izhajajo iz kratkotrajnih-laboratorijskih testov. Na primer, zahteve za testiranje ugledne domače ustanove za testiranje določajo, da je treba v okoljih z visoko{12}}temperaturo stikalo, ko je vklopljeno, postaviti v sredino okoljske testne komore, temperaturo pa dvigniti na 70 stopinj in vzdrževati 2 uri. Naprava bi morala delovati normalno pri +70 stopinjah, stopnja shranjevanja in posredovanja pa bi morala doseči 100 %. Če je ta zahteva izpolnjena, se zamenjava šteje za 合格 (kvalificirana/sprejemljiva).
Tehnične zahteve za enako okolje z nizko-temperaturo so naslednje: Stikalo, ko je vklopljeno, se postavi v sredino okoljske testne komore, temperatura pa se zniža na -40 stopinj in se nato vzdržuje pri tej temperaturi 2 uri. Naprava bi morala normalno delovati pri -40 stopinjah s hitrostjo shranjevanja in posredovanja 100 %; prav tako bi se moral normalno zagnati pri -40 stopinjah. Če so te zahteve izpolnjene, se šteje za 合格 (kvalificirano/sprejemljivo). Zato preskus samo preveri, ali lahko stabilno deluje 2 uri pri tej ekstremni temperaturi.
Medtem ko ni treba, da industrijska stikala v vetrnih elektrarnah na morju prenesejo tako ekstremne temperature, morajo delovati neprekinjeno dalj časa v okoljih z težkimi temperaturami in so lahko celo izpostavljena dodatnim škodljivim vplivom drugih zunanjih okolij. Le za industrijska stikala, ki so prestala preizkus časa, lahko rečemo, da izpolnjujejo zahteve vetrnih elektrarn na morju glede visokih in nizkih temperatur.
(nadaljevanje)