1. Bevezetés
Az alacsony szén-dioxid-kibocsátású gazdaság fejlesztésére irányuló globális összpontosítás és Kína által javasolt „kettős-szén-kibocsátás” hátterében a szélenergia, mint tiszta és fenntartható megújuló energiaforrás világszerte a kormányok és az energiaóriások fókuszpontjává vált. A szárazföldi szélerőművek folyamatos építésével, az egyre kiforrottabb technológiával és a csökkenő költségekkel a szárazföldi szélenergia gyorsan fejlődött, a globális újonnan telepített szárazföldi szélerőművek kapacitása csak 2019-ben elérte a 61,8 GW-ot. A szárazföldi kiaknázható szárazföldi és szélenergia-források által korlátozva azonban a tengeri szélenergia fokozatosan fejlődési irányzattá vált. Különösen Kína délkeleti tengerparti területei gazdaságilag fejlettek, jól kiépített elektromos hálózattal és bőséges tengeri szélenergia-forrással rendelkeznek, így kiválóan alkalmasak a tengeri szélerőművek nagyszabású-fejlesztésére és hálózati csatlakoztatására.
2. A tengeri szélenergia-ipar jelenlegi helyzete
2020-ban a globális újonnan csatlakoztatott tengeri szélerőmű-kapacitás meghaladta a 6 GW-ot, nagyjából ugyanannyit, mint 2019-ben. Tíz évvel korábban, 2010-ben a globális újonnan telepített tengeri szélerőművek kapacitása 1 GW alatt volt. Eközben a tengeri szélenergia aránya a globális újonnan telepített szélenergia-kapacitáson belül a 2010-es 2,5%-ról a jelenlegi 7%-ra emelkedett.
2.1 A tengerentúli tengeri szélenergia-ipar jelenlegi helyzete és trendjei
Az országok újonnan telepített kapacitások szerinti rangsorát tekintve a világ öt legnagyobb tengeri szélenergia-piaca 2020-ban Kína, Hollandia, Belgium, az Egyesült Királyság és Németország volt. Iparági szakértők azt jósolják, hogy a globális tengeri szélenergia-piac 2020 és 2025 között átlagosan 30%-ot meghaladó éves növekedést fog tapasztalni. Ez az értékelés a következő okokon alapul:
01
A tengeri szélerőművek költségeinek gyors csökkenése a tengeri szélturbinák növekvő méretének köszönhető (lásd a 2-1. ábrát), ami jelentősen megtakaríthatja az előzetes beruházásokat, valamint az azt követő üzemeltetési és karbantartási költségeket.
2-1 ábra A tengeri szélturbinák globális fejlődési trendjei
Adatforrás: GWEC Market Data Platform, 2020. augusztus
02
Mivel a kormányok szerte a világon megemelik a tengeri szélenergia-fejlesztési célokat, Kína, Vietnam, Japán és Dél-Korea ázsiai piacain várhatóan gyors növekedés várható. Az európai piacon amellett, hogy a nyugat-európai országok továbbra is erőteljesen fejlesztik a tengeri szélenergiát, a kelet-európai országok is megkezdik a tengeri szélerőművek építését. Ezenkívül 2023-ban az Egyesült Államok első nagy-méretű tengeri szélerőműve is bekapcsolódik a hálózatba.
03
Az úszó szélenergia iparosítása (lásd 2-2. ábra) szélesebb alkalmazási körrel fog rendelkezni, mert az úszó alapszerkezet alkalmas mélytengeri területekre, ahol a vízmélység 50-200 méter. A World Energy Report szerint az úszó szélenergia globális beépített kapacitása 2030-ra eléri a 8-10 GW-ot.
2-2 ábra Egy lebegő tengeri szélerőmű sematikus diagramja
2.2 A kínai tengeri szélenergia-ipar jelenlegi helyzete
A kínai tengeri szélenergia-ipar viszonylag későn indult, de fejlődése az elmúlt években rendkívül gyors volt. 2018 óta Kína újonnan telepített tengeri szélenergia-kapacitása folyamatosan vezet más országokban. 2020-ban Kína újonnan csatlakoztatott hálózati kapacitása először haladta meg a 3 GW-ot. Az összesített beépített kapacitás alapján Kína megelőzte Németországot, és 2020 végére a világ második-legnagyobb tengeri szélenergia-piaca lett. A tengeri szélenergia különböző országokban tapasztalható növekedési ütemén alapuló becslések szerint 2021-ben Kína váltotta fel az Egyesült Királyságot, mint a világ legnagyobb tengeri szélenergia-piaca.
2.2.1 A beépített kapacitás és a hálózati csatlakozás mértéke folyamatosan növekszik.
A Shanghai Donghai Bridge Offshore Wind Power Project, Kína első nagy-léptékű tengeri szélenergia-projektje, amely 2006-ban kezdődött és 2008-ban kezdődött, sikeresen telepített 34 hazai gyártású 3 MW-os tengeri szélturbina egységet, összesen 102 MW beépített kapacitással, ezzel megnyitva a kínai szélenergia-fejlesztés előjátékát.
2016-ban a National Energy Administration kiadta a szélenergia-fejlesztés 13. öt-éves tervét, és számos jelentős, kedvező politikát vezetett be a tengeri szélenergia fejlesztésének ösztönzésére, ami azt is jelenti, hogy a tengeri szélenergia fejlesztése Kínában a „projektbemutatóról” a „gyors fejlesztés” gyorsított útjára lépett.
2020-ban a tengeri szélenergia-projektek a rohanó telepítés kritikus időszakába léptek. A statisztikák szerint az év első felében egy időben 30 projekt volt folyamatban, 12 972 800 kilowatt beépített teljesítménnyel, ebből 11 újonnan indult és 3 olyan projekt, amely teljes mértékben rákapcsolódott a hálózatra.
2.2.2 A szélturbinák egységnyi kapacitása évről évre nő.
A 2019 végi adatok szerint az egyegységes kapacitást tekintve a 4MW-os blokkok rendelkeznek a legnagyobb halmozott beépített kapacitással, míg a tengeri szélerőműveknél az 5MW-os vált a fő modellé (lásd 2-3. ábra).
2020. július 12-én Kína első 10 MW-os szélturbináját sikeresen csatlakoztatták a hálózathoz, és villamos energiát termeltek a Xinghua Bay tengeri szélerőműparkban, Fujian tartományban, ezzel új rekordot állítottak fel egyetlen tengeri szélturbina kapacitásában Kínában. A szélturbina-gyártók fejlesztési tervei szempontjából a 8 MW új kiindulópont lett, és a 10 MW-os és nagyobb teljesítményű, nagyméretű tengeri szélturbinák a kulcsfontosságú fejlesztési modellek közé kerültek.
2-3 ábra A tengeri szélturbinák kapacitásának százalékos aránya Kínában 2019 végén
2.2.3. A tengeri szélerőművek építése fokozatosan eltolódik a partközeli sekély vizekről a mély-tengeri és mély{2}}vízi területekre.
2019 végére Kínában a teljes jóváhagyott tengeri szélenergia-kapacitás elérte a 35 millió kilowatttot. Közülük Jiangsu és Guangdong jóváhagyott kapacitása meghaladja a 10 millió kilowatttot, míg Fujian és Zhejiang 3 millió kilowattot meghaladó engedélyezett kapacitással rendelkezik. A jövőbeni fejlesztéshez rendelkezésre álló közeli-parti erőforrások korlátozottak, miközben Kínában hatalmas kiterjedésű mélytengeri{7}}területek állnak rendelkezésre, amelyek a jövőben várhatóan a tengeri szélerőművek fejlesztésének középpontjába kerülnek.
3. Hardverkövetelmények az ipari Ethernet switchekhez tengeri szélerőművekben
A tengeri szélturbinákat és tengeri alállomásokat a szárazföldtől több tíz kilométerre, rendkívül zord környezetben építik. Ez nagyon magas követelményeket támaszt a berendezésekkel, különösen a központi kommunikációs berendezésekkel szemben, elsősorban a megbízhatóság, a sópermettel szembeni ellenállás, a magas és alacsony hőmérséklet, valamint az elektromágneses interferencia tekintetében. Ezenkívül a tengeri berendezések karbantartását korlátozzák az időjárás, a tengeri szabályozás és a hajók bevetése, ami rendkívül megnehezíti mind a vészhelyzeti, mind a rutinszerű karbantartást, rendkívül kiszámíthatatlan időzítéssel. Ez rendkívül magas követelményeket támaszt az Ethernet switchek stabil és megbízható működésével szemben.
3.1 Megbízhatósági követelmények
A berendezések megbízhatóságának számos kulcsfontosságú mutatója:
1) A sikertelenségig eltelt átlagos idő (MTTF)
2) Meghibásodások közötti átlagos idő (MTBF)
3) Átlagos javítási idő (MTTR)
3.1.1 MTBF jelző
Az ipari Ethernet switchek egyik legfontosabb teljesítménymutatója az átlagos meghibásodási idő (MTBF). A legszélesebb körben elfogadott és hiteles szabványok a MIL-HDBK-217, a GJB/Z299B és a Bellcore. A legtöbb külföldi ipari kapcsoló márka az amerikai MIL{7}}HDBK 217F-et használja referenciaszabványként, és HALT (High-Accelerated Life Test) és HASS (High-Accelerated Stress Screening) teszteket alkalmaz a K+F és a gyártási tesztelés során annak ellenőrzésére, hogy a termék MTBF megfelel-e a tervezési követelményeknek. A legtöbb ipari Ethernet switch MTBF-je több mint 20 év, sőt néhányan meg is haladják az 50 évet.
A HALT-ot (Highly Accelerated Life Testing) főként a termékkutatás és -fejlesztés tervezési szakaszában használják. Hatékonyan fedi fel a termékek esetleges hibáit, és fontos tesztelési módszer a tervezőmérnökök számára a termék megbízhatóságának javítása érdekében.
A HASS (Highly Accelerated Stress Screening) egy erősen-gyorsított stressz-szűrési folyamat, amelyet a gyártósoron hajtanak végre, miután a termékek átmentek a HALT-teszten, hogy meghatározzák működési vagy roncsolási határaikat. 100%-a szükséges a szűrésben való részvételhez. Célja, hogy a legyártott termékek rejtett hibáktól mentesek legyenek, vagy legalább a hibák azonosítása és elhárítása a termékek gyárból való elhagyása előtt. A HASS felgyorsított stressz segítségével rövid időn belül megtalálja a hibás termékeket, lerövidíti a korrekciós intézkedések ciklusát, és azonosítja az azonos problémákkal küzdő termékeket.
3.1.2 MTTR jelző
A tengeri szélerőműparkok jellemző követelményei a következők: A gyártó által biztosított Mean Time To Repair (MTTR), amely általában 0,5-1 óra, ha nem vesszük figyelembe a menedzsment támogatási idejét és a szállítási időt; és a hibás dugók diagnosztizálására (vagy ellenőrzésére) és frissítésére fordított időnek kevesebbnek kell lennie 30 percnél.
Ha egy ipari kapcsoló hardveres meghibásodást tapasztal, és ha nem vesszük figyelembe a menedzsment támogatási idejét és a szállítási időt, és csak egyszerű cserére van szükség, az esetek többségében az ipari kapcsoló termék 1 órán belül cserélhető, megfelelve az ügyfél MTTR követelményeinek.
3.2 Korrózióállósági követelmények
A tengeri működési környezet egyik fő jellemzője a magas sópermet szint. Az ipari Ethernet kapcsolótermékeknek áramköri védőbevonattal kell rendelkezniük a G3 védelmi szint eléréséhez, és teljes mértékben meg kell felelniük az ISA-S71.04-1985 (osztályozás G3- Hash Group A) és az EN60068-2-60 Method 4 szabvány követelményeinek, hogy hosszú ideig stabilan és megbízhatóan működjenek a zord tengeri környezetben.
A korai tengeri szélerőműparkok nagyszámú kapcsolóhibát tapasztaltak. A kapcsolóházak kinyitásakor látható égési nyomokat találtak az áramköri lapokon. Ennek egyik oka az volt, hogy ezeken a kapcsolókon nem volt védőbevonat.
3.3 Magas és alacsony hőmérsékleti követelmények
Mivel a különböző tengeri szélerőművek különböző szélességi fokon helyezkednek el, éghajlati viszonyaik nagymértékben eltérőek. Például télen a daliani Zhuanghe tengeri szélerőműben a legalacsonyabb hőmérséklet elérheti a -15 Celsius-fokot, míg nyáron a zsancsiangi Xuwen part menti szélerőműben a legmagasabb hőmérséklet elérheti a 38 Celsius-fokot. A szélturbina tornyok belsejében a hőmérséklet még magasabb is lehet, mint a külső hőmérséklet. Ezért nagyon magas követelményeket támasztanak az ipari kapcsolók normál üzemi hőmérsékletével szemben.
Bár a piacon a legtöbb ipari kapcsológyártó a kapcsolóik üzemi hőmérsékletét -40-+70 fokban, vagy akár -40-+85 fokban sorolja fel, ezek az adatok rövid távú laboratóriumi tesztekből származnak. Például egy jó hírű hazai vizsgálóintézet vizsgálati követelményei előírják, hogy magas hőmérsékletű környezetben a kapcsolót bekapcsolt állapotban a környezeti tesztkamra közepére kell helyezni, a hőmérsékletet 70 fokra kell emelni, és 2 órán keresztül fenn kell tartani. Az eszköznek normálisan kell működnie +70 fokon, és a tárolási és továbbítási aránynak el kell érnie a 100%-ot. Ha ez a követelmény teljesül, a váltás 合格 (minősített/elfogadható).
A műszaki követelmények ugyanarra az alacsony-hőmérsékletű környezetre a következők: A kapcsoló bekapcsolt állapotában egy környezeti tesztkamra közepére kerül, a hőmérsékletet -40 fokra csökkentik, majd 2 órán keresztül ezen a hőmérsékleten tartják. Az eszköznek normálisan kell működnie -40 fokon, 100%-os tárolási és továbbítási arány mellett; -40 fokon is normálisan indulnia kell. Ha ezek a követelmények teljesülnek, akkor 合格 (minősített/elfogadható). Ezért a teszt csak azt ellenőrzi, hogy képes-e stabilan működni 2 órán keresztül ezen az extrém hőmérsékleten.
Míg a tengeri szélerőművek ipari kapcsolóinak nem kell ellenállniuk az ilyen szélsőséges hőmérsékleteknek, zord hőmérsékleti környezetben hosszabb ideig folyamatosan működniük kell, és más külső környezet további káros hatásainak is ki lehetnek téve. Csak olyan ipari kapcsolókról lehet elmondani, amelyek kiállták az idő próbáját, hogy megfelelnek a tengeri szélerőművek magas és alacsony hőmérsékleti követelményeinek.
(Folytatás következik)