1. Introduzione
Sullo sfondo dell'attenzione globale allo sviluppo di un'economia a basso-carbonio e dell'obiettivo del "doppio-carbonio" proposto dalla Cina, l'energia eolica, in quanto fonte di energia rinnovabile pulita e sostenibile, è diventata un punto focale per i governi e i giganti dell'energia di tutto il mondo. Con la continua costruzione di parchi eolici onshore, una tecnologia sempre più matura e i costi in calo, l’energia eolica onshore si è sviluppata rapidamente, con una capacità globale di nuova installazione di energia eolica onshore che ha raggiunto i 61,8 GW solo nel 2019. Tuttavia, limitata dai terreni sfruttabili onshore e dalle risorse di energia eolica, l’energia eolica offshore è gradualmente diventata una tendenza di sviluppo. In particolare, le aree costiere sudorientali della Cina sono economicamente sviluppate, dispongono di una rete elettrica ben-consolidata e di abbondanti risorse di energia eolica offshore, il che le rende particolarmente adatte per lo sviluppo su larga scala-e la connessione alla rete dell'energia eolica offshore.
2. Stato attuale del settore dell'energia eolica offshore
Nel 2020, la capacità globale di energia eolica offshore recentemente collegata ha superato i 6 GW, più o meno la stessa del 2019. Dieci anni prima, nel 2010, la capacità globale di energia eolica offshore recentemente installata era inferiore a 1 GW. Nel frattempo, anche la percentuale di energia eolica offshore sulla capacità globale di nuova installazione di energia eolica è aumentata dal 2,5% nel 2010 all’attuale 7%.
2.1 Stato attuale e tendenze del settore dell’energia eolica offshore d’oltremare
In termini di classifica dei paesi in base alla capacità di nuova installazione, i primi cinque mercati dell’energia eolica offshore a livello globale nel 2020 sono stati Cina, Paesi Bassi, Belgio, Regno Unito e Germania. Gli esperti del settore prevedono che il mercato globale dell’energia eolica offshore registrerà un tasso di crescita medio annuo superiore al 30% tra il 2020 e il 2025. Questa valutazione si basa sui seguenti motivi:
01
Il rapido calo dei costi dell’energia eolica offshore è dovuto alla crescente dimensione delle turbine eoliche offshore (vedi Figura 2-1), che possono far risparmiare in modo significativo sugli investimenti iniziali e sui successivi costi di funzionamento e manutenzione.
Figura 2-1 Tendenze di sviluppo globale delle turbine eoliche offshore
Fonte dati: piattaforma dati di mercato GWEC, agosto 2020
02
Con i governi di tutto il mondo che innalzano i loro obiettivi per lo sviluppo dell’energia eolica offshore, si prevede che i mercati asiatici di Cina, Vietnam, Giappone e Corea del Sud registreranno una rapida crescita. Nel mercato europeo, oltre ai paesi dell’Europa occidentale che continuano a sviluppare vigorosamente l’energia eolica offshore, anche i paesi dell’Europa orientale inizieranno la costruzione di impianti eolici offshore. Inoltre, nel 2023 sarà collegato alla rete il primo-parco eolico offshore su larga scala negli Stati Uniti.
03
L’industrializzazione dell’energia eolica galleggiante (vedi Figura 2-2) avrà una gamma più ampia di applicazioni perché la struttura di fondazione galleggiante è adatta per aree marine profonde con una profondità dell’acqua compresa tra 50 e 200 metri. Secondo il World Energy Report, la capacità installata globale di energia eolica galleggiante raggiungerà gli 8-10 GW entro il 2030.
Figura 2-2 Rappresentazione schematica di un parco eolico offshore galleggiante
2.2 Stato attuale del settore dell'energia eolica offshore in Cina
L’industria dell’energia eolica offshore in Cina è nata relativamente tardi, ma il suo sviluppo negli ultimi anni è stato estremamente rapido. Dal 2018, la capacità di energia eolica offshore recentemente installata in Cina ha costantemente superato gli altri paesi. In particolare, nel 2020, la capacità della rete cinese recentemente connessa ha superato per la prima volta i 3 GW. In base alla capacità installata cumulativa, entro la fine del 2020 la Cina ha superato la Germania diventando il secondo-mercato di energia eolica offshore più grande al mondo. Secondo le stime basate sui tassi di crescita dell'energia eolica offshore in vari paesi, nel 2021 la Cina ha sostituito il Regno Unito come mercato di energia eolica offshore più grande del mondo.
2.2.1 La portata della capacità installata e della connessione alla rete continua a crescere.
Il progetto di energia eolica offshore del ponte Shanghai Donghai, il primo progetto di energia eolica offshore su larga scala della Cina, avviato nel 2006 e la cui costruzione è iniziata nel 2008, ha installato con successo 34 turbine eoliche offshore da 3 MW di produzione nazionale, con una capacità installata totale di 102 MW, aprendo così il preludio allo sviluppo dell'energia eolica offshore in Cina.
Nel 2016, l'Amministrazione nazionale per l'energia ha pubblicato il 13° piano quinquennale per lo sviluppo dell'energia eolica e ha introdotto una serie di importanti politiche favorevoli per incoraggiare lo sviluppo dell'energia eolica offshore, il che significa anche che lo sviluppo dell'energia eolica offshore in Cina è passato dal "progetto dimostrativo" alla corsia preferenziale dello "sviluppo rapido".
Nel 2020, i progetti di energia eolica offshore sono entrati in un periodo critico di installazione urgente. Secondo le statistiche, nella prima metà dell'anno erano in costruzione contemporaneamente 30 progetti con una capacità installata di 12.972.800 kilowatt, di cui 11 progetti appena avviati e 3 progetti completamente collegati alla rete.
2.2.2 La capacità unitaria delle turbine eoliche aumenta di anno in anno.
Secondo i dati della fine del 2019, in termini di capacità di una singola unità, le unità da 4 MW hanno la maggiore capacità installata cumulativa, mentre 5 MW è diventato il modello tradizionale per i progetti di energia eolica offshore (vedere Figura 2-3).
Il 12 luglio 2020, la prima turbina eolica da 10 MW della Cina è stata collegata con successo alla rete e ha generato elettricità nel parco eolico offshore di Xinghua Bay nella provincia del Fujian, stabilendo un nuovo record per la capacità di una singola turbina eolica offshore in Cina. Dal punto di vista dei piani di sviluppo dei produttori di turbine eoliche, 8 MW sono diventati un nuovo punto di partenza e le turbine eoliche offshore su larga scala-da 10 MW e oltre sono state elencate come modelli di sviluppo chiave.
Figura 2-3 Percentuale della capacità delle turbine eoliche offshore in Cina alla fine del 2019
2.2.3 La costruzione di energia eolica offshore si sta gradualmente spostando dalle acque poco profonde vicino alla costa al mare profondo e alle aree di acque profonde.
Alla fine del 2019, la capacità totale approvata di energia eolica offshore in Cina ha raggiunto i 35 milioni di kilowatt. Tra questi, Jiangsu e Guangdong avevano approvato capacità superiori a 10 milioni di kilowatt, mentre Fujian e Zhejiang avevano approvato capacità superiori a 3 milioni di kilowatt. Le risorse vicine alla costa disponibili per lo sviluppo futuro sono limitate, mentre la Cina dispone di una vasta area sfruttabile di acque marine profonde, che si prevede diventeranno il fulcro dello sviluppo dell'energia eolica offshore in futuro.
3. Requisiti hardware per switch Ethernet industriali nei parchi eolici offshore
Le turbine eoliche offshore e le sottostazioni offshore vengono costruite a decine di chilometri dalla terra, in ambienti estremamente difficili. Ciò pone requisiti molto elevati alle apparecchiature, in particolare alle apparecchiature di comunicazione principali, principalmente per quanto riguarda l'affidabilità, la resistenza alla nebbia salina, alle alte e basse temperature e alle interferenze elettromagnetiche. Inoltre, la manutenzione delle apparecchiature offshore è vincolata dalle condizioni meteorologiche, dalle normative marittime e dall’impiego delle navi, rendendo sia la manutenzione di emergenza che quella di routine eccezionalmente difficili, con tempi altamente imprevedibili. Ciò pone requisiti estremamente elevati al funzionamento stabile e affidabile degli switch Ethernet.
3.1 Requisiti di affidabilità
Diversi indicatori chiave dell’affidabilità delle apparecchiature:
1) Tempo medio al guasto (MTTF)
2) Tempo medio tra i guasti (MTBF)
3) Tempo medio di riparazione (MTTR)
3.1.1 Indicatore MTBF
Uno degli indicatori di prestazione più importanti per gli switch Ethernet industriali è il Mean Time Between Failures (MTBF). Gli standard più ampiamente accettati e autorevoli sono MIL-HDBK-217, GJB/Z299B e Bellcore. La maggior parte dei marchi stranieri di interruttori industriali utilizza lo standard americano MIL-HDBK 217F come standard di riferimento e impiega i test HALT (High-Accelerated Life Test) e HASS (High-Accelerated Stress Screening) durante i test di ricerca e sviluppo e di produzione per verificare se l'MTBF del prodotto soddisfa i requisiti di progettazione. L'MTBF della maggior parte degli switch Ethernet industriali è superiore a 20 anni e alcuni superano addirittura i 50 anni.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) viene utilizzato principalmente nella fase di progettazione della ricerca e sviluppo del prodotto. È efficace nell'esporre potenziali difetti nei prodotti ed è un importante metodo di test per i progettisti per migliorare l'affidabilità del prodotto.
L'HASS (Highly Accelerated Stress Screening) è un processo di screening dello stress altamente-accelerato eseguito sulla linea di produzione dopo che i prodotti hanno superato il test HALT per determinarne i limiti operativi o distruttivi.. 100% dei prodotti è tenuto a partecipare allo screening. Il suo scopo è garantire che i prodotti fabbricati siano esenti da difetti nascosti, o almeno identificare e risolvere questi difetti prima che i prodotti lascino la fabbrica. HASS utilizza lo stress accelerato per individuare i prodotti difettosi in breve tempo, abbreviare il ciclo di azioni correttive e identificare i prodotti con gli stessi problemi.
3.1.2 Indicatore MTTR
I requisiti tipici per i siti di parchi eolici offshore sono: Tempo medio di riparazione (MTTR) fornito dal produttore, che generalmente è compreso tra 0,5 e 1 ora quando non vengono presi in considerazione i tempi di supporto gestionale e i tempi di consegna; e il tempo necessario per la diagnosi (o l'ispezione) e l'aggiornamento delle spine difettose dovrebbe essere inferiore a 30 minuti.
Se uno switch industriale presenta un guasto hardware e se i tempi di supporto gestionale e di consegna non vengono presi in considerazione ed è necessaria solo una semplice sostituzione, nella maggior parte dei casi, il prodotto switch industriale può essere sostituito entro 1 ora, soddisfacendo i requisiti MTTR del cliente.
3.2 Requisiti di resistenza alla corrosione
Una caratteristica chiave dell'ambiente operativo marino è l'elevato livello di nebbia salina. I prodotti switch Ethernet industriali devono fornire un rivestimento protettivo del circuito stampato per raggiungere il livello di protezione G3 e soddisfare pienamente i requisiti degli standard ISA-S71.04-1985 (classificazione G3- Hash Group A) e EN60068-2-60 Metodo 4 per funzionare in modo stabile e affidabile per lungo tempo nel difficile ambiente marino.
I primi parchi eolici offshore hanno subito un gran numero di guasti agli interruttori. All'apertura degli involucri degli interruttori sono stati rilevati segni di bruciatura visibili sui circuiti stampati. Uno dei motivi era che questi interruttori non avevano un rivestimento protettivo.
3.3 Requisiti di alta e bassa temperatura
Poiché diversi parchi eolici offshore sono situati a latitudini diverse, le loro condizioni climatiche variano notevolmente. Ad esempio, in inverno, la temperatura più bassa nel parco eolico offshore Zhuanghe a Dalian può raggiungere i -15 gradi Celsius, mentre in estate, la temperatura più alta nel parco eolico offshore Xuwen a Zhanjiang può raggiungere i 38 gradi Celsius. La temperatura all’interno delle torri delle turbine eoliche può essere addirittura superiore alla temperatura esterna. Pertanto, vengono posti requisiti molto elevati alla normale temperatura operativa degli interruttori industriali.
Sebbene la maggior parte dei produttori di interruttori industriali sul mercato elenchino le temperature operative dei propri interruttori come da -40 gradi a +70 gradi o anche da -40 gradi a +85 gradi, queste cifre derivano da test di laboratorio a breve-termine. Ad esempio, i requisiti di test di un rinomato istituto di test nazionale specificano che in ambienti ad alta-temperatura, l'interruttore, mentre è acceso, deve essere posizionato al centro di una camera di test ambientale e la temperatura deve essere aumentata a 70 gradi e mantenuta per 2 ore. Il dispositivo dovrebbe funzionare normalmente a +70 gradi e la velocità di memorizzazione e inoltro dovrebbe raggiungere il 100%. Se questo requisito viene soddisfatto, il passaggio è considerato 合格 (qualificato/accettabile).
I requisiti tecnici per lo stesso ambiente a bassa-temperatura sono i seguenti: l'interruttore, quando è acceso, viene posizionato al centro di una camera di prova ambientale e la temperatura viene abbassata a -40 gradi e quindi mantenuta a tale temperatura per 2 ore. Il dispositivo dovrebbe funzionare normalmente a -40 gradi, con una velocità di memorizzazione e inoltro del 100%; dovrebbe anche essere in grado di avviarsi normalmente a -40 gradi. Se questi requisiti sono soddisfatti, è considerato合格 (qualificato/accettabile). Pertanto, il test verifica solo se può funzionare stabilmente per 2 ore a questa temperatura estrema.
Sebbene gli interruttori industriali nei parchi eolici offshore non debbano resistere a temperature così estreme, devono funzionare continuamente per periodi prolungati in ambienti con temperature rigide e possono anche essere soggetti a ulteriori effetti negativi provenienti da altri ambienti esterni. Si può dire che solo gli interruttori industriali che hanno resistito alla prova del tempo soddisfino i requisiti di alta e bassa temperatura dei parchi eolici offshore.
(Continua)