浮体式洋上風力発電の海底再設計が進行中

MECON コレクターハブを使用した洋上浮体式風力発電所 画像提供: ベーカー・ヒューズ

現在ベーカー・ヒューズ社が技術認定を行っている 66kV 高電圧ウェットメイトコネクタは、重量が約 1 トンで、直径最大 1,200 平方ミリメートルの銅ケーブルを保護する 40 リットルを超える誘電油を備えています。

このコネクタは、浮体式風力タービンから来る動的ケーブルの端の海底に設置され、最終的に生成されるメガワット単位のエネルギーを海底変電所に送り、その後陸上に送るコレクター ハブに接続するように設計されています。

問題が発生する可能性はたくさんあります。

固定式洋上風力発電では、石油やガスの用途と同様に静的ケーブル配線が関係しますが、ケーブルの故障はコストのかかる問題です。浮体式風力発電産業が立ち上がると、動的ケーブル故障はさらに一般的になることが予想されます。

ベーカー・ヒューズは、石油・ガス業界での経験を活かして、海洋電気コネクタ (MECON) 高電圧 AC ウェットメイトコネクタの再設計と電力範囲の拡大を行い、ケーブル故障の影響を軽減しました。同社の 3 相ウェットメイトコネクタは、3 つの接続を 1 つのハウジングに統合し、絶縁液の清浄度を最適化しながら、業界の他社が使用する単相コネクタと比較して潜在的な漏れ経路を最小限に抑えます。これらのコネクタでは、ケーブルごとに 3 つの接続が必要なため、潜在的な漏れ経路が 3 つ生じます。

「他の技術を見ると、接続フレーム内に 3 つの個別の接続があり、それが単一のコネクタのように見えます。当社のシステムの利点は、3 つの個別の位相接続がすべて、実際には単一の機械コネクタ内にあることです」と、ベーカー・ヒューズのオフショア発電システム製品マネージャー、マイク・バーチ氏は述べています。

当社のスター構成では、1 行に複数のスターが配置されることはありません。そのため、フィールド全体を 1 つのサイズ (通常は 95 または 150 平方ミリメートル) に標準化できます。
画像提供：ベーカー・ヒューズ

コネクタは ROV で洗浄可能なため、ROV で取り付けることができます。まずコネクタとコレクターのインターフェースを海水で洗浄することで、ゴミを取り除きます。次に真水で洗浄、続いてエタノールで洗浄した後に、誘電油を注入します。この油によって電気接続が開始され、分離されます。

ベーカー・ヒューズは、1999 年に石油・ガスで初めて使用されたオリジナルの 12kV バージョンから、浮体式風力発電アプリケーション向けに 36kV、そして現在は 66kV までウェットメイト コネクタのスケールアップを進めています。同社は、まだ導入されていないコネクタに関心を持つ可能性のあるエネルギー大手企業から支援を受けています。既存の IEC 規格は 36kV までのコネクタしかカバーしておらず、業界では広く受け入れられる認定マトリックスが必要なため、彼らの意見は非常に貴重であるとバーチは述べています。

コネクタは海底コレクター ハブに接続します。ベーカー ヒューズは、少なくとも第 1 世代の機器ではシンプルさを目指しており、コレクター ハブは基本的にオイルで満たされた筐体で、外側にウェット コネクタが付いています。「当社の MECON コレクターには可動部品はなく、ボックス内にはスマートな機能はありません。複数の入力から電力を収集し、1 つの出力からエクスポートするだけです。」

内部ディスコネクタ技術を搭載したMECONウェットコネクト
画像提供：ベーカー・ヒューズコレクターには明確なスイッチギアがないため、ベーカー・ヒューズのウェットコネクトは、ROV で操作される内部ディスコネクタを介してこの機能を提供し、アレイの電源がオフになった後にコネクタのスイッチを使用してケーブルを分離するように設計されています。コレクターハブにスイッチを配置して、電気負荷がかかった状態でリモートでタスクを実行できるようにする移行は、時間が経てば実現するかもしれませんが、現時点では、業界が必要としているのはシンプルさと低コストである、とバーチは考えています。

設計のシンプルさは、その重要性を裏切るものです。複数のタービンをコレクター ハブに直接接続することで、デイジー チェーン ケーブルに関連する問題が解消されるからです。現在、固定式洋上風力発電に使用されているこのシステムでは、デイジー チェーンのどこかの時点でケーブルが故障すると、トレイン全体の電力が失われる可能性がありますが、コレクター ハブにより、各タービンが他のタービンとは独立してコレクター ハブに接続されるスター構成が可能になります。

「スター構成を見ると、構成に応じて個々のタービンまたはタービンのグループを分離できるため、可用性の面で明らかにメリットがあります。2 つ目のメリットは、複数のタービンを直列に接続しないため、ケーブルのサイズを縮小し、1 つのサイズに標準化できることです。」

デイジーチェーンでは、各タービンからの電力がアレイに沿って集約されるにつれて、ケーブルの直径は 95 平方ミリメートルの銅から始まり、300 平方ミリメートル、さらには 1,000 平方ミリメートルへと増加します。

「当社のスター構成では、1 本のラインに複数のケーブルを配置することはないため、フィールド全体を 1 つのサイズ、通常は 95 または 150 平方ミリメートルに標準化できます。1,000 平方ミリメートルと 95 平方ミリメートルではコストに大きな差があります。これは CAPEX のメリットですが、OPEX の観点もあります。つまり、在庫として保管する必要があるケーブル サイズは 1 つだけです。」

資産への高電圧AC風力発電。
画像提供：ベーカー・ヒューズ

こうした標準化は、急成長する浮体式風力発電市場の存続にとって極めて重要だとバーチ氏は言う。「石油・ガス業界とは異なり、浮体式風力発電では特注のシステムを持つことはできません。再生可能エネルギーの利益率が低すぎるからです。コネクタ、コレクターハブ、タービンといった構造化された構成要素が必要です。それが、エネルギーの均等化原価を下げることができる規模の経済性を実現する唯一の方法です。」新しいコネクタの製品認定は、バーチ氏が2027年から予測する浮体式風力発電市場の劇的な成長に間に合うように、来年完了する予定です。「将来は有望で、2050年までに約270GWの浮体式風力発電容量の設置が予測されています。タービン1基あたり平均15MWで、これを達成するには、今後25年間で毎年700基以上の浮体式風力タービンを設置する必要があります。」

バーチ氏は、さまざまな構成が使用されると予測しています。ベーカー・ヒューズの海底設計では、タービンのエネルギーを陸上の送電網に送ったり、さらに海上設備や Power-to-X プラットフォームに送ったりすることができます。また、潮汐アレイにも使用でき、バーチ氏は、島への電力供給など、一部の用途に適していると考えています。長距離のエネルギー輸送では、このシステムには中間点リアクターも組み込むことができ、これにより輸出ケーブルを通じた伝送の整合性が再確立されるため、変電所から海岸までの現在の制限である約 100 ～ 150 キロメートルを延長できます。

今後、コネクタの開発がさらに進むと予想されます。「現在、66kV を検討していますが、20MW のタービンが開発中であり、132kV が必要になります。これらのフィールドの一部は、これらの非常に大きなタービンがなければ経済的に実行不可能になるでしょう。」