1. Introducción
En el contexto de un enfoque global en el desarrollo de una economía baja-de carbono y el objetivo de "carbono-doble" propuesto por China, la energía eólica, como fuente de energía renovable limpia y sostenible, se ha convertido en un punto focal para los gobiernos y los gigantes energéticos de todo el mundo. Con la construcción continua de parques eólicos terrestres, una tecnología cada vez más madura y costos cada vez menores, la energía eólica terrestre se ha desarrollado rápidamente, con una capacidad mundial de energía eólica terrestre recientemente instalada que alcanzó los 61,8 GW solo en 2019. Sin embargo, limitada por la tierra explotable en tierra y los recursos de energía eólica, la energía eólica marina se ha convertido gradualmente en una tendencia de desarrollo. En particular, las zonas costeras del sudeste de China están económicamente desarrolladas, tienen una red eléctrica bien-establecida y abundantes recursos de energía eólica marina, lo que las hace muy adecuadas para el desarrollo a gran-escala y la conexión a la red de energía eólica marina.
2. Estado actual de la industria de la energía eólica marina
En 2020, la capacidad mundial de energía eólica marina recién conectada superó los 6 GW, aproximadamente la misma que en 2019. Diez años antes, en 2010, la capacidad mundial de energía eólica marina recién instalada era inferior a 1 GW. Mientras tanto, la proporción de energía eólica marina en la capacidad mundial de energía eólica recién instalada también ha aumentado del 2,5% en 2010 al 7% actual.
2.1 Estado actual y tendencias de la industria de la energía eólica marina en el extranjero
En términos de clasificación de países por capacidad recién instalada, los cinco principales mercados de energía eólica marina a nivel mundial en 2020 fueron China, los Países Bajos, Bélgica, el Reino Unido y Alemania. Los expertos de la industria predicen que el mercado mundial de energía eólica marina experimentará una tasa de crecimiento anual promedio de más del 30% entre 2020 y 2025. Esta evaluación se basa en las siguientes razones:
01
La rápida disminución de los costos de la energía eólica marina se debe al tamaño cada vez mayor de las turbinas eólicas marinas (ver Figura 2-1), que pueden ahorrar significativamente en la inversión inicial y en los costos posteriores de operación y mantenimiento.
Figura 2-1 Tendencias de desarrollo global de las turbinas eólicas marinas
Fuente de datos: Plataforma de datos de mercado GWEC, agosto de 2020
02
Mientras los gobiernos de todo el mundo aumentan sus objetivos para el desarrollo de la energía eólica marina, se espera que los mercados asiáticos de China, Vietnam, Japón y Corea del Sur experimenten un rápido crecimiento. En el mercado europeo, además de que los países de Europa occidental continúen desarrollando vigorosamente la energía eólica marina, los países de Europa del Este también comenzarán la construcción de instalaciones de energía eólica marina. Además, el primer-parque eólico marino a gran escala en Estados Unidos se conectará a la red en 2023.
03
La industrialización de la energía eólica flotante (ver Figura 2-2) tendrá una gama más amplia de aplicaciones porque la estructura de cimentación flotante es adecuada para áreas de aguas profundas con una profundidad de agua de 50 a 200 metros. Según el Informe Energético Mundial, la capacidad instalada mundial de energía eólica flotante alcanzará entre 8 y 10 GW en 2030.
Figura 2-2 Diagrama esquemático de un parque eólico marino flotante
2.2 Estado actual de la industria de energía eólica marina de China
La industria de la energía eólica marina de China comenzó relativamente tarde, pero su desarrollo en los últimos años ha sido extremadamente rápido. Desde 2018, la capacidad de energía eólica marina recién instalada en China ha superado constantemente a la de otros países. En particular, en 2020, la capacidad de la red recién conectada de China superó los 3GW por primera vez. Según la capacidad instalada acumulada, China superó a Alemania y se convirtió en el segundo-mercado de energía eólica marina más grande del mundo a finales de 2020. Según estimaciones basadas en las tasas de crecimiento de la energía eólica marina en varios países, China reemplazó al Reino Unido como el mercado de energía eólica marina más grande del mundo en 2021.
2.2.1 La escala de capacidad instalada y de conexión a la red sigue creciendo.
El proyecto de energía eólica marina del Puente Donghai de Shanghai, el primer proyecto de energía eólica marina a gran-escala de China, que comenzó en 2006 y comenzó su construcción en 2008, instaló con éxito 34 unidades de turbinas eólicas marinas de 3 MW de producción nacional, con una capacidad instalada total de 102 MW, abriendo así el preludio al desarrollo de la energía eólica marina en China.
En 2016, la Administración Nacional de Energía publicó el decimotercer plan quinquenal-para el desarrollo de la energía eólica e introdujo una serie de importantes políticas favorables para fomentar el desarrollo de la energía eólica marina, lo que también significa que el desarrollo de la energía eólica marina en China ha pasado de la "demostración de proyectos" a la vía rápida del "desarrollo rápido".
En 2020, los proyectos de energía eólica marina entraron en un período crítico de instalación acelerada. Según las estadísticas, en el primer semestre del año se estaban construyendo al mismo tiempo 30 proyectos, con una capacidad instalada de 12.972.800 kilovatios, incluidos 11 proyectos recién iniciados y 3 proyectos que estaban completamente conectados a la red.
2.2.2 La capacidad unitaria de las turbinas eólicas ha ido aumentando año tras año.
Según datos de finales de 2019, en términos de capacidad unitaria individual, las unidades de 4 MW tienen la mayor capacidad instalada acumulada, mientras que las de 5 MW se han convertido en el modelo principal para proyectos de energía eólica marina (ver Figura 2-3).
El 12 de julio de 2020, la primera turbina eólica de 10 MW de China se conectó con éxito a la red y generó electricidad en el parque eólico marino de Xinghua Bay en la provincia de Fujian, estableciendo un nuevo récord para la capacidad de una sola turbina eólica marina en China. Desde la perspectiva de los planes de desarrollo de los fabricantes de turbinas eólicas, 8 MW se ha convertido en un nuevo punto de partida, y las turbinas eólicas marinas-a gran escala, de 10 MW o más, han sido catalogadas como modelos de desarrollo clave.
Figura 2-3 Porcentaje de capacidad de turbinas eólicas marinas en China a finales de 2019
2.2.3 La construcción de energía eólica marina se está desplazando gradualmente de aguas poco profundas cercanas a la costa a zonas de aguas profundas-marinas y-profundas.
A finales de 2019, la capacidad total aprobada de energía eólica marina en China alcanzó los 35 millones de kilovatios. Entre ellos, Jiangsu y Guangdong habían aprobado capacidades superiores a 10 millones de kilovatios, mientras que Fujian y Zhejiang habían aprobado capacidades superiores a 3 millones de kilovatios. Los recursos costeros disponibles cerca-para el desarrollo futuro son limitados, mientras que China tiene una vasta área de aguas marinas profundas- explotables, que se espera que se conviertan en el foco del desarrollo de la energía eólica marina en el futuro.
3. Requisitos de hardware para conmutadores Ethernet industriales en parques eólicos marinos
Las turbinas eólicas marinas y las subestaciones marinas se construyen a decenas de kilómetros de la tierra, en entornos extremadamente hostiles. Esto impone exigencias muy altas a los equipos, especialmente a los equipos de comunicación básicos, principalmente en cuanto a confiabilidad, resistencia a la niebla salina, temperaturas altas y bajas y interferencias electromagnéticas. Además, el mantenimiento de equipos marinos está limitado por el clima, las regulaciones marítimas y el despliegue de embarcaciones, lo que hace que tanto el mantenimiento de emergencia como el de rutina sean excepcionalmente difíciles y con tiempos muy impredecibles. Esto impone exigencias extremadamente altas al funcionamiento estable y fiable de los conmutadores Ethernet.
3.1 Requisitos de confiabilidad
Varios indicadores clave de la confiabilidad del equipo:
1) Tiempo medio hasta el fallo (MTTF)
2) Tiempo medio entre fallas (MTBF)
3) Tiempo medio de reparación (MTTR)
3.1.1 Indicador MTBF
Uno de los indicadores de rendimiento más importantes para los conmutadores Ethernet industriales es el tiempo medio entre fallos (MTBF). Los estándares más aceptados y autorizados son MIL-HDBK-217, GJB/Z299B y Bellcore. La mayoría de las marcas extranjeras de interruptores industriales utilizan el MIL-HDBK 217F estadounidense como estándar de referencia y emplean pruebas HALT (prueba de vida útil alta-acelerada) y HASS (detección de tensión altamente acelerada) durante las pruebas de investigación y desarrollo y producción para verificar si el MTBF del producto cumple con los requisitos de diseño. El MTBF de la mayoría de los conmutadores Ethernet industriales es de más de 20 años y algunos incluso superan los 50 años.
HALT (prueba de vida altamente acelerada) se utiliza principalmente en la etapa de diseño de investigación y desarrollo de productos. Es eficaz para exponer posibles defectos en los productos y es un método de prueba importante para que los ingenieros de diseño mejoren la confiabilidad del producto.
HASS (Detección de estrés altamente acelerada) es un proceso de detección de estrés muy-acelerado que se realiza en la línea de producción después de que los productos hayan pasado la prueba HALT para determinar sus límites operativos o destructivos. El . 100% de los productos deben participar en la evaluación. Su finalidad es garantizar que los productos fabricados estén libres de defectos ocultos, o al menos identificar y resolver estos defectos antes de que los productos salgan de fábrica. HASS utiliza estrés acelerado para encontrar productos defectuosos en poco tiempo, acortar el ciclo de acción correctiva e identificar productos con los mismos problemas.
3.1.2 Indicador MTTR
Los requisitos típicos para los parques eólicos marinos son: Tiempo medio de reparación (MTTR) proporcionado por el fabricante, que generalmente es de 0,5 a 1 hora cuando no se tienen en cuenta el tiempo de soporte de gestión y el tiempo de entrega; y el tiempo para diagnosticar (o inspeccionar) y actualizar las bujías defectuosas debe ser inferior a 30 minutos.
Si un conmutador industrial experimenta una falla de hardware, y si no se consideran el tiempo de soporte administrativo y el tiempo de entrega, y solo se necesita un reemplazo simple, en la mayoría de los casos, el producto de conmutador industrial se puede reemplazar en 1 hora, cumpliendo con los requisitos MTTR del cliente.
3.2 Requisitos de resistencia a la corrosión
Una característica clave del entorno operativo marino es el alto nivel de niebla salina. Los productos de conmutador Ethernet industrial deben proporcionar un diseño de revestimiento protector de placa de circuito para alcanzar el nivel de protección G3 y cumplir plenamente con los requisitos de las normas ISA-S71.04-1985 (clasificación G3-Hash Group A) y EN60068-2-60 Método 4 para funcionar de manera estable y confiable durante mucho tiempo en el duro entorno marino.
Los primeros parques eólicos marinos experimentaron una gran cantidad de fallas en los interruptores. Al abrir las carcasas de los interruptores, se encontraron marcas de quemaduras visibles en las placas de circuito. Una de las razones de esto fue que estos interruptores carecían de una capa protectora.
3.3 Requisitos de temperatura alta y baja
Debido a que los diferentes parques eólicos marinos están ubicados en diferentes latitudes, sus condiciones climáticas varían mucho. Por ejemplo, en invierno, la temperatura más baja en el parque eólico marino de Zhuanghe en Dalian puede alcanzar los -15 grados Celsius, mientras que en verano, la temperatura más alta en el parque eólico marino de Xuwen en Zhanjiang puede alcanzar los 38 grados Celsius. La temperatura dentro de las torres de los aerogeneradores puede ser incluso más alta que la temperatura exterior. Por lo tanto, se imponen requisitos muy altos a la temperatura de funcionamiento normal de los interruptores industriales.
Aunque la mayoría de los fabricantes de interruptores industriales del mercado enumeran las temperaturas de funcionamiento de sus interruptores entre -40 grados y +70 grados, o incluso entre -40 grados y +85 grados, estas cifras se derivan de pruebas de laboratorio a corto plazo-. Por ejemplo, los requisitos de prueba de una institución de pruebas nacional acreditada especifican que en entornos de alta-temperatura, el interruptor, mientras está encendido, debe colocarse en el centro de una cámara de prueba ambiental y la temperatura debe elevarse a 70 grados y mantenerse durante 2 horas. El dispositivo debería funcionar normalmente a +70 grado y la tasa de almacenamiento y reenvío debería alcanzar el 100 %. Si se cumple este requisito, el cambio se considera合格 (calificado/aceptable).
Los requisitos técnicos para el mismo entorno de baja-temperatura son los siguientes: el interruptor, mientras está encendido, se coloca en el centro de una cámara de prueba ambiental y la temperatura se reduce a -40 grados y luego se mantiene a esa temperatura durante 2 horas. El dispositivo debería funcionar normalmente a -40 grados, con una tasa de almacenamiento y reenvío del 100%; También debería poder comenzar normalmente a -40 grados. Si se cumplen estos requisitos, se considera合格 (calificado/aceptable). Por lo tanto, la prueba solo verifica si puede funcionar de manera estable durante 2 horas bajo esta temperatura extrema.
Si bien los interruptores industriales en parques eólicos marinos no necesitan soportar temperaturas tan extremas, deben funcionar continuamente durante períodos prolongados en entornos con temperaturas extremas e incluso pueden estar sujetos a efectos adversos adicionales de otros entornos externos. Sólo se puede decir que los interruptores industriales que han resistido la prueba del tiempo cumplen con los requisitos de temperatura alta y baja de los parques eólicos marinos.
(Continuará)