For å få til det, trenger vi dynamiske undervannskabler: Store, robuste og bevegelige kabler som må tåle kreftene som befinner seg i både havet og i konstruksjoner som flytende solenergi, offshore fiskemerder, olje- og gassplattformer og havvindturbiner.
De dynamiske kablene fungerer som en navlestreng til de statiske undervannskablene som skal frakte strømmen til eller fra land.
– Det blir litt som strømledningene vi har til alle våre elektriske duppeditter som vi kobler til de faste kablene i veggen via støpselet, sier SINTEF-forsker Naiquan Ye.
Han jobber med å sikre at de dynamiske kablene holder stand. Det har stor betydning for kostnadene i mange prosjekter.
De er dyre, kompliserte og må takle de bevegelige kreftene i havet. Illustrasjon. Headspin/SINTEF
– Med dagens planer trenger Europa 6000 km undervannskraftkabler årlig. Det er like langt som herfra til Bermuda, sier forskeren.
Utsettes for tøffe påkjenninger
Det er sjeldent vi får kabelbrudd i ledningene i veggen – men hvor ofte har vi ikke måttet kaste en ladeledning eller bytte ut en skjøteledning fordi den har blitt kveilet eller brukket på litt for mange ganger?
Ifølge selskapet Lloyd Warwick, som spesialiserer seg på blant annet skadeoppgjør for forsikringsbransjen, skyldes 83 prosent av forsikringskravene innen offshore vind feil i kablene. De bli sårbare når de blir varme pga. strømmen som går gjennom de i bruk, og de beveges av havstrømninger, bølger, og forskjellen mellom den flytende konstruksjonen og den stillestående havbunnen.
Tre typer undervannskabler:
- Dynamiske kabler er bevegelige og frakter energi, og som regel informasjon, mellom en flytende installasjon og den statiske undervannskabelen.
- Statiske undervannskabelen energikabler er kabler som ligger stille på havbunnen og frakter energi mellom installasjoner til sjøs og land, eller mellom land. Disse utsettes ikke for de samme påkjenningene som dynamiske kabler.
- Kommunikasjonskabler er som de statiske undervanns-energikablene, men inneholder fiberoptikk og annen informasjonsteknologi.
Kablene består også av mange lag for å sikre pålitelig frakt av strøm. Disse lagene skal være vanntette, frakte kontrollsignal, ikke la seg påvirke av magnetisme, ikke lekke strøm, og attpåtil tåle konstant bevegelse i både iskaldt og varmere sjøvann.
Senker kostnadene
Det er kanskje ikke så rart at disse kablene er dyre å produsere. Til nå har etterspørselen vært lav, og de som primært har bestilt slike kabler, har vært olje- og gassnæringen som har hatt budsjetter til å kunne ta i litt ekstra på sikkerheten.
Forsker Naiquan Ye og laboratorieleder Kenneth Njuolla i SINTEFs laboratorium. Foto: Kai Dragland
Dette endres med overgangen til fornybar energi.
Her er budsjettene som regel strammere, og i motsetning til en oljeplattform som klarer seg med én kabel, trenger en offshore vindenergipark en dynamisk, undersjøisk kabel for hver eneste vindturbin.
Da må design og produksjon optimeres med tanke på kostnad, men også for at kablene skal vare lengst mulig.
Det er her teamet til forskningsleder Naiquan Ye kommer inn. Gjennom mange år med simulering og testing av kabler har gruppen lært mye om hvordan de forskjellige bestanddelene av disse kablene oppfører og hvordan de takler indre og ytre påkjenninger.
– Siden 1980-tallet har vi på SINTEF utviklet avanserte modeller for å simulere egenskapene til kabler i kompliserte havmiljøer. Disse numeriske verktøyene er verdensledende, og industrien bruker de for å sikre trygg og bærekraftig produksjon av havbasert energi, både innen olje og gass og havvind industriene, forklarer Naiquan Ye.
– Med dagens planer trenger Europa 6000 km undervannskraftkabler årlig. Det er like langt som herfra til Bermuda.
Utmattelses-spøkelset
Den største trusselen mot en kabels levetid, er utmattelse. Rett og slett at materialene blir utslitt. Når kabelen får strøm igjennom seg, oppfører den seg litt som en hageslange når man skrur på vannet – den begynner å bevege og bukte på seg.
I vannslangen er ikke dette et problem fordi vannet føyer seg enkelt med, men i en elektrisk kabel har man mange metalltråder – akkurat som hvis man kutter over en ladeledning hjemme. Vrir og vrenger man for mye på disse, vil de etter hvert sprekke opp og man får brudd.
Kenneth Njuolla og Kristian Minde i SINTEF måler styrken i en kobbertråd; en av de mange komponentene i en dynamisk kabel. Tråden utmattes til brudd. Dette er forsøk som tar oss fra overdimensjonerte og dyre, til smekre navlestrenger for havvind. Foto: Kai Dragland.
I tillegg er det de isolerende materialene, kanskje en dataledning som skal overføre kontrollsignaler, og selve kabelen. Alle består av forskjellige materialer, som tåler forskjellige mengder med bevegelse over tid.
På toppen av det hele vil disse materialene bevege seg forskjellig. Akkurat som gummien eller plasten ytterst rundt en vanlig husholdningsledning har en helt annen bevegelighet hvis man tar ut ‘innmaten’.
Nummeriske beregninger kommer til kort
– Egenskapene og bevegelsene til kabler er imidlertid mye mer komplisert enn det numeriske modeller kan forutsi. Urenheter i materiale, produksjon, installasjon og miljøet de er i slik som temperatur, kan påvirke levetiden til kabler, sier SINTEF-forskeren.
– Hvis dette gjøres tidlig i et havvind prosjekt, kan det gi en betydelig kostnadsreduksjon for strømkablene samtidig som designet optimeres.
Laboratorietesting er en kritisk metode for å fastslå effektene fra disse påvirkningene. I konstruksjonslaboratoriet overvåker vi hvordan kablene ter seg i det virkelige liv, og resultatene går tilbake inn i de numeriske verktøyene for å finne mer presise metoder for å anslå levetiden til kabler.
– Hvis dette gjøres tidlig i et havvind prosjekt, kan det gi en betydelig kostnadsreduksjon for strømkablene samtidig som designet optimeres, legger Naiquan Ye til.
Ved å ‘vri og vrenge’ på kabelen i en testrigg, kan forskerne se hvordan de forskjellige bestanddelene av kabelen beveger seg i forhold til hverandre. Disse bestanddelene kan ofte bevege seg inne i kabelen når de er i drift. Bevegelsene er vanligvis ikke-lineære på grunn av friksjon mellom bestanddelene – altså, det er ikke slik at de er i direkte forhold til bevegelsene rundt kabelen. Derfor er det så vanskelig å regne seg til hvordan en kabel og innmaten beveger seg.
Ved å teste full-skala kabler, er det mulig å se hvor mye kabelen tåler, hvor sterk den er, og hva som til slutt blir det svake punktet som gjør at en kabel blir ødelagt.
Fakta:
- Ved Konstruksjonslaboratoriet til SINTEF, som er en del av det nye Norsk Havteknologisenter, testes kabler tilsvarende i snitt 30 års bruk. Her testes strukturer, strukturelle komponenter og materialer.
- Typiske problemstillinger omfatter tretthetstesting, strekkfasthet og bruddtesting. Det eksperimentelle arbeidet kombineres ofte med analytisk eller numerisk analyse.
- Slike kabler blir også testet i Havbassenget for å se hvordan de oppfører seg i vann. Norsk havteknologisenter vil bestå av laboratorier på Tyholt i Trondheim kombinert med installasjoner ute i Trondheimsfjorden, i havet utenfor Hitra og Frøya og Ålesund, og vil få en sentral rolle i testingen av framtidens offshoreinstallasjoner.
Fra land til vann
En ting er når dette er på tørt land, men hva skjer når du da i tillegg legger kabelen i vann og får vannets naturlige bevegelser på toppen?
Dette er ikke krefter som passer i et enkelt skjema. Strømninger i vannet er forskjellig på forskjellige dybder og steder, temperatur, vind og bølger påvirker det hele – inkludert hvordan f.eks. vindturbinen også beveger seg og dermed beveger kabelen. Og kablene kan være ulike i design og materialvalg.
Ved å trekke opp til 30 meter med kabel gjennom et havbasseng kan vi etterligne mange av disse kreftene, og samle inn data. Disse dataene blir sammenstilt med dataene fra testene på land og går inn i datamodeller som blir mer og mer nøyaktige.
Bedre og bedre simuleringsmodeller
Selv om hver kabel og hvert havområde er unikt, er det likevel mulig å lage simuleringsverktøy for å kunne forbedre design-prosessen av kabler før de testes. Hver gang kabler testes, genereres data, som igjen blir matet tilbake i verktøyene så de blir bedre og bedre.
Målet er at kabeldesignet kan gjøres så godt i utgangspunktet, at kablene består alle tester med glans, uten at de er overdimensjonert og unødvendig dyre.
