Stian Ingebrigtsen ABB AS Energy Industries Bergen, Norway, stian.ingebrigtsen@no.abb.com; Svein Vatland ABB AS Energy Industries Oslo, Norway, svein.vatland@no.abb.com; Heinz Lendenmann ABB System Drives Västerås, Sweden, heinz.lendenmann@se.abb.com
La demanda mundial de energía en forma de combustibles fósiles persiste, a pesar de que la disponibilidad y accesibilidad de los campos de petróleo y gas maduros disminuye [1]. Para satisfacer esta demanda, los operadores internacionales de petróleo y gas se están adentrando en entornos cada vez más exigentes y remotos, en las aguas ultraprofundas [2]. Aunque antes era una opción demasiado imponente y costosa, el desarrollo de nuevas tecnologías inteligentes, fiables y rentables puede respaldar la capacidad del sector del petróleo y el gas para trabajar en el entorno submarino remoto y seguir siendo rentable. Los avances en las soluciones de electrificación submarina para el transporte, la distribución y la conversión de energía podrían permitir un día colocar una instalación completa de producción de gas y petróleo en el mar, con lo que las empresas dedicadas a etapas anteriores del proceso podrían explorar y explotar depósitos más profundos, escasosy remotos →01. Pero antes de que esto pueda ocurrir, la industria requiere equipos muy fiables que prácticamente no precisen mantenimiento, porque los costes de recuperar equipos del fondo marino para su reparación serían prohibitivos.
Con este propósito, ABB inició en 2013 un proyecto industrial conjunto (JIP) de 100 millones de dólares con Equinor (antes Statoil), Total y Chevron, que cuenta con el apoyo del Consejo de Investigación de Noruega [3].Partiendo de su posición dominante como líder mundial en electrificación y automatización, ABB ha completado el desarrollo de un sistema de electrificación destinado al transporte, la distribución y la conversión de energía para bombas submarinas y compresores de gas, con una capacidad máxima de 100 MW, en profundidades de agua de hasta 3000 metros y unas distancias de transporte de hasta 600 km; y todo ello con un mantenimiento escaso o nulo durante una vida útil de hasta 30 años, un paso importante hacia la consecución de una fábrica submarina.
El inconveniente de las superestructuras
En la actualidad, las instalaciones de producción de hidrocarburos en alta mar suelen depender de la energía generada localmente por turbinas de gas situadas en superficie (topside), en una plataforma fija o flotante (o, lo más habitual, en múltiples plataformas) o bien en buques. Para fines submarinos, la energía se transporta a los equipos a través de múltiples cables situados cerca de los aparatos que la precisan, como bombas y compresores, en el lecho marino: las denominadas soluciones de largo alcance. Las instalaciones de superficie (topside) exigen un mantenimiento continuo, una logística y un soporte complicados; y dependen de la generación de energía que emite un nivel excesivo de gases de efecto invernadero, es decir, que resulta un esfuerzo costoso.
La capacidad de distribuir, transportar y convertir energía debajo de la superficie y a grandes distancias de manera fiable cambiaría las reglas del juego para la industria del petróleo y el gas. Al instalar estos sistemas de electrificación cerca del punto de carga, se reducen el espacio y el peso en las instalaciones de superficie, se reduce el tiempo de respuesta a los pozos, se reducen las demandas de suministro eléctrico y se mitigan las emisiones de gases de efecto invernadero. En consecuencia, ABB ha aportado sus conocimientos técnicos a este proyecto en expansión, cuya finalización es clave para la materialización futura de una fábrica completa en el lecho marino.
Un diseño riguroso facilita la electrificación submarina
ABB ha utilizado un innovador enfoque de diseño para desarrollar una solución de electrificación modular y flexible basada en sus acreditadas tecnologías:
- Accionamiento de velocidad variable submarino (VSD)
- Aparamenta de media tensión (MT) submarina
- Control submarino y distribución en baja tensión (BT)
ABB se basó en sus conocimientos técnicos y experiencia en energía submarina, tras presentar el primer transformador submarino del mundo en 1999, para desarrollar equipos versátiles, robustos, potentes y fiables. Para el éxito de este proyecto ha sido esencial un profundo conocimiento de las propiedades eléctricas y térmicas de los equipos, como componentes, subconjuntos y conjuntos en condiciones de tensión extrema.
Teniendo en cuenta estas exigencias, ABB implantó un riguroso esquema de cualificación y se basó en las recomendaciones y etapas del Nivel de PreparaciónTécnica (TRL) definidas en DNV RP-A203 para componentes, equipos y conjuntos en exploración y explotación de hidrocarburos en alta mar. Se adoptaron los requisitos para sistemas y equipos de superficie (topside), la norma API 17F para Sistemas de Control en Producción Submarina, incluidas pruebas térmicas, de vibraciones y de presión, así como las pruebas de vida útil acelerada y los requisitos propios de Equinor: TR3025 (p. ej., márgenes de diseño del sistema y niveles de inmunidad del equipo). Este enfoque sistemático del proyecto y el diseño, junto con una interacción profunda con expertos en la materia de los socios del proyecto conjunto, permitió identificar cambios en el diseño y realizar mejoras desde el principio, garantizando así la fiabilidad dentro de los límites especificados para una gestión de riesgos satisfactoria. De este modo, el sector del petróleo y el gas tendrá la seguridad de que toda la tecnología desarrollada está lista para ser utilizada en el entorno ultraprofundo más desafiante.
La cualificación es la reina: el móduloelectrónicosubmarino
El sistema de control y protección submarino es el cerebro de la solución general de energía submarina y consta de conjuntos principales para la distribución,conversión, alimentación auxiliar y control de la alimentación eléctrica. El nuevo sistema debe suministrar energía, recorriendo hasta 600 km, a los aparatos que la precisan en el fondo marino, que se encuentran a profundidades máximas de 3000 m, algo que nunca antes se había hecho.
02 Los componentes de control se diseñaron, se probaron, se modificaron y volvieron a someterse a prueba. Se muestran dos etapas:
O2 a Una primera etapa de diseño 
02 b La prueba final de cualificación del controlador. El diseño del producto tuvo un valor incalculable para el desarrollo del prototipo definitivo del producto.
Este descomunal desafío se abordó adoptando un enfoque pragmático y gradual en el diseño de todos los equipos y sistemas, incluido el sistema de control, desde la fase de concepción hasta la de prueba del sistema →02-03. Se establecieron procedimientos para aprender los comportamientos y los límites de los materiales, las piezas, los componentes, los dispositivos, los subconjuntos y los conjuntos. Las simulaciones y los exámenes de laboratorio y de campo permitieron efectuar modificaciones cíclicas del diseño tras las sucesivas pruebas →02. Por ejemplo,los dispositivos de control se probaron en entornos de difícil acceso para reproducir condiciones submarinas remotas. En ocasiones, en las condiciones ambientales más adversas, se registraron desviaciones intermitentes de la prueba que desaparecieron al concluir tales condiciones. Para registrar las condiciones que provocaron las perturbaciones, los expertos recopilaron datos del dispositivo durante las pruebas y después llevaron a cabo análisis para averiguar la raíz del problema. Al basarse en esta capacidad de aprendizaje a partir de iteraciones de diseño/prueba, ABB pudo corregir incluso problemas de diseño difíciles de detectar, y cumplir todas las certificaciones de componentes, subconjuntos y conjuntos. Este proceso condujo a la cualificación del módulo de electrónica submarina (SEM) antes de realizar las pruebas de campo casi reales →03.
Diseño y cualificación del accionamiento develocidadvariable (VSD)
Los accionamientos son la esencia de la solución de energía submarina. Estos dispositivos controlan la velocidad y el par de los motores submarinos en aplicaciones de inyección,bombeo de refuerzo y compresión de agua de mar en el lecho marino. En consecuencia, los VSD se fabricaron de forma que fueran modulares, compactos, robustos y ultrafiables, y que no precisaran mantenimiento durante un máximo de 30 años.
El accionamiento convierte la energía a una tensión de salida variable de entre 2,3 y 7,2 kV o superior. El intervalo de frecuencias de funcionamiento está limitado a 200Hz, excepto para cargas del compresor de alta velocidad inferiores a 5 MVA. El VSD lleva integrado un filtro de salida para garantizar que la calidad de la energía y los transitorios de tensión se mantienen dentro de las tolerancias del motor y del cable.
Un transformador de accionamiento integrado recibe alimentación de la aparamenta submarina a la tensión nominal (11-33 kV), con una frecuencia de alimentación estándar de 50/60 Hz o bien con una impresionante baja frecuencia de LFAC 16 % Hz. Esto permite transportar la energía por un cable a distancias muy largas, de hasta 600 km.
El diseño modular del VSD de ABB puede ampliarse para que haga funcionar a serie de motores submarinos con potencias aparentes de hasta 18 MVA.De este modo, incluso el mayor compresor del lecho marino puede alimentarse con dos unidades de accionamiento en configuración paralela →04.
Los VSD (y la aparamenta de MT) se colocan en el interior de unos depósitos llenos de aceite y con compensación de la presión; el aceite actúa para aislar y enfriar los componentes eléctricos.
El diseño facilita un mantenimiento mínimo, ya que está basado en una sólida topología celular con semiconductores de potencia y redundancias incorporadas en los circuitos de control y potencia. Si se avería una célula de potencia, se evita que el fallo pase a las células colindantes; el accionamiento sigue funcionando aunque se pierdan una o dos células por fase. La fiabilidad se mejora aún más con la incorporación de un sistema de gestión de fallos que es redundante en sí mismo en varios niveles.
Durante una prueba de presión a 345 bar realizada sin ningún problema durante más de 3000 horas en las instalaciones de investigación y desarrollo de Equinor en Trondheim, los principales componentes y subconjuntos del accionamiento, incluidas las fibras ópticas y los conectores, demostraron estar listos para realizar operaciones submarinas reales a alta presión.
Diseño y cualificación de la aparamenta submarina
La aparamenta submarina de media tensión de ABB se utiliza para distribuir energía a VSD y a otros aparatos situados en el lecho marino que la necesitan.
La aparamenta de nuevo diseño es compatible con hasta seis alimentadores, incluido un interruptor de entrada, o un interruptor para soportar dos unidades de aparamenta →05. La unidad de entrada de la aparamenta se conecta al secundario de un transformador reductor submarino o directamente a un cable de alimentación submarino cuyo origen está en la superestructura (topside) o en la costa. Los alimentadores se conectan a los aparatos submarinos que necesitan energía (accionamientos para bombas del lecho marino y compresores submarinos). Con una tensión nominal entre fases de 36 kV y una intensidad de barra de bus del principal de 1600 A, este diseño modular y de escala ampliable se puede adaptar a diferentes casos y configuraciones del sistema →05. La aparamenta incluye dos transformadores reductores auxiliares, que se utilizan para alimentar el sistema redundante de distribución de energía auxiliar como unidades recuperables independientes. Los interruptores de baja tensión en miniatura permiten la desactivación del sistema y la recuperación independiente de la carga auxiliar conectada; además,proporcionan protección contra fallos en el sistema auxiliar, así como entrada de energía externa para actualizaciones del estado del sistema.
Tomando como base las tecnologías de interruptores de vacío de ABB, de uso generalizado, los componentes sumergidos en aceite se sometieron a pruebas de presión cíclica y estática, y a programas de prueba de tipo lEC/IEEE. La cualificación de los interruptores también incluyó pruebas de conexión-desconexión,con 16 % Hz de alimentación con corriente de cortocircuito nominal y asimetría máxima. Se fabricaron varios módulos de interruptores y, junto con las interfaces de control eléctricas y ópticas pertinentes, se sometieron a pruebas de tipo eléctrico y de resistencia mecánica y vibración para casos de funcionamiento y transporte, entre otras.
En una fase inicial se investigaron a fondo cuatro diseños diferentes de polos de interruptores a 1 atmósfera, con diferentes materiales de construcción y diseños. ABB realizó un prototipo del exitoso diseño del módulo con interruptor de cuatro alimentadores, y lo sometió a pruebas en Ratingen, Alemania.
Las pruebas en aguas poco profundas lo dicen todo
Aprovechando el éxito de las pruebas de laboratorio, ABB y sus socios del JIP efectuaron pruebas cruciales sobre el terreno, las denominadas pruebas en aguas poco profundas (SWT). En diciembre de 2017 se alcanzó un hito importante cuando ABB concluyó satisfactoriamente la primera de estas pruebas con un prototipo a escala real de un VSD de MT en el centro de pruebas de ABB en Vaasa, Finlandia. El accionamiento estuvo funcionando más de 1000 horas durante una prueba de «power in the loop» en una configuración en paralelo con la red. De este modo, la red eléctrica solor egistró unos cuantos centenares de kilovatios de pérdidas. Cabe destacar que los componentes electrónicos y eléctricos tuvieron un comportamiento térmicamente superior en todas las condiciones de tensión ambiental que se dieron.
En junio de 2019, ABB comenzó una prueba SWT crucial de 3000 horas con un prototipo de la solución de electrificación en su totalidad →06, consistente en dos accionamientos VSD configurados en paralelo →06a,b con aparamenta →06c,d y controles. La culminación triunfal de esta prueba y de la evaluación TRL4 por parte de ABB y sus socios del JIP sienta las bases para el próximo lanzamiento comercial de este extraordinario sistema de electrificación modular.
06 a El prototipo de aparamenta MVDU utilizado en junio de 2019 para las pruebas SWT. 
06 b Elevador submarino de MVDU en el puerto de Vaasa. 
06 c Uno de los prototipos de VSD utilizados en junio de 2019 para las pruebas SWT 
06 d El elevador submarino de un prototipo de VSD utilizado en el puerto de Vaasa.
06 En la fotografía se ven los equipos utilizados para las pruebas en aguas poco profundas,finalizadas en 2019, junto con los elevadores submarinos.
De la protección de un puerto al lanzamiento completo
Con un VSD capaz de ejecutar una carga de hasta 9MVA y de soportar una carga de hasta 18 MVA,en configuración paralela, esta solución ultrafiable,flexible y de escala ampliable cubre la mayoría de las necesidades de energía submarina que la industria pueda desear. Además, la fuente de energía ahora puede estar en las instalaciones en superficie o,lo que es más importante, en la costa.
Con esta solución, la primera de su clase, ABB ha cumplido con creces los rigurosos requisitos de pruebas y certificaciones que exige el sector del petróleo y el gas. Los novedosos procedimientos de diseño y pruebas de ABB y la colaboración con los socios del proyecto industrial conjunto (JIP) han sido fundamentales para el éxito de este logro y generan confianza en que la solución de electrificaciónde ABB esté lista para aventurarse en las profundidades marinas.
Referencias
[1] EIA, «predice un aumento del 28 % en el consumo de energía en2040». Disponible en:https://www.eia. gov/todayinenergy/ detail.php?id=32912 [Pág.consultada 28.11.2019].
[2] O. Oekland et al.,«Steps to the Subsea Factory», en Proc.Offshore Technology Conference, 2013 Río de Janiero, pp 304-313.
[3] J. O. Bugge y S.Ingebrigsten, 2017,«Subsea PowerJIP – As Enabler for all Subsea Electric Power Production», en Proc.Offshore Technology Conference, Houston,Texas, EE. UU, pp.2885-2895.
