1. Sissejuhatus
Arvestades ülemaailmset keskendumist vähese CO2-heitega majanduse arendamisele ja Hiina kavandatud kahekordse-süsinikuheitega sihtmärgile, on tuuleenergiast kui puhtast ja jätkusuutlikust taastuvenergiaallikast saanud valitsuste ja energiahiiglaste keskpunkt kogu maailmas. Maismaa tuuleparkide pideva ehitamise, üha areneva tehnoloogia ja kulude vähenemise tõttu on maismaa tuuleenergia kiiresti arenenud ning ainuüksi 2019. aastal ulatus ülemaailmne äsja paigaldatud maismaatuuleenergia võimsus 61,8 GW-ni. Kuid maismaal kasutatava maa ja tuuleenergia ressursside tõttu on avamere tuuleenergia järk-järgult muutunud arengutrendiks. Eelkõige on Hiina kagurannikualad majanduslikult arenenud, neil on hästi-väljakujunenud elektrivõrk ja rohkelt avamere tuuleenergia ressursse, mistõttu need sobivad suurepäraselt laiaulatuslikuks-arenduseks ja avamere tuuleenergia võrguga ühendamiseks.
2. Avamere tuuleenergiatööstuse hetkeseis
2020. aastal ületas globaalne äsja ühendatud avamere tuuleenergia võimsus 6 GW, mis on ligikaudu sama kui 2019. aastal. Kümme aastat varem, 2010. aastal, oli ülemaailmne äsja paigaldatud meretuuleenergia võimsus alla 1 GW. Vahepeal on ka meretuuleenergia osakaal globaalses äsja paigaldatud tuuleenergia võimsuses tõusnud 2010. aasta 2,5%-lt praegusele 7%-le.
2.1 Ülemere tuuleenergiatööstuse hetkeseis ja suundumused
Riikide järjestamisel uute paigaldatud võimsuste järgi olid 2020. aastal maailmas viis suurimat avamere tuuleenergia turgu Hiina, Holland, Belgia, Ühendkuningriik ja Saksamaa. Valdkonnaeksperdid ennustavad, et ülemaailmne avamere tuuleenergia turg kasvab aastatel 2020–2025 keskmiselt üle 30% aastas. See hinnang põhineb järgmistel põhjustel:
01
Avamere tuuleenergia kulude kiire langus on tingitud avamere tuuleturbiinide suurenevast suurusest (vt joonis 2-1), mis võib oluliselt säästa esialgseid investeeringuid ning hilisemaid kasutus- ja hoolduskulusid.
Joonis 2-1 Avamere tuuleturbiinide globaalsed arengutendentsid
Andmeallikas: GWEC Market Data Platform, august 2020
02
Kuna valitsused üle maailma tõstavad oma eesmärke avamere tuuleenergia arendamiseks, oodatakse Aasia turgudel Hiinas, Vietnamis, Jaapanis ja Lõuna-Koreas kiiret kasvu. Lisaks sellele, et Lääne-Euroopa riigid jätkavad jõuliselt avamere tuuleenergia arendamist, alustavad Euroopa turul ka Ida-Euroopa riigid meretuuleenergia rajatiste ehitamist. Lisaks ühendatakse 2023. aastal võrguga Ameerika Ühendriikide esimene-suure ulatusega meretuulepark.
03
Ujuva tuuleenergia industrialiseerimisel (vt joonis 2-2) on laiem kasutusala, kuna ujuvvundamendikonstruktsioon sobib süvamerealadele, mille veesügavus on 50–200 meetrit. Maailma energiaraporti kohaselt jõuab ujuva tuuleenergia ülemaailmne installeeritud võimsus 2030. aastaks 8–10 GW-ni.
Joonis 2-2 Ujuva avamere tuulepargi skemaatiline diagramm
2.2 Hiina avamere tuuleenergiatööstuse hetkeseis
Hiina avamere tuuleenergiatööstus sai alguse suhteliselt hilja, kuid selle areng on viimastel aastatel olnud ülikiire. Alates 2018. aastast on Hiina äsja paigaldatud avamere tuuleenergia võimsus järjekindlalt juhtinud teisi riike. 2020. aastal ületas Hiina äsja ühendatud võrguvõimsus esimest korda 3 GW. Kumulatiivse installeeritud võimsuse põhjal ületas Hiina Saksamaad, saades 2020. aasta lõpuks maailma suuruselt teiseks
2.2.1 Installeeritud võimsuse ja võrguühenduse ulatus kasvab jätkuvalt.
Shanghai Donghai silla avamere tuuleenergia projekt, Hiina esimene suurem{0}}mahuline avamere tuuleenergia projekt, mis algas 2006. aastal ja alustas ehitamist 2008. aastal, paigaldas edukalt 34 riigis toodetud 3MW avameretuulikuplokki, mille installeeritud koguvõimsus oli 102 MW, avades sellega avamere tuuleenergia arendamise Hiinas.
2016. aastal avaldas riiklik energiaamet tuuleenergia arendamise 13. viie-aastaplaani ja tutvustas mitmeid olulisi soodsaid poliitikaid, et soodustada avamere tuuleenergia arengut, mis tähendab ka seda, et Hiinas on avamere tuuleenergia arendamine liikunud "projekti tutvustamiselt" kiirele arengule.
2020. aastal jõudsid avamere tuuleelektriprojektid kriitilisse paigaldusperioodi. Statistika järgi oli esimesel poolaastal samal ajal pooleli 30 projekti installeeritud võimsusega 12 972 800 kilovatti, sealhulgas 11 äsja alustatud projekti ja 3 projekti, mis olid täielikult võrguga ühendatud.
2.2.2 Tuulikute ühiku võimsus on aasta-aastalt kasvanud.
2019. aasta lõpu andmetel on ühe ühiku võimsuse osas suurim kumulatiivne installeeritud võimsus 4MW, samas kui 5MW on saanud avamere tuuleenergiaprojektide peavoolumudeliks (vt joonis 2-3).
12. juulil 2020 ühendati Hiina esimene 10MW tuuleturbiin edukalt võrku ja tootis elektrit Fujiani provintsis asuvas Xinghua lahe meretuulepargis, püstitades sellega Hiinas ühe avameretuuliku võimsuse uue rekordi. Tuuleturbiinide tootjate arendusplaanide vaatenurgast on 8MW saanud uueks lähtepunktiks ning suuremahulised-avameretuulikud võimsusega 10MW ja rohkem on loetletud peamiste arendusmudelitena.
Joonis 2-3 Hiina avamere tuuleturbiinide võimsuse protsent 2019. aasta lõpus
2.2.3 Avamere tuuleenergia ehitamine nihkub järk-järgult rannikulähedaselt madalalt veekogult süvamere--ja süvaveepiirkondadesse.
2019. aasta lõpuks ulatus Hiinas heakskiidetud avamere tuuleenergia koguvõimsus 35 miljoni kilovatini. Nende hulgas oli Jiangsu ja Guangdongi heakskiidetud võimsus üle 10 miljoni kilovatti, Fujiani ja Zhejiangi aga üle 3 miljoni kilovati. Saadaolevad lähi-kaldaressursid tulevaseks arendamiseks on piiratud, samas kui Hiinal on suur süvamere -kasutamiskõlblik ala, mis peaks tulevikus saama avamere tuuleenergia arendamise keskmeks.
3. Riistvaranõuded avamere tuuleparkide tööstuslikele Etherneti lülititele
Avameretuulikud ja merealajaamad ehitatakse maast kümnete kilomeetrite kaugusele, äärmiselt karmidesse keskkondadesse. See seab seadmetele, eriti põhisideseadmetele väga kõrged nõudmised, eelkõige töökindluse, soolapihustuskindluse, kõrgete ja madalate temperatuuride ning elektromagnetiliste häirete osas. Peale selle piiravad avamereseadmete hooldust ilm, merendusalased eeskirjad ja laevade kasutuselevõtt, mis muudab nii hädaolukorra kui ka rutiinse hoolduse erakordselt keeruliseks ja väga ettearvamatu ajastusega. See seab Etherneti lülitite stabiilsele ja usaldusväärsele tööle äärmiselt kõrged nõudmised.
3.1 Töökindlusnõuded
Seadmete töökindluse peamised näitajad:
1) Keskmine ebaõnnestumise aeg (MTTF)
2) Keskmine riketevaheline aeg (MTBF)
3) Keskmine remondiaeg (MTTR)
3.1.1 MTBF indikaator
Tööstuslike Etherneti lülitite üks olulisemaid jõudlusnäitajaid on keskmine riketevaheline aeg (MTBF). Kõige laialdasemalt aktsepteeritud ja autoriteetsemad standardid on MIL-HDBK-217, GJB/Z299B ja Bellcore. Enamik välismaiste tööstuslike lülitite kaubamärke kasutab võrdlusstandardina Ameerika MIL-HDBK 217F-i ja uurimis- ja arendustegevuse ning tootmiskatsete käigus HALT-i (kõrge-kiirendatud eluea testi) ja HASS-i (high-accelerated stress Screening) teste, et kontrollida, kas toote MTBF vastab disaininõuetele. Enamiku tööstuslike Etherneti lülitite MTBF on üle 20 aasta ja mõnel isegi üle 50 aasta.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) kasutatakse peamiselt toote uurimis- ja arendustegevuse projekteerimisetapis. See on tõhus toodete võimalike defektide paljastamisel ja on disainiinseneride jaoks oluline testimismeetod toote töökindluse parandamiseks.
HASS (Highly Accelerated Stress Screening) on suure -kiirendatud stressisõeluuringu protsess, mis viiakse läbi tootmisliinil pärast seda, kui tooted on läbinud HALT-testi, et määrata kindlaks nende töö- või hävitamispiirid. 100% toodetest on sõeluuringus osalemiseks nõutavad. Selle eesmärk on tagada, et valmistatud toodetel ei oleks varjatud defekte, või vähemalt tuvastada ja kõrvaldada need defektid enne toodete tehasest lahkumist. HASS kasutab kiirendatud stressi, et leida lühikese aja jooksul defektsed tooted, lühendada parandusmeetmete tsüklit ja tuvastada samade probleemidega tooteid.
3.1.2 MTTR indikaator
Tüüpilised nõuded avamere tuuleparkide kohtadele on järgmised: Tootja poolt pakutav keskmine remondiaeg (MTTR), mis on üldjuhul 0,5–1 tund, kui ei võeta arvesse juhtkonna tugiaega ja tarneaega; ning vigaste pistikute diagnoosimise (või kontrollimise) ja värskendamise aeg peaks olema alla 30 minuti.
Kui tööstuslikul lülitil ilmneb riistvaratõrge ja kui haldustoe aega ja tarneaega ei arvestata ning vaja on vaid lihtsat asendamist, saab enamikul juhtudel tööstusliku lüliti toote asendada 1 tunni jooksul, mis vastab kliendi MTTR nõuetele.
3.2 Korrosioonikindluse nõuded
Meretöökeskkonna põhiomadus on kõrge soolapihustustase. Tööstuslikud Etherneti lülititooted peavad tagama trükkplaadi kaitsekatte, et saavutada G3 kaitsetase ja täielikult vastama ISA-S71.04-1985 (klassifikatsioon G3- Hash Group A) ja EN60068-2-60 meetodi 4 standardite nõuetele, et töötada stabiilselt ja usaldusväärselt pikka aega karmis merekeskkonnas.
Varajastes avamere tuuleparkides esines palju lülitushäireid. Lülitite korpuste avamisel leiti trükkplaatidelt nähtavaid põletusjälgi. Selle üheks põhjuseks oli see, et neil lülititel puudus kaitsekate.
3.3 Nõuded kõrgele ja madalale temperatuurile
Kuna erinevad meretuulepargid asuvad erinevatel laiuskraadidel, on nende kliimatingimused väga erinevad. Näiteks talvel võib Dalianis asuva Zhuanghe meretuulepargi madalaim temperatuur ulatuda -15 kraadini, suvel aga Zhanjiangis asuvas Xuweni meretuulepargis võib kõrgeim temperatuur ulatuda 38 kraadini Celsiuse järgi. Tuuleturbiinide tornide sisetemperatuur võib olla isegi kõrgem kui välistemperatuur. Seetõttu esitatakse tööstuslike lülitite normaalsele töötemperatuurile väga kõrged nõuded.
Kuigi enamik turul olevaid tööstuslike lülitite tootjaid loetleb oma lülitite töötemperatuuriks -40 kraadi kuni +70 kraadi või isegi -40 kraadi kuni +85 kraadi, on need arvud tuletatud lühiajaliste-laborikatsete põhjal. Näiteks on maineka kodumaise testimisasutuse testimisnõuetes ette nähtud, et kõrge temperatuuriga keskkondades tuleks sisselülitatud lüliti asetada keskkonnakatsekambri keskele ning temperatuur tuleks tõsta 70 kraadini ja hoida seda 2 tundi. Seade peaks normaalselt töötama +70 kraadi juures ning salvestamise ja edastamise määr peaks jõudma 100% -ni. Kui see nõue on täidetud, loetakse lüliti 合格 (kvalifitseerituks/vastuvõetavaks).
Sama madala-temperatuuri keskkonna tehnilised nõuded on järgmised: sisselülitatud lüliti asetatakse keskkonnakatsekambri keskele ja temperatuur alandatakse -40 kraadini ja hoitakse sellel temperatuuril 2 tundi. Seade peaks normaalselt töötama -40 kraadi juures, salvestamise ja edastamise kiirusega 100%; see peaks saama ka normaalselt käivituda -40 kraadi juures . Kui need nõuded on täidetud, loetakse see 合格 (kvalifitseeritud/vastuvõetavaks). Seetõttu kontrollib test ainult seda, kas see suudab sellel äärmuslikul temperatuuril stabiilselt töötada 2 tundi.
Kuigi avamere tuuleparkide tööstuslikud lülitid ei pea selliseid äärmuslikke temperatuure taluma, peavad need karmides temperatuuritingimustes pikema aja jooksul pidevalt töötama ja neile võivad avaldada isegi täiendavad kahjulikud mõjud muudest väliskeskkondadest. Ainult ajaproovile vastu pidanud tööstuslikud lülitid vastavad avamere tuuleparkide kõrge ja madala temperatuuri nõuetele.
(Jätkub)