Todos sabemos, por las noticias y los debates políticos, que un número importante de emplazamientos marinos de todo el mundo albergan yacimientos de petróleo y gas. Pero las aplicaciones submarinas van mucho más allá del petróleo y el gas. Desde los cables de comunicación intercontinentales que hacen que la WWW funcione sin problemas en todo el planeta hasta las estaciones de detección de terremotos en alta mar, hay equipos instalados en el lecho marino a profundidades de hasta 4.000 metros y a presiones de hasta 400 bares, que requieren fuentes de energía seguras y fiables.

Así pues, en aplicaciones tan exigentes, ¿qué factores debe tener en cuenta el ingeniero de electrónica de potencia a la hora de diseñar soluciones de alimentación?

Bastidor base común para aplicaciones submarinas con interconexiones ROV (Fuente: PRBX/Shutterstock/Vismar UK)

Arquitectura eléctrica submarina
Lo más habitual es que las instalaciones del fondo marino reciban la energía de la costa o de una plataforma a través de cables de transmisión de alta tensión de larga distancia hasta estaciones de transformación flotantes o sumergidas. Aquí, la tensión se reduce localmente a CA o CC dentro de la gama de 300 a 900 VCA o 400 a 1500 VCC para alimentar los equipos locales y, en última instancia, a tensiones de CC más bajas para la aplicación final. Este parece ser un enfoque estándar, al igual que lo es para las redes eléctricas y los equipos electrónicos en aplicaciones industriales en tierra firme. Sin embargo, cuando el equipo final se encuentra en el fondo del mar y se trata de petróleo, gas o equipos sensibles, el nivel de calidad y los requisitos de seguridad son significativamente mayores.

La red eléctrica submarina contiene componentes como conmutadores, transformadores reductores, distribución de energía y equipos de supervisión y control que dan servicio a varios equipos, como bombas, compresores, sistemas de inyección de agua y controladores de seguridad. En aras de la eficacia y la seguridad, los componentes eléctricos pueden instalarse en un bastidor base común en el lecho marino (Figura 01) e interconectarse mediante conectores específicos para cada aplicación, capaces de manejar baja tensión para el uso de señales y alta tensión para las fuentes de alimentación, y capaces de soportar la presión hidrostática y las conexiones bajo el agua. Además, por razones de seguridad y para garantizar un funcionamiento ininterrumpido, la red local está asegurada por sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), que también podrían estar situados en el lecho marino.
Todos los componentes de la red son recuperables y están diseñados y construidos para un funcionamiento normal e incidental. Pero como a menudo se despliegan a profundidades por debajo de las que puede operar el ser humano, pueden requerir la intervención de vehículos teledirigidos (ROV) y se han diseñado en consecuencia.

 Fuente de alimentación diseñada para encajar en un cilindro presurizado (Créditos de la imagen: PRBX/VB120-5)

¿Qué tienen de especial las fuentes de alimentación submarinas?

Las fuentes de alimentación submarinas se clasifican en dos grandes categorías:
• Unidad de alimentación autónoma para contenedores (SC-PSU)
Las SC-PSU están diseñadas para soportar presiones muy elevadas. Incorporan conectores para aguas profundas y chasis desmontables diseñados para el manejo de ROV. Las SC-PSU exigen una gran experiencia en el diseño de equipos para aguas profundas y a menudo las diseñan y fabrican las mismas empresas que suministran transformadores y subestaciones submarinas.

• Unidad de alimentación integrada (E-PSU)
Las E-PSU están integradas en el equipo presurizado final y no están expuestas a alta presión ni en contacto con el elemento líquido. Las E-PSU son más parecidas a las fuentes de alimentación industriales, pero con una fiabilidad extremadamente alta y funcionalidades específicas para los requisitos de los operadores submarinos.

Unidad de alimentación integrada (E-PSU) en un vistazo.
Los diseñadores de electrónica de potencia que se ocupan de fuentes de alimentación submarinas suelen describir su trabajo como: "Diseñar una fuente de alimentación muy robusta con una fiabilidad e inteligencia extremas para uno de los entornos más hostiles de la Tierra, donde el fallo no es una opción". Este es un buen resumen de los retos a los que se enfrentan los diseñadores a la hora de desarrollar soluciones de alimentación que vayan a funcionar en mares profundos, donde la mayoría de las veces el ser humano no puede acceder más que utilizando ROVs.
Como se ha mencionado en la introducción, la gama de aplicaciones submarinas es amplia y, dependiendo del segmento al que se dirija la fuente de alimentación, se aplican diferentes normas y prácticas recomendadas, pero para todas ellas existe un enfoque común para realizar análisis de riesgos que permitan evaluar adecuadamente la tecnología y la seguridad operativa.
En colaboración con el fabricante del equipo, el cálculo de la carga eléctrica es una de las primeras tareas que hay que tener en cuenta durante el diseño del sistema de alimentación eléctrica. Los ingenieros deben estimar la carga eléctrica necesaria de todos los elementos submarinos que consumirán electricidad para poder seleccionar una fuente de alimentación adecuada. Cada carga local puede clasificarse en varias categorías diferentes, por ejemplo, vital, esencial y no esencial:
• Vital: ¿La pérdida de potencia pondrá en peligro la seguridad del personal o causará daños graves en la plataforma/buque/equipos del fondo marino?
• Esencial: ¿Causará la pérdida de potencia una degradación o pérdida de la producción de petróleo/gas o, en el caso del cable transcontinental, de la comunicación?
• No esencial: ¿La pérdida no afecta a la seguridad ni a la producción?
Dependiendo del equipo final y del nivel de riesgo, pueden considerarse diferentes tecnologías, como una solución de alimentación redundante, un equilibrio automático de la carga o un recurso de alimentación de emergencia que cambie a SAI. En todos los casos, las fuentes de alimentación deben poder comunicarse con el sistema central de supervisión, en el que, mediante la última evolución del control digital y los algoritmos predictivos, se consiguen altos niveles de seguridad operativa.
A medida que ciertas partes de los equipos submarinos de petróleo y gas pasan del funcionamiento totalmente hidráulico al híbrido -por ejemplo, las válvulas motorizadas que se supervisan y controlan electrónicamente-, es necesario integrar fuentes de alimentación dentro del cilindro presurizado. Además, cuando se diseñan fuentes de alimentación para cables de transmisión, por ejemplo, repetidores de señal, como el espacio es crítico, los diseñadores de fuentes de alimentación deben tener en cuenta el volumen disponible para dar forma a la fuente de alimentación a fin de que encaje en la aplicación final (Figura 02).
Debido a la compacidad y al alto nivel de integración, otro punto importante que hay que tener en cuenta al diseñar una fuente de alimentación para operaciones submarinas es la compatibilidad electromagnética dentro del sistema integrado. Durante el diseño del equipo final se realizan exhaustivas pruebas de interoperabilidad y, en ocasiones, esto podría requerir la adopción de una topología diferente, por ejemplo, multifásica con desfase activo para reducir las interferencias EMI.
En las aplicaciones submarinas, huelga decir que la vida útil y la fiabilidad son muy importantes. Las fuentes de alimentación deben diseñarse con un alto margen de seguridad y con la menor tensión posible -eléctrica y térmica- en cada componente (Figura 03). La selección de componentes es una parte importante del diseño que puede influir en la elección de la topología y las prácticas de construcción. Un ejemplo es la elección de los transistores de conmutación preferidos con una placa base para facilitar la refrigeración por conducción.

Consideraciones de diseño para diferentes normas.
La mayoría de los diseñadores de fuentes de alimentación están acostumbrados a las normas comunes para aplicaciones industriales, médicas, de transporte o defensa, pero cuando se trata de áreas específicas como las aplicaciones submarinas de petróleo y gas deben tener en cuenta normas específicas como la establecida por el Instituto Americano del Petróleo (API). Como se muestra en la Figura 04, la norma cubre una serie de áreas específicas y fuentes de alimentación para cumplir con diferentes secciones de la Norma para Sistemas de Control de Producción y Procesamiento Submarino (API 17F). Esta norma incluye pruebas específicas, así como protocolos de comunicación.
Además, en lo que respecta a los conectores submarinos, enumeramos dos de los tipos ISO-13628. En ellas se establecen los requisitos generales y las recomendaciones globales para el desarrollo de sistemas completos de producción submarina, desde la fase de diseño hasta el desmantelamiento y el abandono. Esta norma no sólo se aplica a los conectores y suele utilizarse como complemento de la API.

Ejemplos de normas AMI e ISO aplicables a aplicaciones submarinas de petróleo y gas (Crédito de las imágenes: PRBX)

Energía sostenible para aplicaciones submarinas.
La mayoría de las aplicaciones submarinas se alimentan desde tierra a través de cables eléctricos de larga distancia, o desde una plataforma mediante cables de transmisión de alta tensión, a menudo de 10 a 100 km, pero hay varias aplicaciones que requieren soluciones energéticas remotas. Por lo general, un buque o una plataforma flotante con generadores eléctricos tradicionales puede situarse por encima del yacimiento, pero si tenemos en cuenta el medio ambiente y la sostenibilidad, esto no es lo óptimo, por lo que la comunidad de ingenieros submarinos ha empezado a estudiar opciones alternativas.
Entre los muchos proyectos que existen en todo el mundo, el de Energías Renovables para Energía Submarina (RSP) es uno de los más interesantes y prometedores. Responde a la pregunta ¿Cómo pueden combinarse las tecnologías ecológicas para suministrar energía y comunicaciones fiables y continuas con bajas emisiones de carbono a los equipos submarinos, ofreciendo una futura alternativa rentable a los cables umbilicales? La empresa escocesa Mocean Energy, pionera en energía oceánica (que ha desarrollado Blue X, una máquina convertidora de energía de las olas de 20 m de longitud, 38 t y 10 kW de potencia (figura 05)), y un grupo de socios especializados en almacenamiento de energía submarina y gestión energética han desarrollado un caso de negocio que combina la energía de las olas, la solar y el almacenamiento de energía para alimentar equipos submarinos destinados a proyectos de petróleo y gas (figura 06). Se trata de un buen ejemplo que demuestra que la energía de las olas combinada con la energía solar y las tecnologías de baterías pueden ofrecer una alternativa fiable y rentable a los costosos cables umbilicales para aplicaciones submarinas.

Convertidor de energía de las olas Blue X de Mocean Energy (WEC) - (Créditos de las imágenes: PRBX / Cortesía de Mocean Energy - Colin Keldie - EMEC)

En conclusión:
La electrónica de potencia submarina suele considerarse un sector de nicho, pero para un diseñador de soluciones de potencia para aguas profundas es una gran oportunidad de conocer una gama muy interesante de aplicaciones que requieren tecnología avanzada, fiabilidad extrema y verdadera innovación. Esto, combinado con nuevas ideas como las energías renovables para la alimentación submarina (RSP), hace que nuestro trabajo sea muy emocionante y motivador, empujando los límites de nuestras fuentes de alimentación para exploraciones aún más profundas.

El convertidor de energía de las olas proporciona energía renovable para una serie de aplicaciones submarinas - (Créditos de las imágenes: PRBX / Cortesía de Mocean Energy)

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Autor:  Patrick Le Fèvre, PRBX, Director de Marketing y Comunicación

Referencias:
POWERBOX (PRBX):
https://www.prbx.com/

Mocean Energy:
https://www.mocean.energy/

Instituto Americano del Petróleo (API)
https://www.api.org/

Organización Internacional de Normalización
https://www.iso.org/home.html