Hybridkabel enkelt forklart

Medforfatter: John Olav Tande

Hybridkabler har vært heftig diskutert i Norge de siste månedene, men hva er de egentlig og hva gjør dem til et så omstridt tema?

Vi er vant til at hybrid betyr å blande ulike løsninger. Som for eksempel hybride biler som kan bruke både strøm og bensin. Derfor kunne man se for seg at en hybrid kabel også har flere hensikter som for eksempel å frakte både strøm og internett, men de utfører bare en oppgave; å frakte strøm.

Det vi har begynt å kalle en hybrid kabel, er enkelt og greit en DC-kabel. En kabel som kan overføre elektrisk energi ved hjelp av like-strøm (DC) i motsetning til vekselstrøm-kabler (AC). Det som skiller en hybridkabel fra en mellomlandsforbindelse, er at den går mellom to land/regioner og har minst ett punkt langs kabelen der produsent/konsument er koblet på For at DC-kabelen skal kunne sende og motta strøm, må den også kobles til en konverterstasjon. Men mer om dette senere, for vi må først innom hvorfor behovet for hybride kabler oppstår.

Elektrifisering krever at vi produserer mer strøm

Olje- og gassutvinning og industri og bergverk står for nesten halvparten av klimagassutslippene i Norge. Dette er energikrevende sektorer og det er bred politisk enighet om at elektrifisering av disse og andre næringer er den viktigste nøkkelen for å nå våre klimamål. Men selv om vi har tilgang til mye elektrisitet fra eksisterende vann- og vindkraftverk, må vi øke produksjonen substansielt for å gjøre denne transformasjonen.

Vi mener at å bygge ut vindkraft til havs er et av de viktigste tiltakene vi kan gjøre for å produsere nok fornybar energi. Mange av løsningene som må på plass, jobber vi med i forskningssentrene NorthWind og LowEmission. Det tekniske potensialet for havvind er enormt stort. Ifølge det internasjonale energibyrået (IEA), kan det dekke 18 ganger verdens strømbehov.

Et hav av muligheter

For at olje-, gass- og landindustri skal kunne nyttiggjøre seg av strøm fra havvind, må vi ha kabler som fører strømmen dit den skal brukes. Og det er her vi møter på de hybride kablene og ulike løsninger for å overføre elektrisk energi over store avstander.

Strømmen må lagres eller brukes

Skal vindkraftparker forsyne oljeplattformer med strøm, må strømmen som produseres enten brukes med en gang eller lagres i energilagre. Et energilager er typisk et batteri, og det er stort, tungt og dyrt å etablere på plattformer som er optimalisert og sertifisert for den lasten de allerede bærer i dag. Dette gjør at distribusjon av kraften som blir produsert er mer aktuelt.

Les mer om vår forskning på utslippsreduksjon fra olje og gass i LowEmission

Et område som er aktuelt for havvindparker er Sørlige Nordsjø II, hvor det er ganske lik avstand fra vindmøllene til både Norge, Storbritannia og Europa. Hvis det kan etableres kabler som knytter havvindparken til alle disse tre markedene, øker muligheten for å få lønnsomhet i prosjektet fordi det er flere potensielle brukere av elektrisiteten som blir produsert.

Vi skal ikke gå lengre inn i de politiske valgene om regulering av hvor mye strøm som skal brukes på hjemlig marked og hvor mye som skal selges. Men det er et faktum at så lenge man ikke lagrer energien fra vindparker, må den sendes dit den kan brukes hvis den ikke skal gå til spille. Den fornybare vannkraften som er vår hovedkilde til strøm i dag, er enkel å regulere gjennom vannmagasiner. Vannkraft sammen med vindkraft gi oss en robust energiforsyning ved at vi kobler på vindkraft når det blåser og kobler inn vannkraft når det er vindstille. På denne måten vil vannmagasinene bli mindre sårbare i perioder med lite nedbør.

Radial tilkobling eller hybrid tilkobling

Det er to måter å koble en havvindpark til markedet – radial tilkobling eller hybrid tilkobling. En radial tilkobling er en kabelforbindelse mellom vindparken og et punkt i det sentrale strømnettet. En havvindpark med en radial tilkobling vil altså sende elektrisiteten fra havvindparken og til det norske kraftnettet.

Man kan også se for seg at man kobler havvindparker til olje og gassanlegg på norsk sokkel. Vindparkene kan enten operere i et isolert system sammen med olje- og gass-plattformene, eller man kan ha en kabel til land. I et isolert system må gassturbinene stadig vekk være i drift som back-up for å ta vindvariasjonene. Med en kabel til land trengs ikke gassturbinene og hvis vindparken er stor nok kan man få en netto forsyning av kraft til land.

En vindpark med hybrid tilkobling har kabler som kan overføre kraft til for eksempel Norge eller Storbritannia eller begge veier. Så når vi snakker om hybride kabler, er det egentlig hybrid tilkobling vi mener.

Lange avstander krever høy spenning og likestrøm

Hvor langt vindparkene er fra land, avgjør hvilken kabel som er mest aktuell å bruke. På Utsira Nord som ligger ganske nært land, kan overføringen gjøres med vekselstrøm (AC).

Store havvindparker som ligger lengre fra land enn typisk 100 km vil normalt benytte en høyspent likestrømsforbindelse (HVDC forbindelse) for å overføre elektrisitetsproduksjonen til nettet på land. Dette gir lavere overføringstap og andre tekniske fordeler, men krever store og kostbare HVDC omformeranlegg på havet og på land.

Fordeler og ulemper ved begge løsninger

AC-kabler sender vekselstrøm og har et større energitap over avstand. Vi har teknologi for å redusere tapet ved hjelp av kompenseringsstasjoner langs kabelen, men da må kabelen brytes opp med jevne mellomrom noe som er fordyrende og teknisk krevende. En fordel med AC er at det er forholdsvis enkelt å bryte strømmen, og på den måten kunne isolere feil fra å forplante seg i kraftnettet – som er avgjørende for å kunne bygge ut ett kraftnett. For DC er dette vanskeligere, og det er fortsatt behov for videre utvikling for å realisere DC nett. Det er også en fordel for AC at en ikke trenger store omformerstasjoner i hver ende av kabelen, men DC kan overføre større energimengder over lengre avstander enn AC.

Både AC og DC undervannskabler har en forholdsvis enkel oppbygging som består i leder, isolasjonssystem, vannbarriere (typisk ett lag med bly) og ytre armering som skal sørge for tilstrekkelig mekanisk styrke under legging og til å beskytte kabelen mot ytre påkjenninger. For DC kabler er isolasjonssystemet enten papir impregnert med en svært tyktflytende olje (masseimpregnert kabel), eller plast (kryssbundet polyethylene). Det stilles svært høye krav til denne typen kabler, og effekten som kan overføres med et HVDC kabelsystem har hatt en rask utvikling over de siste tiårene.

Høyspente sjøkabler: Reduserte kostnader med et enklere design

Kablene er typisk det dyreste elementet i den elektriske infrastrukturen som skal til for elektrifisering av olje- og gassinstallasjoner eller tilknytting av havvind til nettet på land. Det er derfor viktig å utvikle nye teknologiske løsninger som kan redusere prisen på kablene uten å redusere påliteligheten.

En mulighet er å fjerne blylaget som hindrer vann fra å trenge inn i isolasjonssystemet. Dette vil føre til et lettere mer kostnadseffektivt design, som også reduserer pris på legging av kabelen og gjør at den tåler bedre dynamisk mekanisk påkjenning (bly har lett for å sprekke opp under slik påkjenning). Ulempen er at vann som trenger inn i isolasjonssystemet kan føre til degradering på sikt ved vekst av såkalte vanntrær under AC spenning som sakte reduserer påliteligheten til kablene og vil kunne føre til havari. For DC har en også observert vanntrær, men for DC er ikke effekten av vann like godt kjent og det er mer usikkert i hvor stor grad dette reduserer levetiden til kabelsystemet.

Elektrifisering angår alle land

For å kunne utnytte det potensialet vi har for kraftproduksjon via havvind, og på den måten skaffe nødvendig energi for det grønne skiftet er vi avhengig av en velfungerende infrastruktur. Her utgjør kablene en helt sentral del. Fokuset til kabelprodusentene og deres forskningspartnere (inkludert SINTEF) er på å utvikle bedre kabler som kan brukes for å overføre enda mer energi enn dagens kabler.

Det er også en viktig drivkraft i utviklingen av framtidens kabler å bruke bærekraftige løsninger for å gjøre alle deler av livsløpet til kabelen mer miljøvennlig. Dette inkluderer naturlig nok å se på alternative materialsystem for å sikre at en i framtiden kan gjenbruke materialene etter at levetiden til systemene er nådd.

Debatten om hybride kabler handler til syvende og sist om balansen mellom å være selvforsynt og bidra til en europeisk overgang til fornybarsamfunnet. Med å bruke hybride kabler mellom vårt nasjonale nett og havvindparker, legger vi til rette for en mulig fremtidig kraftutveksling med andre markeder.