PETROMAKS2-Stort program petroleum

Hovedmålet for dette forskningsprosjektet har vært å fremskaffe grunnleggende material- og komponentkunnskap for på denne måten å bidra til realisering av pålitelige trykktolerant kraftelektronikk. Oljeutvinning på havbunnen krever komplekse elektriske kraftsystemer for dypvannsdrift, inklusiv store kraftelektronikkbaserte omformere for pålitelig drift på dybder ned til 5000 meter og kanskje mer. Dagens løsninger som tilbys for drift på havbunnen, er basert på konsepter der hele kraftkretsen er lokalisert i stålbeholdere ved atmosfærisk trykk. Ettersom havdybden og omformereffekten øker, blir beholderne gradvis store, tunge og uhåndterlige enheter, blant annet som følge av behovet for å øke veggtykkelsen. Derved blir også overføring av tapsvarme fra de kraftelektroniske komponentene til sjøvannet på utsiden et økende problem. Med dette som bakteppe er oljeselskapene på utkikk etter mer praktiske løsninger for undervanns kraftelektronikk. Å muliggjøre trykktolerante kraftkretser vil være et vesentlig steg i en slik retning, inkludert å gjøre det mulig å redusere vekt og volum. Slike løsninger vil dessuten muliggjøre forbedring av komponentkjølingen, og derved gi gevinst i form av økt pålitelighet og reduserte kostnader. Det at pålitelige, trykktolerante omformerløsninger blir tilgjengelige, vil åpne opp for å realisere helt nye konsept for overføring og distribusjon av elektrisk kraft på havbunnen, inkludert likestrøm og andre arbeidsfrekvenser enn 50/60 Hz. Eksperimentelt arbeid med alternative kapslingsmaterialer for trykktolerante komponenter, så som krafthalvledermoduler, har frembrakt flere interessante resultater. Alternative isolasjonsvæsker har blitt undersøkt med hensyn til karakteristiske isolasjonsegenskaper og kjemisk kompatibilitet med tilgrensende materialer. Dersom krafthalvlederbrikken er i direkte kontakt med en isolasjonsvæske, er brikkens termineringsområde utsatt for partikler og fibre som vil kunne gi isolasjonssvikt. Dette betyr at brikker og substrat må tilleggsbeskyttelses med materialer med tilfredsstillende mekaniske, kjemiske og isolerende egenskaper for å kunne garantere tilstrekkelig pålitelighet over tid. I prosjektet er det gjennomført omfattende eksperimentelt arbeid med flere materialkandidater for slik tilleggsbeskyttelse. Det er gjennomført langtidseksperiment med operative kraftkomponenter og komplette høyspent, høyeffekt omformermoduler i væskefylte trykksatte omgivelser. Hovedkonklusjon at når det gjelder de mest kritiske komponentene så som krafthalvlederne, driverkretser for disse og kraftkondensatorer, er alle elektriske driftskarakteristikker stabile i området 0 til 500 bar (5000m havdyp). Faktisk virker strøm- og spenningsforløp under svitsjing å være uberørt av trykket, noe som indikerer god stabilitet hva angår elektrisk funksjonalitet og opererbarhet. Høyspent-, høyeffektmodulene som har vært testobjekter i prosjektet representerer byggesteiner for høyeffekt mellom- og høyspenningsomformere, eksempelvis for motordrifter og høyspent likestrømsomforming (HVDC). Det er foreslått retningslinjer for test og kvalifikasjon av materialer, komponenter og kretsmoduler beregnet for drift i væskefylte trykksatte omgivelser. Gjeldende standarder for vanlige industrielle komponenter, så som IEC har dannet grunnlaget for de foreslåtte retningslinjene, og da med spesiell fokus på det som er mest relevant hva angår trykktolerant kraftelektronikk. Videre har erfaringer fra den eksperimentelle delen av prosjektet gitt viktige bidrag til de foreslåtte retningslinjene. Hovedfokus har vært på kvalifikasjon og testing av vitale materialer og komponenter for omformerens kraftkrets, og som i prosjektets oppstartsfase ble ansett å være mest kritisk med hensyn til væske og trykk, så som IGBT-moduler og DC-link kondensatorer. Alle prosjektresultater er rapportert i detalj til prosjektets partnere i form av tekniske rapporter og workshop-presentasjoner. De mest generiske resultatene har blitt publisert som konferanse- og tidsskriftsartikler. Resultatspredningen inkluderer 50 tekniske rapporter, 5 studentrapporter, 6 konferanseartikler, 3 tidsskriftsartikler, 55 workshop presentasjoner og 2 populærvitenskapelige presentasjoner. I tillegg nevnes det verdifulle kontaktnettverket som er blitt etablert med mulige komponent- og materialprodusenter for realisering av fremtidens trykktolerante kraftelektronikkprodukter. Prosjektet har frembrakt vesentlig ny kompetanse for SINTEF-staben og studentene som har vært involvert i prosjektet. SINTEF er godt forberedt på å anvende kompetanse og erfaring fra prosjektet ved å fronte og bidra til realisering av pålitelige komponenter og kraftsystemer for fremtidens undervanns ole- og gassprosjekter, så vel som for andre sektorer hvor det kreves nye tekniske løsninger, eksempelvis undervanns kraftnett for fornybarsektoren.

Subsea oil exploitation requires complex electric power systems adapted to a high pressure environment. On a short term there is a need for local supply systems around wellheads with gas boosters, oil pumps, separators and other equipment. At a later stag e one expects to develop energy supply systems for long step-outs where high voltage DC is a viable solution. This all requires local large power converters at the seabed at various depths exceeding 3000 meters. Presently, designs offered by the industry aimed for subsea converter operation are based on concepts where the power circuits are completely assembled in steel vessels at atmospheric pressure. As the sea depth and the converter power rating increase, the pressure vessels gradually become heavy a nd unwieldy devices due to need for increasing the wall thickness. Consequently, the heat conduction from the power electronics components to seawater also becomes problematic. Therefore the oil companies are looking for more feasible solutions for subsea power electronics. Enabling pressure tolerant power circuits is a significant step in that direction, eliminating the above mentioned problems. In an accomplished research project at SINTEF on feasibility of Pressure Tolerant Power Electronics (PTPE) m ajor steps toward realization of PTPE has been taken, and reliable operation of pressurized (300 bar or 3000m sea depth) converter modules has been demonstrated. Encouraged by these results, the industry has now decided to take a further step towards real ization of PTPE for real applications. However, it is also recognized that to achieve PTPE products with sufficient long-term reliability, some remaining fundamental problems need to be solved. The problems and uncertainties are mainly related to material s for electric insulation, and how to apply the materials for appropriate packaging of the most vulnerable components. The applied project will address these very important remaining challenges.