Kable podmorskie energetyczne – charakterystyka, realizacje i ochrona

Czym są kable podmorskie energetyczne?

Kable podmorskie energetyczne to specjalistyczne kable stosowane do przesyłania energii elektrycznej układane na dnie mórz i oceanów. Biegną zwykle między kontynentami, wyspami lub różnymi punktami lądowymi. Są one kluczowe dla infrastruktury energetycznej, ponieważ umożliwiają przesyłanie energii na duże odległości, a także łączenie różnych systemów energetycznych, takich jak sieci krajowe czy międzynarodowe. Pełnią również ważną rolę w łączeniu źródeł odnawialnej energii, np. morskich farm wiatrowych z siecią lądową.

Najczęściej stosowane są kable podmorskie typu HVDC (ang. High Voltage Direct Current – prąd stały wysokiego napięcia), które pozwalają na przesyłanie energii z minimalnymi stratami, szczególnie w przypadku przesyłów z morskich farm wiatrowych do lądowych sieci energetycznych, a także połączeń między odległymi od siebie wyspami czy kontynentami. Rozwiązania HVDC nie wymagają również synchronizacji częstotliwości z sieciami, co pozwala na łączenie różnych systemów energetycznych (np. różniących się częstotliwością) bez konieczności dostosowywania parametrów. Do zalet tej technologii można zaliczyć również fakt, że realizowany przesył energii pozwala na precyzyjniejsze zarządzanie przepływem mocy i łatwiejsze sterowanie, co jest istotne w przypadku połączeń międzynarodowych i regionalnych.

Kable podmorskie – budowa

Typowe kable podmorskie energetyczne składają się z:

• rdzenia wykonanego z miedzi lub aluminium o wysokiej przewodności elektrycznej,
• izolacji elektrycznej z polietylenu usieciowanego (XLPE) lub papieru impregnowanego olejem izolacyjnym (Mass Impregnated, MI),
• ekranu przewodzącego z półprzewodzącej warstwy polimerowej lub metalowej (np. ołowiana),
• osłony przeciwzakłóceniowej wykonanego z oplotu miedzianego lub aluminiowego,
• warstwy ochronnej (polimerowa osłona z polietylenu wysokiej gęstości (HDPE) lub PVC z ew. dodatkowym zbrojeniem stalowym),
• zbrojenia mechanicznego z drutu stalowego lub kompozytowego o wysokiej wytrzymałości,
• powłoki zewnętrznej z materiałów odpornych na korozję, wodę morską i promieniowanie UV.

Dodatkowo w kablach umieszczone mogą być światłowody do monitoringu stanu kabla oraz warstwy hydroizolacyjne, które zapobiegają przedostawaniu się wody do wnętrza w przypadku uszkodzenia zewnętrznej powłoki.

W jaki sposób realizuje się kable podmorskie energetyczne?

Układanie kabli podwodnych w technologii HVDC to skomplikowany proces, który wymaga zaawansowanego sprzętu, precyzyjnego planowania oraz przestrzegania standardów środowiskowych i technicznych. Do głównych etapów układania kabli podmorskich HVDC zalicza się:

Planowanie trasy i przygotowanie inwestycji

• badania dna morskiego – przeprowadza się badania geofizyczne i geotechniczne dna, aby ocenić jego strukturę, hydrografię i potencjalne przeszkody (np. rafy, wraki statków, inne obiekty podwodne),
• wybór trasy – unika się obszarów o wysokiej aktywności rybackiej, silnych prądach, przecięć z innymi kablami i obiektami dna morskiego oraz terenów chronionych ekologicznie,
• pozyskiwanie zezwoleń – proces uwzględnia konsultacje z władzami lokalnymi (wyprowadzenie inwestycji na ląd) i organizacjami zajmującymi się ochroną środowiska (Regionalna Dyrekcja Ochrony Środowiska).

Układanie kabli

Instalacja z wykorzystaniem statków kablowych (kablowców):

• statki kablowe – są wyposażone w specjalne systemy przechowywania i rozwijania kabli oraz precyzyjne mechanizmy do ich układania na dnie morskim,
• wciąganie kabli – na początkowym etapie kabel jest przymocowywany do brzegu, a następnie rozwijany przez statek wzdłuż zaplanowanej trasy.

Układanie kabli na dnie morskim:

• układanie bezpośrednie – kabel jest opuszczany na dno i układany zgodnie z trasą określoną wcześniej przez systemy nawigacyjne statku (przy użyciu techniki dynamicznego pozycjonowania jednostki),
• zakopywanie kabli – w celu ochrony kabla stosuje się techniki zakopywania, takie jak trenching (kopanie, używa się urządzeń kopiących rowki w dnie morskim), plowing (oranie, specjalne pługi wciągają kabel w dno morskie, tworząc rowek, który automatycznie się zasypuje) oraz jetting (mycie wodą, strumienie wody pod wysokim ciśnieniem są używane do tworzenia rowków, w które wprowadza się kabel).

Zabezpieczanie kabli

• osłony mechaniczne – w obszarach o twardym dnie lub ryzyku uszkodzeń stosuje się rury ochronne, maty betonowe lub maty poliuretanowe typu POLYMAT, worki z cementem lub piaskiem, otuliny w postaci powłok żeliwnych lub inne osłony,
• naturalne osady – w miejscach o miękkiej strukturze dna kabel jest zakopywany w naturalnym materiale osadowym.

Testy, inspekcje, konserwacja i monitoring:

• testy kabla – po ułożeniu przeprowadza się testy napięciowe i rezystancji (oporu), aby upewnić się, że kable podmorskie działają zgodnie ze specyfikacją,
• inspekcje podwodne – wykorzystuje się zdalnie sterowane pojazdy podwodne ROV (ang. Remotely Operated Vehicle) do sprawdzenia poprawności ułożenia i stanu kabla,
• monitoring ciągły – nowoczesne systemy HVDC są wyposażone w czujniki monitorujące stan kabla, takie jak temperatura czy przepływ prądu,
• naprawy awaryjne – w razie uszkodzenia kabla lokalizuje się problem przy użyciu specjalistycznych urządzeń, a naprawy realizują wyspecjalizowane ekipy nurków lub ROV.

Kable podmorskie w Polsce i okolicach

Kable podmorskie zastosowano m.in. na dnie Bałtyku, gdzie występuje kilka linii tego typu:

• Baltic Cable – łączy Niemcy (Lübeck) ze Szwecją (Kruseberg), długość 260 km, moc przesyłowa 600 MW,
• NordBalt – łączy Litwę (Kłajpeda) ze Szwecją (Nybro), długość: 450 km (z czego 400 km pod dnem Bałtyku), moc przesyłowa 700 MW,
• EstLink 1&2 – łączą Estonię (Püssi) z Finlandią (Porvoo), długość: 105 km i 170 km, moc przesyłowa sumaryczna 1000 MW,
• Fenno-Skan 1&2 – łączą Finlandię (Rauma) ze Szwecją (Dannebo), długość 200 km, moc przesyłowa sumaryczna 1400 MW.

Również Polska wykorzystuje kable podmorskie do wzajemnego przesyłu prądu do/ze Szwecji (SwePol Link), gdy w jednym z krajów występuje niedobór energii lub ceny energii są niższe z powodu nadprodukcji z OZE. Linia HVDC o mocy 600 MW i napięciu 450 kV zlokalizowana jest pomiędzy miejscowością Wierzbięcino w pobliżu Słupska a Karlshamm w Szwecji. Jej długość wynosi 254 km. Kabel wykorzystywany w przesyle energii ma przekrój 2100 mm². W części podmorskiej złożony jest z dwóch żył o przekroju 630 mm², a w części podziemnej (13 km od miejsca wyjścia z morza do stacji) – 1100 mm². Obie stacje na końcach linii (przekształtnikowe tyrystorowe, w których następuję zamiana prądu stałego na zmienny i dostosowanie go warunków krajowej sieci elektroenergetycznej) mogą pracować jako falownik bądź prostownik, w zależności od kierunku przesyłu.

Planowano również stworzenie interkonektora elektroenergetycznego między Polską a Litwą, znanego jako Harmony Link. Początkowo miał on stanowić podmorskie połączenie typu HVDC o długości około 330 km, z czego 290 km przebiegałoby pod dnem Morza Bałtyckiego. Moc przesyłową zaplanowano na 700 MW, a połączenie miało łączyć stację elektroenergetyczną Żarnowiec w Polsce, ze stacją Darbėnai na Litwie. Z uwagi na wysokie koszty w 2023 roku operatorzy systemów przesyłowych obu krajów rozpoczęli prace nad alternatywnym rozwiązaniem – lądowym połączeniem elektroenergetycznym.

W perspektywie kilku lat w Polskiej Strefie Ekonomicznej pojawią liczne kable podmorskie służące do przesyłu prądu przemiennego wysokiego napięcia HVAC (ang. High Voltage Alternating Current) związanych z rozwojem Morskiej Energetyki Wiatrowej MEW. Na dnie Bałtyku Południowego wykorzystywane będą pojawią się dwa główne rodzaje kabli – kable wewnętrzne (szeregowe) (ang. array cable) łączące poszczególne turbiny wiatrowe z podstacją transformatorową na morzu (ang. offshore substation – OSS) oraz kable eksportowe (ang. export cable), służące do przesyłu energii elektrycznej z podstacji morskiej do sieci lądowej.

Na jakie zagrożenia narażone są kable podmorskie i z czego wynikają?

Kable podmorskie narażone są na różnorodne zagrożenia wynikające z występowania zarówno czynników środowiskowych, jak i tych związanych z działalnością człowieka. Do zagrożeń naturalnych można zaliczyć m.in. erupcje wulkanów podwodnych, trzęsienia ziemi i osuwiska podmorskie, prądy oceaniczne oraz zjawiska sztormowe. Z kolei do antropogenicznych – zaczepienie kabli przez kotwice z intencją wywleczenia kabla, działalność połowowa, prace podwodne (dragowanie, pogłębianie, eksploracją dna morskiego czy budowa/układanie innych kabli) oraz akty sabotażu i ataki terrorystyczne (nurkowie, zdalnie kierowane/autonomiczne pojazdy podwodne), takie jak celowe uszkodzenie kabla Estlink2 łączącego Finlandię z Estonią (przez statek z tzw. „floty cieni ” w dniu 25.12.2024 roku). Efektem wspomnianych zdarzeń może być zarówno zmiana lokalizacji kabla, naruszenie warstw ochronnych przewodów czy wydobycie kabla na powierzchnię dna morskiego), jak i przerwanie instalacji.

Należy w tym kontekście zauważyć, iż przy rosnącej niestabilności (szczególnie w rejonie Morza Bałtyckiego, oraz przy postępie technologicznym (zasięg, rosnąca dostępność, niewykrywalność i łatwość „weaponizacji” dronów), założyć można tendencję wzrostową ataków na kable podmorskie. Znamiennym jest, że w skomplikowanym i złożonym środowisku bezpieczeństwa również infrastruktura podmorska może stać się celem intencjonalnych działań ukierunkowanych na zaburzenie jej pracy (jakże istotnej w kontekście zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego czy realizacji założeń ograniczenia globalnej emisji dwutlenku węgla).

Jak chronić kable podmorskie?

Oprócz technicznych środków wykorzystywanych do zakopywania i zabezpieczenia kabli opisanych powyżej, sposobami sprawowania ochrony tej istotnej, w kontekście bezpieczeństwa energetycznego, infrastruktury jest realizacja monitoringu eksploatacyjnego trasy przebiegu podmorskiej linii elektroenergetycznej. Istotna jest również ścisła współpraca ze służbami odpowiedzialnymi za utrzymanie bezpieczeństwa na obszarach morskich państwa, przez które przebiega dany kabel. W zakresie przeciwdziałania aktom dywersji podwodnej środkami technicznymi umożliwiającymi sprawowanie nadzoru jest instalacja sensorów hydroakustycznych przeznaczonych do monitorowania zagrożeń, zapewniających ich wykrycie i śledzenie, a także wykorzystanie autonomicznych pojazdów podwodnych AUV (ang. Autonomous Underwater Vehicles). Te ostatnie mogą realizować zadania z zakresu monitorowania uszkodzeń mechanicznych spowodowanych działalnością kotwic, osadami lub erozją dna oraz lokalizacji i dokumentowania miejsc odsłonięcia kabli. Dodatkowo AUV mogą w pełni autonomicznie realizować długotrwałe, regularne patrole w celu wczesnego wykrycia zagrożeń (np. nieautoryzowanych działań w strefie chronionej). Z kolei w kontekście ewentualnej minimalizacji skutków zagrożeń można rozpatrywać stosowanie ubezpieczeń i odpowiednich zabezpieczeń mających na celu możliwie szybkie przywrócenie pełnej funkcjonalności linii przesyłowych (zdolność do naprawy ew. wymiany uszkodzonego fragmentu podmorskiej linii energetycznej).