Offshore renewable sources for subsea automation systems

The aim of the thesis is the fulfillment of a subsea automation system from offshore renewable sources in collaboration with ATEC, a marine engineering company based in Milan operating in the oil & gas field. The automation system consists in the remote operation of subsea Pipe Line End Manifolds (PLEMs) by means of a hydraulic power unit (HPU) placed on the sea bottom nearby the PLEM. The manifold is used by vessels for offshore unloading and loading activities of liquid products, reducing port traffic and avoiding too large jetties. PLEM’s valves opening and closing is performed by means of hydraulic actuators controlled from on-shore DCS. Manually operated PLEM valves brings along a number of risks and operational issues related to the need of divers and long time before intervention in case of failure; the remote actuation would significantly improve flexibility and the overall safety of the whole facility, preventing from environmental disasters. In order to avoid technical and economic issues linked with subsea cables laying, a self-powered buoy is studied to provide the load with the required energy by means of a renewable sources-based microgrid (wave, photovoltaic and wind) in addition to a Li-Io batteries storage system. An energy model is developed within Matlab environment, in which the hourly state of charge (SOC) is computed over one month. The obtained results are verified by means of a Simulink model of the DC microgrid. This work aims to provide the state of the art of modern standalone microgrids based on the most advanced renewable sources energy converters for marine environment. Beside this, the thesis offers a case study with the analysis and integration of offshore facilities and generators

Obiettivo della tesi è la realizzazione di un sistema di automazione sottomarina da fonti rinnovabili offshore in collaborazione con ATEC, società di ingegneria marittima operante nel settore oil & gas. Il sistema di automazione consiste nel controllo ed azionamento da remoto di collettori terminali di oleodotti sottomarini (PLEM, Pipe Line End Manifold), mediante un’unità di potenza idraulica posta sul fondo del mare in prossimità del PLEM. Il collettore è utilizzato dalle navi cisterna per il carico e scarico offshore di prodotti liquidi, riducendo il traffico portuale ed evitando banchine di dimensioni eccessive. L’apertura e la chiusura delle valvole del PLEM avviene mediante attuatori idraulici gestiti da una sala controllo situata a terra. L’attuazione manuale delle valvole comporta una serie di rischi e problemi operativi legati alla necessità di manovrarle tramite l’immersione di sommozzatori ed alle lunghe tempistiche di intervento in caso di guasto. La possibilità di attuazione da remoto incrementerebbe in maniera significativa la flessibilità e la sicurezza dell’intero impianto, prevenendo eventuali disastri ambientali causati dalla fuoriuscita di prodotti petrolchimici. Al fine di evitare problematiche tecniche ed economiche associate alla posa dei cavi sottomarini, è stato studiato un sistema di alimentazione implementato su boa basato su fonti di energia rinnovabile (moto ondoso, fotovoltaico ed eolico), insieme ad un sistema di accumulo agli ioni di litio. È stato sviluppato un modello energetico in ambiente Matlab, in cui lo stato di carica delle batterie viene calcolato su base mensile. I risultati ottenuti sono stati verificati tramite un modello Simulink della micro-rete in corrente continua. Questo lavoro mira a fornire lo stato dell’arte delle moderne micro-reti isolate basate sui più avanzati convertitori di energia da fonti rinnovabili in ambiente marittimo. Inoltre, la tesi offre un caso studio di analisi e integrazione di utilizzatori e generatori di potenza offshore.