Digital twin e attuatori elettrici: le frontiere innovative nell’oil&gas

Elettrificazione, gemelli digitali e AI per efficienza operativa ed energetica, diversificazione dell’offerta grazie alle nuove applicazioni a fonti rinnovabili stravolgono il volto dell’industria oil&gas e i requisiti tecnologici dei fornitori di componenti che servono le aziende del settore.

Un mega trend verso il cosiddetto ‘unmanning’ delle applicazioni offshore è in corso nel settore oil&gas, che per Bosch Rexroth è reso possibile grazie alla digitalizzazione, con l’impiego di soluzioni di monitoraggio e controllo da remoto di attrezzature e impianti, e dalla elettrificazione dei sistemi. A illustrare i vantaggi offerti è Markus Kubacki, responsabile Subsea application engineering e Subsea automation systems in  Bosch Rexroth , che presenta la nuova gamma di attuatori elettrici eSEA Torque e eSEA Push appena lanciata dall’azienda sul mercato.

I vantaggi della digitalizzazione nell’oil&gas

“Ridurre i rischi nei processi e nella produzione offshore è una tendenza prioritaria nell’industria oil&gas – afferma Kubacki -. Ciò si lega alla sicurezza degli addetti, ma si tratta anche di ridurre i costi operativi elevati per trasportare persone nei siti offshore. Questo comporta la necessità di disporre di una maggiore elettrificazione e di soluzioni digitali di monitoraggio, che consentono di raccogliere in loco informazioni relative ai processi e allo stato di salute delle apparecchiature senza bisogno di operatori. Rendendole quindi disponibili nelle sedi sulla terraferma dove qualcuno può farne un’analisi per abilitare la presa di decisioni informate”.

La digitalizzazione per le compagnie oil&gas si traduce quindi anche in un vantaggio cruciale legato all’efficientamento, e un ruolo fondamentale e su più fronti hanno qui i gemelli digitali. “Il digital twin per Bosch è innanzitutto un modello digitale del prodotto, insito nel prodotto stesso, che effettua una raccolta continua dei dati di processo e dello stato del componente – illustra Kubacki -. I dati reali vengono continuamente confrontati con i dati del gemello digitale, e in caso di deviazione è possibile inviare un allarme come avvertimento evitando l’interruzione della produzione.

Grazie ad AI e apprendimento automatico, i sensori digitali sono stati qualificati come parte dell’algoritmo, in grado di assumere il controllo in caso di guasto dei sensori durante la vita del prodotto.

Questi sensori digitali non si limitano a rispecchiare un sensore fisico, ma combinano diverse informazioni di processo all’interno dell’attuatore per ottenere una ridondanza digitale altamente precisa. Questo approccio consente un funzionamento affidabile anche se i sensori fisici, come quelli di posizione, dovessero guastarsi. In prospettiva è quindi possibile immagine di fare a meno di sensori fisici, riducendo in parallelo i possibili guasti a carico e rendendo le infrastrutture meno costose”.

L’elettrificazione come chiave per l’efficienza

L’altro tema principale riguarda quindi l’elettrificazione degli impianti offshore nell’oil&gas, che per il comparto può significare una serie di vantaggi: a partire dalla riduzione dell’impiego di olio idraulico fino alla riduzione del consumo energetico, ed emissioni connesse, richieste per fornire la potenza idraulica a grandi distanze, con elevata dispersione di energia. L’elettrificazione rende inoltre le installazioni anche più veloci e di più facile integrazione, riducendo nel complesso i costi operativi.

“Nel momento in cui serve solo energia elettrica per controllare tutta l’infrastruttura, tutto diventa più semplice e pulito rispetto all’impiego di fluidi idraulici su lunghe distanze – continua Kubacki -. In quest’ottica, abbiamo sviluppato un portfolio di prodotti per l’elettrificazione lean delle valvole sottomarine, che trovano un larghissimo impiego negli impianti, ad esempio nelle operazioni di processo sottomarine, dove acqua, sabbia e CO2 possono essere filtrati dal flusso di produzione delle attrezzature. Si tratta nello specifico di attuatori elettrici per il movimento delle valvole: lo sviluppo è iniziato nel 2018, su richiesta di un OEM del settore che ci chiese se fossimo in grado di sviluppare una versione idrostatica del suo attuatore elettromeccanico sottomarino. Ne nacque la eSEA Torque, che ha al proprio interno tutto quanto occorre per portare da un ingresso elettrico a un output meccanico. Abbiamo quindi applicato la stessa tecnologia per sviluppare con concetto modulare l’azionamento delle valvole lineari, le eSEA Push“.

L’intento di Bosch Rexroth è quindi quello di rendere il passaggio all’elettrico il più semplice possibile, utilizzando ciò che è già in uso negli impianti oil&gas: tutta la gamma dei nuovi attuatori elettrici ha interfacce standard, ha certificazione di safety di livello SIL3 e offre compattezza, leggerezza e potenza: la eSEA Torque con un’alimentazione di 48 W può comandare valvole fino a 2 pollici installate a 4.000 metri di profondità, mentre le eSEA Push offrono forze in uscita fino a 745 kN, con alimentazione elettrica da 96 W a 480 W.

“Per questi prodotti ci aspettiamo un grande feedback dal mercato – spiega Kubacki -, dando ad esempio la possibilità di elettrificare un sistema idraulico che potrebbe già mostrare malfunzionamenti. L’interfaccia standard consente infatti di impiegare questi attuatori anche per la riparazione e il retrofit di sistemi già esistenti. Preparando così gli operatori a un possibile futuro in cui potranno decidere di escludere l’idraulica e provvedere in elettrico a tutte le movimentazioni”.

Potenzialità dell’idrogeno

Anche per Bosch le applicazioni a idrogeno saranno molto attrattive nel momento in cui approderanno sul mercato, ad esempio utilizzando l’idrogeno come buffer energetico nei siti offshore tra momenti di surplus nella produzione di energia, ad esempio eolica, e altri di shortage. L’energia prodotta in eccesso viene immagazzinata come idrogeno, per poi essere riconvertita ricombinando il gas con ossigeno nelle celle a combustibile producendo energia elettrica e acqua.

“Nel settore offshore l’idrogeno come energy buffer può essere un approccio molto interessante – dice Kubacki -, al fine di garantire la continuità operativa di grossi macchinari e apparecchiature che richiedono grandi quantità di energia allorché venga ad esempio meno il vento. Siamo già coinvolti nella catena del valore della produzione di idrogeno, nelle pipeline di compressione del gas e nelle tecnologie per le stazioni di rifornimento. Anche nel settore subsea potrebbe esserci un interesse in tal senso, nei sistemi di stoccaggio e trasporto, che potrebbero condividere requisiti simili a quelli dell’industria oil&gas o delle applicazioni carbon storage.

Dall’elettrificazione e dall’unmanning delle applicazioni, per Bosch discende quindi anche un altro importantissimo trend, come illustra Kubacki in conclusione: “Se il trend reso possibile dalla digitalizzazione dei sistemi di controllo e gestione e dall’ elettrificazione è quello di eliminare tutto il personale nelle infrastrutture offshore, sorge la domanda relativa al perché in futuro ci debba essere ancora il bisogno di avere strutture costruite sulla superficie del mare, che oggi rappresentano circa il 50% delle infrastrutture offshore oil&gas. In prospettiva, dunque, è possibile pensare che al 2030 tutte le infrastrutture offshore potrebbero essere sottomarine, senza più bisogno di costruire piattaforme galleggianti in superficie come avviene oggi. Il tutto comandato dalla terraferma mediante sistemi all-electric e cavi di trasmissione più piccoli ed efficienti, rendendo più snelle e meno costose le installazioni”.