STF Mag Feature: Wie die verteilte Fasererkennung die Unterwasserkabelüberwachung vorantreibt

Sep 21, 2023

Wie in der September-Ausgabe des SubTel Forum Magazine veröffentlicht

Als 1868 die erste per Unterseekabel gesendete Telegrafennachricht zwischen Großbritannien und Kanada übertragen wurde, war die Kabelübertragung aufgrund mangelnder Kabelkapazität und Repeatern auf 2 Wörter pro Minute beschränkt. Obwohl es sich um Stückchen handelte, trafen die Nachrichten schneller ein als mit der nächstschnellsten Übertragungsmethode: Dampfschiffen, deren Fahrt zwischen den beiden Orten 10 Tage dauern würde.[1] Innerhalb von zwei Jahren konnte die Übertragungsgeschwindigkeit bereits auf 20 Wörter pro Minute verbessert werden. 150 Jahre später haben sich Unterseekabel zu Kommunikationsautobahnen entwickelt, die für den weltweiten Transport von 99 % des Internet- und Cloud-Verkehrs über etwa 500 Unterseekabel verantwortlich sind, die sich über 1,3 Millionen Kilometer Meeresboden erstrecken.[2]

Auch Unterwasserstromkabel gelten als Game Changer im Energiesektor als Lösung für die Übertragung von Hochspannungsstrom unter Wasser. Anwendungsfälle für Unterseekabel entwickeln sich weiter. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Nutzung von Offshore-Energie. Beeindruckende Projekte wie die kürzlich fertiggestellte Nordseeverbindung[3] lenken die Aufmerksamkeit auf die Notwendigkeit der Länder, die Vorteile der überlegenen Meereswindaktivität und der Gezeitenstromerzeugung zu nutzen. Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit der Weltwirtschaft sowohl von der Konnektivität (Internet und Cloud) als auch von der Stromübertragung werden Unterseekabel immer wichtiger. Deshalb ist es von entscheidender Bedeutung, dass Innovationen zur Bedrohungsabwehr kontinuierlich weiterentwickelt werden, um eine zuverlässige Bereitstellung wichtiger Konnektivität und Stromversorgung zu gewährleisten unsere Gemeinden.

Ähnlich wie die Entwicklung der Unterseekabel selbst haben auch die verteilten Glasfasersensoren und insbesondere die Vibrationserkennungs- und Entfernungstechnologien (VID+R) ein schnelles Wachstum erlebt und erreichen einen Wendepunkt in der Akzeptanz. Die Glasfasersensorik kommt Kabelbetreibern zugute, da sie zum ersten Mal ein sofortiges Bewusstsein für Bedrohungen auf jedem Meter der langen linearen Anlage ermöglicht. Diese Art von umsetzbaren Echtzeitinformationen führt zu deutlichen Kosteneinsparungen und vermeidet Ausfallzeiten. Während die faseroptische Sensorik zunehmend für Telekommunikationskabel eingesetzt wird, bleibt sie für Stromkabel eine weniger bekannte Lösung. Da der Markt für verteilte Glasfasersensoren (DFS) in den nächsten acht Jahren voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7,3 % wachsen und bis 2030 einen Gesamtmarktwert von 2.553,5 Millionen US-Dollar erreichen wird[4], können Unterwasserstrombetreiber viel davon profitieren Wir werden dieser Technologie in den kommenden Jahren Aufmerksamkeit schenken.

Die Entwicklung der verteilten Glasfasersensorik für die Überwachung von Unterwasserstromkabeln

Zweifellos wird die überwiegende Mehrheit der Unterseekabelausfälle jedes Jahr durch äußere Einflüsse verursacht, darunter Ankerschleppen und Grundschleppnetzfischerei durch Fischereifahrzeuge. Auswirkungen von Naturkatastrophen wie Tsunamis sind neben geologischen Veränderungen eine weitere Hauptursache für Störungen. Manchmal ist der Schaden massiv und offensichtlich, wie zum Beispiel die Unterbrechung des Unterseekabels im Mittelmeer im Jahr 2008, die Millionen Menschen ohne Internet zurückließ[5], oder die Unterbrechung des Unterseestromkabels im Jahr 2020, die 18.000 Haushalte auf der Isle of Skye ohne Strom zurückließ und den Anbieter zwang ein dieselbetriebenes Kraftwerk zur Notstromversorgung heranzuziehen[6]. In anderen Fällen können Beinaheunfälle oder Teilschläge die Kabel beschädigen, ohne dass die Stromversorgung sofort unterbrochen wird. Solche latenten Schäden können eine Zeit lang unbemerkt bleiben, bevor es zu einem unvermeidlichen Kabelausfall kommt, der sogar Jahre nach dem Schadensereignis Reparaturen erforderlich macht. In jedem Szenario unterbrechen Kabelbrüche und Störungen die lebenswichtige Versorgung. Die Reparaturkosten können bis zu 10 Millionen Pfund oder 12 Millionen US-Dollar betragen und gehen in der Regel zusätzlich zu den direkten Reparaturkosten mit einer Reputationsschädigung und Umsatzeinbußen einher. In der Regel muss ein Fügeschiff mobilisiert werden und die Fügeoperation kann oft 40 bis 60 Tage dauern, bis die Reparatur abgeschlossen ist[7], was die Kosten erhöht.

Den Betreibern von Unterseekabeln ist bewusst, dass sie zu den wenigen Teilen kritischer Infrastruktur gehören, die nach ihrer Verlegung auf dem Meeresgrund praktisch unsichtbar sind – im Gegensatz zu fast allen anderen kritischen Infrastrukturen haben die Unterseekabeleigentümer praktisch keine Ahnung, was passiert rund um ihr Vermögen. Es gibt Schutztechniken, die überwachen, was direkt über ihren Kabeln passiert. Zu den traditionellen Methoden gehören die AIS-Beacon-Überwachung, Schiffspatrouillen an der Oberfläche und Luftaufnahmen. Allerdings sind diese Methoden leicht zu vermeiden (AIS-Beacons ausgeschaltet), weisen große zeitliche/räumliche Lücken bei der Überwachung der Anlage auf, sind kostspielig und ihre Betriebszeiten sind begrenzt und werden vom Wetter beeinflusst. Grundsätzlich beziehen sich diese Überwachungsansätze nicht direkt auf die Anlage und erstrecken sich nicht rund um die Uhr über die gesamte Länge der Anlage. Steigen Sie in die verteilte Fasersensortechnologie ein.

Wie bereits erwähnt, wird die faseroptische Sensorik zunehmend für Telekommunikationskabel eingesetzt, für Unterwasserstromkabel ist sie jedoch eine weniger bekannte Lösung. Viele Stromkabel sind jedoch mit eingebauten Glasfasern ausgestattet, um sowohl als Telekommunikationskabel als auch als Stromtransportkabel zu dienen. Dies ermöglicht die Überwachung von Unterseekabeln über DFS und insbesondere die bahnbrechende Kategorie VID+R. VID+R steht neben der verteilten Temperatur- und Dehnungsmessung im DFS-Portfolio, ist jedoch in einem sehr leistungsstarken Aspekt einzigartig: Die sehr hohe Empfindlichkeit von VID+R ermöglicht die Erkennung und Klassifizierung von Objekten und Ereignissen, die sich sowohl innerhalb als auch außerhalb des Kabels befinden. Dies wird auch über eine lange und kontinuierliche Länge erreicht, indem die einzigartigen Vibrationssignaturen eines bestimmten Objekts und/oder Ereignisses erfasst und analysiert werden. In diesem Zusammenhang bietet VID+R eine vollständige und nachhaltige großflächige Überwachungsfunktion rund um das Seekabel und sorgt so für ein beispielloses Situationsbewusstsein für die Kabeleigentümer. Diese Überwachungsfunktion kann problemlos über die Glasfaserstränge eingesetzt werden, die bereits in Unterwasserstromkabeln eingebettet sind, um Änderungen der Temperatur und der strukturellen Integrität zu messen.

Aufgrund ihrer großen Reichweite kann die Glasfaserinfrastruktur als riesige, dichte, langfristige, lückenlose Sensoranordnung genutzt werden. Durch die Nutzung von Fortschritten in der Photonik, Hybrid-Cloud-Computing, maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz nutzt DFS in Unterseekabeln im Wesentlichen Standard-Telekommunikations-Glasfaserkabel für einen neuen Anwendungsfall. Mit DFS ermöglichen neue Sensing-as-a-Service-Produkte zur digitalen Sensibilisierung eine Kabelbeobachtung rund um die Uhr, die ein breites Spektrum an Vorkommnissen rund um die Kabel erkennt, darunter:

Für Unterwasserenergieunternehmen ergeben sich durch den Einsatz dieser bewährten Technologie erhebliche Vorteile. Untersee-Telekommunikationskabel sind ebenso anfällig und unzureichend geschützt wie Untersee-Stromkabel. In der Vergangenheit mangelte es beiden Infrastrukturklassen an Echtzeitwarnungen, die vor Ereignissen schützen, die zu Kabelbrüchen und erheblichen Umsatzeinbußen führen.

Das Argument für DFS zur Unterwasser-Stromkabelüberwachung

Fortschritte im Bereich der verteilten Glasfasersensorik verändern die Art und Weise, wie wir Unterseekabel überwachen, und insbesondere Sensing as a Service stellt die Zukunft von DFS für die Echtzeiterkennung und -klassifizierung externer Angreifer, die präzise Schadenslokalisierung und die Möglichkeit dar, bei der Schuldzuweisung zu helfen. Aufgrund ihrer großen Reichweite über vorhandene Glasfaserkabel ist die VID+R-Technologie in mehrfacher Hinsicht für die Unterwasserkabelüberwachung überlegen:

Zum ersten Mal vollständiges Situationsbewusstsein

Diese „immer aktive“ Schutzform mit Überwachung über die gesamte Länge des Kabels ermöglicht eine kontinuierliche Bedrohungsüberwachung mit Echtzeitberichten, die rund um die Uhr für die Anlage bereitgestellt werden, und der Option, die Bedrohung zu kontaktieren oder abzuwehren, bevor Schaden entsteht.

Diagnose, Wiederherstellungszeit und Kosten

Folgeschäden aufgrund von Stromkabelschäden können erheblich sein und Unterseestromkabel kosten etwa 1.200 US-Dollar pro Meter oder 1,2 Millionen US-Dollar pro Kilometer, was die Überwachung zu einer wichtigen Versicherungsform macht. Genauigkeit und Präzision bei der Fehlerlokalisierung verkürzen die Zeit, um Probleme entlang Hunderter Kilometer von Unterseekabeln zu lokalisieren, wodurch die Reparatur beschleunigt und die Kosten im Laufe der Zeit gesenkt werden. Die Eliminierung ungeplanter Stromunterbrechungen steigert auch den Umsatz und verringert Versorgungsstrafen.?

Sicherheit

Durch die Vermeidung von Kabelschlägen und die Reduzierung ungeplanter reaktiver Notfallreparaturarbeiten kann die DFS-Überwachung das Risiko von Unfällen durch Reparaturteams vor Ort sowie die Gefahr für Dritte in der Nähe des Kabelschadens oder möglicher Tsunamis oder Unterwasservulkane verringern.

Schuld

Heutzutage ereignen sich die meisten Schäden an Unterseekabeln in flachem Wasser am Ufer, und der größte Teil dieser Schäden ist auf Ankerschleppen und Schleppnetzfischerei zurückzuführen. Hochrisikobereiche finden sich auch in Kabelschutzzonen und in der Nähe von Landestationen, wo ein erhöhtes Risiko besteht, dass mehrere Kabel durch ein und dasselbe Ereignis herausgerissen werden.

Die Integration mit AIS kann bei der Schuldzuweisung für entstandene Schäden hilfreich sein. Wenn ein Schiff die Ursache eines solchen Schadens ist und der Kabelbetreiber die Fahrlässigkeit dieses Schiffes nachweisen kann, kann es dem Betreiber durchaus gelingen, erhebliche Schadensersatzbeträge vom Schiffseigentümer zurückzufordern. Es entsteht auch ein starker Abschreckungseffekt, da Schiffe, die in und um geschützte Kabel operieren, jetzt wissen, dass ihre Aktivitäten rückverfolgbar sind, was Anreize für die Schiffsführer schafft, weniger riskant zu handeln.

Bis 2028 wird erwartet, dass der Markt für Unterwasserstromkabel eine Größe von mehr als 11,82 Milliarden US-Dollar erreichen wird[8], was einem Anstieg von mehr als 4 Milliarden US-Dollar gegenüber dem Wert von 2021 aufgrund zunehmender Investitionen in Offshore-Energie und der Zunahme länderübergreifender Unterwasserstromverbindungen entspricht Unterwasser-Rechenzentren. Da immer mehr kostspielige Unterwasserinfrastrukturen geschützt werden müssen, ist die Energiewirtschaft bestens gerüstet, sich der Unterwasser-Telekommunikationsgemeinschaft anzuschließen und zeit- und kostensparende Technologien wie DFS-Dienste stärker einzuführen und dem Ziel näher zu kommen, Schäden von vornherein zu verhindern .

Durch die Eliminierung des Risikos einer Unterbrechung und die Erhöhung der Versorgungssicherheit können Unterseekabelbetreiber eine wichtige Rolle dabei spielen, die wachsenden Erwartungen der Interessengruppen und behördlichen Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Zukunft des Unterseekabelschutzes für zukünftige Jahrzehnte durch DFS- und VID+R-Technologie zu sichern.

Mark Englund ist Gründer und CEO von FiberSense. Mark verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in den Bereichen Sonar, Glasfasertechnologie, Ingenieurwesen und Geschäftsaufbau.

Er verfügt über eine Erfolgsbilanz darin, neue Marktchancen frühzeitig zu erkennen und einen pragmatischen Ansatz beim Aufbau und der Positionierung von Unternehmen zu verfolgen, um diese Chancen effektiv zu nutzen. Diese Erfolgsbilanz wurde im Laufe von 25 Jahren als Ingenieur, Unternehmer und Geschäftsinhaber aufgebaut und konzentrierte sich dabei ausschließlich auf die Frage, wo die wichtigsten Werttreiber in Glasfasernetzen und Sensorsystemen liegen.

Diese Erkenntnisse stammen aus einer vielfältigen Erfahrungsbasis als 1) Leiter des Labors für optische Fasersensoren, DSTO Australien, 2) Gründer, Geschäftsführer und CEO eines Unternehmens für optische Faserkomponenten, das Hochleistungs-Faser-Bragg-Gitter für Sensorik und Telekommunikation liefert, 3) a US-Geschäftsentwicklungsleiter eines 1-Milliarden-Dollar-Untersee-Telekommunikationskabellieferanten für Netzbetreiber und Supertechs und 4) ein US-Geschäftsentwicklungs- und Strategieleiter eines 4-Milliarden-Dollar-Unternehmens, das das gesamte Glasfasernetz umfasst, das für die Cloud relevant ist (Unterwasser und international, terrestrisch und intern). Datenzentrum).

Mark hat einen Abschluss in Ingenieurwissenschaften von der CDU und einen Doktortitel in Glasfasersensorik von der University of Sydney und ist Mitglied des Australian Institute of Company Directors.

Mark ist ein begeisterter Förderer neuer Geschäftsmodelle.

[1] https://www.iscpc.org/information/learn-about-submarine-cables/timeline-history/

[2] https://www.submarinecablemap.com/

[3] https://www.cnbc.com/2021/10/04/worlds-longest-under-sea-electricity-cable-begins-operations.html

[4] https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/distributed-fiber-optic-sensor-sensing-dfos-market

[5] https://www.wired.com/2008/12/mediterranean-c/

[6] Tatsächlich bestand die Notwendigkeit, aus Redundanzgründen zusätzliche Dieselgeneratoren vom Festland per Flugzeug zu befördern https://www.theguardian.com/business/2020/oct/22/scottish-energy-company-ssen-investigates-blackout-caused -durch-Unterwasserkabelausfall

[7] https://iumi.com/news/iumi-eye-newsletter-march-2018/subsea-cable-and-damage-claims

[8] https://www.globenewswire.com/en/news-release/2022/03/18/2406112/0/en/Submarine-Power-Cable-Market-Size-Worth-11-82Bn-Globally-by -2028-at-6-4-CAGR-Exclusive-Report-by-The-Insight-Partners.html

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