Analisi delle prestazioni termiche e dell’efficienza economica del cavo sottomarino in XLPE basata su simulazione accoppiata elettrica–termica–idraulica

Mantenere sicure le linee elettriche sottomarine

Con la crescita dei parchi eolici offshore, sempre più elettricità deve raggiungere la terraferma attraverso spessi cavi di alimentazione sepolti nel fondale marino. Se questi cavi sottomarini si surriscaldano, l’isolamento plastico che contiene l’elettricità può invecchiare rapidamente, riducendo la vita utile del cavo e aumentando i costi. Questo studio pone una domanda apparentemente semplice ma dalle grandi implicazioni pratiche: come influenzano le proprietà del fondale e la modalità di interramento la temperatura di un cavo e, di conseguenza, l’economia del trasferimento di energia pulita a terra?

Perché il fondale conta

I cavi sottomarini per progetti eolici offshore utilizzano tipicamente un robusto materiale plastico chiamato polietilene reticolato (XLPE) come isolante e sono progettati affinché i loro nuclei metallici restino al di sotto di circa 90 gradi Celsius. Il calore generato deve disperdersi nel fondale circostante e nell’acqua di mare. Ma i sedimenti del fondale non sono tutti uguali. Alcuni sono sabbiosi e conducono bene il calore; altri sono ricchi di argilla e più isolanti. Inoltre, l’acqua intrappolata nei pori tra i granuli può muoversi quando si riscalda, trasportando calore con sé. Queste condizioni locali decidono quanto facilmente un cavo riesce a disperdere calore, il che a sua volta determina quanta corrente può trasportare in sicurezza e quanto sarà conveniente l’intero progetto nel corso di decenni di esercizio.

Simulare un problema termico complesso

Gli autori si sono concentrati su un tipo comune di cavo trifase a 220 kilovolt in corrente alternata e hanno costruito un modello informatico dettagliato di una sezione del fondale in cui tale cavo è sepolto. Invece di trattare il cavo come un semplice riscaldatore, hanno modellato esplicitamente i campi elettromagnetici che generano calore all’interno dei conduttori metallici e degli altri strati. Quel calore poi si diffonde nel terreno circostante, dove può muoversi sia per conduzione sia per il movimento dell’acqua nei pori guidato dalla spinta di galleggiamento, come una corrente convettiva naturale molto lenta. Accoppiando comportamento elettrico, termico e di flusso in un unico quadro, hanno potuto vedere come variazioni della profondità di interramento, della temperatura di base, della conduttività termica del suolo e della permeabilità del terreno interagiscano per determinare la temperatura di esercizio stazionaria del cavo e la sua corrente ammissibile. Hanno inoltre verificato che il modello fosse in buon accordo con uno standard ingegneristico consolidato, riscontrando solo una piccola differenza nella capacità di corrente prevista.

Cosa controlla la temperatura del cavo

Le simulazioni mostrano tendenze chiare e talvolta sorprendenti. Interrare il cavo più in profondità aumenta costantemente la temperatura del conduttore, e l’effetto diventa più marcato con l’aumentare della profondità, perché il calore ha più strada da percorrere prima di raggiungere l’influenza rinfrescante dell’acqua di mare soprastante. Temperature ambientali del fondale più elevate semplicemente spostano l’intero sistema verso l’alto: per lo stesso carico elettrico, pochi gradi in più di calore di fondo possono portare il cavo oltre il limite di sicurezza. La conduttività termica del suolo—quanto facilmente il calore passa attraverso il sedimento—gioca un ruolo potente. Nei terreni che conducono male il calore, la temperatura diminuisce rapidamente con la distanza e il cavo funziona più caldo, limitando fortemente la corrente che può sopportare. In suoli più conduttivi, il calore si distribuisce rapidamente, consentendo correnti più elevate senza superare il limite di temperatura.

Aiuto nascosto dal movimento dell’acqua nei pori

Un altro fattore chiave è la permeabilità, che descrive quanto facilmente l’acqua può muoversi attraverso i pori del suolo. Nei terreni molto compatti, tipici delle argille, il modello mostra che variazioni di permeabilità su diversi ordini di grandezza incidono poco sulla temperatura del cavo, perché l’acqua nei pori si muove pochissimo e domina la conduzione. Quando la permeabilità supera una soglia di circa 10⁻¹¹ metri quadrati—più simile a limi grossolani o sabbia—il flusso indotto dalla spinta di galleggiamento diventa importante. L’acqua nei pori più calda e più leggera risale e quella più fredda scende, creando percorsi di circolazione che migliorano la rimozione del calore. In questo regime, una permeabilità maggiore porta a temperature del cavo sensibilmente più basse, con il calore che si disperde in schemi allungati che riflettono queste correnti interne.

Cosa significa per i costi del progetto

Poiché il costo di un cavo non riguarda solo l’acquisto e l’installazione dell’hardware, gli autori hanno collegato i loro risultati termici a un modello economico semplice. Hanno combinato spese di attrezzatura e installazione con il valore dell’energia persa come calore su una vita utile di 30 anni e la manutenzione ordinaria, per calcolare un indice di investimento: il costo totale diviso per la capacità di trasporto di corrente del cavo. Un indice più basso significa più watt consegnati per dollaro investito. L’analisi mostra che un interramento meno profondo, una conduttività termica del suolo più elevata e una permeabilità sufficientemente alta riducono questo indice, rendendo i progetti più convenienti. Tuttavia, un interramento troppo superficiale può esporre i cavi ad ancore, attrezzature da pesca e onde, quindi gli ingegneri devono bilanciare i vantaggi termici ed economici con il rischio meccanico e i requisiti normativi.

Conclusione per l’energia offshore

Per chi è interessato al futuro dell’eolico offshore, il messaggio dello studio è netto: il fondale non è solo uno sfondo passivo. La sua temperatura, la granulometria e le vie d’acqua influenzano fortemente quanto possiamo spingere in sicurezza i cavi che collegano le turbine offshore alla rete e quanto costa quella connessione nel corso della vita utile. Utilizzando un modello accoppiato elettrico–termico–di flusso, gli autori dimostrano che scegliere strati di sedimento più freschi, più conduttivi al calore e sufficientemente permeabili—e evitare interramenti inutilmente profondi—può consentire trasferimenti di potenza maggiori e migliori ritorni sull’investimento, a condizione che venga mantenuta la protezione contro i danni fisici.

Citazione: Ye, M., Zhang, Y., Wu, H. et al. Analysis on the thermal performance and economic efficiency of XLPE submarine cable based on electric–thermal–hydraulic coupling simulation. Sci Rep 16, 9467 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40092-7

Parole chiave: cavi elettrici sottomarini, eolico offshore, sedimenti del fondale, trasferimento di calore, affidabilità dei cavi