Design and Numerical Analysis of Mooring Systems for Floating Wind Turbines – Comparison of Concepts for European Waters

Abstract

Fornybare energikilder tilføres energimiksen i stor fart, med flytende havvind som en av de ledene nye teknologiene. En av hovedutfordringene med den flytende vindteknologi er kostnadene, hvor store bidrag er de komplekse underkonstruksjonene med høye produksjonskostnader og fortøyningssystemer opprinnelig designet for olje- og gassinstallasjoner. Nye fortøyningssystemer, spesiallaget for flytende vindturbiner, er for tiden under utvikling. Felles for disse systemene er bruken av lettere og nye materialer, i søken etter et mer kostnadseffektivt fortøyningssystem. I denne oppgaven er det utført en numerisk simuleringssammenligningsstudie av ulike fortøyningskonsept og designmetoder for flytende vindturbiner i samsvar med ULS-design. Seks fortøyningskonfigurasjoner er undersøkt i fire designlasttilfeller som virker i to forskjellige retninger på 100 m vanndybde. Syntetiske fibertau brukes i fem av fortøyningskonfigurasjonene, hvor blant annet fire av systemene er med polyesterliner og ett er med nylonliner. Base case fortøyningskonfigurasjon er et catenary system med kjetting liner. For kjetting systemet er det utført både en kvasistatisk og heldynamisk fortøyningsanalyse ved bruk av to forskjellige modelleringsoppsett i SIMA-programvarepakken. Dette er gjort for å sammenligne de to beregningsprosedyrene i ULS-design på grunt vann. For de syntetiske systemene har en nyutviklet designpraksis, SyROPE-modellen, blitt brukt til ˚a modellere syntetiske fibertau i SIMA. I sammenligningen mellom den kvasistatiske og heldynamiske simuleringstilnærmingen er det funnet store forskjeller i dynamiske responser og utnyttelsesfaktorer under ekstreme belastningsforhold. Selv på grunt vann undervurderer den kvasistatiske tilnærmingen spenningen i linene p˚a grunn av dynamisk bevegelse av fortøyningslinene som er forårsaket av en alvorlig sjøtilstand. Fortøyningskonfigurasjoner av ren syntetisk fiber har vist seg ˚a være svært egnet for fortøyning av flytende vindturbiner i grunne europeiske farvann. For systemer med fortøyningstau i polyester kan det være nødvendig ˚a inkorporere klumpvektskomponenter for ˚a redusere mengden dynamisk respons i fortøyningslinene. Videre bør det benyttes tilstrekkelig fortøyningslinelengde for systemer med polyesterliner for å unngå en for stiv oppførsel. Nylontau viser seg ˚a være mest egnede materialet for fortøyning av flytende vindturbiner på grunt vann på grunn av materialegenskapene som resulterer i en passende stivhet selv med korte fortøyningsliner.

Renewable energy sources are being added to the energy mix at great speed, with floating offshore wind being one of the leading emerging technologies. One of the key challenges with floating wind technology is the cost, where large contributions are the complex substructures with high production costs and mooring systems originally designed for oil and gas installations. New mooring systems, tailor-made for floating wind turbines, are currently in development. Common for these systems is the use of lighter and new materials, opting for a more cost-effective mooring system. In this thesis, a numerical simulation comparison study of different mooring concepts and design methods for floating wind turbines has been performed in accordance with ULS design. Six mooring configurations have been investigated in four design load cases acting in two different directions at 100 m water depth. Synthetic fibre ropes are used in five of the mooring configurations, among which, four of the systems with polyester lines and one with nylon lines. The base case mooring configuration is a catenary system with chain mooring lines. For the chain mooring system, both a quasi-static and fully dynamic mooring analysis has been performed using two different modelling setups in the SIMA software suite. This is done to compare the two calculation procedures in ULS design in shallow waters. For the synthetic systems a newly developed design practice, the SyROPE-model, has been used to model the synthetic fibre ropes in SIMA. In the comparison between the quasi-static and fully dynamic simulation approaches, it is found large differences in dynamic responses and utilization factors during extreme loading conditions. Even in shallow waters, the quasi-static approach underestimates the tension in the lines due to the dynamic motion of the mooring lines excited by a severe sea state. Pure synthetic fibre rope mooring configurations are found to be highly suitable for the mooring of floating wind turbines in shallow European waters. For systems with polyester mooring ropes, it may be necessary to incorporate clump weight components to reduce to amount of dynamic responses in the mooring lines. Furthermore, an adequate mooring line length should be used for systems with polyester lines to avoid a too stiff behaviour. Nylon ropes are found to be the best performing material for mooring floating wind turbines in shallow waters due to the material properties resulting in an appropriate stiffness even with short mooring lines.