Optimizing the Logistics of Floating Offshore Wind during Installation

Abstract

Flytende havvind er en fremvoksende industri med stort potensiale. Teknologien som brukes på flytende vindturbiner skaper muligheter for utvinning av fornybare energikilder i mye større områder enn de konvensjonelle bunnfaste vindturbinene. I følge Equinor ligger 80 \% av verdens havressurspotensiale på områder med dypt vann. Den største ulempen er at det foreløpig ikke er lønnsomt å produsere flytende havvind med kostnadene knyttet til installasjon og drift. I tillegg blir flytende havvind installert lenger offshore. Dette betyr enda dårligere værforhold som igjen gjør det vanskelig å utføre kompliserte marine operasjoner. For å gjøre flytende havvind konkurransedyktig, må mer kostnadseffektive logistikkløsninger utvikles for installasjonsprosessen.

Målet med denne rapporten er å optimalisere flåtestørrelsen og blandingen av de ulike skipene for installasjonsprosessen av flytende havvind for å minimere de totale installasjonskostnadene. Kunnskapen som er tilegnet gjennom å undersøke det flytende offshore vindmarkedet, viktige komponenter og operasjoner relatert til installasjonsprosessen har blitt brukt for å lage en blandet lineær heltallsprogrammeringsmodell og en stokastisk simuleringsmodell. Optimeringsmodellen løser problemet for flåtestørrelse og blandingen av skip, mens den stokastiske simuleringsmodellen validerer hvordan denne flåtesammensetningen vil fungere under forskjellige værforhold.

En flytende havvindmølle består av en topp- og en bunnstruktur. Toppstrukturer består av tårnet, nacellerotoren og bladene, mens bunnstrukturen består av et fundament og et overgangsstykke. Bunnstrukturen er festet til havbunnen gjennom forankringer og kjetting, og kabler er koblet til for å eksportere den produserte kraften fra vindturbinene. For flytende havvindmøller er toppkonstruksjonene stort sett de samme som for bunnfaste vindturbiner. Delen som skiller dem er bunnstrukturen. De flytende bunnstrukturene kan produseres i en standardisert form og trenger ikke å festes til havbunnen. Fortøyningssystemer med ankre festet til havbunnen gjør det mulig å installere disse turbinene nesten hvor som helst på alle verdens hav.

Installasjonsprosessen består i dag hovedsakelig av transport av komponenter til installasjonshavnen, ballastering, sammensetning av topp- og bunnstruktur, sleping til stedet, installasjon av forankringer og kjettinger, tilkobling til fortøyningssystemet og legging av strømkabler. For disse operasjonene er fartøyene som brukes lektere, slepebåter, steindumpingskip, tunge løfteskip, ankerhåndteringsskip og kabelleggingsfartøy. Værforholdene påvirker de marine operasjonene under installasjonsprosessen. Værdataene som brukes i simuleringsmodellen er basert på historiske dataene fra Hywind Tampen og Gulen Industrihamns beliggenhet. De historiske dataene ble kjørt i et Markov-kjedeskript i Matlab for å lage en vektor av de stokastiske værforholdene.

Optimeringsmodellen ble utviklet for å løse flåtestørrelsen og blandingsproblemet ved å minimere de totale kostnadene for befraktning av disse skipene. Denne analysen viser at denne modellen for det meste er egnet for vindmølleparker av mindre størrelse, da det blir vanskeligere å løse det tidsavhengige ruteplanleggingsproblemet i større tilfeller. Resultatene viser at det er en fin balanse mellom valg av fartøy og total tid for installasjonsprosessen. Den optimale flåten for installasjon av Hywind Tampen endte opp med å bestå av syv slepebåter, ti ankerhåndteringsskip, to tunge løfteskip og ett kabelleggingsfartøy, og den totale installasjonstiden ble beregnet til å være nær en måned.

For å validere den optimale flåten som ble funnet i optimaliseringsmodellen, ble 100 iterasjoner kjørt for een tilfeldig sekvens av værforhold. Simuleringsmodellen ble brukt til å analysere installasjonstiden og tilhørende kostnader med den optimale flåten fra optimeringsmodellen. Analysen viser at været hovedsakelig påvirker installasjonsprosessen under forankring og kjettinginstallasjon. Den viste også at leie av ankerhåndteringskip ser ut til å være fartøyet som driver kostnadene opp, men tunge løftefartøy er også en stor kostnadsdriver. Det virker som en smart beslutning å eliminere denne prosessen ved å leie en kran på land i stedet for sammensetningen av topp- og bunnstruktur slik Equinor vil gjøre for Hywind Tampen.

Floating offshore wind is an emerging industry with high potential. The technology used for floating wind turbines creates opportunities for the extraction of renewable energy sources in much larger areas than the conventional bottom-fixed wind turbines. According to Equinor 80 \% of the ocean's wind resource potential is in deep waters. The main downside is that it is currently not profitable to produce floating offshore wind with the costs related to the installation and operation. Also, the floating offshore wind projects tend to move further offshore. This means even worse weather conditions which again makes it difficult to execute complex marine operations. To make floating offshore wind competitive, more cost-effective logistic solutions must be developed for the installation process.

The objective of this report is to optimize the fleet size and mix for the installation process of floating offshore wind to minimize the total installation cost. The knowledge from investigating the floating offshore wind market, important components, and operations of the installation process has been used to create a mixed-integer linear programming optimization model and a stochastic simulation model. The optimization model solves the fleet size and mix problem, while the stochastic simulation model validates how this fleet composition would perform in different weather conditions.

A floating offshore wind turbine consist of a top- and a substructure. Top-structures consists of the tower, nacelle rotor, and blades, while the sub-structures consists of a foundation and a transition piece. The substructure is attached to the seabed through anchors and chains, and cables are connected to export the power produced. For floating offshore wind turbines the top-structures are pretty much the same as for bottom-fixed wind turbines. The part that separates them is the substructure. The floating substructures can be manufactured in a standardized shape and do not have to be fixed to the seabed. Mooring systems with anchors fixed to the seabed makes it possible to install these turbines almost anywhere in the world's oceans.

The installation process today mainly consists of transport of components to the installation port, ballasting, mating of top- and substructure, towing to the site, installation of anchors and chains, hook-up to the mooring system, and cable-laying of power cables. For these operations, the vessels used are barges, tugs, stone-dumping vessels, heavy lift vessels, anchor handling tug supply vessels, and cable-laying vessels. The weather conditions impact marine operations during the installation process. The weather data used in the simulation model is based on historical data from the location of Hywind Tampen and Gulen Industrihamn. The historical data was run in a Markov chain script in Matlab to create a vector of the stochastic weather conditions.

The optimization model was developed to solve the fleet size and mix problem by minimizing the total costs of chartering these vessels. This analysis shows that this model is most suited for smaller size wind farms as it gets more difficult to solve the time-dependent multiple vehicle routing problems for larger instances. The results show that there is a fine balance between choosing vessels and the total time of the installation process. The optimal fleet for the installation of Hywind Tampen ended up consisting of seven tugs, ten anchor handling tug supply vessels, two heavy lift vessels, and one cable-laying vessel, and the total installation time was calculated to be close to one month.

To validate the optimal fleet found in the optimization model 100 iterations were run for a random seed of weather conditions. The simulation model was used to analyze the installation time and related cost for the optimal fleet size and mix given from the optimization model. The analysis shows that the weather mainly impacts the installation process during the anchoring and chain installation. It also showed that the anchor handling tug supply vessel chartering appears to be the main vessel driving costs up, but heavy lift vessels are also a heavy cost driver. It seems like a smart decision to eliminate this process by renting an onshore crane instead of the mating operation as Equinor will do for Hywind Tampen.