Comparative Analysis of Foundation Concepts for Floating Offshore Wind Turbines

Abstract

Interessen for fornybar energi øker i takt med verdens befolkning og miljøutslipp. Flytende havvind anses som en lovende grønn energiløsning med stort urealisert potensial. Når vindturbiner installeres langt til havs, er harde værforhold den største kilden til driftsforsinkelse. Bedre forståelse for installasjonsoperabilitet og gode verktøy for å kunne assistere beslutningstaking er identifisert som to områder av stor betydning for å unngå kostnadskrevende nedetid.

Oppgavens omfang er å gi innsikt i installasjonsfasen av flytende havvind, med vekt på operabilitet knyttet til installasjonsoperasjonene. Ett konsept fra hver av de tre hovedtypologiene innen turbinfundament blir vurdert med tanke på operabilitet, installasjonstid og kostnader. Analysene utføres ved å implementere og bruke diskret hendelsessimulering. Hvert konsept blir testet under forskjellige forhold, eksempelvis ulike værforhold knyttet til hver av de fire årstidene og lokasjonen til installsjonsfeltet.

Resultatene fra analysen antyder at operabiliteten er sterkt knyttet til værforhold. Den høyeste operabiliteten ble oppnådd i sommermånedene, mens den laveste ble oppnådd i vintersesongen. Simulert operabilitet ble verifisert ved å utlede teoretiske verdier fra operabilitetsplott for signifikant bølgehøyde og vindhastighet. Den simulerte operabiliteten viste god samsvar med de teoretiske verdiene, selv om det var noen avvik innen monterings- og fortøynings-/ankerinstallasjonsfasen. TLP-konseptet målte den laveste operabiliteten under fortøyning/ankerinstallasjon og installasjon offshore. Operabiliten var imidlertid på nivå med de beste konseptene under monterings- og slepefasen; henholdsvis SSP og Spar-buoy.

Avstanden til installsjonsfeltet hadde et tilnærmet lineært forhold til den totale installasjonsvarigheten, i de fleste av de testede tilfellene. TLP-konseptet ble vurdert som den minst effektive løsningen med tanke på installasjonstid og kostnader. SSP presterte marginalt bedre enn spar-buoy med hensyn på installasjonskostnader per installert MW. Kostnadsberegningene antyder at TLP kan være opptil 45% dyrere enn det billigste alternativet. Taueoperasjoner ble anslått å være den største kostnadsdriveren for installasjonsoperasjonene. Dette kan tilskrives den lange operasjonstiden og antallet fartøy og ressurser som er involvert i disse operasjonene.

The public interest in renewable energy is continuously growing, as both the global population and pollution is rapidly increasing. Floating offshore wind is deemed a promising green energy solution with vast unrealized potential. When installing wind turbines far offshore, harsh weather conditions is the main source of operational delay. Improved understanding of installation operability and enhanced tools to aid decision-making has been identified as two areas of great importance to avoid cost-intensive downtime.

The scope of the thesis was to provide insight into the installation phase of floating offshore wind, with emphasis on operability related to the operations involved. One concept within each of the three main sub-structure typologies are assessed in terms of operability, installation duration and costs. The analyses are conducted by implementing and utilizing discrete-event simulation models. Each concept is tested under various conditions such as different seasonal weather input and site locations.

Findings suggests that operability is heavily connected with weather conditions. The highest operability was obtained during the summer months, while the lowest was achieved during the winter season. Simulated operability was verified by deriving theoretical operability values from operability plots for significant wave height and wind speeds. The simulated operability showed good agreement with the theoretical values, although some deviations were present for the assembly and mooring/anchor installation phase. The TLP concept measured the lowest operability during mooring/anchor installation and on-site installation. However, its performance was on par with the best concepts during the assembly and tow phase; SSP and Spar-buoy respectively.

The distance to site was found to have a nearly linear relation with the total installation duration, in the greater part of tested cases. The TLP concept was found to be the least efficient solution in terms of installation duration and costs. SSP performed slightly better than spar-buoy in terms of installation cost per MW installed. Cost calculations suggest that TLP could be up towards 45% more expensive than the cheapest alternative. Tow operations was found to be the largest cost driver of the installation operations. This may be attributed to the long operations and the high amount of installation assets involved in these operations.