En mulighetsanalyse av havvindkraft som energikilde for batteridrevne servicefartøy

Abstract

Norge har som mål å utvide havvindkapasiteten til 30 GW innen 2040, samtidig som klimagassutslippene i innenriks skipsfart skal reduseres med 55 %. Det er derfor en utfordring å finne alternative løsninger for å dekke energibehovet til fartøyene som er nødvendig for å drifte og vedlikeholde havvindparkene. Denne oppgaven er gitt av Vard Design AS i forbindelse med prosjektet "Ocean Charger" og har følgende problemstilling: Kan energiproduksjon fra en offshore vindpark utnyttes for å øke kapasiteten av elektrisk drift på servicefartøy knyttet til drift og vedlikehold, med det formål å redusere det totale klimagassutslippet?

Oppgaven tar utgangspunkt i VARD sitt servicefartøy VARD 4 19, og Equinors planlagte havvindpark, Trollvind. Forventet energiproduksjon til Trollvind estimeres basert på analyser av vinddata de siste seks årene. Energibehovet til servicefartøyet estimeres på bakgrunn av en forenklet driftsprofil og vedlikeholdsplan. I tillegg dimensjoneres en batteriløsning for å dekke daglig drift for fartøyet.

Ettersom formålet med Trollvind er å dekke energibehovet til oljeplattformene Troll B og Troll C, sees det på to caser i oppgaven. Case 1 ser på muligheten for å dekke energibehovet til servicefartøyet dersom oljeplattformene har prioritet på energien produsert i havvindparken. Det vil si at servicefartøyet kun har tilgang på overskuddsenergien etter oljeplattformenes energibehov er dekt. Case 2 ser på muligheten for å dekke energibehovet til servicefartøyet dersom den har prioritet på energiproduksjonen til havvindparken. Da har oljeplattformene tilgang på overskuddsenergien etter energibehovet til fartøyet er dekt. Dette analyseres med å se på energibalansen som beregnes per døgn over hvert år, der energibehovet trekkes fra energiproduksjonen.

Utover dette inkluderer oppgaven en litteraturstudie av energilagrings-teknologiene litium-ionbatterier, svinghjul, hydrogen, superledende magnetisk energilager og superkondensator. En kvantitativ sammenligning gjennomføres for å finne best egnet løsning for å sikre energitilgang offshore i begge casene. Det er derimot en lang tidsperiode som må dekkes med energilager i Case 1 for å sikre energitilførsel, og sees på som urealistisk med tanke på dimensjonering og kostnad. For Case 2 er det tilstrekkelig med energi tilnærmet hvert døgn. Derfor ansees det som unødvendig med energilager med mindre det er behov for å stabilisere energitilførselen under lading av servicefartøyet.

Oppgaven er begrenset til å ta for seg energibalansen mellom energiproduksjon og energibehov per døgn og år. Det er ikke sett på en offshore ladeteknologi og hvilke begrensninger dette har med tanke på bølgehøyde. Det er også benyttet forenklede data om energibehovet til fartøyet og oljeplattformene som har ført til forenklede beregninger i oppgaven.

Norway aims to expand offshore wind capacity to 30 GW by 2040 while reducing domestic shipping emissions by 55 %. This poses a challenge in finding alternative solutions to meet the energy needs of vessels required for operating and maintaining offshore wind farms. This research project, conducted in collaboration with Vard Design AS under the "Ocean Charger" project, addresses the following research question: Can offshore wind energy production be utilized to increase the electrical power capacity for service vessels involved in operations and maintenance, with the goal of reducing overall greenhouse gas emissions?

The study focuses on VARD’s service vessel, VARD 4 19, and Equinor’s planned offshore wind farm, Trollvind. The expected energy production of Trollvind is estimated based on wind data analysis from the past six years. The energy requirements of the service vessel are estimated using a simplified operational profile and maintenance plan. Additionally, a battery solution is dimensioned to meet the vessel’s daily power demands.

Considering that Trollvind aims to fulfil the energy needs of the Troll B and Troll C oil platforms, two scenarios are examined. Case 1 assesses the feasibility of meeting the service vessel’s energy requirements when the oil platforms have priority access to the energy produced by the wind farm. In this case, the service vessel can only utilize surplus energy after the oil platforms’ needs are met. Case 2 investigates the possibility of meeting the service vessel’s energy needs when it has priority access to the wind farm’s energy production, with the surplus energy being available to the oil platforms. The energy balance is analysed on a daily basis over the course of a year, considering the energy demands subtracted from the energy production.

Furthermore, the study includes a literature review of energy storage technologies such as lithium-ion batteries, flywheels, hydrogen, superconducting magnetic energy storage, and supercapacitors. A quantitative comparison is conducted to identify the most suitable solution for ensuring offshore energy access in both scenarios. However, it is considered unrealistic in Case 1 to rely solely on energy storage for meeting the energy supply over a prolonged period due to cost and sizing constraints. In Case 2, there is sufficient energy available nearly every day, making energy storage unnecessary unless there is a requirement to stabilize the energy supply during service vessel charging.

The study is limited to analysing the energy balance between energy production and demand on a daily and annual basis. Offshore charging technology and its limitations in relation to wave height have not been examined. Simplified data regarding the energy needs of the vessel and oil platforms were used, leading to simplified calculations in the study.