Experimental study of an offshore aquaculture cage concept

Abstract

Behov for bærekraftig matproduksjon øker betydelig i takt med en økt global befolkning og global oppvarming. Nye klimavennlige løsninger må integreres og utvikles for å møte den økende etterspørselen etter mat, hvor produksjon basert på offshore akvakultur er en løsning for å redusere karbonfotravtrykket i matproduksjonsindustrien.

Kompetansen Norge har bygget opp gjennom å utvikle marine strukturer og teknologi innenfor olje og gassindustrien har vist seg å være svært nyttig i dette arbeidet, hvor strukturer utviklet i disse sektorene kan være effektive innen fornybare løsninger, inkludert offshore akvakultur produksjon. Den halvt nedsenkbare flyteren er en velkjent struktur innen offshoreindustrien. I denne oppgaven er dette flytedesignet brukt i et nytt design for offshore akvakultur produksjon, som inkluderer en nedsenket not påkoblet med kjettinger.

Akvakultur konseptet er undersøkt gjennom eksperimentelle modelltester utført i Marine kybernetikk laboratoriet ved NTNU. Gjennom forsøket ble fire forskjellige variasjoner testet i regulære bølger. Testene var forskjellige med tanke på om nettet var koblet til flyteren og modellrotasjon, hvor flyteren og akvakultur merden ble testet i head (0◦) og quarter (45◦) sjø. Eksperimentet ble nøye planlagt og gjennomført, og de eksperimentelle datasettene ble deretter analysert. Analysen av de eksperimentelle dataene inkluderte undersøkelser av Respons Amplitude Operatoren, spenning i kjettinger, gjennomsnittlig drivkraft og relative bevegelser i jag, hiv og stamp.

Resultatene for Respons Amplitude Operatorene indikerte hvordan den halvt nedsenkbare flyteren og akvakulturmerdkonseptet hadde god oppførsel gjennom bølgene som ble testet. Respons Amplitude Operatoren i hiv for den halvt nedsenkbare flyteren ble sammenlignet med en analytisk tilnærming ved bruk av stripe teori, som viste seg å korrespondere relativt bra. Kjettingene ble evaluert for å undersøke om spenningene gikk mot absolutt null og om kritiske snap laster ble identifisert for noen av bølge tilstandene. Den relative bevegelsen mellom flyteren og den neddykkede merden er kritisk for disse belastningene.

En lav relativ bevegelse ble observert for hiv og stamp, noe som resulterte i ingen identifiserte kritiske spenningsforhold i kjettingene. Imidlertid ble en høyere relativ bevegelse i jag identifisert. Dette funnet indikerer at bevegelsen til det nedsenkede notboksen er betydelig liten sammenlignet med flyteren. Fra et fiskevelferdsperspektiv kan dette anses som et positivt funn. Ved å betrakte spenninger i kjettingene, kan dette funnet føre til en høyere sannsynlighet for kritiske last tilstander.

The need for sustainable food production increases with an ever-increasing global population and global warming. New climate-friendly solutions must be developed and integrated to meet the increasing demand for food, where offshore aquaculture production is identified as part of the solution to reduce the carbon footprints within the food production industry.

The expertise Norway has built up through developing structures and technology within the oil and gas industry can be utilized within renewable solutions, including offshore aquaculture production. The semi-submersible floater is a well-known structure within the offshore industry. In this thesis, this floater design is used to design a new aquaculture cage concept, which utilizes a submerged net cage connected with chains.

The aquaculture cage concept has been investigated through model tests performed in the Marine Cybernetics laboratory at NTNU. Through the experiment, four cases were tested in regular waves. The tests differed in terms of whether the net was connected to the floater and model rotation, where the semi-submersible floater and the aquaculture cage design were tested in head (0◦) and quarter (45◦) sea. The model experiment was carefully planned and carried out, and the experimental data was subsequently analyzed to examine the main objectives of the thesis. The analysis of the experimental data included an investigation of the Response Amplitude Operator, chain tensions, mean drift force, and relative motions in surge, heave, and pitch.

The Response Amplitude Operator presented how the semi-submersible floater and the aquaculture cage concept behaved well through the sea states. The Response Amplitude Operator for the semi-submersible floater in heave was compared with an analytical approximation using strip theory, which was found to correspond well. The connecting chains were evaluated to investigate whether the chain tension reached absolute zero and whether critical snap loads may occur. For these loads, the relative motion between the floater and the submerged net cage is crucial.

The relative motion was observed to be low for heave and pitch motion, resulting in no identified critical chain conditions. However, a higher relative motion in surge motion was identified. This finding indicates that the motion of the submerged cage is significantly small compared to the floater. From a fish welfare perspective, this may be considered a positive finding. Considering the chain tensions, this finding may indicate a higher probability of critical states for the chains.