Availability Assessment of Offshore Electrical Networks in Wave Farms

Abstract

Fornybar energi til havs, inkludert bølgeenergi, kan komme til å spille en nøkkelrolle i energiomstillingen de neste tiårene. En av de viktigste drivkreftene bak utviklingen av denne teknologien er reduksjonen av levetidskostnader for energi (en: levelised cost of energy, LCOE). For å oppnå dette er det nødvendig å minimere totalkostnadene og øke den totale energiproduksjonen gjennom hele prosjektets livssyklus. En del av løsningen på dette problemet er å forbedre tilgjengeligheten til bølgekraftverkene, siden det både kan bidra til å øke den årlige energiproduksjonen (AEP) og redusere driftsutgiftene (OPEX). Utstyrets pålitelighet i det toffe havmiljoert utgjør imidlertid en stor utfordring Denne avhandlingen undersøker dette problemet ved å utvikle en pålitelighetsmodell for offshore elektriske nettverk i bølgekraftverk. Det er påvist at nedetid og vedlikehold kan spille en nøkkelrolle for tilgjengeligheten til offshorenettverk. Studien viser at et elektrisk nettverk for en nominell 10 MW bølgepark med to strenger har en tilgjengelighet på 95.5%, mens den samme parken med fire strenger har en tilgjengelighet på 97.4%. Følsomhetsanalyse for et 10 MW-nettverk med 2 strenger, med steinete havbunn og lavere HUB-pålitelighet (offshore transformatorstasjon), viste at nettverkstilgjengeligheten kan synke til henholdsvis 95.2% og 94.0%. Mellom 0.7% og 1.5% prosentpoeng av tilgjengelighetstapet ble tilskrevet feil i HUB-en og eksportkabelen i alle tilfellene, mens sjøkabler og koblingsbokser sto for opptil 2.5% prosentpoeng av nettets utilgjengelighet. Studien understreker også at redundante topologier og undersjøisk koblingsutstyr potensielt kan forbedre tilgjengeligheten med opptil 3.6% prosentpoeng. De endelige anbefalingene for å øke tilgjengeligheten er i å redusere nedetiden for spesifikke delsystemer ved å utforme HUBen for ettektivt vedlikehold og leggi tiltrette for vaskt bytte av undervannskomponenter. I tillegg anbefales det at ingeniørarbeidet bør ha en proaktiv tilnærming til robusthet ved å være forberedt på å korrigere feil. Denne forskningen støtter den globale overgangen til fornybar energi og bidrar generett til feltet fornybar energi til havs ved å fremheve den kritiske rollen til teknologisk pålitelighet, tilgjengelighet og operasjonelle vedlikeholdsstrategier i marine miljøer.

Offshore renewable energy, including wave energy, may play a key role for the energy transition in the next decades. One of the most significant drivers to the advancement of this technology is the reduction of the Levelized Cost of Energy (LCOE). To address this, it is necessary to minimize overall costs and increase total energy production throughout the project life cycle. Improving wave farm availability is part of the solution to this problem, since it can help both increase the Annual Energy Production (AEP) and reduce Operational Expenditures (OPEX). However, equipment reliability poses a unique challenge in such a harsh marine environment. This thesis investigates this issue by developing a reliability model for offshore electrical networks in wave farms. It is demonstrated that downtime and maintenance play a key role in offshore network availability. The study reveals that an electrical network for a nominal 10 MW wave farm with 2 strings presents an availability of 95.5% while the same farm with 4 strings shows an availability of 97.4%. Sensitivity analysis for a 10 MW, 2 strings network, with rocky seabeds and lower HUB (offshore substation) reliability, showed that network availability can drop to 95.2% and 94.0% respectively. Between 0.7% and 1.5% points of availability loss was attributed to failures in the HUB and export cable across all cases whereas subsea cables and junction boxes accounted for up to 2.5% points of network unavailability. The study also emphasizes that redundant topologies and subsea switchgear can potentially improve availability by up to 3.6% points. Final recommendations to increase availability are anchored in reducing downtime for specific subsystems with a design towards HUB maintainability and efficient recovery for subsea components. Moreover, it is recommended that engineering efforts adopt a proactive resilience approach by being prepared for the correction of failures. This research supports the global transition to renewable energy and contributes to the broader field of offshore renewable energy by highlighting the critical role of technological reliability, availability and operational maintenance strategies in marine environments.