Futureproof offshore wind turbine foundations – reducing LCOE and environmental impacts through repowering focused selection

Abstract

Offshore wind energy production has grown exponentially since its beginning in the early 1990s. Since earlier installations had low power output (less than 1 MW) and low capacity factors (less than 30%), the farms offshore were significantly less impactful than their onshore counterparts. In the UK, however, increased government funding and support has paved the way for greater presence of offshore wind farms in their electric grid infrastructure. Now that the UK has become the leader in offshore wind energy, many sites in English and Scottish waters are being examined for their potential large-scale installations (up to 1000 MW of installed power) while current installations are considerably greater than even a decade prior. With this expansion in both turbine and farm size, the end of life scenarios for offshore wind turbines become an increasingly critical analysis to make. All farms must eventually be decommissioned, but little is known about the ramifications to a project’s cost and the impact to the grid when a farm is taken offline. Instead of the traditional method of decommissioning a farm after a 20-25 year lifetime, farms may benefit from a partial or full repowering through turbine part replacements. Depending on the type of foundation chosen, costs and efficiencies can drastically change for a farm. Since foundations can account for roughly a quarter to a third of the project’s overall upfront costs, the selection for the right type of foundation is crucial for financial success. Foundation design and cost can drastically change depending upon the depth, bathymetry, sea conditions, and many other factors; the key to successful design lies in how to extract the most energy while contending with high installation costs. Using the levelized cost of energy over various lifetime scenarios for different foundation types and analyzing vessel fuel usage, this thesis identifies why partial repowering could be a wise choice for future large-scale installations, due to its low LCOE and moderate CO2 impact.

Framleiðsla á vindorku undan landi hefur vaxið veldishraða frá upphafi tíunda áratugarins. Þar sem fyrri stöðvar afköstuðu litlu rafmagni (minna en 1 MW) og höfðu litla afkastagetu (minna en 30%), vindmyllugarðar undan landi höfðu töluvert minni áhrif en hliðstæður þeirra á landi. Í Bretlandi hinsvegar, hefur aukið fjármagn og stuðningur stjórnvalda stuðlað að uppbyggingu fleiri vindmyllugarða undan landi. Nú þegar Bretland er orðið leiðandi afl í vindorku á hafi úti eru margir staðir á ensku og skosku hafsvæðinu skoðaðir með tilliti til hugsanlegra stórvirkjana (allt að 1000 MW af uppsettu afli) á meðan núverandi stöðvar eru talsvert fleiri en jafnvel áratug áður.Með stækkun bæði á hverflum og á stærð vindmyllugarða verður sífellt mikilvægara að greina og skipuleggja hvað mun gerast eftir að búnaðurinn verður ónothæfur. Allir vindmyllugarðar verða að lokum lagðir niður en lítið er vitað um afleiðingar þess þegar litið er til kostnaðar og raforku sem tapast út úr raforkukerfinu. Í stað hefðbundna aðferða við að leggja niður vindmyllugarð eftir 20-25 ára notkun, gætu vindmyllugarðar notið góðs af því að vera gerðir upp að hluta til eða gerðir upp algjörlega með því að skipta um hverfla.Tegund grunna sem notaðir eru til bygginga munu hafa gífurleg áhrif á kostnað og hagkvæmni verkefna. Þar sem undirstöður geta numið u.þ.b. fjórðungi til þriðjungi af heildarkostnaði verkefnisins, þá er val á réttum grunni mjög mikilvægt fyrir fjárhagslega velgengni verkefnisins. Grunnhönnun og kostnaður getur breyst verulega eftir dýpt, botnlagi, sjávaraðstæðum og mörgum öðrum þáttum; lykillinn að árangursríkri hönnun liggur í því hvernig hægt er að vinna úr mestri orku á meðan glímt er við mikinn uppsetningarkostnað. Með því að nota jafnan kostnað við orku í ýmsum æviskeiðum fyrir mismunandi grunntegundir og greina eldsneytisnotkun skipa, þá mun þessi ritgerð greina af hverju endurnýjun á búnaði að hluta til gæti verið skynsamlegt val fyrir stórvirkar komandi framkvæmdir, vegna lítils LCOE og hóflegra CO2 áhrifa.