Floating Offshore Wind Turbines : Mooring System Optimization for LCOE Reduction

Offshore wind has a large potential in terms of electricity production and is becoming an important focus of interest for massive expansion of wind power. While encountering harsh environmental conditions and facing challenges in deployment and maintenance, offshore wind turbines benefit a lot from higher and more regular wind speeds if compared to conventional onshore wind turbine sites. Floating offshore wind turbines (FOWT) in deep waters offer the possibility to increase the accessibility and unleash an enormous resource base by cost-competitive solutions further away from the shore. However, associated costs are still relatively high compared to other sources of energy. These costs could be reduced by developing technological breakthroughs and improving design processes. The work presented in this report is part of the H2020 EU project COREWIND, aiming to reduce FOWT costs by optimizing the mooring system technology and by introducing dynamic moor cable solutions. The main objective of this study in particular is to develop an optimization tool for the design of a cost-effective and reliable mooring system for floating offshore wind turbines. The scope of the study implies the development of an optimization strategy, involving Isight - a Dassault System software used for the analysis. The work also involves OrcaFlex, a finite-element software developed by Orcina, applied in dynamic analysis methods. A Python-based code was created to realize the coupling between the two software tools. OrcaFlex simulation models were built for two test cases provided by the project partners, validation of these models was performed based on results obtained using FAST. Finally, results obtained for a case study using one floater and one location of the COREWIND project are also presented and analyzed. The case study involves the development of a mooring system using the hereby validated optimization tool; and is testing its integrity on critical design load cases. The work has shown how an optimization tool could be constructed and applied to improve design process and reduce costs.Havsbaserad vindkraft har en stor potential när det gäller elproduktion och intresset för dess utveckling växer enormt för att kunna möjliggöra en enorm expansion av ren förnyelsebar energiproduktion. Samtidigt som havsbaserade vindturbiner stöter på tuffa miljöförhållanden och möter utmaningar vid utbyggnad och underhåll, de jämna och pålitliga vindresurserna till havs är en stor fördel som kan tas tillvara. Ju längre fjärran från kusten desto högre och mer regelbundna vindhastigheterna blir jämfört med vindkraftverk på land, samtidigt som havsgrunden blir djupare och svårare för turbinbyggnad. Flytande havsbaserade vindkraftverk (Floating Offshore Wind Turbines, FOWT) i djupa vatten ger möjlighet att öka tillgängligheten och frigöra en enorm resursbas genom kostnadseffektiva lösningar längre ut till havs. De tillhörande kostnaderna är dock fortfarande relativt höga jämfört med andra energikällor. Dessa kostnader kan minskas genom vidareutvecklingen av tekniska genombrott och förbättrade designprocesser. Examensarbetet härmed är en del av H2020 EU-projektet COREWIND, som syftar till att minska FOWT-kostnaderna genom optimering av förtöjningssystemstekniken och genom införandet av dynamiska förtöjningslösningar. I synnerhet, det huvudsakliga målet för denna studie är att utveckla ett optimeringsverktyg för design av kostnadseffektiva och pålitliga ankarsystem för flytande havsbaserade vindkraftverk. Studiens omfattning inkluderar utvecklingen av en optimeringsstrategi som involverar Isight – en mjukvara från Dassault Systems som använts för analysen. Arbetet involverar också OrcaFlex, en programvara för finite element analys som utvecklats av Orcina, tillämpad i dynamiska analysmetoder. En Python-baserad kod skapades för att förverkliga kopplingen mellan de två programvaruverktygen. OrcaFlex-simuleringsmodeller byggdes för två testfall, validering av dessa modeller utfördes baserat på resultat erhållna med hjälp av FAST. Slutligen presenteras och analyseras resultat som erhållits för en fallstudie med en flottör och en särskild position för COREWIND-projektet. Fallstudien involverar utvecklingen av ett förtöjningssystem med det härmed validerade optimeringsverktyget; och testar dess integritet i kritiska belastningsförhållanden. Arbetet har visat hur ett optimeringsverktyg kan konstrueras och tillämpas för att förbättra designprocessen och minska kostnaderna