Bunnfaste offshore vindmøller : en kvantitativ vurdering av alternative konsepter

Abstract

Grunnet et stadig økende behov for energi i en hurtig industrialiserende verden, samt økt fokus på kilden til den energien vi bruker i forbindelse med de antatte menneskeskapte klimaendringene, har grønnenergi fått stor fokus de siste årene. Blant de grønne energikildene er vindkraft den raskest voksende. Vindmølleparker på land medfører store miljømessige konsekvenser. Dette kombinert med de store vindressursene på havet har skapt et voksende ønske om å flytte vindkraften offshore. Slike offshore-vindmølleparker finnes allerede, og det benyttes ulike fundamenteringsløsninger. De fleste av disse parkene befinner seg på 10 til 30 meters dyp, og i relativt rolige farvann med begrensede naturlaster. Norge har et stort potensial for utbygging av offshore-vindkraft, men de fleste av de aktuelle områdene ligger ubeskyttet til, utsatt for Nordsjøens ekstreme klimalaster ved havdyp fra 20 til 60 meter. Det foreligger lite data vedrørende hvilke typer fundamenter som vil egne seg i dette ekstreme klima ved så store dybder.

Det er i denne oppgaven gjennomført en parameterstudie av fundamenteringstypene monopel og jacket. Studien er utført for dybder fra 20 til 60 meter, med 2.5, 5 og 10 MW turbinstørrelse. Vindmøllemodellen er basert på NREL-vindmøllen. Alle kombinasjoner av dybder, turbinstørrelser og konsepter har blitt utsatt for tre ulike lasttilfeller hentet fra DNV-OS-J101, basert på erfaringer for hvilke tilfeller som normalt blir dimensjonerende. Oppgaven omfatter ikke utmattelsesdimensjonering. Det er sett på utvikling av masser, forskyvninger, egenfrekvenser, produksjonskostnader og til en vis grad totale investeringskostnader. I oppgaven er det utviklet egne regneark med forenklede metoder for å beregne bølgelast ved hjelp av lineær bølgeteori og Morisons ligning. Bølgelastene er implementert i et generelt 3D-rammeanalyseprogram basert på elementmetoden, \textit{NovaFrame}, med mulighet for frekvensanalyse inkludert dynamisk stokastisk vindanalyse basert på Kaimal-spekteret. Fundamentene er optimalisert med hensyn til total fundamentvekt. Resultatene er gjennomgått og diskutert for hvert fundament, samt at det er gjort en sammenligning av de to fundamentene. For å øke oppgavens omfang og bruksområde, er alle forutsetninger og begrensninger gjort i samsvar med oppgaven til Rastad M.O., \cite{oppg:rastad} som tar for seg tri-pile-fundamenter og gravitasjonsfundamenter. Dermed kan fundamentene i de to oppgavene sammenlignes.

Resultatene viser at av de to fundamenttypene sammenlignet i denne oppgaven, kommer monopelfundamentet best ut med tanke på produksjonskostnad for alle dybder og turbinstørrelser, utenom 10 MW som er mest gunstig mellom 50 og 60 meters dyp. Disse resultatene er basert på at man ikke stiller krav til maksimale forskyvninger av toppen av fundamentet. Det kommer frem at monopelfundamentet får vesentlig større forskyvninger enn jacket. En rekke fordeler og ulemper ved monopel- og jacket-konseptet er funnet. Det er videre funnet at både jacket- og monopelfundamenter kommer meget gunstig ut med tanke på produksjonskostnad i forhold til fundamentene analysert i oppgaven til Rastad for de fleste konfigurasjoner.

Due to an ever increasing need for energy in a rapidly industrializing world and an increased focus on the source of this energy due to the alleged human caused climate change, the focus on green energy has grown the last years. Among the green energy sources, wind power is the most rapidly growing. Onshore windmill parks have a great environmental impact. This combined with the great wind recourses offshore, has created an increasing interest in moving the windmills offshore. There are already a number of offshore windmill parks installed, and there is several different foundation methods used. Most of the offshore windmill parks are located in relatively calm waters, with limited environmental load effects. Norway has a great potential for offshore wind energy, but the majority of the relevant cites has little or no protection from the extreme climatic environment in the North sea. The typical depth varies from 20 to 60 meters. There is little data available concerning which foundation concepts that is best suited for these extreme conditions.

This thesis includes a parameter study of the foundation type's mono pile and jacket. The study is conducted for depths from 20 to 60 meters and with 2.5, 5 and 10 MW turbine sizes. The windmill model is based on the NREL-windmill. All combinations of depths, turbine sizes and concepts have been subjected to three different load cases taken from the DNV-OS-J101. The thesis does not include fatigue design (FLS). The development of masses, displacements, eigenfrequencies, production cost and to some extent total investment costs has been studied. Simplified methods for calculating wave loads using linear wave theory and Morison equation has been applied. These wave loads are implemented in a general 3D frame analysis program based on finite element method, \textit{NovaFrame}, with the capability of frequency based analysis. This includes dynamic stochastic wind analysis based on the Kaimal spectrum. The foundations are optimized with respect to the total foundation weight. The results are reviewed and discussed for each foundation, and a comparison of the two concepts has been conducted. To increase scope and application area of the thesis, all the assumptions and limitations implemented are made in accordance with Rastad M.O.'s thesis \cite{oppg:rastad}, concerning tri-pile foundations and gravity foundations. This is done in a way that comparison between the studies is possible.

The results show that of the two foundation concepts compared in this thesis, the monopile foundation has the lowest production cost for all depths and turbine sizes, except from 10 MW turbine size in the depth area between 50 to 60 meters. These results are based on calculations without requirements regarding maximum displacements for the top of the foundation. The study shows that monopile foundation has considerably larger displacements than jacket foundations. A number of advantages and disadvantages of monopel and jacket concept is listed. When comparing the results with the results for gravity and tri-pile foundations in Rastad's thesis, we see that the jacket and monopile foundations are beneficial in terms of production cost for most configurations.