Technical-economic analysis, modeling and optimization of floating offshore wind farms
Authors:   , Lerch Markus 
Published: October 2023

The offshore wind sector has grown significantly during the last decades driven by the increasing demand for clean energy and to reach defined energy targets based on renewable energies. As the wind speeds tend to be faster and steadier offshore, wind farms at sea can reach higher capacity factors compared to their onshore counterparts. Furthermore, fewer restrictions regarding land use, visual impact, and noise favors the application of this technology. However, most of today's offshore wind farms use bottom-fixed foundations that limit their feasible application to shallow water depths.

Floating substructures for offshore wind turbines are a suitable solution to harness the full potential of offshore wind as they have less constraints to water depths and soil conditions and can be applied from shallow to deep waters. As several floating offshore wind turbine (FOWT) concepts have been successfully tested in wave tanks and prototypes have been proven in open seas, floating offshore wind is now moving towards the commercial phase with the first floating offshore wind farm (FOWF) commissioned in 2017 and several more are projected to be constructed in 2020. This transition increases the need for comprehensive tools that allow to model the complete system and to predict its behavior as well as to assess the performance for different locations.

The aim of this thesis is to analyze from a technical and economic perspective commercial scale FOWFs. This includes the modeling of FOWTs and the study of their dynamic behavior as well as the economic assessment of different FOWT concepts. The optimization of the electrical layout is also addressed in this thesis.

The first model developed is applied to analyze the performance of a Spar type FOWT. The model is tested with different load cases and compared to a reference model. The results of both models show an overall good agreement. Afterwards, the developed model is applied to study the behavior of the FOWT with respect to three different offshore sites. Even at the site with the harshest conditions and largest motions, no significant loss in energy generation is measured, which demonstrates the good performance of this concept.

The second model is used to perform a technical-economic assessment of commercial scale FOWFs. It includes a comprehensive LCOE methodology based on a life cycle cost estimation as well as the computation of the energy yield. The model is applied to three FOWT concepts located at three different sites and considering a 500MW wind farm configuration. The findings indicate that FOWTs are a high competitive solution and energy can be produced at an equal or lower LCOE compared to bottom-fixed offshore wind or ocean energy technologies. Furthermore, a sensitivity analysis is performed to identify the key parameters that have a significant influence on the LCOE and which can be essential for further cost reductions.

The last model is aimed to optimize the electrical layout of FOWFs based on the particle swarm optimization theory. The model is validated against a reference model at first and is then used to optimize the inter-array cable routing of a 500MW FOWF. The obtained electrical layout results in a reduction of the power cable costs and a decrease of the energy losses. Finally, the use of different power cable configurations is studied and it is shown that the use of solely dynamic power cables in comparison to combined dynamic and static cables results in decreased acquisition and installation costs due to the avoidance of cost-intensive submarine joints and additional installation activities.
El sector eólico marino ha crecido significativamente durante las últimas décadas impulsado por la creciente demanda de energía limpia. Los parques eólicos en el mar pueden alcanzar factores de capacidad más altos en comparación a los parques eólicos en la tierra debido a que las velocidades del viento tienden a ser más altas y constantes en el mar. Ademas, existen menos restricciones con respecto al uso de la tierra, el impacto visual y el ruido. Sin embargo, la mayoría de los parques eólicos actuales utilizan subestructuras fijas que limitan su aplicación factible a aguas poco profundas. Las subestructuras flotantes para turbinas eólicas marinas (FOWTs en inglés) son una solución adecuada para aprovechar todo el potencial de la energía eólica, ya que tienen menos restricciones para las profundidades del agua y el fondo marino. Dado que varios prototipos de FOWTs se han probado con éxito en el mar, la industria ahora esta entrando a la fase comercial con el primer parque eólico flotante (FOWF en inglés) operativo y se proyecta que se pondrán en marcha más en los próximos anos. Esta transición aumenta la necesidad de herramientas integrales que permitan modelar el sistema completo y predecir su comportamiento, así como evaluar el rendimiento para diferentes lugares. El objetivo de esta tesis es analizar desde una perspectiva técnica y económica los FOWFs a escala comercial. Esto incluye el modelado de FOWTs, el estudio de su comportamiento dinámico, y la evaluación económica de diferentes conceptos. La optimización del diseño eléctrico también se aborda en esta tesis. El primer modelo desarrollado se aplica para analizar el rendimiento de un FOWT tipo Spar. El modelo se prueba con diferentes tipos de carga y se compara con un modelo de referencia. Los resultados de ambos modelos muestran una buena concordancia. Posteriormente, el modelo se aplica para estudiar el comportamiento con respecto a tres lugares diferentes. Los resultados muestran que incluso en el sitio con las condiciones más severas, no se mide ninguna pérdida significativa en la generación de energía, lo que demuestra el buen rendimiento de este concepto. El segundo modelo se utiliza para realizar una evaluación técnico-económica de los FOWF a escala comercial. Esto incluye una metodología integral del costo nivelado de energía (LCOE en ingles). El modelo se aplica a tres conceptos de FOWTs ubicados en tres lugares diferentes y considerando un parque eólico de 500MW. Los resultados indican que los FOWTs son una solución altamente competitiva y que la energía se puede producir con un LCOE igual o inferior en comparación con los parques eólicos con subestructuras fijas o las tecnologías de energía oceánica. Asimismo, se realiza un análisis de sensibilidad para identificar los parámetros claves que tienen una influencia significativa en el LCOE y que pueden ser esenciales para reducciones de costos. El último modelo se aplica para optimizar el diseño eléctrico en función de la teoría de optimización por enjambre de partículas. Inicialmente el modelo se valida contra un modelo de referencia y luego se utiliza para optimizar la conexión de los cables entre los FOWTs. El diseño eléctrico obtenido da como resultado una reducción de los costos de cables y una disminución de las pérdidas de energía. Finalmente, se estudia el uso de diferentes configuraciones de cables y se demuestra que el uso de cables únicamente dinámicos en comparación con los cables dinámicos y estáticos combinados da como resultado una disminución de los costos de adquisición e instalación debido a que evitan la necesidad de juntas submarinas costosas y costos adicionales de instalación.