Supporting Strategic Decision-Making in Floating Offshore Wind Farms through a Computationally Efficient O&M-aware Techno-Economic Model

Abstract

The global energy transition requires the large-scale deployment of floating offshore wind (FOW) farms. To achieve this, it is essential to enhance competitiveness and promote the commercialisation of this technology by reducing costs. This process can be accelerated by supporting strategic decisions with techno-economic models that incorporate a life cycle perspective and detail the operations and maintenance (O&M) of these farms. O&M is crucial not only for its expected significant impact on the final cost but also due to the uncertainties it generates in strategic decision-making, mainly because of the limited current operational experience with FOWfarms. On the one hand, key strategic decisions involve identifying and selecting suitable sites for FOWfarms, as these initial decisions shape theO&Mphase and the overall profitability of a FOWproject. Additionally, other key strategic decisions include the selection of ports, the fleet ofO&Mvessels, maintenance strategies and contracts. All these strategic decisions can be effectively supported by conducting broad sensitivity and geospatial evaluations through techno-economic models, enabling a comprehensive understanding of the potential risks and cost implications associated with different scenarios. To conduct broad sensitivity and geospatial assessments, a techno-economic model should integrate a (i) life cycle perspective encompassing development, manufacturing, installation, O&M and decommissioning; (ii) comprehensive O&M considerations including reliability, maintainability, accessibility and availability; and (iii) computational efficiency to quickly evaluate a large number of potential scenarios. In this regard, the literature review indicates that no techno-economic model encompasses all three of these essential requirements. To address this research gap, the main contribution of the present thesis is the development of a technoeconomic model that integrates a life cycle perspective, comprehensively considers O&M aspects and has a computational efficiency. Additionally, the present thesis provides novel assessments using this technoeconomic model, offering both quantitative and qualitative insights into O&M aspects in potential areas for FOWfarms, including the North Sea and the Iberian Peninsula. Results highlight that operational expenditures (OpEx), turbine downtimes and levelised cost of energy (LCoE) can vary significantly depending on the existing capability to prevent turbine failures. To achieve the OpEx levels typical of bottom-fixed offshore wind, which account for 20% to 30% of LCoE, FOW should prioritise preventive maintenance strategies. Additionally, the results demonstrate that a comprehensive consideration of O&M aspects during site identification and selection process is essential, with turbine availability as a critical factor. In this sense, the Mediterranean Sea emerges as a promising area for FOW farms, given its less severe wave conditions that enhance maintainability. Finally, assessments on heavy maintenance strategies underscore the potential of onsite replacement solutions to reduce turbine downtime compared to the towing strategy. However, the significant wave height operational limit for performing onsite replacements should exceed 1.5 m.

Itsas zabalean eta eskala handian parke eoliko flotatzaileak eraikitzea funtsezkoa da mundu mailako trantsizio energetikoa lortzeko. Horretarako, ordea, teknologia horren lehiakortasuna hobetu eta merkaturatzea sustatu behar dira. Prozesu horretan, parke eolikoen bizitza-zikloa karakterizatzen duten modelo teknoekonomikoek, parke horien garapenaren eta kudeaketaren erabaki estrategikoak hartzea erraz dezakete. Ildo horretan, parke eolikoen operazio eta mantentze (O&M) lanak xehetasunez karakterizatzea beharrezkoa da: batetik, parke eoliko flotatzaileen kostuanO&Mlanek izango duten inpaktua esanguratsua izatea espero delako; bestetik, erabaki estrategikoak hartzerako uneanO&Mlanek sortzen dituzten ziurgabetasunak handiak direlako, batik bat, parke horiekiko egungo esperientzia mugatua delako. Erabaki estrategikoen artean, garrantzitsuenetako bat, parke eoliko flotatzaileen lekua ondo identifikatzea eta hautatzea da, horrek parke eolikoaren O&M fasea eta proiektuaren errentagarritasun ekonomikoa erabat baldintzatzen dituelako. Eragin handiko beste erabaki estrategiko batzuk, portuak, O&M itsas-flota, mantentze estrategiak eta kontratuak definitzea dira. Ildo horretan, modelo tekno-ekonomikoaren bidez egindako sentsibilitate analisiek eta azterketa geospazialek erabaki estrategiko guzti horiek hartzen lagundu dezakete. Analisi horiek egiteko, modelo tekno-ekonomiko batek honako baldintza hauek bete behar ditu: (i) parke eolikoaren bizi-zikloa karakterizatzea, proiektuaren garapen-faseak, fabrikazioa, instalazioa, O&M eta dekomisioa barne; (ii) fidagarritasuna, mantengarritasuna, irisgarritasuna eta erabilgarritasuna kontuan hartzea; eta (iii) modeloak konputazio-denbora baxua izatea analisi guztiak azkar egiteko. Aipatutako baldintzen arabera, literaturan aurkeztutako modelo tekno-ekonomikoek ez dituzte hiru baldintza horiek betetzen. Testuinguru horretan, doktore-tesi honen ekarpen nagusia modelo tekno-ekonomiko bat garatzea da, bizi-zikloaren ikuspegia integratzen duena, O&M lanei lotutako aspektu ezberdinak xehetasunez aintzat hartzen dituena eta azkartasun konputazionala duena. Bestalde, doktore-tesi honetan garatutako modelo tekno-ekonomikoarekin egindako analisiak medio, O&M lanen inguruko ekarpen kuantitatibo eta kualitatiboak egin dira. Aipatutako analisiak, parke eoliko flotatzaileak garatzeko eremu interesgarrietan egin dira, hala nola, Ipar Itsasoan eta Iberiar Penintsulan. Turbinetan akatsak saihesteko gaitasunaren arabera, emaitzek erakusten dute parke eolikoen gastu operatiboek (OpEx), turbinen jarduerarik gabeko denborak eta energiaren kostu nibelatuak (LCoE) aldaketa esanguratsuak izan ditzaketela. Horri lotuta, parke eoliko flotatzaileetan, OpEx pisua LCoEn %20-30 izateko, beharrezkoa da mantentze-estrategia funtsean prebentiboa izatea. Era berean, doktore-tesiak nabarmentzen du parkeen kokalekuak identifikatzean eta hautatzean O&M-ri lotutako aspektuak zehatz-mehatz kontuan hartzea berebiziko garrantzia duela eta horien artean, turbinaren erabilgarritasuna garrantzitsuenetakoa da. Ildo beretik, Mediterraneo Itsasoa parke flotatzaileak eraikitzeko gune egokitzat jotzen da, bertan, itsas olatuen baldintzak mantentze-lanetarako aproposak direlako. Azkenik, doktore-tesian frogatzen da, itsas zabaleko mantentze-lan astunek, portuan egindako mantentze lanekin alderatuta, turbinaren erabilgarritasuna handitzeko gaitasuna dutela. Hala eta guztiz ere, itsas zabalean mantentze-lan astunak egiteko olatuaren taimanari lotutako muga operatiboa 1.5 m-tik gorakoa izatea gomendatzen da.

La transición energética mundial requiere el despliegue a gran escala de parques eólicos marinos flotantes. Para lograrlo, es fundamental mejorar la competitividad y promover la comercialización de esta tecnología mediante la reducción de costes. Este proceso puede acelerarse respaldando las decisiones estratégicas mediante modelos tecno-económicos que incorporen una perspectiva de ciclo de vida y detallen las operaciones y el mantenimiento (O&M) de estos parques. Las O&M son cruciales, no solo por su esperado impacto significativo en el coste final, sino también por las incertidumbres que generan en la toma de decisiones estratégicas, debido principalmente a la limitada experiencia operativa actual en la eólica marina flotante. Entre las decisiones estratégicas más influyentes se encuentra la identificación y selección deemplazamientos para los parques, ya que condicionan la fase de O&M y la rentabilidad global de los proyectos de eólica marina flotante. Otras decisiones estratégicas clave son la selección de puertos, la flota de buques de O&M, las estrategias y los contratos de mantenimiento. Todas estas decisiones pueden respaldarse eficazmente mediante evaluaciones de sensibilidad y geoespaciales realizadas a través de modelos tecno-económicos, permitiendo así una comprensión integral de los riesgos y las implicaciones de costes asociadas a diferentes escenarios. Para llevar a cabo estas evaluaciones, los modelos tecno-económico deben integrar (i) una perspectiva de ciclo de vida que abarque las fases de desarrollo, fabricación, instalación,O&My desmantelamiento; (ii) consideraciones detalladas deO&Mque incluyan fiabilidad, mantenibilidad, accesibilidad y disponibilidad; y (iii) eficiencia computacional para evaluar rápidamente diferentes escenarios. Aun así, la revisión de la literatura indica que ningún modelo tecno-económico abarca estos tres requisitos esenciales. Por todo ello, la principal contribución de esta tesis es el desarrollo de un modelo tecno-económico que integra una perspectiva de ciclo de vida, considera en detalle los aspectos de O&M y presenta eficiencia computacional. Además, esta tesis aporta diversas evaluaciones innovadoras mediante este modelo tecnoeconómico, lo que permite obtener conclusiones cuantitativas y cualitativas sobre los aspectos de O&M en áreas con potencial para el desarrollo de la eólica marina flotante, como elMar del Norte y la Península Ibérica. Los resultados demuestran que los gastos operativos (OpEx), el tiempo de inactividad de las turbinas y el coste nivelado de la energía (LCoE) pueden experimentar variaciones significativas en función de la capacidad que exista en la industria eólica flotante para prevenir los fallos en las turbinas. En este sentido, para que en los parques eólicos flotantes el peso de los OpEx en el LCoE sea de un 20-30%, es necesario que la estrategia de mantenimiento sea fundamentalmente preventiva. Asimismo, los resultados destacan la importancia de considerar detalladamente los aspectos deO&Men la identificación y selección de emplazamientos de los parques. Entre los aspectos de O&M a considerar, destaca la disponibilidad de la turbina. En este sentido, el marMediterráneo emerge como una zona prometedora para desplegar parques eólicos flotantes, dadas sus condiciones de oleaje menos severas que facilitan la realización de las tareas de mantenimiento. Por último, las evaluaciones sobre el mantenimiento pesado destacan el potencial de las soluciones de reemplazo in situ para reducir el tiempo de inactividad de las turbinas en comparación con la estrategia de remolque a puerto. Aun así, se recomienda que el límite operativo de altura de ola significante asociado al reemplazo in situ sea superior a 1.5 m.