Floating offshore wind turbines: design and engineering challenges

The research stems from the growing interest in renewable energy coming from waves, wind, currents, and tides. The number of deployments at sea is increasing especially surrounding the production of electricity from wind. Since there is a lack of space and a huge demand for wind turbine installations, the market is moving to build more offshore than land-based wind turbines. Offshore wind energy in particular is more competitive than other renewable energies because it offers conditions for power generation in favorable conditions (high winds with low turbulence), minimal visual impacts and high generation capacities. The expected development of such marine renewable devices is likely to result in the further transformation of the maritime space, already heavily impacted by significant pressure from anthropic activities (fishery, vessel traffic, oil and spill industry etc.). For this reason, it is essential to consider the positive and negative effects on the marine habitats generated during the installation, operation and decommissioning of such devices. Therefore, the deployment of offshore wind turbines highlights specific effects such as collisions, underwater noise, and the generation of electromagnetic fields on the marine ecosystem (e.g. sea birds, fishes, marine mammals). Consequently, the spatial conflicts of sea users and the demand for sea space are in fact increasingly growing. The quantitative Marine Spatial Planning MSP criteria may help to evaluate the sustainability of conflicting human activities from the perspective of minimizing the overall environmental impacts. Trade-offs need to be made by considering all of these aspects, even from an economical point of view. In fact, the cost challenges are a critical issue for offshore installations when larger turbines need to be installed further from the coast. Moreover, the offshore structures have the added complication of being placed in an ocean environment where hydrodynamic interaction effects and dynamic response become major considerations in their design. The hydrodynamic response of offshore wind turbines need to be investigated through large-scale offshore engineering laboratory experiments and dedicated numerical models. The recent interest in offshore wind technologies has increased the demand of quality tests to optimize the design of innovative floating offshore wind turbines and to collect reliable and accurate data for further calibration and verification of numerical models. However, there are still few studies on the spar buoy concept. To accurately predict the load on offshore wind turbines themselves, which is critical for ensuring a system's safe design, a numerical model that incorporates all the dynamics is usually required. In general, dynamic models account for wind inflow, aerodynamics, elasticity and control of the wind turbine, as well as the incident waves, hydrodynamics, and mooring dynamics of the floater. Numerical analyses can be performed with several codes, such as the fully coupled, time domain aero-hydro-servo-elastic simulation Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence FAST tool. A calibrated numerical model could analyze the dynamics and the design of the floating wind turbines at a specific offshore site. The design process of an offshore floating wind turbine includes the evaluation of loads, dynamic response and stability in normal and extreme operating conditions. This methodology is a key factor used in the design of the mooring system, which needs to maintain the structure’s position during the extreme events occurring throughout its life. For all these reasons, the main goal of this research is to study the dynamic response of the floating offshore wind turbines and the related engineering challenges, environmental and economic. The specific objective is to investigate the technical challenges that must be overcome for offshore wind turbines to achieve sustainability in a cost-benefit framework. The research activity has been split into two areas. The first part is a review of the main environmental concerns generated by the offshore renewable installations and their effects on the marine habitats as well as the economic implications. The second part of the research focusses on the investigation of the hydrodynamic response of the floating wind turbine under different environmental loads from an experimental and numerical point of view. Experimental tests on a floating wind turbine (spar buoy), were performed in the offshore wave basin at the Danish Hydraulic Institute (DHI) within the European Union-Hydralab IV, and the results analyzed. The related displacements and rotations of the physical model test have been investigated to better understand the hydrodynamic response caused by wind and wave loads. In particular, the experimental response of the spar buoy platform under regular and irregular waves and wind loads were studied. Measurements have been taken of hydrodynamics, displacements of the floating structure, wave induced forces at critical sections of the structure and at the mooring lines. Free decay test results have allowed the evaluation of the surge, sway, roll and pitch natural frequencies and damping ratios of the spar buoy wind turbine. Furthermore, measured displacements, rotations, accelerations and forces at the top and base of the tower have been examined in the time and frequency domains under parked and operational conditions. The experimental results have been further analyzed to implement a unique dataset suitable for numerical modeling to be employed for the comparison with prototype measurements. Based on the observed parameters, the numerical model FAST certified by the National Renewable Energy Laboratory (NREL) of the U.S. Department of Energy has been used to make a comparison with those simulated. In fact, the numerical results have been compared with data deriving from the experimental tests in order to validate the motion response and the mooring line tensions of the spar buoy wind turbine. Finally, in collaboration with the Environmental Hydraulics Institute of Cantabria "IHCantabria" (Santander, Spain), a numerical application through FAST code has been conducted with reference to an offshore site in the South of Italy, suitable for the installation of a spar buoy wind turbine. The scope is to numerically investigate the effects of different wind turbulence models on the spar buoy and its station-keeping system. Based on a specific number of simulations for each load case, which is a requirement to ensure statistical reliability of the load’s estimation, time and frequency domain analyses are applied. A sensitivity analysis focuses on the minimum data requirements for the extreme mooring line load calculation, investigating the number of simulations required to get a statistical convergence of the results. The influence of wind turbulence models and their consideration in design methodology, along with the Ultimate Limit State ULS for the intact structure, has been evaluated. In fact, ULS analysis investigates the adequate strength of mooring systems to withstand the load effects imposed by extreme environmental actions. Based on the standards of, International Electrotechnical Commission IEC, Det Norske Veritas DNV, ISO and American Petroleum Institute API, it is recommended to design the position moorings under extreme wind loads which are represented by Kaimal, von Karman and API or Frøya turbulence models. Moreover, for time domain analysis DNV standards have been used to define the global maxima and then the extreme tensions along the mooring lines. Results of design tensions are found to be influenced on the choice of wind turbulence model.

L’interesse sull’utilizzo delle risorse rinnovabili provenienti dalle onde, vento, correnti e maree è in aumento. Il numero delle nuove installazioni in ambiente marino destinate principalmente alla produzione di energia dal vento è in crescita. La riduzione dello spazio disponibile e un’alta domanda per installare le piattaforme eoliche sta spostando l’interesse del mercato, dalle turbine eoliche a terra verso quelle in acque profonde. L’eolico offshore è particolarmente competitivo rispetto alle altre risorse di energia rinnovabile poiché offre condizioni favorevoli per la produzione di energia elettrica, sia dal punto di vista ambientale che energetico. Le nuove installazioni per la conversione di energia dal vento alterano lo spazio marittimo già profondamente soggetto ad attività antropiche (pesca, traffico marittimo, industria petrolifera ecc.), sicché risulta fondamentale considerare gli impatti positivi e negativi sull’ambiente marino generati durante le fasi di installazione, funzionamento e smantellamento. Un adeguato studio è necessario per definire una procedura volta alla valutazione dell’impatto ambientale sull’avifauna, sui pesci e mammiferi marini causati dalle collisioni, dal rumore sottomarino e dalla generazione di campi elettromagnetici. Ulteriori studi sono necessari anche da un punto di vista economico, difatti la definizione dei costi necessari per le nuove installazioni sta divenendo sempre più importante a causa dell’aumento delle dimensioni delle turbine eoliche. Nella fase progettuale delle piattaforme eoliche occorre inoltre analizzare gli effetti dell’interazione idrodinamica generati dall’azione del moto ondoso e del vento sulle strutture. Di conseguenza, l’obiettivo principale del lavoro di tesi di dottorato consiste nella valutazione della risposta dinamica e dell’impatto ambientale ed economico delle turbine eoliche flottanti. L’attività di ricerca si è quindi articolata in due fasi. La prima fase ha riguardato lo studio della letteratura degli impatti ambientali sull’habitat marino e dei costi relativi all’installazione delle turbine eoliche. Si è dimostrato che lo sviluppo atteso, nel settore rinnovabile marino, indurrà un’ulteriore trasformazione delle aree marine costiere, già oggetto di pressioni rilevanti da parte delle attività antropiche. In questa prospettiva l’impatto sull’ambiente deve essere valutato nel contesto delle pressioni antropiche già esistenti. I conflitti tra le diverse attività che si contendono lo spazio marino sono infatti in crescita e solo attraverso criteri quantitativi di pianificazione spaziale marittima (Marine Spatial Planning) sarà possibile verificarne la sostenibilità in un’ottica di minimizzazione dell’impatto ambientale ed anche economico. La seconda fase della ricerca ha avuto lo scopo di studiare la risposta idrodinamica delle turbine eoliche soggette ai carichi ambientali (vento ed onde), per ottimizzare la relativa progettazione. Sono state condotte prove sperimentali sulla turbina eolica (spar buoy) presso il laboratorio Danish Hydraulic Institute (DHI), nell’ambito del progetto Europeo Hydralab IV. Sono stati analizzati gli spostamenti e le rotazioni del modello fisico per poter comprendere la risposta dinamica generata dalle azioni del moto ondoso e del vento. La risposta dello spar buoy è stata ottenuta sottoponendo la turbina alle azioni di onde regolari e irregolari. Le misure sono state effettuate tramite dei sensori di forza disposti nelle sezioni critiche della turbina e delle catenarie. Successivamente sono stati analizzati i dati sperimentali al fine della modellazione numerica e quindi della comparazione con misure in scala prototipo. Prove di decadimento hanno consentito la valutazione delle frequenze naturali di oscillazione e dei rapporti di smorzamento della struttura. Inoltre, gli spostamenti, rotazioni, accelerazioni e forze alla base e in testa alla torre sono state misurate ed elaborate nel dominio del tempo e della frequenza, in condizioni di rotore fermo e in funzionamento. Il modello numerico Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence (FAST), certificato dal laboratorio National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento Americano di Energia, è stato calibrato con i dati sperimentali. I risultati numerici sono stati quindi confrontati con quelli di laboratorio in modo tale da validare la risposta dinamica della turbina eolica. Infine il modello numerico FAST è stato applicato a un sito reale a largo delle coste italiane con lo scopo di studiare l’influenza del vento estremo sulla risposta dinamica della struttura e, soprattutto, delle catenarie. Tale attività è stata condotta in collaborazione con l’Istituto di Idraulica IH Cantabria di Santander in Spagna. In particolare, sono stati simulati diversi regimi di turbolenza del vento sulla turbina eolica e le catenarie. Sulla base di un numero specifico di simulazioni per ogni caso di carico, che è un requisito per garantire l'affidabilità statistica nel calcolo della tensione di progettazione delle catenarie, sono state condotte analisi nel dominio del tempo e della frequenza. È stata valutata l'influenza dei modelli di turbolenza del vento (Kaimal, von Karman e API o Frøya) applicando la metodologia di progettazione allo stato limite ultimo ULS. Lo scopo dell’analisi ULS è quello di esaminare la forza adeguata dei sistemi di ormeggio per resistere agli effetti delle azioni ambientali estreme. Con riferimento agli standards International Electrotechnical Commission (IEC), Det Norske Veritas (DNV), ISO e American Petroleum Institute (API), sono stati quindi progettati gli ormeggi della turbina eolica flottante sottoposta ad azioni di vento e moto ondoso estreme. In particolare, sono state definite le azioni massime globali e quindi le tensioni estreme lungo le linee di ormeggio. Le tensioni progettuali risultano influenzate dalla scelta del modello di turbolenza del vento.