Design and implementation of a cost model for onshore and offshore wind farms

The continuous expansion of the wind energy industry, along with improvements in the cost and performance of wind power technologies, have motivated the growth in size of wind turbines and hence the expansion of wind farm capacity. This steady increase demands further efforts throughout the design process and requires the development of dedicated tools and techniques. Additionally, it is necessary to pay close attention to the final Cost of Energy (CoE) in order to guarantee the production of a cost-competitive wind technology. However, design strategies currently rely on sequential processes that are detrimental to the overall system cost and performance. This, along with other factors, place wind plants amongst the most complex systems deployed worldwide, finding yet another complex structure when examining wind turbines independently. On account of this, in recent years, a great effort has been put into developing a multidisciplinary vision that addresses the different components of the system in a multi-level approach, without sacrificing performance nor cost-competitive results. Following a Multidisciplinary Design Framework, the present research develops a cost model tool as a way to estimate the Levelized cost of Energy (LCoE) of land- and sea-based wind farms, ensuring the capture of the couplings and interactions among the design variables intrinsic to the wind energy design process. This is achieved through a modular architecture of the tool with the final goal of being included in a multi-level design framework of either the single machine or the entire wind farm, which have been treated as separate complex systems so far. This document presents the final workflow design of the cost model, together with the description of the different modules introduced, the evaluation of the results obtained with the tool by analyzing two wind farm Baselines, and a parameter sensitivity analysis as a means to understand the manner in which the design variables involved in the system impact the final cost of energy. With this work, the interactions between choices of different sub-components for both wind farms and turbines can be explored, allowing the development of this tool to be continued in multiple directions.

La continua espansione del settore dell'energia eolica, insieme al miglioramento dei costi e delle prestazioni delle tecnologie per l'energia eolica, hanno motivato la crescita delle dimensioni delle turbine eoliche e quindi l'espansione della capacità dei parchi eolici. Questo aumento costante richiede ulteriori sforzi durante tutto il processo di progettazione e richiede lo sviluppo di strumenti e tecniche dedicati. Inoltre, è necessario prestare molta attenzione al costo finale dell'energia (CoE) al fine di garantire la produzione di una tecnologia eolica competitiva in termini di costi. Tuttavia, le strategie di progettazione attualmente si basano su processi sequenziali che sono dannosi per i costi e le prestazioni complessivi del sistema. Questo, insieme ad altri fattori, colloca gli impianti eolici tra i sistemi più complessi implementati in tutto il mondo, trovando ancora un'altra struttura complessa quando si esaminano le turbine eoliche in modo indipendente. Per questo motivo, negli ultimi anni, è stato profuso un grande sforzo nello sviluppo di una visione multidisciplinare che affronti le diverse componenti del sistema in un approccio multi-livello, senza sacrificare le prestazioni né i risultati competitivi in termini di costi. Seguendo un quadro di progettazione multidisciplinare, la presente ricerca sviluppa uno strumento di modello dei costi come un modo per stimare il costo livellato dell'energia (LCoE) dei parchi eolici terrestri e marittimi, garantendo la cattura degli accoppiamenti e delle interazioni tra le variabili di progetto intrinseche al processo di progettazione dell'energia eolica. Ciò è ottenuto attraverso un'architettura modulare dello strumento con l'obiettivo finale di essere incluso in un framework di progettazione multi-livello della singola macchina o dell'intero parco eolico, che finora è stato trattato come sistemi complessi separati. Questo documento presenta la progettazione finale del flusso di lavoro del modello di costo, insieme alla descrizione dei diversi moduli introdotti, la valutazione dei risultati ottenuti con lo strumento analizzando due Baseline del parco eolico e un'analisi di sensibilità dei parametri come mezzo per comprenderne le modalità in cui le variabili progettuali coinvolte nel sistema incidono sul costo finale dell'energia. Con questo lavoro è possibile esplorare le interazioni tra le scelte dei diversi sottocomponenti sia per i parchi eolici che per le turbine, consentendo di continuare lo sviluppo di questo strumento in più direzioni.