A comparative dynamic analysis of floating platforms for 15 MW wind turbines

Floating wind energy is considered one of the key technologies among sustainable power production that will drive the transition to a net zero emission policy within 2050. While pilot farms or single machines have already been deployed, the full industrialization of floating wind is expected to happen in the very next years, especially in European countries. The purpose of this work is to analyze the challenges connected to the design and to the dynamic performance of the floater. The substructure is actually the part of the whole floating wind generator that on one side is less established from a technological and industrial point of view, and on the other side is impacting consistently on the cost of produced energy. In this framework, among the more than thirty floating platforms that have been proposed in the last decade four major families of floaters are analyzed: semisubmersible, barge, TLP and spar. Publicly available floater concepts are upscaled to host a 15 MW rated power wind turbine, which is regarded as the size suitable for future floating installation. Upscaling laws are established in a way to obtain realistic floater models starting from the available data, and the upscaling process is then commented in a critical perspective. Floater models are deployed in a realistic site of operation, in the Mediterranean sea, and simulations are performed observing the characteristic met-ocean conditions on the site. Simulations are carried out in OpenFAST, an aero-hydro-servo-elastic tool developed by NREL and available as open-source. In a first analysis, floaters are compared according to their mass data and hydrostatic behaviour, in order to get insight on the peculiarity of each floater family. Then, data gathered from simulations are exploited to draw a comparison between the four upscaled floaters in terms of dynamic behaviour, intensity of loads and fatigue, power controller operation. During floater analysis, the results of simulations is explained and commented, so to give an insight on what are the advantages or the issues connected to each floater, from a variety of point of views.

L'energia eolica da piattaforme galleggianti è considerata come una delle tecnologie che parteciperanno alla transizione verso una politica energetica a emissioni zero entro il 2050. Mentre alcuni parchi o singole macchine sono già stati installati allo stadio di dimostrativo, la piena industrializzazione di questo campo è attesa per i prossimi anni, almeno nel continente europeo. In questo contesto, lo scopo del lavoro qui riportato è di analizzare le sfide tecnologiche connesse alla progettazione e alle prestazioni dinamiche delle piattaforme galleggianti. La sottostruttura è di fatto il componente del generatore galleggiante che da una parte è meno definito dal punto di vista tecnologico ed industriale, dall'altra impatta notevolmente sui costi dell'energia prodotta.\\ A questo proposito, tra le più di trenta tipologie di sottostruttura finora proposte nell'ultimo decennio, sono analizzate quattro principali famiglie di scafi: semisommergibili, barge (pontoni), TLP e spar. Progetti di galleggianti open-data sono riscalati per accogliere una turbina da 15 MW, una taglia di potenza che è considerata adatta alle prossime installazioni su galleggiante; le leggi di scalatura sono stabilite in modo da ottenere dei progetti realistici a partire dai dati disponibili, e sono infine evidenziate le principali criticità di questo processo.\\ I modelli di galleggiante sono poi installati in un sito geografico realistico, nel Mar Mediterraneo, e sono oggetto di simulazione numerica nelle condizioni meteo oceaniche caratteristiche del sito stesso. Le simulazioni numeriche sono svolte in OpenFAST, un simulatore aero-idro-servo-elastico sviluppato dall'NREL e rilasciato come open-source. In una prima analisi, i galleggianti sono confrontati tra di loro in termini di dati di massa e comportamento idrostatico, al fine di evidenziare le peculiarità di ciascuna tipologia . In seguito, i dati raccolti tramite le simulazioni sono utilizzati per organizzare una comparazione delle sottostrutture in termini di comportamento dinamico, entità dei carichi di fatica e funzionamento del sistema di controllo dell'estrazione di potenza. Durante l'analisi delle simulazioni, i risultati sono chiariti e commentati al fine di evidenziare quali sono i vantaggi e gli svantaggi di ogni sottostruttura, da una varietà di punti di vista.