Techno-Economic Optimization Study of the Installation Process of Offshore Wind Farms: Decarbonization of the Supply Service Operations

Abstract

[ES] En la actualidad, el sector marítimo se enfrenta a la necesidad de reducir los diferentes tipos de emisiones derivadas de sus operaciones. En este contexto, la Organización Marítima Internacional (OMI) establece a través de la normativa MARPOL (Convenio Internacional para Prevenir la Contaminación por los Buques) una serie de valores máximos tanto para las emisiones de efecto invernadero como para otro tipo de emisiones nocivas para el medio ambiente y la salud, siendo estos valores aplicables a todo tipo de buques dentro del sector. Dentro de este marco, la empresa Maersk Supply Service (MSS) debe reducir su impacto medioambiental por debajo de los valores mencionados. Por ello, el objetivo principal de este proyecto es asegurar el cumplimiento de los objetivos de descarbonización de MSS y el cumplimiento de la normativa de emisiones, concretamente en las operaciones del nuevo buque de instalación de turbinas eólicas offshore diseñado por esta compañía, optimizando al mismo tiempo los costes operacionales y de instalación asociados. De este modo, se calculará la velocidad de carga óptima de los motores instalados en el buque considerado y la relación óptima de los motores diésel convencionales en combinación con la generación de energía a partir de combustibles alternativos, con el fin de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero al mínimo coste. Para lograr este objetivo se lleva a cabo un análisis de rentabilidad de los principales combustibles alternativos del mercado. A través de esta evaluación, se observa que las pilas de combustible de amoníaco presentan el mejor ratio de reducción de emisiones respecto al coste [$/tnCO2]. De esta forma, se lleva a cabo una optimización determinista que modela el funcionamiento de una instalación de una turbina eólica offshore completa mediante la hibridación de motores diesel convencionales con la generación de energía a partir de pilas de combustible de amoníaco. Como resultado de este modelo, se obtienen las cargas de motor óptimas para cada uno de los motores diésel y las pilas de combustible en cada una de las fases de la instalación, así como la potencia a instalar de los motores convencionales y de las pilas de combustible de amoníaco y el coste total de operación de una instalación completa. Además, en las siguientes fases de este proyecto también se aplicará la incertidumbre derivada de las condiciones meteorológicas cambiantes del proceso. Esto se debe a que este tipo de instalación depende especialmente de las ventanas meteorológicas asociadas a la velocidad del viento, la altura de las olas y la velocidad de las corrientes de agua. De este modo, este proyecto no sólo identifica y pone en práctica el mejor combustible alternativo actual para la reducción de emisiones en las operaciones de instalación de parques eólicos offshore, sino que también establece una metodología que también podrá utilizarse en el futuro a medida que evolucionen las distintas tecnologías del mercado.

[EN] Currently, the maritime sector faces the need to reduce the different types of emissions derived from its operations. In this context, the International Maritime Organization (IMO) establishes through the MARPOL regulation (International Convention for the Prevention of Pollution from Ships) a series of maximum values for both greenhouse emissions and other types of harmful emissions for the environment and health, being these values applicable to all types of vessels within the sector. As part of this framework, the company Maersk Supply Service (MSS) is required to reduce its environmental impact to below the above-mentioned values. Therefore, the main objective of this project is to ensure compliance with the decarbonisation objectives of MSS and compliance with the emissions regulation, specifically in the operations of the new wind turbine installation vessel designed by this company, while optimising the associated operational and installation costs. In this way, the optimal load speed of the engines installed in the vessel considered and the optimal ratio of conventional diesel engines in combination with power generation from alternative fuels will be calculated in order to reduce greenhouse gas emissions at minimum cost. To achieve this objective a cost-effectiveness analysis of the main alternative fuels on the market is carried out. Through this assessment, it is observed that ammonia fuel cells present the best ratio of emission reduction with respect to cost [$/tnCO2]. In this way, it is conducted a deterministic optimisation which models a complete wind turbine installation operation through the hybridisation of conventional diesel engines with the power generation from ammonia fuel cells. As a result of this model, the optimal engine loads for each of the diesel engines and fuel cells are obtained in each of the installation phases, as well as the power to be installed from conventional engines and ammonia fuel cells and the total operational cost of a complete installation. In addition, the uncertainty arising from changing weather conditions in the process will also be implemented in the next steps of this project. This is due to the fact that this type of installation is especially dependent on the weather windows associated with wind speed, wave height and water current velocity. In doing so, this project not only identifies and implements the current best alternative fuel for emission reduction in wind farm installation operations, but also establishes a methodology that can also be used in the future as different market technologies evolve.