Optimizing WindFloat mooring system: reducing fatigue damage through vertical positioning of the platform mooring connection

Rafael De Oliveira Rodrigues

Key information

Authors:

Rafael De Oliveira Rodrigues (Rafael De Oliveira Rodrigues)

Supervisors:

João Manuel Ribeiro Costa Baltazar (João Manuel Ribeiro Costa Baltazar); Gaetan Borba Labi

Published in

November 21, 2023

Abstract

Energia eólica é das tecnologias de energia renovável com maior potencial energético. Energia eólica offshore flutuante possibilita explorar áreas com mais vento constante. Fadiga nas linhas de ancoragem é um obstáculo para a indústria de energia eólica offshore flutuante. Esta tese focou-se na redução da fadiga do sistema de ancoragem do WindFloat® através da mudança da posição de conexão da ancoragem da plataforma. WindFloat® é uma plataforma semi-submersível, cuja patente pertence à Principle Power. A tese realizou simulações dinâmicas de domínio temporal totalmente acopladas usando a ferramenta aerohidroservoelástica Orcaflex e técnicas de otimização para determinar a posição ótima de conexão da ancoragem da plataforma do WindFloat®, minimizando a fadiga. Da posição ótima de conexão da ancoragem da plataforma relativamente à fadiga, o deslocamento máximo da plataforma e tensão da linha de ancoragem foram monitorizados e limitados a valores aceitáveis, modificando o ângulo de declinação da linha de ancoragem, pré-tensão e comprimento do cabo de fibra sintética. A configuração que considerou todos os limites anteriores passou por um processo de redução de custos para o sistema de ancoragem. Esse processo precisou de estar em conformidade com os limites estabelecidos para o deslocamento máximo da plataforma e a tensão da linha de ancoragem, igualando a fadiga do caso base. Mudando a conexão da ancoragem da plataforma para 5m acima da linha de água, a fadiga e custo reduziram 49% e 24%, respetivamente. Desafios relacionados à estrutura, operações, manutenção, instalação, vida marinha, estabilidade e radiação ultravioleta foram avaliados qualitativamente. Wind energy is one of the renewable energy technologies with the highest energy potential. Floating offshore wind introduces the possibility of exploring areas with more wind at constant rates. Fatigue damage on mooring lines is one of the biggest obstacles for the floating offshore wind industry to thrive. This thesis focused on the reduction of the WindFloat® mooring system's fatigue damage by changing the platform mooring connection vertical position. The WindFloat® is a semi-submersible platform, which the patent belongs to Principle Power. The thesis performed fully-coupled time-domain dynamic simulations by using the aero-hydro-servo-elastic tool Orcaflex and optimization techniques to determine the optimal platform mooring connection vertical position for the WindFloat® platform in terms of fatigue damage. From the optimum platform mooring connection vertical position relative to fatigue damage, the maximum platform offset and mooring line tension were limited to acceptable values, by modifying the mooring line declination angle, pretension and synthetic fibre rope length. The configuration which considered all the previously mentioned factors, went under a chain nominal diameter reduction loop to achieve a reduction in cost for the mooring system. This loop complied with the established limits for maximum platform offset and mooring line tension and aimed to equal the base case's fatigue damage. By changing the platform mooring connection to 5m above the mean sea level, a 49% reduction in fatigue damage and a 24% reduction in cost was obtained. Structure, operations, maintenance, installation, marine growth, stability and ultraviolet radiation challenges were assessed in a qualitative way.