Opportunities to improve deployment prospects of offshore wind

April 12, 2024

Esta dissertação cobre um conjunto de trabalhos relacionados com a implantação de energia eólica offshore. A implantação de grandes quantidades de energia renovável é um aspecto fundamental na transição para uma economia de baixo carbono e na limitação dos efeitos negativos das alterações climáticas. Contudo, para além dos desafios técnicos e económicos, a implantação de energias renováveis deve satisfazer interesses ambientais, sociais e regulamentares. Dada a amplitude de interesses díspares que afetam as perspectivas de implantação, desenvolvo modelos e estruturas que ajudam a quantificar os custos e benefícios da implantação de energia eólica offshore, demonstram como vários interesses podem ser equilibrados no projeto da planta e operacionalizam fatores qualitativos para informar os tomadores de decisão sobre as compensações de estratégias de implantação. O âmbito tecnológico destes estudos incide sobre a energia renovável eólica offshore, que é uma fonte de energia nascente com um grande potencial técnico – ainda inexplorado – e potencial de descarbonização energética. Em primeiro lugar, considero uma nova forma de implantar turbinas eólicas offshore flutuantes que reduza as obstruções físicas e permita a construção de turbinas em águas menos controversas. Quantifico um benefício ambiental e o custo desta estratégia. Considero que a estratégia acarreta uma penalização de custos de pelo menos 30 dólares americanos/megawatthora e elimina até 900 quilómetros de correntes de amarração para uma rede de 1 gigawatt. Embora este custo adicional seja substancial, existem outras oportunidades e cenários onde esta estratégia pode fazer sentido. Em seguida, investigo a tecnologia da planta e as alternativas locais usando uma estrutura de análise multicritério para comparar a adequação das alternativas com base na otimização da tecnoeconomia e na minimização dos impactos. Concluo que as fábricas maiores que a indústria está a impulsionar são frágeis em termos de localização, enquanto as fábricas mais pequenas são mais robustas em termos de localização e que existem grandes áreas onde as duas perspectivas se alinham e que a indústria deve perseguir. Isto sugere que apenas uma visão estreita da tecnoeconomia pode levar a resultados incertos dos projectos. Finalmente, proponho uma forma de operacionalizar os aspectos sociopolíticos e as obrigações regulatórias do ambiente de adoção, a fim de comparar estratégias de transmissão da energia eólica offshore que podem enfrentar obrigações diferenciadas. Considero que encurtar o processo de desenvolvimento em um ano equivale a um crédito fiscal ao investimento de 2,6% e pode valer mais de 65 milhões de euros para um único projecto. Considero também que existem muito poucos cenários em que uma estratégia de transmissão nova e dispendiosa seja mais vantajosa do que a tecnologia de base, mas é fundamental quantificar o impacto de estratégias mais dispendiosas que possam facilitar as obrigações regulamentares. Os resultados sugerem que são necessárias melhorias adicionais na nova tecnologia para competir diretamente com base nos custos. Em trabalhos futuros, pretendo explorar a implantação do hidrogénio verde que considere factores sócio-políticos e um elemento de evolução do mercado da tecnologia para compreender como diferentes ambientes de adopção ou atitudes sóciopolíticas podem afectar os níveis de obtenção de capacidade de energia renovável ou redução global de carbono. This dissertation covers a body of work concerned with the deployment of offshore wind energy. Deploying large amounts of renewable energy is a key aspect in transitioning to a lowcarbon economy and limiting the negative effects of climate change. However, in addition to technical and economic challenges, renewable energy deployment must satisfy environmental, social, and regulatory interests. Given the breadth of disparate interests affecting deployment prospects, I develop models and frameworks that help quantify the costs and benefits of offshore wind deployment, demonstrate how several interests can be balanced in plant design, and operationalize qualitative factors to inform decision makers on the tradeoffs of deployment strategies. The technological scope of these studies is on offshore wind renewable energy which is a nascent energy source with a large—still untapped—technical potential, and energy decarbonization potential. First, I consider a novel way of deploying floating offshore wind turbines that reduces physical obstructions and allows turbines to be built in less-contentious waters. I quantify one environmental benefit and the cost of this strategy. I find that the strategy realizes a cost penalty of at least 30 US dollars/megawatt-hour and eliminates up to 900 kilometers of mooring chains for a 1-gigawatt array. While this added cost is substantial, there are further opportunities and scenarios where this strategy can make sense. I then investigate plant technology and site alternatives using a multi-criteria analysis framework to compare the suitability of alternatives based on optimizing techno-economics and minimizing impacts. I find that the larger plants the industry is pushing toward are fragile to locations, while smaller plants are more robust to locations and that there are large areas where the two perspectives align that the industry should pursue. This suggests that a narrow view on techno-economics only can lead to uncertain project outcomes. Finally, I propose a way to operationalize socio-political aspects and regulatory obligations of the adoption environment in order to compare transmission strategies from offshore wind which may face differential obligations. I find that shortening the development process by one year is equivalent to an investment tax credit of 2.6% and may be worth more than 65 million euros for a single project. I also find that there are very few scenarios where a novel and expensive transmission strategy is more advantageous than the baseline technology, but it is critical to quantify the impact of more expensive strategies that may ease regulatory obligations. The results suggest that further improvements of the novel technology are needed to directly compete on a cost basis. In future work, I plan to explore green hydrogen deployment that considers socio-political factors and a market evolution element of the technology to understand how different adoption environments or socio-political attitudes can affect levels of attainment of renewable energy capacity or overall carbon abatement.

Authors in the community:

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  R

  Rudolph Caballero Santarromana

  ist188731

Supervisors of this institution:

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  J

  Joana Serra da Luz Mendonça

  ist45229

101825277

Doutoramento em Engenharia e Políticas Públicas

political-science - Political Science

Keywords

• offshore wind
• deployment
• stakeholders
• decarbonization
• renewable energy
• energia eólica offshore
• implantação
• partes interessadas
• descarbonização
• energia renovável

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Funding Stream: Carnegie Mellon Portugal Program

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: SFRH/BD/150678/2020