Manufacturability of an offshore floating foundation

Abstract

Over the last decade, the importance of renewable energy has risen considerably. The shift from fossil fuels to renewable energy is under way. One of the renewable energy resources is wind energy. Wind energy is produced with wind turbines onshore and offshore. The foundation is a crucial component of the wind turbine. Mainly fixed foundations have been produced but as the coastlines and shallow water areas have been filled with wind turbines, an alternative solution is required. Thus, a floating foundation for wind turbines has been developed. However, a lot of unknowns and questions surround the floating foundations, especially the manufacturing process.

In this thesis, the manufacturability of floating foundations was studied. The topic was provided by Pemamek Ltd. and the study was carried out in collaboration with them. The goal was to identify critical manufacturing stages for floating foundations. Two floating foundation designs were considered, a cylindrical design and a hexagonal design. A background study was conducted on both designs which led to a finite element analysis on a cylindrical foundation sub-component.

The background study indicated that currently neither design would overthrow the other. The cylindrical foundation raised questions about its integrity during the manufacturing process which led to the finite element analysis of a sub-component of the cylindrical foundation. The finite element analysis concluded that the sub-component would require additional supports for it to remain intact during the manufacturing process. Out of all different support options, the 45 degrees angle side supports were deemed the best possible support solution. Still, further investigation of floating foundations is required to enable mass production. The integrity of welds, design of lifting tool and more aspects regarding the cylindrical floating foundation must be researched.

Viimeisen vuosikymmenen aikana uusiutuvan energian merkitys on noussut huomattavasti. Siirtyminen fossiilisista polttoaineista uusiutuvaan energiaan on käynnissä. Tuulivoima on yksi uusiutuvan energian lähde. Tuulivoimaa tuotetaan tuuliturbiineilla mantereella sekä rannikolla. Perustus on kriittinen osa tuuliturbiinia. Lähinnä maahan tai merenpohjaan kiinnitettäviä perustuksia on valmistettu, mutta rantaviivojen ja matalien vesien alueiden täyttyessä tuuliturbiineista, vaihtoehtoinen ratkaisu on tarpeellinen. Vastauksena on kehitetty kelluvia tuulivoima perustuksia. Kelluvia perustuksia ympäröi kuitenkin paljon epävarmuustekijöitä ja kysymyksiä, etenkin niiden valmistettavuudesta.

Tässä työssä tutkittiin kelluvan tuulivoima perustuksen valmistettavuutta. Työn aiheen tarjosi Pemamek Oy, jolle myös tehtiin. Tavoitteena oli löytää kriittisiä tekijöitä kelluvien perustuksien valmistuksesta. Kaksi erilaista kelluvan perustuksen mallia otettiin tarkasteltavaksi, sylinterimäinen perustus ja kuusikulmainen perustus. Molemmille malleille suoritettiin taustatietotutkimus, joka johti sylinterimäisen perustuksen alikomponentin elementtimenetelmätutkimukseen.

Taustatietotutkimus osoitti, että kumpikaan malli ei tällä hetkellä ole syrjäyttämässä toista. Sylinterimäisen perustuksen eheys valmistuksen aikana herätti epävarmuutta, mikä johti sylinterimäisen perustuksen alikomponentin analysointiin elementtimenetelmällä. Elementtimenetelmäanalyysista selvisi, että alikomponentti tarvitsisi lisätuentaa säilyttääkseen eheytensä valmistuksen aikana. Kaikista eri tuentavaihtoehdoista 45 asteen sivutuenta osoittautui parhaaksi mahdolliseksi ratkaisuksi. Tutkimuksen tulosten lisäksi kelluvia tuulivoima perustuksia tulee tutkia enemmän, jotta niiden massatuotanto voidaan mahdollistaa. Hitsien eheys, nostotyökalun suunnittelu ja muiden sylinterimäisiä kelluvia perustuksia koskevia tekijöitä täytyy tutkia.