Offshore wind and wave energy resource characterization: an integrated approach for combined exploitation

Abstract

During the last years, under the global change considerations and the need for a clean energy future, several countries have invested on the exploitation of renewable energy resources. Among the various forms of renewables, wind energy has gained through the years a significant role in the existing energy mix. Towards this direction, several countries, especially in Europe, have extended the wind energy exploitation to offshore regions. Furthermore, as the demand of wind energy is rising suitable near-shore shallow water sites become sparse driving the industry to deep offshore areas. There the resource is high but the problems are the same. The high installation, operation and maintenance costs and the variability of the final output are issues that need to be addressed. The latter is one of the most important problems for the electrical grid especially when the penetration levels of renewables are to be increased significantly. A possible solution for reducing the variability of the power output from renewables could be the combined wind and wave energy exploitation in areas that the two resources reveal different characteristics.In this thesis, a detailed resource characterization has been performed that takes into account the diversity of the two recourses and the benefits of their optimum combination in an extended area and for various timescales. In particular, the main characteristics of the two resources, for the offshore area of Europe, have been analyzed in terms of availability, variability and potential impact from extreme values. Furthermore, an analysis of the two resources has been performed in terms of coherence and complementarity. For the areas indicated by the previous mentioned analysis the possible benefits from the combined use have been evaluated. Finally, an analysis has been performed in order to identify the optimum wind and wave energy mix that will increase the reliability of the system, in terms of availability and variability. The latter has been assessed for its sensitivity in different timescales and in areas of different characteristics.

Τα τελευταία χρόνια η ανάγκη για προστασία του περιβάλλοντος, εξοικονόμηση ενεργειακών πόρων και αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής οδήγησε στην ολοένα και αυξανόμενη εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). H εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Ένας από τους πιο δυναμικά αναπτυσσόμενους κλάδους των ΑΠΕ στηρίζεται στην εκμετάλλευση του υπεράκτιου αιολικού δυναμικού. Πολλές χώρες ανά τον κόσμο, με κυρίαρχες τις Ευρωπαικές, σαν επόμενο βήμα έχουν προσανατολίσει τους στόχους τους στην επέκταση των υπεράκτιων πάρκων σε περιοχές με ακόμη μεγαλύτερα βάθη. Παρόλο όμως που το δυναμικό είναι μεγαλύτερο, τα προβλήματα παραμένουν τα ίδια και συνοψίζονται στα ακόλουθα: στο κόστος εγκτάστασης, λειτουργίας, συντήρησης και στην διακύμανση της τελικής παραγόμενης ισχύος. Το τελευταίο αποτελεί ένα από τα πιo σημαντικά μειoνεκτήματα των ΑΠΕ και ένα από τα πιo σημαντικά θέματα προς επίλυση και διαχείρηση. Προς αυτήν την κατεύθυνση, λύση μπορεί να αποτελέσει η συνεκμετάλλευση του αιολικού και του κυματικού δυναμικού σε περιοχές που τα δύο δυναμικά παρουσιάζουν διαφορετικά χαρακτηριστικά. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής έγινε για πρώτη φορά προσπάθεια απο κοινού μελέτης του διαθέσιμου υπεράκτιου αιολικού και κυματικού δυναμικού, με υψηλή χωροχρονική ανάλυση και για εκτεταμένη περιοχή. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν τα βασικά χαρακτηριστικά του υπεράκτιου αιολικού και θαλάσσιου κυματικού δυναμικού της Ευρώπης όσον αφορά την διαθεσιμότητα και την μεταβλητότητα σε διάφορες κλίμακες ενώ στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μελέτη για τον εντοπισμό χωροχρονικών συσχετίσεων μεταξύ τους. Βάσει των αποτελεσμάτων αυτών, πραγματοποιήθηκε περαιτέρω ανάλυση αναφορικά με τα πλεονεκτήματα ή μη της κοινής χρήσης. Τέλος, πραγματοποιήθηκε συσχέτιση της βελτίωσης της παραγόμενης ισχύος με τα τοπικά φυσιογραφικά χαρακτηριστικά των περιοχών, τις διάφορες χρονικές κλίμακες και ανάλογα με το ποσοστό συμμετοχής κάθε δυναμικού στο τελικό ενεργειακό μείγμα.