Sustainable siting of offshore wind farms

Abstract

A major global goal is to reduce the carbon footprint of energy power generation. There will be a significant role for offshore wind farms (OWFs) in the new era of renewable energy. Land-use conflicts, together with the growing demand for green energy and the untapped offshore wind potential, contribute to the development of OWFs. It remains an open research question regarding their sustainable siting. This is because: (i) there is a need for the islands to generate energy on their own; (ii) there are long distances to the mainland; and (iii) there is a high potential for offshore wind. In most cases, wind power potential is located at sea and primarily in areas with significant depth, making it impossible to install fixed wind turbines. Clean energy could be produced by floating wind farms, which can be deployed in deep waters. As part of the next stage, it is essential to consider both the potential visual impact of the emerging sites as well as the techno-economic assessment to ensure their acceptability. In the first stage of this study, the objective was to examine the most commonly used methods and to identify what suggestions might be made to improve this approach. The aim was to evaluate already published methodologies in peer-reviewed papers during the last eight years, compare them, and identify them according to their geographical location, journal type, foundation type, and methodology dimension. The reviewed articles are distributed across 34 different scientific journals, with the majority appearing in the journals Renewable Energy, Renewable and Sustainable Energy Reviews, and Energies; the majority of the studies conducted were conducted in Turkey, China, and Greece; half of the papers reviewed employed multi-criteria decision-making methods; most studies are concerned with bottom-fixed technologies for OWFs, which are the most popular and most frequently used technologies today. The 80 papers reviewed were divided into five categories based on the methodologies used: Marine Spatial Planning, Feasibility Analysis, Probabilistic Methods, Meteorological Data, and Multi-Criteria Decision Making. The 80 papers analysed were categorized based on 170 criteria, resulting in a final set of 41 criteria. In the second part of this thesis, the objective was to identify the most suitable marine areas for the development of OWFs, using the Analytical Hierarchy Process and Geographic Information Systems, as well as the 14 exclusion criteria and 16 evaluation criteria. An extensive range of local stakeholders and experts have been consulted in this study, taking into account the specific characteristics of the island of Crete. Seven different commercially available models are used to assess the energy capacity of the high-suitable marine areas. Additionally, a geographical information system-based technique was developed in parallel in order to identify the most suitable areas in the Cretan Sea for the installation of floating wind farms according to their energy characteristics. To determine the most suitable areas for their sustainable siting, the available areas were analysed on the basis of energy, techno economic, environmental, safety, and project nuisance criteria. There were three areas that were ranked as the most suitable for energy production, and their energy characteristics were evaluated. The thesis then presented a comprehensive and multi-layered techno-economic analysis of the Gulf of Heraklion, Crete, based on the emerging areas. As part of the thesis, three different techno-economic scenarios for the installation and operation of wind turbines were evaluated, including both bottom-fixed and floating turbines. Using the WAsP program, the energy efficiency of wind turbines is analysed under various wind conditions, and the technical specifications and estimated equipment contribute to a global assessment of wind turbine performance. Further, by analyzing costs such as Levelized Cost of Energy (LCOE), Installation Cost (CAPEX), Operating Expenses (OPEX), and Decommissioning Costs (DECEX), as well as indicators such as Payback Time, Internal Rate of Return (IRR), net cash flows, and net present value (NPV), a comprehensive picture of the financial and time profile of the selected types of wind turbines is obtained. As a final objective, this study tested existing tools for assessing the visual impact of OWFs. It was also suggested that improvements be made when it was discovered that the factors did not correspond to reality. In order to minimize the visual impact, the adopted methodology compared the results from the original Spanish method, Spanish method II, Greek legislation, local people surveys, and novel combinations of scenarios. The software tools AutoCAD, ArcGIS, and Google Earth were also employed. As a result of the previous stage of analysis, Kissamos, Western Crete, was chosen for the study. Moreover, an additional methodology was developed that quantified the visual impact, compared the results with the opinions of nearby citizens, and suggested an approach that is realistic. Interviews were conducted in August in order to meet as many people as possible since these villages were primarily tourist destinations. According to most respondents, the distance from environmental interest areas was the most important criterion for choosing suitable sites for development. Based on the results of the study, it was determined that the final available area for OWF siting is 205.5 km2; 126.25 km2 of high suitability with a potential of 620 to 900 MW. Additionally, the role floating wind farms can play in the case of Crete is emphasized, as they can cover up to 56% of the island's energy needs and provide electricity for 396,000 households. The techno-economic analysis revealed a range of values for energy, focusing on the middle and highest values. As a result of this observation, it was possible to determine the most ideal scenario for investment efficiency. Through its analytical approach, this thesis examined the factors that affect the efficiency, sustainability, and competitiveness of offshore wind energy in this special region, highlighting the opportunities and challenges associated with the adoption of this technology. As a final step, a strategic direction for political, economic, and environmental decision-making is provided. Lastly, the results of visual impact methodologies indicated that the original Spanish method deviated by 88.0% from the public opinion, and, therefore, that the method needs to be improved considering current data. On the contrary, one of the new suggested scenarios was verified to be more concise and accurate, reaching a deviation of 19.7%. In addition, according to the results of the methodology (Greek legislation), the first limitation is met in both examined scenarios, resulting in minimal or no visual impact. In addition, respondents stated that they would not experience any optical disturbances as a result of an offshore wind farm in their region. In addition, 64% of respondents are positive or very positive about renewable energy exploitation, while only 11% are against it, regardless of their age.

Ένας σημαντικός παγκόσμιος στόχος είναι η μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου όσον αφορά στην παραγωγή ενέργειας. Σημαντικό ρόλο θα διαδραματίσουν τα υπεράκτια αιολικά πάρκα (ΥΑΠ) σε αυτό το στόχο, τα επόμενα χρόνια. Οι συγκρούσεις χρήσεων γης, μαζί με την αυξανόμενη ζήτηση για πράσινη ενέργεια και το αναξιοποίητο υπεράκτιο αιολικό δυναμικό, θα συμβάλλουν στην ανάπτυξη των ΥΑΠ. Η βιώσιμη χωροθέτησή τους αποτελεί ένα ανοιχτό ερευνητικό ερώτημα, διότι: (i) υπάρχει η ανάγκη για ενεργειακή ανεξαρτησία των νησιών (ii) υπάρχουν μεγάλες αποστάσεις από την ηπειρωτική χώρα και (iii) υπάρχει αναξιοποίητο αιολικό δυναμικό για παραγωγή υπεράκτιας αιολικής ενέργειας. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το υψηλό αιολικό δυναμικό εντοπίζεται στη θάλασσα και κυρίως σε περιοχές με μεγάλο βάθος, καθιστώντας αδύνατη την εγκατάσταση ανεμογεννητριών σταθερής έδρασης. Συνεπώς, καθαρή ενέργεια θα μπορούσε να παραχθεί από πλωτά αιολικά πάρκα, τα οποία μπορούν να αναπτυχθούν σε βαθιά νερά. Ως μέρος του επόμενου σταδίου αυτής της διατριβής, εφόσον προκύψουν οι κατάλληλες περιοχές, είναι να ληφθούν υπόψη τόσο η πιθανή οπτική όχληση από το αιολικό πάρκο των προτεινόμενων τοποθεσιών όσο και η τεχνοοικονομική αξιολόγηση, με στόχο να διασφαλιστεί η αποδοχή τους. Στο πρώτο στάδιο αυτής της μελέτης, ο στόχος ήταν να εξεταστούν οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μέθοδοι χωροθέτησης ΥΑΠ και να εντοπιστούν ποιες προτάσεις θα μπορούσαν να γίνουν για τη βελτίωση αυτής της προσέγγισης. Ο στόχος ήταν να αξιολογηθούν οι ήδη δημοσιευμένες μεθοδολογίες σε άρθρα με κριτές των τελευταίων οκτώ ετών, να συγκριθούν και να κατηγοριοποιηθούν σύμφωνα με τη μελέτη περίπτωσης (γεωγραφική περιοχή), το περιοδικό, τον τύπο της ανεμογεννήτριας και το είδος της μεθοδολογίας. Τα εξεταζόμενα άρθρα κατανεμήθηκαν σε 34 διαφορετικά επιστημονικά περιοδικά, με τα περισσότερα να εμφανίζονται στα περιοδικά «Renewable Energy», «Renewable and Sustainable Energy Reviews» και «Energies». Η πλειοψηφία των μελετών διεξήχθησαν στην Τουρκία, στην Κίνα και στην Ελλάδα. Το 50% των ερευνών που εξετάστηκαν χρησιμοποίησαν μεθόδους λήψης αποφάσεων πολλαπλών κριτηρίων. Οι περισσότερες μελέτες αφορούσαν τεχνολογίες σταθερής έδρασης για ΥΑΠ, οι οποίες είναι οι πιο δημοφιλείς και πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες σήμερα. Οι 80 μελέτες που εξετάστηκαν χωρίστηκαν σε πέντε κατηγορίες με βάση τις μεθοδολογίες που χρησιμοποιήθηκαν: Θαλάσσιος Χωροταξικός Σχεδιασμός, Ανάλυση Σκοπιμότητας, Πιθανολογικές Μέθοδοι, Μετεωρολογικά Δεδομένα και Πολυκριτηριακές Μέθοδοι. Οι 80 εργασίες που εξετάστηκαν κατηγοριοποιήθηκαν με βάση 170 διαφορετικά κριτήρια που χρησιμοποίησαν και ομαδοποιώντας τα προέκυψε ένα τελικό σύνολο 41 κριτηρίων. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής, στόχος ήταν ο εντοπισμός των καταλληλότερων θαλάσσιων περιοχών για την ανάπτυξη των ΥΑΠ, χρησιμοποιώντας την μέθοδο Αναλυτικής Ιεράρχησης και τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών, καθώς και 14 κριτήρια αποκλεισμού και 16 κριτήρια αξιολόγησης. Σε αυτή τη μελέτη ζητήθηκε η γνώμη ενός εκτεταμένου φάσματος τοπικών φορέων και ειδικών, λαμβάνοντας υπόψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του νησιού της Κρήτης. Επτά διαφορετικά εμπορικά διαθέσιμα μοντέλα ανεμογεννητριών χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της ενεργειακής αξιολόγησης των θαλάσσιων περιοχών που ήταν «πολύ κατάλληλες». Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκε παράλληλα μια τεχνική βάσει συστήματος γεωγραφικών πληροφοριών, προκειμένου να εντοπιστούν οι καταλληλότερες περιοχές στην Κρήτη για την εγκατάσταση πλωτών αιολικών πάρκων ανάλογα με τα ενεργειακά τους χαρακτηριστικά. Για τον προσδιορισμό των καταλληλότερων περιοχών για την βιώσιμη χωροθέτησή τους, οι διαθέσιμες περιοχές αναλύθηκαν με βάση ενεργειακά κριτήρια, τεχνοοικονομικά, περιβαλλοντικά, ασφάλειας, καθώς και όχλησης. Τρεις ήταν οι περιοχές που αναδείχθηκαν ως οι καταλληλότερες για εγκατάσταση των πλωτών ΥΑΠ, αξιολογώντας τα ενεργειακά τους χαρακτηριστικά. Στη συνέχεια, η διατριβή παρουσίασε μια ολοκληρωμένη τεχνοοικονομική μελέτη στο Ηρακλείο Κρήτης, περιοχή που αναδείχθηκε κατάλληλη από την προηγούμενη φάση της παρούσας έρευνας. Στα πλαίσια της διατριβής, αξιολογήθηκαν τρία διαφορετικά τεχνοοικονομικά σενάρια για την εγκατάσταση και λειτουργία ανεμογεννητριών, συνδυασμού, σταθερής και πλωτής έδρασης. Χρησιμοποιώντας το λογισμικό WAsP, η ενεργειακή απόδοση των ανεμογεννητριών αναλύθηκε υπό διάφορες συνθήκες ανέμου και οι τεχνικές προδιαγραφές και ο εκτιμώμενος εξοπλισμός συνέβαλαν σε μια συνολική αξιολόγηση της απόδοσης των ανεμογεννητριών. Στη συνέχεια, αναλύοντας κόστη όπως το ισοσταθμισμένο κόστος ενέργειας (LCOE), το κόστος εγκατάστασης (CAPEX), τα λειτουργικά έξοδα (OPEX) και τα κόστη παροπλισμού (DECEX), καθώς και δείκτες όπως ο χρόνος αποπληρωμής (PP), ο εσωτερικός συντελεστής απόδοσης (IRR), καθαρές ταμειακές ροές και καθαρή παρούσα αξία (NPV), λήφθηκε μια ολοκληρωμένη προσέγγιση του οικονομικού και χρονικού προφίλ των επιλεγμένων τύπων ανεμογεννητριών. Ως τελικός στόχο, η παρούσα διατριβή εξέτασε τα υπάρχοντα εργαλεία για την αξιολόγηση της οπτικής όχλησης των ΥΑΠ. Προτάθηκε επίσης να γίνουν βελτιώσεις όταν διαπιστώθηκε ότι οι υπάρχουσες μέθοδοι δεν ανταποκρίνονταν στην πραγματικότητα. Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η οπτική όχληση, η μεθοδολογία που υιοθετήθηκε σύγκρινε τα αποτελέσματα της αρχικής ισπανικής μεθόδου, της ισπανικής μεθόδου II, της ελληνικής νομοθεσίας, και των αποτελεσμάτων από τις γνώμες των κατοίκων της εξεταζόμενης περιοχής. Χρησιμοποιήθηκαν επίσης τα εργαλεία λογισμικού AutoCAD, ArcGIS και Google Earth. Επιλέχθηκε για τη μελέτη περίπτωσης ο κόλπος της Κισάμου, Δυτική Κρήτη, ως κατάλληλη περιοχή από το προηγούμενο στάδιο της παρούσας έρευνας. Επιπλέον, αναπτύχθηκε μια ακόμη μεθοδολογία που ποσοτικοποίησε την οπτική όχληση, σύγκρινε τα αποτελέσματα με τις απόψεις των κατοίκων της εξεταζόμενης περιοχής και πρότεινε μια προσέγγιση που είναι πιο κοντά στην πραγματικότητα. Οι συνεντεύξεις έλαβαν μέρος τον Αύγουστο για να συγκεντρωθεί όσο το δυνατόν μεγαλύτερο δείγμα, καθώς αυτές οι περιοχές-χωριά ήταν κυρίως τουριστικοί/καλοκαιρινοί προορισμοί. Σύμφωνα με τους περισσότερους ερωτηθέντες, η απόσταση από περιοχές περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος ήταν το πιο σημαντικό κριτήριο για την επιλογή κατάλληλων τοποθεσιών για την ανάπτυξη ΥΑΠ. Με βάση τα αποτελέσματα της μελέτης, η τελική διαθέσιμη περιοχή για την χωροθέτηση των ΥΑΠ ανέρχεται 205,5 km2. Τα 126,25 km2 από τη συνολική επιφάνεια αξιολογήθηκαν με υψηλή καταλληλόλητα και με χωρητικότητα εγκατεστημένης ισχύος περίπου από 620 έως 900 MW. Επιπρόσθετα, τονίστηκε ο ρόλος που μπορούν να διαδραματίσουν τα πλωτά αιολικά πάρκα στην περίπτωση της Κρήτης, καθώς μπορούν να καλύψουν έως και το 56% των ενεργειακών αναγκών του νησιού και να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε 396.000 νοικοκυριά. Η τεχνοοικονομική ανάλυση χρησιμοποίησε δύο σενάρια τιμών για την ενέργεια, μία μεσαία και μία υψηλή. Ως αποτέλεσμα αυτής της προσέγγισης, κατέστη δυνατό να προσδιοριστεί το ιδανικότερο σενάριο για τις αποφάσεις της εξεταζόμενης επένδυσης. Μέσα από την αναλυτική της προσέγγιση, η παρούσα διατριβή εξέτασε τους παράγοντες που επηρεάζουν την αποδοτικότητα, τη βιωσιμότητα και την ανταγωνιστικότητα της υπεράκτιας αιολικής ενέργειας σε αυτή την ιδιαίτερη περιοχή, επισημαίνοντας τις ευκαιρίες και τις προκλήσεις που συνδέονται με την υιοθέτηση αυτής της τεχνολογίας. Ως τελικό βήμα, παρέχεται μια στρατηγική κατεύθυνση για τη λήψη πολιτικών, οικονομικών και περιβαλλοντικών αποφάσεων. Τέλος, τα αποτελέσματα των μεθοδολογιών οπτικής όχλησης έδειξαν ότι η αρχική ισπανική μέθοδος απέκλινε κατά 88,0% από τις γνώμες των κατοίκων. Ως εκ τούτου, η μέθοδος χρήζει βελτίωσης, λαμβάνοντας υπόψη τα σημερινά δεδομένα. Αντιθέτως, ένα από τα νέα προτεινόμενα σενάρια έδειξε ότι είναι πιο συνοπτικό και ακριβές, φτάνοντας σε πολύ μικρότερη απόκλιση της τάξεως του 19,7%. Επιπλέον, σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μεθοδολογίας (ελληνική νομοθεσία), ο πρώτος περιορισμός πληρούταν και στα δύο εξεταζόμενα σενάρια, με αποτέλεσμα η οπτική όχληση να είναι ελάχιστή έως καθόλου. Παράλληλα, σύμφωνα με τα αποτελέσματα, οι περισσότεροι ερωτηθέντες δήλωσαν ότι δεν θα αντιμετωπίσουν σημαντική οπτική όχληση από την ανάπτυξη ενός υπεράκτιου αιολικού πάρκου στην περιοχή τους. Τέλος, το 64% των ερωτηθέντων απάντησε θετικά όσον αφορά την εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ενώ μόνο ένα μικρό ποσοστό της τάξεως του 11% απάντησε αρνητικά, ανεξαρτήτως ηλικίας.