دانلود رایگان مقاله ارزیابی طول عمر یک سکوی دریایی چند منظوره

چکیده

        به خاطر افزایش تقاضا در استفاده از محدوده اقیانوس برای تولید انرژی و غذا، استفاده های چند منظوره از نواحی دریایی دارای اهمیت بوده است. در اینجا، یک طرح متحرک قابل شناور جدید وجود دارد که مبدل های انرژی بادی و موجی را مرتبط نموده و برحسب قابلیت پایداری زیست محیطی بررسی شده است. LCA به عنوان روش شناسایی، برای ارزیابی ظرفیت های زیست محیطی محصول/کارایی شامل تمامی مراحلی که تجربه می نمایند، بوده است که آنها را به ابزاری عالی برای تعیین ظرفیت های زیست محیطی سیستم های انرزی تجدیدپذیر تبدیل می کند به خاطر اینکه در طول عملیات به طور قابل ملاحظه ای کمتر تحت فشار قرار گرفته اند. در این بررسی، LCA در مزرعه تولید انرژی ، تشکیل شده از سکوهای چند کاربرده بادهای غیرساحلی، اجرایی شده است. نتایج نشان داده اند که تولید این سکوها به عنوان منبع اصلی آلودگی بوده است. در مرحله تولید، قسمت های ثابت و متحرک و نقطه مهار کردن دارای سهم اصلی بوده و WEC ها دارای سهم کوچکی بوده اند. مصرف مواد به عنوان منبع اصلی برای ظرفیت ها در طول سلسله مراحل سیستم بوده و در نتیجه نسبت های بازیافت در انتهای طرح های موجود در نظر گرفته شده و تحت برخورد نتایج کلی بوده اند. پیاده سازی مفهوم شناور چندمنظوره برای موقعیت های مختلف نتایجی متفاوت را ارائه می دهد که با عامل ظرفیت و فاصله ها تغییر می نماید. مقایسه بین سیستم های نیمه شناور و سکوهای با SPAR همراه با نتایجی قابل مقایسه برحسب ظرفیت های زیست محیطی و همچنین مصرف مواد به پایان رسیده است.

1. مقدمه

        سکوهای باد غیرساحلی چندمنظوره به عنوان ساختارهایی نوین بوده که هنوز در مرحله طراحی می باشند. چنان که توسط مقالات خلاصه شده ارزیابی گردیده است، محصولات بدست آمده بر برخوردهای زیست محیطی از تمامی عوامل تحت برخورد واقع شده است. چنین تصویری بر اهمیت ارزیابی نمونه به نمونه برای ساختارهای انرژی باد غیرساحلی تاکید می نماید. 

        آن به عنوان حقیقتی شناخته شده می باشد که تولید انرژی از منابع انرژی تجدیدپذیر به جای سوخت های فسیلی به خاطر ظرفیت های زیست محیطی کمترشان ترجیح داده شده و همچنین سیاست های با وابستگی کمتر به نفت باعث هدایت دولت ها به افزایش نرخ تولید انرزی از منابع تجدیدپذیر می شود. با توجه به IPCC (2011)، 20% از نیاز انرژی جهانی امکان دارد که تا سال 2050 با انرژی بادی تولید شود. انرژی بادی به وسیله چرخش روتور توسط نیروی باد به برق تبدیل شده است. سیستم های انرژی بادی به عنوان تکنولوژی هایی به خوبی ثابت شده هستند که اساسا ً توربین های محور افقی استفاده شده اند اگرچه توربین های محور عمودی نیز وجود دارند. استفاده از نواحی باد غیرساحلی برای تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر در دهه های اخیر افزایش یافته است. در سال 2014، 2488 توربین بادی با ظرفیت ثابت 8045.3 مگاوات در 74 زمین باد غیرساحلی در سراسر اروپا عمل نموده است. در یک سال با میزان باد متوسط، 29.6 تراوات برق در این زمین های باد غیرساحلی تولید شده که 1% از انرژی کل اتحادیه اروپا را تامین می نماید (EWEA, 2015). نواحی غیرساحلی به خاطر عدم وجود مانع و همچنین سرعت های بالای باد ترجیح داده شده است. در نتیجه، در حالی که قسمت های توربین با توجه به نواحی نزدیک ساحل و دور از ساحل تغییر ننموده اند، نوع فونداسیون (جاذبه، تک ستون، سه پایه و پوشش فولادی) به خاطر ارتفاع آب روی زمین های باد غیرساحلی تغییر می نماید. در نواحی عمیق تر دور از ساحل، توربین های بادی متحرک نیز نصب شده اند. 

        مبدل های انرژی موج (WEC) به عنوان راه دیگری از ایجاد انرژی تجدیدپذیر با استفاده از فضای دریایی تولیدکننده برق با استفاده از انرژی جاذبه امواج  بوده اند. انرژی پتانسیل کل امواج  روی زمین محاسبه شده است برای اینکه 8000 تا 80000 تراوات ساعت به ازای هر سال باشد (Soerensen and Weinstein, 2008) و این پتانسیل بالا منجر به طراحی و استفاده از انواع مختلفی از WEC ها از سال 1970 شده است. اولین WEC تجاری، LIMPET 500 بوده که برق را با اصل ستون آبی نوسان کننده (OWC) تولید می کند و در بریتانیا از سال 2000 اجرایی شده است. هوا در WEC هایی از نوع OWC به خاطر حرکت موجی فشرده است و این هوای فشرده به توربین برای حرکت چرخشی فشار می آورد. بیش از 100 نوع WEC وجود دارد که صرفنظر از معیارهای مختلفی همانند موقعیت وسیله در برابر خط ساحلی (خط ساحلی، نزدیک ساحل، دور از ساحل)، موقعیت وسیله در برابر جهت امواج (نقطه جاذب، تضعیف کننده، پایان دهنده) و اصول تبدیل (OWC ، ابزارهای برتری جستن، گروه فعال موجی) (Koca et al., 2013) می تواند به روش های متنوع دسته بندی شود. 

         استفاده از نواحی ساحلی و دریایی برای تولید انرژی دارای گرایشی فزاینده بوده، همچنین افزایش جمعیت بشر باعث افزایش تقاضا برای تولید بیشتر آبزی پروری و حمل و نقل شده است. این موارد به استفاده رقابتی از نواحی دریایی منجر شده است. در نتیجه، احتمال یکپارچه سازی کاربردهای مختلف در ساختارهای دور از ساحل یا استفاده از نواحی دریایی یکسان برای اهداف متعدد، به همین علت با عنوان چندمنظوره نامیده شده، ظهور نموده است. مطالعاتی مرتبط با زمینه های مختلف از فضای دریایی چند منظوره وجود دارد که روش های مختلف از تولید انرژی تجدیدپذیر دریایی را ترکیب می نماید (Astariz et al., 2015; Michailides et al., 2016; Castro-Santos et al., 2016; etc.) و همچنین انرژی تجدیدپذیر دریایی را با آبزی پروری ترکیب می کند (Michler-Cieluch and Krause, 2008; Buck et al., 2010; Hooper and Austen, 2014; etc.) . استفاده چندمنظوره از فضای دریایی همچنین توسط اتحادیه اروپا با پروژه هایی به نام چارچوب 7 و افق 2020 حمایت شده است. امکان پذیری مفهوم های طراحی مختلف همراه با ترکیب کاربردهای متنوع در مفاد پروژه های طرح ریزی شده (Url-1, Url-2, Url-3) بررسی گردیده است.

        ارزیابی چرخه عمر (LCA) به طور گسترده ای برای ارزیابی ظرفیت های زیست محیطی سیستم های انرژی تجدیدپذیر استفاده شده است. به خاطر ماهیت مقداری، مقایسه نتایج زیست محیطی ناشی از سیستم های تولید انرژی مختلف را تسهیل می نماید. به علاوه، آن به کارکرد زیست محیطی بهینه در محدوده حالت انتخابی تولید انرژی اشاره می نماید.

        مطالعات LCA مختلفی وجود دارد که برای زمین های در معرض باد موجود یا برنامه ریزی شده اجرایی گردیده و نتایج این مطالعات تفاوت می کند با وجود اینکه کنترل توربین های بادی با تکنولوژی ها و ساختارهای مشابه مشابه بوده است (Lenzen and Munksgaard, 2002). دلایل امکان پذیر این نتایج متفاوت به عنوان مواد استفاده شده در توربین ها، نسبت فلزات مختلف پذیرفته شده به عنوان مصالح، طول عمر قطعات توربین (Raadal et al., 2014)، عامل ظرفیت (Raadal et al., 2011)، موقعیت قرارگیری باد (Guezuraga et al., 2012; Raadal et al., 2014; Tsai et al., 2016)، نسبت ترکیب انرژی در ناحیه (Oebels and Pacca, 2013)، نوع فونداسیون (Raadal et al., 2014)، فعالیت های O&M و غیره ذکر شده اند. (Tremeac and Meunier, 2009; Guezuraga et al., 2012; Raadal et al., 2014) .

         مرور مطالعات مرتبط با LCA سیستم های انرژی بادی توسط Arvesen and Hertwich (2012) نشان می دهد که بیشترین مقدار از انتشار امواج توسط تولیدات قسمت های توربین فراهم شده است. فونداسیون نیز قسمتی مهم را برای توربین های بادی دور از ساحل (OWTs)، در طول سلسله مراحل توربین بادی، به عهده می گیرد. انتشار گاز گلخانه ای (GHG) به ازای 1 کیلووات ساعت تولید انرژی برابر 20 ± 14 بوده و 16 ± 9.6 گرم کربن دی اکسید معادل به ترتیب برای توربین های بادی نزدیک ساحل و دور از ساحل (Arvesen and Hertwich, 2012) بوده است. Kaldellis and Apostolou (2017) روی مقایسه ارزش اثر سوخت و زمان باز پس دادن انرژی (EPBT) توربین های بادی نزدیک ساحل و دور از ساحل تمرکز می نماید. صرف نظر از تقاضای مقادیر بالاتر و مواد مختلف برای ساخت و ساز و استفاده از توربین های بادی دور از ساحل که در برابر شرایط زیست محیطی دشوار مقاومت کرده اند، مقادیر آثار سوخت ساختارهای اشاره شده به وضوح بالاتر از موارد نزدیک به ساحل بوده است. با این وجود توربین های بادی دور از ساحل دارای عملکرد انرژی بالاتر با مقادیر EPBT کمتر به خاطر منابع بادی عظیم تر دور از ساحل بوده اند. برای توربین های بادی دور از ساحل و همچنین نزدیک به ساحل، مرحله ساخت حدود 80 تا 90 درصد کمک کرده و O&M دارای حدود 5 تا 20 درصد مشارکت در برخورد زیست محیطی کل بوده است (Kaldellis and Apostolou, 2017).. توربین های بادی دور از ساحل به منابع بیشتری نیاز داشته، با این وجود به خاطر عوامل ظرفیت بالای دور از ساحل مقادیر انتشارشان نزدیک به توربین های نزدیک ساحل می باشد. با توجه به Arvesen and Hertwich (2012) عوامل ظرفیت با خوشبینی بیشتری نسبت به واقعیت تخمین زده شده که اثرات زیست‌محیطی را به ازای 1 کیلووات ساعت تولید برق کاهش داده و تخمین های مختلف روی نسبت مواد در تولید قسمت های توربین استفاده شده است چون تفاوت در نتایج LCA و همچنین طرح های انتهای پرونده (EoL) در محدوده وسیعی تغییر می کند. Davidsson et al. (2012) همچنین اشاره کرده اند که عوامل ظرفیت طراحی شده تخمینی و نسبت بازیافت بالاتر بوده است در مقایسه با موقعیت واقعی در طرح مطالعاتی که تکمیل کرده بوند. درخواست انرژی انبوه (CED) و بازگرداندن انرژی به نیروگذاری (EROI) به عنوان پارامتری دیگر علاوه بر EPBT بوده که عملکرد انرژی توربین های بادی را تعریف می نماید. این پارامترها به شدت تحت برخورد نسبت های بازیافتی به کار گرفته شده در طول مرحله EoL توربین بادی قرار گرفته اند (Huang et al., 2017). 

        پساب های انسانی و برخوردات تنفسی مواد معدنی درک شده برای اینکه علاوه بر تغییرات اقلیمی برای توربین های بادی نزدیک ساحل و دور از ساحل تحلیل شده در اثرات زیست‌محیطی مهم دسته بندی شود (Bonou et al., 2016). Kouloumpis et al. (2013) توضیح می دهد که اسیدی سازی، انباشتگی آب، کاهش لایه اوزون، پتانسیل آب تازه و آبزی پروری کمتر توسط تولید انرژی از انرژی بادی تحت برخورد قرار گرفته اند و برعکس، مسمومیت اکوسیستم زمین و پتانسیل تقلیل بی جان به خاطر استفاده از منابع بیشتر تحت برخورد واقع شده است. Kouloumpis et al. (2013) همچنین توجه ها را به حقایقی جلب می نماید که باید برای عدم مسمومیت بیشتر آب مراقب باشیم در حالی که برای جلوگیری از تغییر اقلیم نیز تلاش می کنیم.

ABSTRACT

        Due to increasing demand in the use of ocean space for energy and food production, multi-purpose use of marine areas is under concern. Here, a novel semi-submersible floating platform, which unites wave and wind energy converters, is investigated in terms of environmental sustainability. LCA is a methodology, to assess environmental burdens of a product/function including all the phases it experiences, which makes it a perfect tool to determine environmental burdens of renewable energy systems due to their considerably lower impacts during operation. In this study, LCA of an energy farm, constituted of multi-use offshore platforms was executed. Results showed manufacturing of the platform is the main source of pollution. In the manufacturing phase; fixed, moving and mooring parts are the main contributors and the WECs make a minor contribution. Material consumption is the main source for burdens during the life cycle of the system hence recycling ratios considered at the end of life scenarios affect the overall results. Implementation of multi-use floating concept to different locations gives various results changing with the capacity factor and the distances. The comparison between semi-submersible system and the spar platform ended up with comparable results both in terms of environmental burdens and material consumption.

1. Introduction

        Multi-use offshore platforms are novel structures which are still at design stage. As indicated by the outlined literature survey, outputs obtained on environmental impacts are affected from quite a lot of factors. Such a picture emphasizes the importance of case by case evaluation for offshore energy structures.

        It is a well-known fact that energy generation from renewable energy resources instead of fossil fuels is preferred due to their lower environmental burdens, and also low carbon policies lead governments to increase the ratio of energy generation from renewable sources. According to IPCC (2011) 20% of the world's energy need might be generated from wind energy by the year 2050. Wind energy is converted into electricity by means of turning the rotor by wind power. Wind energy systems are well established technologies where mainly horizontal axis turbines are used although vertical axis turbines also exist. The use of offshore areas for energy generation from renewables has increased in the last decades. In 2014, 2 488 wind turbines with 8 045.3 MW installed capacity in 74 offshore wind farms are operated through Europe. In an average wind year, 29.6 TWh energy is generated in these offshore wind farms which supplies 1% of the total energy in European Union (EWEA, 2015). Offshore areas are preferred due to absence of obstruction and also high wind speeds. Hence while the turbine parts do not change according to the onshore or offshore area, type of the foundation (gravity, monopile, tripod, and steel jacket) varies due to water depth on offshore wind farms. In deeper offshore areas, floating wind turbines are also installed.

        Wave energy converters (WEC) are another way of producing renewable energy using marine space generating electricity by using the energy of gravity waves. Total wave energy potential on Earth is calculated to be 8 000–80 000 TWh per year (Soerensen and Weinstein, 2008) and this high potential results in design and installation of a variety of WEC prototypes since 1970s. First commercial WEC, LIMPET 500, which generates electricity with Oscillating Water Column (OWC) principle, has been operating in Britain since 2000. Air is compressed in OWC type WECs due to wave motion and this compressed air forces the turning movement of the turbine. There are more than hundreds types of WECs which can be classified in several ways regarding different criteria such as device location vs. shoreline (shoreline, inshore, offshore), device location vs. wave direction (point absorber, attenuator, terminator) and conversion principle (OWC, Overtopping Devices, Wave Activated Bodies) (Koca et al., 2013).

        Use of coastal and ocean areas to produce energy has a tendency of increase, also the rise of human population elevates demand for more aquaculture production and transportation. This results in competitive usage of marine areas. Thus, integration possibilities of different usages in offshore structures or using same sea area for several purposes, so called multi-use concept, is emerged. There are studies related to various aspects of multi-use of marine space combining different methods of marine renewable energy production (Astariz et al., 2015; Michailides et al., 2016; Castro-Santos et al., 2016; etc.) as well as combining marine renewables and aquaculture (Michler-Cieluch and Krause, 2008; Buck et al., 2010; Hooper and Austen, 2014; etc.). Multi-use of ocean space is also encouraged by European Commission with project calls in Framework 7 and Horizon 2020. Feasibility of different design concepts bringing together combination of several usages are examined in the context of funded projects (Url-1, Url-2, Url-3).

        Life Cycle Assessment (LCA) has been widely used for assessing environmental burdens of renewable energy systems. Due to its quantitative nature, it eases comparison of environmental consequences arising from different energy generation systems. Besides it points out the optimal environmental outputs within a chosen mode of energy generation.

        There are various LCA studies which are carried out for existing or planned wind farms and the results of these studies vary despite handling wind turbines with similar technologies and structures (Lenzen and Munksgaard, 2002). The possible causes of these diverse results are outlined as the materials used in the turbines, the ratio of different metals adopted as materials, lifetime of the turbine parts (Raadal et al., 2014), capacity factor (Raadal et al., 2011), wind park location (Guezuraga et al., 2012; Raadal et al., 2014; Tsai et al., 2016), energy mix ratios in the region (Oebels and Pacca, 2013), foundation type (Raadal et al., 2014), O&M activities, etc. (Tremeac and Meunier, 2009; Guezuraga et al., 2012; Raadal et al., 2014).

        The review of studies related to LCA of wind energy systems by Arvesen and Hertwich (2012) shows that the biggest amount of the emissions is generated from production of turbine parts. Foundation also takes an important part for offshore wind turbines (OWTs), during the life cycle of the wind turbine. Greenhouse Gas (GHG) emissions per 1 kWh energy production are 20 ± 14 and 16 ± 9.6 gCO2-equivalents for onshore and offshore wind turbines respectively (Arvesen and Hertwich, 2012). Kaldellis and Apostolou (2017) focuses on comparison of carbon footprint and energy payback time (EPBT) values of onshore and offshore wind turbines. Regarding higher amount and different material demand for construction and installation of offshore wind turbines which withstand harsh environmental conditions, carbon footprint values of mentioned structures are clearly higher than the onshore ones. However, offshore wind turbines have higher energy performance with shorter EPBT values due to greater offshore wind resource. For both offshore and onshore wind turbines, construction phase contributes ~80 to 90% and O&M has ~5 to 20% share in the total environmental impact (Kaldellis and Apostolou, 2017). Offshore wind turbines need more source; however, their emission amounts are close to onshore turbines due to high capacity factors offshore. According to Arvesen and Hertwich (2012) capacity factors are estimated more optimistic than reality which decreases environmental impacts per 1 kWh electricity generation and different estimations on material ratios used in turbine part production cause difference in the LCA results and also End of Life (EoL) scenarios varies in a wide range. Davidsson et al. (2012) also points out that estimated design capacity factors and recycle ratios are higher compared to actual situation in the review study they completed. Cumulative energy demand (CED) and energy return on investment (EROI) are the other parameters in addition to EPBT that defines energy performance of a wind turbine. These parameters highly affected by applied recycling ratios during EoL phase of a wind turbine (Huang et al., 2017).

        Human toxicity and impacts from respiratory inorganics were found to be the significant environmental impact categories besides climate change for onshore and offshore wind turbines analysed (Bonou et al., 2016). Kouloumpis et al. (2013) states that acidification, eutrophication, ozone layer depletion, freshwater and marine aquatic potential are less affected by energy production from wind energy and on the contrary terrestric ecotoxicity and abiotic depletion potential are affected more due to resource use. Kouloumpis et al. (2013) also draw attention to the fact that we must be careful not to increase water toxicity while trying to prevent from climate change.

چکیده

1. مقدمه

2. مواد و روش ها

2.1 جمع آوری اطلاعات

2.2 فهرست گیری از مدت عمر محصولات

2.2.1 توربین بادی دور از ساحل و سکوی WEC

2.2.2 ایستگاه فرعی دور از ساحل

2.2.3 کابل های ولتاژ قوی و ولتاژ متوسط

2.2.4 حمل و نقل

2.2.5 عملیات اجرایی و تعمیر و نگهداری

2.2.6 استفاده از سطح

2.2.7 طرح های پایان چرخه (EoL)

2.2.8 کیفیت داده

3. بحث و نتیجه گیری

3.1 دورنمای کلی

3.2 تحلیل طرح ها

3.3 دیگر مفاهیم غوطه وری

4. نتیجه گیری نهایی

منابع

ABSTRACT

1. Introduction

2. Material and method

2.1. Data collection

2.2. Life cycle inventory

2.2.1. Offshore wind turbine and WEC platform

2.2.2. Offshore substation

2.2.3. High voltage and medium voltage cables

2.2.4. Transportation

2.2.5. Operation and maintenance (O&M)

2.2.6. Land use

2.2.7. End of life (EoL) scenario

2.2.8. Data quality

3. Results and discussion

3.1. General outlook

3.2. Scenario analysis

3.3. Other floating concepts

4. Conclusion

References