Assessing the Norwegian Offshore Wind Resources: Climatology, Power Variability and Wind Farm Siting

Abstract

De norske havvindressursene er fantastiske. Likevel er det ingen operative vindparker i de norske havvområdene. Tatt i betraktning både utslippsmål og forventet økning i elektrisitetsforbruk har regjerningen nå begynt å vise interesse for kraftproduksjon til havs. Å utnyttelse de norske havvområdene til vindkraftproduksjon krever en storskala kartlegging og økt kunnskap om vindressursene. Denne doktorgradsavhandlingen tar for seg kartlegging av vindressursene, tilhørende vindkraftestimat, reduksjon av uønskede hendelser i vindkraftproduksjonen, og optimal plassering av fremtidige havvindparker. Observasjoner og data fra "the 3 km Norwegian Reanalysis (NORA3)'' danner datagrunnlaget for resultatene i avhandlingen.

Resultatene er fordelt på fire forskningsartikler. Den første artikkelen ser på hvordan vi kan utnytte den naturlige variasjonen i værsystemene til fordel for vindkraftproduksjonen. Artikkelen svarer på mye vi kan forvente å redusere vindkraftvariabilitet ved å koble sammen vindparker i Nordsjøen og Norskehavet. Ved å koble sammen produksjonssteder vil uønskede vindkrafthendelser, som variabilitet og null-hendelser, reduseres drastisk. I tillegg har vi sett på hvilke værsystemer som er forbundet med langvarige null-hendelser. Typisk vil langvarige null-hendelser, hvor vinden er for svak til å generere vindkraft, sammenfalle med et høytrykk lokalisert over de sammenkoblede vindparkene. På den andre siden, langvarige null-hendelser forårsaket av veldig høy vind vil typisk være forbundet med et lavtrykk nord for de sammenkoblede vindparkene.

Den andre artikkelen tar for seg hvorvidt NORA3 kan egne seg som et vindressursgrunnlag i planleggingsfasen av nye havvindprosjekter. Ved hjelp av statistiske metoder gjennomfører vi en grundig validering av vinddataene fra NORA3 i typiske vindturbinhøyder. Konklusjonen er at NORA3 er godt egnet for vindkraftestimering, men at datasettet tenderer mot å gi konservative estimat. For eksempel, modellen underestimerer den observerte vindkraftproduksjonen fordi modellen overestimerer antall hendelser med vind under en typisk nominell vindhastighet (u <11-13 $\mathrm{ ms^{-1}}$), og underestimerer antall hendelser med høy vindhastighet (u >11-13 $\mathrm{ ms^{-1}}$).

I artikkel tre presenterer vi et nytt vindkraftrelatert datasett: "NORA3-WP: A high-resolution offshore wind power dataset for the Baltic, North, Norwegian, and Barents Seas''. Datasettet er basert på NORA3, og dekker områdene Nordsjøen, Østersjøen og deler av Norskehavet og Barentshavet. NORA3-WP er åpent tilgjengelig for nedlastning, og er generert for å tilrettelegge for at forskere, politikere og besluttningstakere enkelt skal ha tilgang til vindressurser og vindkraftrelatert data i planleggingsfasen av nye havvindprosjekter. NORA3-WP er det første vindkraftrelaterte datasettet som dekker hele den norske økonomiske sonen (NØS).

I den siste artikkelen tar vi i bruk relevante datasett (bl.a NORA3-WP) for å presentere den første kartleggingen av hvor egnet de norske havområdene er for vindkraftutbygging. Vi bruker en metode kalt "multi-criteria decision analysis (MCDA)'' i tillegg til "analytical hierarchical process (AHP)'' hvor vi inkluderer kriterier innenfor vindressurser, teknoøkonomiske aspekt, sosial aksept, miljøhensyn og maritime begrensninger knyttet til vind- og bølgeforhold. Resultatet genereres gjennom en baseaktør. Denne aktøren har ikke sterke preferanser for ett sett av kriterier, men ser derimot viktigheten av en et prosjekt med økonomisk lønnsomhet, samt lav forutsetning for potensielle arealkonflikter. Hvor robuste resultatene er blir testet ved å opprette andre aktører med mer distinkte kriteriepreferanser for en fremtidig havvindpark: "investoren'', "miljøaktivisten'' og "fiskeren''. Resultatene viser at den sørlige delen av NØS er relativt sett den best egnede og mest motstandsdyktige regionen for havvindutbygging. Den norske delen av Barentshavet og langs kysten av Midt-Norge er også områder som er godt egnet for havvindproduksjon, men her er resultatene mindre motstandsdyktige mot endringer i hvilke kriterier som er viktige.

The Norwegian offshore wind resources are outstanding. Yet, no wind farms are commissioned in the Norwegian waters. Considering emission reduction targets and predicted increase in electricity demand, the Norwegian government has in the recent years started to look towards the marine environment for energy extraction. Exploiting the offshore area for wind power deployment requires large-scale mapping and improved understanding of the Norwegian offshore wind resource characteristics. This thesis deals with wind resource assessment and related wind power estimates, mitigation of unwanted wind power production events, and wind farm siting considering the Norwegian offshore area. Observations and data from "the 3 km Norwegian Reanalysis (NORA3)'' form the basis for the results in this thesis.

The results from this thesis are divided into four research papers. The first paper deals with mitigation of wind power intermittency through interconnection of allocated wind farms in the North and Norwegian Seas using observations. By interconnecting production sites unwanted power events, like variability and zero-production events, were drastically reduced. In this paper we also investigate the main atmospheric circulation associated with long-lasting zero-events. The average atmospheric pattern resulting in too low winds for power production is a associated with a high-pressure system located over the connected sites. Whereas, the average atmospheric situation associated with too strong winds is a low-pressure systems located to the north of the connected sites.

The second paper investigates whether NORA3 can serve as a wind resource dataset in the planning phase of new wind farm projects. We carry out an in-depth near-hub-height validation of the wind resources in NORA3 towards offshore wind power using different statistical measures. We conclude that NORA3 is well suited for wind power estimates, but gives slightly conservative estimates on the offshore wind metrics. For example, the model output is biased towards lower wind power estimates due to an overestimation of the wind speed events below typical rated wind speed limits (u <11-13 $\mathrm{ ms^{-1}}$) and an underestimation of high wind speed events (u >11-13 $\mathrm{ ms^{-1}}$).

In the third paper we present a new high resolution wind power related dataset named "NORA3-WP: A high-resolution offshore wind power dataset for the Baltic, North, Norwegian, and Barents Seas''. The dataset is based on NORA3 and covers the North Sea, the Baltic Sea and parts of the Norwegian and Barents Seas. NORA3-WP is an open access dataset intended for use in research, governmental management and for stakeholders to attain relevant wind resource and wind power information in the planning phase of a new wind farm project. NORA3-WP is the first wind power related dataset covering the entire Norwegian economic zone (NEZ).

In the fourth paper we assembly multidisciplinary datasets (NORA3-WP, among others) presenting the first mapping of wind power suitability scores (WPSS) for the entire Norwegian offshore area. The method used to generate the WPSS is a Multi-criteria decision analysis (MCDA) framework including an analytical hierarchical process (AHP) approach considering wind resources, techno-economic aspects, social acceptance, environmental considerations, and met-ocean constraints. Results are obtained through a baseline scenario representing a decision-maker that does not prioritize one set of criteria strongly, but realizes the importance of selecting areas that are economically sound as well as having a low potential for social conflicts. We test the robustness of the results obtained in the baseline scenario by including three different actors with distinct preferences for siting of a wind farm: "the investor'', "the environmentalist'', and "the fisherman''. The results show that the southern part of NEZ is the region that is most suitable and robust for offshore wind power deployment. Offshore areas in the Norwegian part of the Barents Sea and the near-coastal areas outside mid-Norway are also suited, but these regions are rather sensitive to tuning of the criteria importance.