Spatial decision support system for offshore wind farm siting using geographic information systems, spatial analysis and optimization

Abstract

Planning an offshore wind project is considered as a highly complex and multivariable task since it involves a large number of parameters, controversial objectives and constraints to be considered. During the pre-feasibility and pre-planning stages for offshore wind farm site-prospecting, the current manual and sequential design approaches are not always sufficient to guarantee optimal solutions because inherent interactions and trade-offs are most of the time disregarded. Most of the already existing wind energy design tools are specifically built either for onshore environments or for specific offshore activities; hence most of them ignore many relevant key design aspects extended in both space and time. In addition, with the rapid evolution of Geographic Information Systems (GIS) during the last two decades, numerous research studies, spatial modelling and spatial optimization approaches in the field of Renewable Energy Sources (RES) gained attention. Highlighting the promising results occurred, considering the planning and designing procedures of such projects, in the near future, geospatial technology with its numerous services and fields can effectively be utilized for timely analysis and future planning assessments.Considering the aforementioned challenges, this Ph.D. thesis proposes the development of a set of tools, as a Spatial Decision Support System (SDSS) entitled SpOWNED-Opt (Spatial Optimization for Offshore WiNd Energy Development), in order to model, map, evaluate and identify continuous space for future OWF siting, towards the mathematical programming approach, based on GIS data structures and algorithms. Thus, the proposed tool can be defined as a more integrated GIS-based framework for the pre-feasibility assessment as also for parts of the Front and Engineering Stage of the Design (FEED) for offshore wind farm site-prospecting procedures in the North and Central Aegean Sea in Greece. In particular, the SpOWNED-Opt approach proposes a multi-level methodological framework for integrating different spatial modelling tools separated at four stages of development. The first stage consists of all preparative steps considering data acquisition pre-processing along with the screening analysis module, based on the Maritime Spatial Planning (MSP) guidelines and the national legislative regulations. Vector and raster dataare used to express existing potential conflicts among human activities combined with socio-economic and environmental factors affecting the selection procedures. The second stage is linked to the cost assessment modules for the capital, operation and maintenance and decommissioning expenses (CAPEX, O&M and DECEX) approximation. An extensive review of all sub-cost components is carried out in order to formulate analytical expressions embedded in the SDSS. Moreover, graph-based optimization techniques are applied, based on Least Cost Path (LCP) algorithms upon raster surfaces in order to extract distance-based costs (transmission lines, installation, decommissioning and O&M costs).The third stage focuses on the energy yield estimation and wind power output variability based on the UERRA Regional Reanalysis data. Different probabilistic models (Weibull, Burr Type II and XII, Gen. Gamma), reanalysis data errors quantification, wind speed intermittent characteristics and the second-order dependence structure are examined, analyzed and modelled in order to stochastically generate wind power output time series that are served as inputs to the last stage of the SDSS. The final module refers to a multi-objective integer non-linear programming (INLP) algorithm; as a unified framework that allows exploring in a rigorous and systematic mode numerous alternatives for offshore wind farm site-prospecting. The economic viability and the performance of the proposed wind farms are assessed along with the optimality of the different scenarios, from which the best ones are finally identified and mapped.The novelty of this research lies both in the integrated nature of the SDSS and on the models used in the spatial modelling field. A critical advantage of the SDSS is that it addresses existing gaps in OWFs siting and overall, in RES location-allocation issues, by: i) introducing a holistic, step-by-step, spatial modelling framework, ii) providing a long-term planning approach, iii) implementing a user-friendly graphical user interface (GUI), giving the opportunity to national and local authorities and stakeholders to delineate systematic assessment strategies in order to succeed an effective and sustainable renewable energy sources penetration.

Οι διαδικασίες του σχεδιασμού, της αξιολόγησης και της χωροθέτησης ενεργειακών έργων, και πιο συγκεκριμένα Θαλάσσιων Αιολικών Πάρκων (ΘΑΠ), χαρακτηρίζονται από αρκετά μεγάλη πολυπλοκότητα και αβεβαιότητα. Η συνεκτίμηση διαφορετικών μεταβλητών και παραμέτρων, τα αμφιλεγόμενα συμφέροντα και στόχοι αλλά και οι περιορισμοί που ανακύπτουν, απαιτούν την υλοποίηση αναλυτικών μοντέλων διαχείρισης και μηχανισμών υποστήριξης λήψης βέλτιστων αποφάσεων. Τα ήδη υπάρχοντα εργαλεία διαχείρισης επικεντρώνονται είτε σε επίπεδο χωροθέτησης χερσαίων ενεργειακών έργων είτε σε μοντέλα μικρής κλίμακας και με στοχευμένη λειτουργικότητα για συγκεκριμένες διεργασίες. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την απουσία μίας ολοκληρωμένης διαχείρισης του προβλήματος στο χώρο και το χρόνο κατά τα αρχικά στάδια του σχεδιασμού ενός ΘΑΠ. Παράλληλα, η εξέλιξη των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (ΣΓΠ) και των Γεωεπιστημών γενικότερα τις τελευταίες δύο δεκαετίες αποτέλεσε ένα σημαντικό παράγοντα για την ανάπτυξη εφαρμογών, εργαλείων και μοντέλων χωρικής ανάλυσης στοχευμένα για τη διαχείριση και επίλυση προβλημάτων χωροθέτησης και αξιολόγησης ενεργειακών έργων. Αποτέλεσμα όλων αυτών των διεργασιών ήταν και είναι η ολοένα αποτελεσματικότερη μοντελοποίηση και αξιολόγηση των φυσικών και μη διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στον πλανήτη μας.Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην υλοποίηση ενός Συστήματος Υποστήριξης και Λήψης Χωρικών Αποφάσεων (ΣΥΛΧΑ), το SpOWNED-Opt (Spatial Optimization for Offshore WiNd Energy Development), για την χωροθέτηση ΘΑΠ, λαμβάνοντας υπόψιν ένα σύνολο χωρικών παραμέτρων και μεταβλητών. Προτεινόμενη περιοχή μελέτης αποτελεί το κεντρικό και Βόρειο Αιγαίο, δεδομένου τόσο του υψηλού αιολικού δυναμικού όσο και της γεωμορφολογικής του πολυπλοκότητας. Ο διαχωρισμός των υπο-μοντέλων του προτεινόμενου ΣΥΛΧΑ είναι πολύ-επίπεδος και εντοπίζεται σε τέσσερα διαφορετικά στάδια. Στο πρώτο στάδιο γίνεται η διαχείριση και η προ-επεξεργασία των δεδομένων ενώ παράλληλα αποτυπώνονται οι περιορισμοί αποκλεισμού με βάση τις αρχές του Θαλάσσιου Χωροταξικού Σχεδιασμού (ΘΧΣ) και του εθνικού νομοθετικού πλαισίου. Κατά το δεύτερο στάδιο γίνεται η συστηματική αξιολόγησητων οικονομικών δεδομένων για το ύψος της συνολικής επένδυσης αλλά, τα ετήσια κόστη λειτουργίας και συντήρησης αλλά και την απεγκατάσταση ενός ΘΑΠ, με τη σύνθεση αναλυτικών μοντέλων για κάθε μεταβλητή κόστους. Παράλληλα, με τη χρήση αλγόριθμων βέλτιστης χάραξης διαδρομών, βελτιστοποιούνται οι εκτιμήσεις για τα κόστη που συνδέονται με τον υπολογισμό αποστάσεων (ηλεκτρική διασύνδεση και κόστη εγκατάστασης, απεγκατάστασης και συντήρησης).Κατά το τρίτο στάδιο του ΣΥΛΧΑ γίνεται η αξιολόγηση και προσομοίωση των ανεμολογικών χαρακτηριστικών και της παραγόμενης ενέργειας, αξιοποιώντας δεδομένα μοντέλων αριθμητικής πρόγνωσης υψηλής ανάλυσης. Από την αξιολόγηση της πιθανοτικής συμπεριφοράς των χρονοσειρών ανέμου, της κυκλοστασιμότητας αλλά και της μακροχρόνιας αυτοσυσχέτισης των χρονοσειρών, γίνεται η στοχαστική σύνθεση χρονοσειρών ενέργειας συνεκτιμώντας την μεταβλητότητα της στο χώρο. Τέλος, το τέταρτο και τελευταίο στάδιο του ΣΥΛΧΑ αποτελείται από το χωρικό μοντέλο εύρεσης βέλτιστων περιοχών, βασιζόμενο στις δομές του ακέραιου μη-γραμμικού δυναμικού προγραμματισμού. Σκοπός είναι η αξιοποίηση των προηγούμενων αποτελεσμάτων προκειμένου να επιλεγούν μία ή περισσότερες βέλτιστες περιοχές για τη χωροθέτηση ΘΑΠ. Μέσα λοιπόν από ένα σύνολο εναλλακτικών σεναρίων, μπορούν να επιλεγούν οι βέλτιστες στρατηγικές για την χάραξη πολιτικής σε τοπικό και εθνικό επίπεδο με στόχο την βιώσιμη διείσδυση των ΑΠΕ στον ενεργειακό εθνικό σχεδιασμό.Η καινοτομία αλλά και ο τελικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η απόδοση: i) ενός ολιστικού εργαλείου ανάλυσης του χώρου που θα είναι εύκολα προσαρμόσιμο ως προς τα κριτήρια που εξετάζει, ii) η εξασφάλιση της επαναληπτικής διαδικασίας και ανάλυσης πολλαπλών εναλλακτικών σεναρίων για την λειτουργία των ΘΑΠ και iii) η συμπερίληψη όλων όσων προαναφέρθηκαν σε ένα εύχρηστο αλλά αποτελεσματικό γραφικό περιβάλλον που θα μπορεί να αξιοποιηθεί από τους αρμόδιους ενδιαφερόμενους φορείς αλλά και από την ερευνητική και ακαδημαϊκή κοινότητα.