2012-05-09 Kattegatt Offshore Teknisk beskrivning Havsbaserad vindkraftspark Falkenbergs kommun, Hallands län
Beställare: Favonius AB Konsult: Triventus Consulting AB Rapportdatum: 2012-05-09 Projektnummer: B03001-3 Författare: Patrik Lindström Granskad av: Victoria Nord Foto framsida: Dong Energy press picture (Gunfleet Sands)
INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1. DESIGN OCH TEKNIK... 4 1.1. VINDKRAFTVERK... 4 1.2. FUNDAMENT... 7 1.2.1. Monopilefundament... 7 1.2.2. Fackverksfundament... 8 1.2.3. Gravitationsfundament... 8 1.2.4. Erosionsskydd... 8 1.2.5. Korrosionsskydd... 9 1.3. TRANSFORMATORSTATION OCH INTERNT KABELSYSTEM... 9 1.3.1. Transformatorstation... 10 1.3.2. Landanslutningskabel... 11 1.3.3. Vindmätningsmaster... 12 2. BYGGNATION... 13 2.1. BYGGNATION AV FUNDAMENT... 14 2.2. MONTAGE AV VINDKRAFTVERK... 15 2.3. INTERNT LEDNINGSNÄT... 16 2.4. ANSLUTNING TILL ELNÄTET PÅ LAND... 16 2.5. TRANSPORTER... 16 2.6. SÄKERHET... 17 3. DRIFT... 17 3.1. ÖVERVAKNING OCH STYRSYSTEM... 17 3.2. SERVICE, UNDERHÅLL OCH REPARATIONER... 18 4. AVVECKLING... 19 3
1. DESIGN OCH TEKNIK I detta kapitel redogörs för de huvudsakliga komponenter och tekniker som används i verksamheten. Detta kapitel utgör även teknisk beskrivning för verksamheten. 1.1. Vindkraftverk Vindkraftverk har till syfte att omvandla vindenergin till elektricitet. Ett vindkraftverk består normalt av ett rörtorn i stål, betong eller en kombination av dessa. Rotorn är trebladig och är tillverkad i en kombination av främst glasfiber och kolfiber. I vissa fall används trä till viss del. Rotorn är monterad på ett maskinhus. I maskinhuset finns en generator, hydraulik, styrutrustning. Ofta finns även en växellåda (Figur 1), men om generatorn är direktdriven saknas detta (Figur 2). Figur 1. Principskiss av maskinhus med växellåda. ( Nordex press picture) 4
Rotorn och maskinhuset vrider sig efter vinden. Därutöver regleras vinkeln på de tre rotorbladen kontinuerligt för att optimera verkets funktion och produktion. När det blåser lite fångar verket så mycket vindenergi som möjligt. Vid högre vindstyrkor ställs rotorbladen om så att en del av vindenergin kan passera. Vridningen medför ökad effektivitet vid olika vindhastigheter och innebär att generatorn måste kunna rotera med variabelt varvtal. Möjligheten till vridningen innebär att produktionen optimeras vid exempelvis byig vind eller vid turbulenta förhållanden. Normalt driftintervall för vindkraftverk till havs ligger mellan 3-30 m/s, de har alltså en högre cut-out speed än landbaserade verk, vilket ökar driftstiden och elproduktionen. Vid vindstyrkor över tillåtna värden stängs vindkraftverken av automatiskt. Rotorns varvtal är beroende av vindhastigheten och vindkraftverkets rotordiameter. Ju större rotordiameter verket har desto lägre varvtal vid samma Figur 2. Principskiss av maskinhus direktdriven. ( Siemens press picture) vindhastighet. Sammantaget innebär dessa parametrar att energiproduktionen kan anpassas efter vad elnätet behöver samtidigt som minimal ljudnivå erhålls. Rotorbladen förses med åskledare för avledning av eventuella blixtnedslag i verket. De vindkraftverk som inte har en traditionell växellåda har istället en direktdriven generator. Oavsett vilken konstruktion som väljs i det aktuella fallet är teknisk prestanda tämligen identisk och påverkan får anses likvärdig, eventuellt med undantag för driftsljud under vatten vilket härrör från växellådan (se vidare kap. 5.4 i MKB). Figur 3. Beskrivning av mått på vindkraftverk. Tornet består generellt av fyra till fem delar av stål som skruvas samman. Tornen kan även bestå av betonghalvor som hålls samman med vajer eller av en kombination av stål och betong. Tornen är 5
generellt försedda med servicehiss och/eller ett stegsystem. I nedre delen av tornet kan transformator, spänningsomvandlare eller skåp för kontrollsystem placeras om denna utrustning inte är placerad i maskinhuset. Normalt är vindkraftverken färgsatta i en gråvit färg för att begränsa kontrastverkan mot bakgrunden. Antalet vindkraftverk som kan etableras inom vart och ett av de föreslagna områdena beror till stor del på hur stort avstånd mellan verken som behövs. Detta är beroende av vilken typ och storlek av vindkraftverk som upphandlas. De vindkraftverk som idag finns på marknaden har en rotordiameter på mellan 90 och 126 meter och navhöjder på mellan 80 och 100 meter. Totalhöjderna varierar typiskt mellan 140 och 170 meter. Förklaring av måtten återfinns i Figur 3. Val av leverantör kommer att ske genom upphandling. Det slutliga valet av vindkraftverk är beroende av vem som blir leverantör i projektet. Storlek och effekt varierar i nuläget relativt kraftigt mellan leverantörer och mellan olika typer. På marknaden återfinns idag flera leverantörer av vindkraftverk för placering till havs, s.k. offshoreverk. Utifrån de tillgängliga typerna på marknaden kan tre olika storleksklasser utläsas, se urval av idag tillgängliga modeller i Tabell 1. Figur 4 visar exempel på ett av marknadens vanligaste offshoreverk. Tabell 1. Urval av tillgängliga vindkraftverk för offshore Tillverkare Typ Effekt (kw) Rotor (m) Navhöjd (m) Totalhöjd (m) Status Typ mycket stor AMSC SeaTitan 10000 190 125 220 Prototyp Vestas V164 7000 164 107 189 Prototyp Nordex N150 6000 150 100 175 Prototyp Typ stor REpower 6M 6150 126 95 158 I testdrift REpower 5M 5075 126 100 163,0 Marknad Areva M5000 5000 116 90 148,0 I testdrift General Electric GE 4.0-110 4000 110 Valfri ~150 I testdrift Siemens SWT 3.6 3600 120 Valfri ~150 Marknad Typ små Figur 4. Siemens SWT 3,6 vid Gunfleet Sands, England. ( Ashley Dace / CC-BY-SA-3.0). Siemens SWT 2.3 2300 101 Valfri ~150 Marknad Vestas V90 3000 90 105 ~150 Marknad 6
1.2. Fundament Vindkraftverken monteras på någon typ av fundament. Det finns flera olika typer av fundament som kan komma att bli aktuella och valet beror till stor del på djup och bottenförhållanden. Vanligast är monopile, följt av gravitationsfundament och fackverksfundament ( jackets ) (Figur 5). Övriga typer som kan vara aktuella, t ex så kallade tripoder är i grunden varianter av dessa principer och beskrivs därför inte särskilt. Inom området för Kattegatt Offshore kan det bli aktuellt att använda olika typer av fundament för olika delar av området. Med dagens teknik bedöms det mest lämpligt med en kombination av monopile- (djup under 25 meter) och fackverksfundament (djup över 25 meter). Slutligt val av fundament kommer ske efter att en detaljerad geoteknisk utredning har gjorts för varje aktuell plats för vindkraftverk, mätmast/er samt transformatorstation/er. Det är först efter att denna utredning är gjord som lämpligheten av de olika fundament som finns tillgängliga kan göras och man vet vilken/vilka som är tekniskt möjliga för de aktuella platserna. Figur 5. Principskisser över vanliga typer av fundament: fackverksfundament för större djup (vänster) och medelstort djup (mitten) samt monopile och gravitationsfundament för medelstort djup (mitten) och mindre djup (höger). ( Ramböll Wind) 1.2.1. Monopilefundament Monopilefundament består av ett enda stålrör som pålas ner i botten. Röret har en diameter på ca 5-6 meter, eventuellt kan något kraftigare dimension behövas för de största vindkraftverk som nu finns på marknaden. Pålningen görs så långt ner det behövs för att uppnå tillräcklig hållfasthet vilket är beroende av bottentyp. Exakt hur långt ner det behöver pålas tas fram vid detaljprojektering men vid andra liknande pålningar räknar man med ett pålningsdjup på ca 25-30 meter. Ovanpå monopilefundamentet sitter en infästningsdel för vindkraftverken. Denna gjuts normalt fast på fundamentet. 7
1.2.2. Fackverksfundament Fackverksfundament består av en stålställning som fästs på pålar som slagits ner i botten på 4-5 platser. Pålningen genomförs på samma sätt som för monopile men eftersom det är en mindre diameter på pålarna krävs inte lika kraftiga slag. 1.2.3. Gravitationsfundament Ett gravitationsfundament kan ställas direkt på botten eller grävas ned en liten bit. Fundamentet är rundat och kraftigast nedtill (ca 20-25 meter i diameter) och smalnar av uppåt. Det består vanligen helt eller delvis av betong som fyllts med ballast. 1.2.4. Erosionsskydd Runt alla fundament läggs ett erosionsskydd i form av sten. Detta gäller oavsett vilken typ av fundament som används och funktionen är i princip densamma. Runt en monopile läggs erosionsskyddet typiskt i en radie på ca 10-15 meter från fundamentet. Runt ett gravitationsfundament är området runt fundamentet mindre men istället används sten vid grundförstärkningen (se vidare kap. 2.1). erosionsskyddet bedöms uppgår till ca 1000 m 3 per vindkraftverk, dvs totalt upp till ca 50 000 m 3. Figur 6. Erosionsskyddselement av betong. Dessa kan läggas runt vindkraftverkets fundament i lämplig formation. SeaCult Det finns idag även alternativ teknik för erosionsskydd som är utformad för att förstärka positiva reveffekter. Dessa kan eventuellt användas istället för erosionsskydd av sten. Exempel på sådan teknik illustreras av Figur 6. Vilken typ av erosionsskydd som skall användas, samt den exakta mängden sten som behövs, utarbetas vid detaljprojektering. 8
Teknisk beskrivning Kattegatt Offshore 1.2.5. Korrosionsskydd De delar av fundamentet som är av stål och är placerade ovan vattenytan målas med rostskyddande färg och de delar som ligger under vattenytan är katodiskt korrosionsskyddade. Katodiskt korrosionsskydd är standard på offshoreanläggningar och -installationer som plattformar, rörledningar och hamnar. Tekniken baseras på att s.k. offeranoder svetsas fast på den struktur som skall skyddas och dessa korroderar då istället för stålet. Korrosionsskyddets utformning utarbetas vid detaljprojektering. 1.3. Transformatorstation och internt kabelsystem Mellan vindkraftverken nedläggs ett internt ledningsnät av växelströmskablar (i storleksordningen 36 kv). Kablarna är normalt nedgrävda i botten men kan, om så är lämpligt, även ligga på botten och utrustas med kabelskydd istället (Figur 7). Figur 7. Kabelskydd av betong. SeaCult 9
1.3.1. Transformatorstation Kablarna leder ström från varje enskilt verk till transformatorstationen som vanligen placeras i anslutning till vindkraftverken. Denna står då på eget fundament. Exempel på transformatorstation syns i Figur 8. Figur 8. Transformatorstationen vid Lillgrunds vindkraftspark. ( Siemens press picture) Transformatorstationen kommer troligen placeras inne i vindkraftsparken men om så skulle vara mer fördelaktigt kan den även placeras mellan vindkraftsparken och land. Ett särskilt område har identifierats för detta ändamål, se Figur 9. Notera att det inte är säkert att transformatorstationen hamnar inom detta område, om inte så placeras den inom vindkraftsområdet. Figur 9. Särskilt område där transformatorstation eventuellt placeras. 10
1.3.2. Landanslutningskabel Anslutning av parken till elnätet planeras ske vid Falkenberg. Nätägare i området samt ägare till mottagningsstationen är Falkenberg Energi. Mellan transformatorn och nätanslutningspunkten på land förläggs anslutningsledningen med en dimension på ca 145 kv. Kabeln förläggs inom den kabelkorridor som definieras i ansökan som kan ses i Figur 10. Kablarna är normalt nedgrävda i botten men kan, om så är lämpligt, även ligga på botten och utrustas med kabelskydd istället (Figur 7). Exakt kabeldragning samt val av teknik för nedläggning bestäms vid detaljprojektering. Figur 10. Kabelkorridor. När man nått land går kabeln vidare till mottagningsstation 130/10 kv Falkenberg Norra enligt Figur 11. I denna anslutningspunkt till 130 kv regionnät finns kapacitet att ta emot ca 300 MW. På denna sträcka kommer kabeln vara nedgrävd. 11
Figur 11. Kabelsträckning mellan landstigningspunkten (b) och mottagarstation (c). Anslutningskabeln kommer ha en längd på ca 10 km till havs samt ca 2 km på land d.v.s. totalt 12 km. Det interna nätet bedöms totalt bli ca 25-40 km beroende på storlek på vindkraftsparken. 1.3.3. Vindmätningsmaster En eller två vindmätningsmaster kommer att uppföras för att mäta vindresurserna i området. Om masterna placeras på monopile- eller fackverksfundament är dessa av betydligt klenare diameter än de som används för vindkraftverken. Diametern på en monopile för mast är ca 2 meter och en sådan beräknas behöva pålas ned ca 15 m i botten. 12
2. BYGGNATION Innan vindkraftverken kan tas i drift planeras för en byggnationsperiod då man anlägger fundament, monterar vindkraftverk och lägger ned kabel. Vindmätningsmaster uppförs vanligtvis separat och ca 1-2 år innan byggnation av vindkraftsparken påbörjas. Byggnationen kan pågå året runt, med undantag för perioder då det ligger is eller om det fastställs villkor om biologiska skyddsperioder. Det är mest praktiskt och kostnadseffektivt att samordna de olika momenten så att byggnation inom de olika delmomenten kan pågå parallellt. Ofta bor personalen ombord på anläggningsfartygen så att byggnationen kan pågå dygnet runt, alternativt så bor de i land och transporteras ut till arbetsplatsen i skift. Vindkraftverken och övriga komponenter transporteras vanligtvis direkt från producenten till en närliggande hamn för omlastning. Det sistnämnda är mest troligt. Transporterna till Figur 12. Transport av fackverksfundament. alpha ventus vindkraftsparken kan ske antingen genom att man lastar komponenterna på ett lastfartyg eller att komponenterna dras på en flytande flotte eller liknande (Figur 12). Anläggningstiden är starkt beroende av faktorer som tillgång till vindkraftverk, anslutningsmöjligheter och tillgång till entreprenörer, varför en specificerad byggnationsperiod inte kan anges i nuläget. I Tabell 2 återfinns ett principiellt byggnationsschema som utgår från en total byggnationsperiod om ca ett år, exklusive förberedande vindmätning. 13
Tabell 2. Principiellt tidsschema. 1 Moment Förberedande Period 1 Period 2 Period 3 Period 4 Mätmast x Flytt av sten (x) Fundament monopile/jacket x x Fundament - gravitation x x x x Kablar x x Transformator x Vindkraftverk x x x 2.1. Byggnation av fundament Fundament av monopile- och fackverkstyp slås ned i botten med hjälp av ett fartyg med pålningsutrustning. Fartyget är antingen flytande eller s.k. jack-up (Figur 13) vilket innebär att det kan ställa sig på botten och sedan höja däcket en bit ovan vattenytan (se även Figur 14). Ett jack-up-fartyg erbjuder en betydligt stabilare grund för alla arbeten till havs och är inte lika väderkänsligt som ett flytande fartyg. Jack-up-fartygets ben kräver en viss bärkraftighet och tränger ned i botten till dess att denna är tillräcklig, vilket bedöms vara mellan 2 och 15 meter beroende på bottentyp. Om pålningen inte kan genomföras p.g.a. att det ligger stenar eller andra hårda objekt i botten används kompletterande teknik, t ex borrning. Själva pålningen tar typiskt ett par timmar men kan vara avklarad på under en timme vid gynnsamma förhållanden. Hela proceduren Figur 13. Jack-up-fartyg med kran. 2009 HOCHTIEF Construction AG inklusive omlastning tar ca 6-8 timmar för ett monopilefundament och efter detta monteras kabelanslutningen och infästningsdelen för vindkraftverket fästs i fundamentet. 1 Den totala tidsutdräkten bedöms vara ca ett år. Med period avses en tid som motsvarar ett kvartal, där fördelningen anpassas efter villkor i tillståndet. 14
Gravitationsfundament ställs direkt på botten och man börjar därför med att grundförstärka med kraftigare material. Ju mjukare botten är desto djupare behöver man gräva. Efter detta fyller man urgrävningen med kraftigare material. Gravitationsfundament byggs på land och fraktas till platsen där sedan fundamentet placeras på förstärkningen. Fundamentet fylls med ballast och ett skydd, vanligen i form av en stålring, placeras runt fundamentets nedersta del. Typiskt tar det ca 3 dagar att gräva ur för grundförstärkningen och ca 3 dagar att fylla igen. Nedsänkning och fyllning av fundament bedöms ta ca 1-2 dagar per fundament. Utöver det fartyg som används till pålning och/eller nedsänkning av gravitationsfundament behövs kompletterande fartyg för transport av delar och personal, säkerhetsfartyg, eventuellt extra jack-up fartyg med mera. Innan byggnationen påbörjas samt under tiden kan det även vara aktuellt att flytta sten. Stenen återanvänds normalt som erosionsskydd/rev. Byggnation av fundament för transformatorstation och vindmätningsmast/-er är i allt väsentligt likvärdig med ovanstående. 2.2. Montage av vindkraftverk Vindkraftverket monteras normalt med hjälp av en kran från ett eller flera jack-up-fartyg. Först monteras torndelarna och sedan lyfts nacellen, som är den tyngsta delen, upp och fästs i tornet. Rotor och nav monteras antingen ihop nere på plattformen, för att sedan i ett stycke lyftas upp och fästas på nacellen (Figur 14), eller så monteras varje del individuellt. Figur 14. Montage av rotor. alpha ventus 15
Ankomstplattformar, stegar och annan utrustning monteras effektivast och säkrast från jackup-fartyget samtidigt som vindkraftverket, men kan även monteras senare vid behov. Det är rimligt att anta att det kan monteras ett till två vindkraftverk om dagen (när förhållanden medger). 2.3. Internt ledningsnät Det interna kabelnätet förläggs från ett specialfartyg där kabeln ligger i rullar på däck. Man kan lägga kabeln direkt på botten, vilket framförallt är aktuellt på hårda partier, men för att skydda kabeln mot till exempel fiskeredskap och ankare samt minska det elektromagnetiska fältet är det ofta lämpligt att gräva ned kabeln i botten. Om kabelskydd behöver anläggas görs detta normalt samtidigt som kabeln läggs ned. Beroende på vilket skydd man vill ha för kabeln kan kabeln grävas ned olika djupt, upp till ca 10 meter vid behov. Man kan även tänka sig att kabelskydd är att fördera om man t ex vill möjliggöra trålning eller ankring i ett visst område. Nedsänkning i botten sker normalt medelst plöjning eller spolning. 2.4. Anslutning till elnätet på land Landanslutningskabeln plöjs eller spolas normalt ned i botten. På grundare vatten kan det även vara aktuellt att förgräva en ränna och lägga kabeln i. Även denna kabel kan ligga fri på botten och utrustas med kabelskydd om denna teknik är att föredra, vilket även kan bli nödvändigt om man stöter på större sten eller andra hårdheter. Om så blir nödvändigt skyddas kabeln med ett erosionsbeständigt material, exempel beskrivs i kap. 1.2.4. Alternativt så flyttas stenen till annan plats så att kabeln kan grävas ned. Kabelns slutliga dragning kommer att märkas ut och anmälas till Sjöfartsverket enligt gällande bestämmelser. 2.5. Transporter Närmast belägna hamn är Falkenberg och det är troligt att åtminstone en del av transporterna kan utgå därifrån. Vissa transporter kommer troligen utgå från större hamnar i Sverige eller utomlands. 16
2.6. Säkerhet Under byggnationen av vindkraftsparken kommer hela eller delar av området avlysas som arbetsområde. Detta görs av säkerhetsskäl. Arbetsområdet kommer vid behov även utvidgas utanför vindkraftparkens yttre gräns. Arbetsområdet skall utmärkas med SSA av typen specialmärke (lysprick med fyrkaraktären FI Y 3s 3 M). I god tid innan byggnationen kommer erforderliga beslut och samråd att hållas för att slutligen fastställa arbetsområdets omfattning och utmärkning. Sjöfartsverket kommer sedan att meddelas senast tre veckor innan arbeten påbörjas i enlighet med gällande bestämmelser. Om behov finns kommer en bevakningsbåt att finnas för att säkerställa att obehöriga inte uppehåller sig inom arbetsområdet. 3. DRIFT När byggnationen slutförts kopplas vindkraftsparken in på nätet och spänningssätts. Efter leverantören genomfört erforderliga tester av verken tar verksamhetsutövaren över verken. Detta kallas take-over och förkortas TOC. 3.1. Övervakning och styrsystem Vindkraftverken utrustas med styrsystem som automatiskt larmar om eventuella fel. Vissa felkoder leder till automatisk avstängning. Driftövervakning och felavhjälpning sker via fjärrövervakning. Verksamhetsutövaren ansvarar för detta kontrollcenter som antingen sköts av personal från vindkraftverkstillverkaren, driftbolaget eller från ett fristående serviceföretag. Vid mindre driftstörningar kan vindkraftverken startas om via fjärrmanövrering. Vid större störning krävs avhjälpande på plats, varefter verken startas lokalt. Kontrollcentret behöver inte nödvändigtvis ligga nära vindkraftsparken men det är vanligt att det är fysiskt placerat i anslutning till serviceorganisationen. 17
3.2. Service, underhåll och reparationer Underhållet sker dels i form av planerad service och underhållsarbete och dels i form av reparationer. Med reparationer menas i detta sammanhang de arbeten som behöver genomföras oplanerat. Större reparationer, såsom t ex utbyte av större komponenter, kan kräva fartyg av samma typ som använts vid byggnationen. Den planlagda servicen utgörs typiskt av besiktning, analys av oljeprover, byte av oljefilter, smörjning, kontroll av bultar och eventuellt byte av olja och bromsklossar. Funktions- och säkerhetstester av vindkraftverken ingår ofta också i den planlagda servicen som sker cirka två gånger per år. Utifrån vad som framkommer vid service eller vad som rapporteras via övervakningssystemen utförs planerade underhållsarbeten. Akuta fel som orsakar driftsstopp avhjälps fortast möjligt. Inspektion av kablar och fundament görs regelbundet. Figur 15. Mindre servicefartyg (ca 15 m). Offshore Wind Power Marine Services Ltd Under driftfasen är det viktigt att ha utrustning och båtar som möjliggör ankomst under så stor del av tiden som möjligt, samt att personalen har rätt utbildning så att man kan arbeta även under tuffa förhållanden. Arbeten och transporter genomförs dock inte vid perioder med hårt väder, t ex vid höga vågor eller kraftig vind. Oftast är det servicefartygens prestanda som avgör vilka säkerhetsrutiner man har med avseende på detta. Vindkraftsparken bedöms ha behov av ett eller två servicefartyg (Figur 15). Katamaraner med en längd på ca 15-25 meter och maximal hastighet på 25 knop är en vanlig skeppstyp för ändamålet, men detta kan givetvis variera. 18
4. AVVECKLING Vid avveckling av verksamheten monteras vindkraftverken ner och transporteras bort. Påverkan från detta kan i stort likställas med påverkan under byggnation. I princip kan allt material (plast, metall, vätskor) återvinnas. Materialvärdet kommer troligen inte överstiga nedmonteringskostnaderna så erforderliga medel behöver avsättas för detta. Det görs i form av en ekonomisk säkerhet ställd till det allmänna, vilken normalt även kompletteras med att verksamhetsutövaren själv avsätter medel. Vilken omfattning av återställningen som är miljömässigt motiverat avgörs lämpligen i samråd med tillsynsmyndigheten i samband med framtagande av en avvecklingsplan. De alternativ som i nuläget bedöms som möjliga är att antingen avlägsna ner till pålar eller grundförstärkningar eller att lämna kvar hela eller delar av fundamenten. 19