Estimation of Norwegian wind farm degradation using a performance index accounting for local wind resources

Abstract

Vindkraft er forventet å være en viktig del av utviklingen i den norske energisektoren. Det er viktig å vite hvordan vindparkene presterer i løpet av sin levetid, og hvordan dette påvirker kraftsystemet som helhet. Et viktig aspekt i denne sammenheng er hvordan vindturbiner degraderer. Denne oppgaven vil derfor ta for seg hvordan en vindturbins ytelse minker i løpet av levetiden.

Studien består av 15 vindparker spredt over hele Norge. Først beregnes forventet kraftproduksjon ved hjelp av ERA5-værdata og offentlig tilgjengelig informasjon om vindparkene. Denne sammenlignes deretter med faktiske produksjonsdata for å finne en "ytelsesindeks" (performance index). Endringene i denne indeksen danner grunnlaget for en årlig degraderingsrate.

Den gjennomsnittlige årlige degraderingen ble funnet til å være 1, 00 ± 0, 22%. Dette innebærer at vindparkene etter 20 år vil produsere omtrent 82% av sin opprinnelige kapasitet. Videre vil denne degraderingen føre til en økning i LCOE på 6,8 %, noe som vider vil kunne påvirke strømprisene. Disse resultatene krever en endring i forutsetningene for fremtidige vindparkprosjekter, ettersom dette er betydelig høyere enn det som antas i bransjen i dag.

For å finne potensielle faktorer som påvirker degraderingsratene, ble det utført tre delstudier. I den første testen ble vindparkene delt inn i tre grupper etter beliggenhet for å finne ut om det lokale klimaet ville påvirke resultatene. Den andre testen ble utført for å finne ut om det var forskjeller i degradering mellom turbinene avhengig av alder. Til slutt ble degraderingen delt inn i fire kvartal for å vurdere om disse effektene varierte med værforholdene. Det ble konkludert med at det ikke var signifikante forskjeller mellom gruppene.

Degraderingen som ble funnet i oppgaven, er høyere enn i Sverige, men lavere enn i Storbritannia. Dette kan tyde på at vindturbiner degraderes raskere i kystklima enn i innlandsklima. Faktorer som høy gjennomsnittlig vindhastighet, mye nedbør og eksponering for salt ser derfor ut til å påvirke degraderingsraten i større grad enn lave temperaturer og ising.

Wind power is expected to be an increasingly important part of the development in the Norwegian energy sector. Knowing how the wind farms perform over their lifetime and how this affects the power system as a whole, is important knowledge when considering further investments. An important aspect in this regard is the degradation of wind turbines. This thesis will therefore study the lifetime development of a wind farms performance.

The study consists of 15 wind farms spread across Norway. To find the rate of degradation, the expected power production is calculated using ERA5 weather data and publicly available information on the wind farms. This is then compared with actual production data to find a "performance index". The changes in this index provides the basis for a yearly degradation rate.

The average yearly degradation was found to be 1.00 ± 0.22%. This implies that after 20 years the wind farms will produce about 82% of their original capacity. Furthermore, this degradation will lead to an increase in the LCOE of 6,8 %, which in turn could affect electricity prices. These results call for a change in assumptions for future wind farm projects, as this is significantly higher than what is assumed in the industry today.

To find potential factors affecting the degradation rates, three sub-studies were performed. In the first test the wind farms were divided into three groups according to location to find out if local climate would affect the results. The second test was performed to find whether there were differences in degradation between turbines according to their age. Lastly, the degradation was divided in four seasons to assess whether these effects varied according to weather conditions. It was concluded that there were no significant differences between the groups.

The degradation rate found in the thesis is higher than what is found in Sweden, but lower than what was found in the UK. This may suggest that wind turbines degrade faster in coastal climates than in inland climates. Factors such as high average wind speeds, high precipitation and exposure to salt therefore seems to be more important causes of degradation than low temperatures and icing.