Life Cycle Assessment of Selected Offshore Wind Foundations : Comparing Primary Design Structures from Development to Installation Phase

Abstract

Offshore wind energy is playing an increasingly important role due to the growing need to minimize climate change and its consequences. The urgency to mitigate climate change calls for a transition of fossil-based technologies to more ecologic sustainable technologies. To assess the ecological sustainability, the life cycle assessments (LCAs) of the primary design components of a XXXL monopile and a four-legged pin-pilled jacket foundations have been conducted evaluating their environmental impacts. The primary design components have been calculated for the same boundary conditions (a 15MW turbine, a water depth of -40m wtr LAT, a planned lifetime of around 25 years, manufacture in Europe and installation in the North Pacific/US). The LCA have been conducted using the software OpenLCA and the impact assessment method EF v.3.1 for the manufacture, transport and installation phases. Unlike most of the LCAs for offshore wind turbines which often use the energy production in kWh as the functional unit, this thesis’s LCA refers to the unit of mass of required steel in t. The required steel mass has been assessed with the impact categories of global warming potential, abiotic depletion potential for fossil fuels (with energy payback time) and eutrophication. The assessment of the impact categories reveals that the primary design structures of the four-legged pin-pilled jacket foundation have a greater environmental impact and an overall larger footprint compared to XXXL monopile foundation. Therefore, the LCA concludes that the primary steel components of the four-legged pin-pilled jacket foundation are ecologically less sustainable (as they require more fossil energy for production and installation) than the structures of the XXXL monopile foundation.

Die Offshore-Windenergie spielt eine immer wichtigere Rolle, da es immer wichtiger wird, die Auswirkungen des Klimawandels zu minimieren. Die Dringlichkeit, den Klimawandel einzudämmen, erfordert einen Wechsel von fossil-basierten Technologien zu ökologisch nachhaltigen Technologien. Um die ökologische Nachhaltigkeit bewerten zu können, wurden Ökobilanzen für die primären Designkomponenten eines XXXL Monopiles und eines vierbeinigen, gepinnten Jacket Fundaments durchgeführt. Die primären Designstrukturen wurden für die gleichen Randbedingungen berechnet (eine 15-MW-Turbine, eine Wassertiefe von - 40m wtr LAT, eine geplante Lebensdauer von etwa 25 Jahren, Herstellung in Europa und Installation im Nordpazifik/USA). Die Ökobilanzen wurden mit der Software OpenLCA und der Folgenabschätzungsmethode EF v.3.1 für die Phasen Herstellung, Transport und Installation durchgeführt. Im Gegensatz zu den meisten Ökobilanzen für Offshore-Windkraftanlagen, die häufig die Energieerzeugung in kWh als funktionale Einheit verwenden, bezieht sich die Ökobilanz dieser Arbeit auf die Masseneinheit des benötigten Stahls in t. Die erforderliche Stahlmassen wurden mit den Einflusskategorien Treibhauspotenzial, abiotisches Erschöpfungspotenzial für fossile Brennstoffe (inkl. Energierücklaufzeit) und Eutrophierung bewertet. Die Bewertung der Einflusskategorien zeigt, dass die primären Designstrukturen des vierbeinigen, gepinnten Jacket Fundaments im Vergleich zum XXXL Monopile Fundaments eine größere Umweltbelastung und einen insgesamt größeren Fußabdruck aufweisen. Das Fazit der Ökobilanz ergibt, dass die primären Designstrukturen des vierbeinigen, gepinnten Jacket Fundamentes ökologisch weniger nachhaltig sind (da sie mehr fossile Energie für die Herstellung und Installation benötigen) als die Strukturen des XXXL Monopile Fundamentes.