Methodological framework for reliability and efficiency of renewable energy sources offshore structures

Η κλιματική αλλαγή με τις μελλοντικές συνέπειες που μπορεί να προκαλέσει, η προστασία του περιβάλλοντος που απειλείται και η ορθολογική διαχείριση των ενεργειακών πόρων λόγω της μείωσης των ενεργειακών αποθεμάτων των συμβατικών καυσίμων, αποτελούν πεδία που παρουσιάζουν διεθνώς ενδιαφέρον και τίθενται στόχοι που απαιτείται να επιτευχθούν. Σε ένα μεγάλο μέρος της πραγματοποίησης αυτών των στόχων συμβάλουν οι νέες τεχνολογίες και τα καινοτόμα συστήματα που αξιοποιούν το τεράστιο δυναμικών των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) και σκοπό έχουν να συμβάλουν στις προσπάθειες για βιώσιμη ανάπτυξη. Οι τεχνολογίες αυτές και ειδικότερα όσες αναπτύσσονται για την αξιοποίηση του υπεράκτιου αιολικού δυναμικού και της ενέργειας των κυμάτων αποτελούν το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διατριβής. Η ανάπτυξη αυτών των τεχνολογιών, κρίθηκε ιδιαίτερα σημαντικό να διερευνηθεί διότι η ανάπτυξή τους καθώς και η λειτουργία τους υπόκειται σε αβεβαιότητα και παρουσιάζονται προβληματισμοί που αποτελούν πολύπλοκα και πολυδιάστατα ζητήματα. Τα ζητήματα αυτά σχετίζονται με την αξιοπιστία κατά την ανάπτυξη των συστημάτων, την αποδοτικότητα , την επίδραση στο περιβάλλον, την ασφάλεια και την αποδοχή από το κοινωνικό σύνολο, που θα πρέπει να αξιολογηθούν με αντίστοιχα κριτήρια που περιλαμβάνουν τεχνολογικά, οικονομικά, περιβαλλοντικά και κοινωνικά. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε με την αξιοποίηση και το μετασχηματισμό εργαλείων που διατίθενται στο θεωρητικό υπόβαθρο της αξιοπιστίας και των πολυκριτηρικών μεθόδων, τα οποία δεν έχουν αξιοποιηθεί για τη διερεύνηση των υπεράκτιων κατασκευών. Επομένως, εξετάζοντας το επιστημονικό πεδίο αξιολόγησης της αξιοπιστίας και πολυκριτηριακής ανάλυσης, επιλέχθηκαν τα εργαλεία FMEA, AHP, TOPSIS καθώς και οι συνδυασμοί τους με τροποποιήσεις και βελτιώσεις, ώστε να εφαρμοστούν κατάλληλα σε ένα δομημένο μεθοδολογικό πλαίσιο και να αποτελέσουν τη βάση της υλοποίησης της προτεινόμενης εργαλειοθήκης. Η εργαλειοθήκη, έχει την ικανότητα να μοντελοποιήσει, να αξιολογήσει και να βελτιστοποιήσει υπεράκτιες κατασκευές αξιοποίησης του δυναμικού των ΑΠΕ, λαμβάνοντας υπόψη ποιοτικά και ποσοτικά στοιχεία, σχετικά με τις διαθέσιμες εναλλακτικές λύσεις. Η συμβολή της παρούσας διατριβής είναι ένα μεθοδολογικό πλαίσιο για την αναγνώριση όλων παραμέτρων του προβλήματος, την εμπεριστατωμένη ανάλυση των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων και τελικά την διαμόρφωση ενός διαφανούς και συνεπούς εργαλείου υποστήριξης των αποφασιζόντων. Συνοψίζοντας, η ανάπτυξη της προτεινόμενης εργαλειοθήκης αποκτά σημαντική αξία διότι συμβάλει με την εισαγωγή νέων εργαλείων στην αξιολόγηση υπεράκτιων συστημάτων ΑΠΕ και υποστηρίζει την ανάλυση στην λήψη αποφάσεων καθώς και τελικών προτάσεων με βάση τα χαρακτηριστικά των εμπλεκομένων και των υπεράκτιων κατασκευώνThe climate change, with future consequences which may cause, the threat of environment which must protected, and due to the reduction of conventional fuel energy reserves the rational management of energy resources, are areas of international interest where set goals that must be achieved. To those objectives achievement and to exploit the enormous potential of Renewable Energy Sources (RES) new technologies contribute. The technologies, and particularly these which are developed for the exploitation of offshore wind potential and for wave energy, constitute to the researching subject of this thesis. The development of these technologies has been particularly important to be explored because their development and operation is subject to uncertainty and concerns are presented which are synthesizes complex and multidimensional issues. These issues relate to reliability in system development, efficiency, environmental impact, safety and the social acceptance, which should be evaluated with corresponding technological, economic, environmental and social criteria. The research was carried out by utilizing and transforming tools available in the theoretical background of reliability and multicriteria methods, which have not been exploited for exploration of offshore structures. Therefore, by examining the scientific scope of reliability assessment and multicriteria analysis, the FMEA, AHP, TOPSIS tools are chosen as well as their combinations with modifications and improvements in order to be properly implemented in a structured methodological framework and provide the basis for the implementation of the proposed toolbox. The Toolbox can model, evaluate and optimize offshore RES utilization structures, considering qualitative and quantitative data of available alternatives. The contribution of this thesis is a methodological framework for the identification of all the parameters of the problem, the thorough analysis of the interactions between them and finally the formation of a transparent and consistent tool for supporting the decision makers. In summary, the development of the proposed toolbox is valuable, because it contributes to the introduction of new tools in assessments of offshore RES systems and enhances analysis in decision making as well as the final proposals based on the characteristics of the involved and offshore constructions

Methodological framework for reliability and efficiency of renewable energy sources offshore structures

The climate change, with future consequences which may cause, the threat of environment which must protected, and due to the reduction of conventional fuel energy reserves the rational management of energy resources, are areas of international interest where set goals that must be achieved. To those objectives achievement and to exploit the enormous potential of Renewable Energy Sources (RES) new technologies contribute. The technologies, and particularly these which are developed for the exploitation of offshore wind potential and for wave energy, constitute to the researching subject of this thesis. The development of these technologies has been particularly important to be explored because their development and operation is subject to uncertainty and concerns are presented which are synthesizes complex and multidimensional issues. These issues relate to reliability in system development, efficiency, environmental impact, safety and the social acceptance, which should be evaluated with corresponding technological, economic, environmental and social criteria. The research was carried out by utilizing and transforming tools available in the theoretical background of reliability and multicriteria methods, which have not been exploited for exploration of offshore structures. Therefore, by examining the scientific scope of reliability assessment and multicriteria analysis, the FMEA, AHP, TOPSIS tools are chosen as well as their combinations with modifications and improvements in order to be properly implemented in a structured methodological framework and provide the basis for the implementation of the proposed toolbox. The Toolbox can model, evaluate and optimize offshore RES utilization structures, considering qualitative and quantitative data of available alternatives.The contribution of this thesis is a methodological framework for the identification of all the parameters of the problem, the thorough analysis of the interactions between them and finally the formation of a transparent and consistent tool for supporting the decision makers. In summary, the development of the proposed toolbox is valuable, because it contributes to the introduction of new tools in assessments of offshore RES systems and enhances analysis in decision making as well as the final proposals based on the characteristics of the involved and offshore constructions.Η κλιματική αλλαγή με τις μελλοντικές συνέπειες που μπορεί να προκαλέσει, η προστασία του περιβάλλοντος που απειλείται και η ορθολογική διαχείριση των ενεργειακών πόρων λόγω της μείωσης των ενεργειακών αποθεμάτων των συμβατικών καυσίμων, αποτελούν πεδία που παρουσιάζουν διεθνώς ενδιαφέρον και τίθενται στόχοι που απαιτείται να επιτευχθούν. Σε ένα μεγάλο μέρος της πραγματοποίησης αυτών των στόχων συμβάλουν οι νέες τεχνολογίες και τα καινοτόμα συστήματα που αξιοποιούν το τεράστιο δυναμικών των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) και σκοπό έχουν να συμβάλουν στις προσπάθειες για βιώσιμη ανάπτυξη. Οι τεχνολογίες αυτές και ειδικότερα όσες αναπτύσσονται για την αξιοποίηση του υπεράκτιου αιολικού δυναμικού και της ενέργειας των κυμάτων αποτελούν το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διατριβής. Η ανάπτυξη αυτών των τεχνολογιών, κρίθηκε ιδιαίτερα σημαντικό να διερευνηθεί διότι η ανάπτυξή τους καθώς και η λειτουργία τους υπόκειται σε αβεβαιότητα και παρουσιάζονται προβληματισμοί που αποτελούν πολύπλοκα και πολυδιάστατα ζητήματα. Τα ζητήματα αυτά σχετίζονται με την αξιοπιστία κατά την ανάπτυξη των συστημάτων, την αποδοτικότητα , την επίδραση στο περιβάλλον, την ασφάλεια και την αποδοχή από το κοινωνικό σύνολο, που θα πρέπει να αξιολογηθούν με αντίστοιχα κριτήρια που περιλαμβάνουν τεχνολογικά, οικονομικά, περιβαλλοντικά και κοινωνικά. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε με την αξιοποίηση και το μετασχηματισμό εργαλείων που διατίθενται στο θεωρητικό υπόβαθρο της αξιοπιστίας και των πολυκριτηρικών μεθόδων, τα οποία δεν έχουν αξιοποιηθεί για τη διερεύνηση των υπεράκτιων κατασκευών. Επομένως, εξετάζοντας το επιστημονικό πεδίο αξιολόγησης της αξιοπιστίας και πολυκριτηριακής ανάλυσης, επιλέχθηκαν τα εργαλεία FMEA, AHP, TOPSIS καθώς και οι συνδυασμοί τους με τροποποιήσεις και βελτιώσεις, ώστε να εφαρμοστούν κατάλληλα σε ένα δομημένο μεθοδολογικό πλαίσιο και να αποτελέσουν τη βάση της υλοποίησης της προτεινόμενης εργαλειοθήκης. Η εργαλειοθήκη, έχει την ικανότητα να μοντελοποιήσει, να αξιολογήσει και να βελτιστοποιήσει υπεράκτιες κατασκευές αξιοποίησης του δυναμικού των ΑΠΕ, λαμβάνοντας υπόψη ποιοτικά και ποσοτικά στοιχεία, σχετικά με τις διαθέσιμες εναλλακτικές λύσεις. Η συμβολή της παρούσας διατριβής είναι ένα μεθοδολογικό πλαίσιο για την αναγνώριση όλων παραμέτρων του προβλήματος, την εμπεριστατωμένη ανάλυση των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων και τελικά την διαμόρφωση ενός διαφανούς και συνεπούς εργαλείου υποστήριξης των αποφασιζόντων. Συνοψίζοντας, η ανάπτυξη της προτεινόμενης εργαλειοθήκης αποκτά σημαντική αξία διότι συμβάλει με την εισαγωγή νέων εργαλείων στην αξιολόγηση υπεράκτιων συστημάτων ΑΠΕ και υποστηρίζει την ανάλυση στην λήψη αποφάσεων καθώς και τελικών προτάσεων με βάση τα χαρακτηριστικά των εμπλεκομένων και των υπεράκτιων κατασκευών

Operational failure prevention methodology for offshore systems using multiple criteria decision-making process

A framework for decision analysis, which has been applied on an operational offshore system and is based on a multiple criteria decision making (MCDM) process, is presented in this paper. This provides a generic methodology for the evaluation of alternatives and implementation of operational and design improvements based on the experience gained from past failures. The Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) method is modified and used as a significant criterion together with Analytic Hierarchy Process (AHP) in order to enhance the decision making process. The mathematical model of AHP identifies and combines the weight of changes, as well as the results of modified FMEA. This combination takes into account possible interactions among the causes of failure by integrating several elements, enhancing the FMEA method. Next, the paper describes a decision model that incorporates also decision maker’s subjective assessments and is suitably applied to an autonomously operating floating structure. This decision making technique, enables the manipulation of both qualitative assessments and quantitative metrics in order to improve final judgments and, in general, advance the operation of the complex floating system

Apply FMEA modeling to a floating ecological desalination unit

Water scarcity in small Aegean islands is considered a major problem for their development. On the other hand high potential renewable energy sources are available. Therefore a floating desalination unit was developed in order to treat the problem in an ecological manner. The floating unit has been operating for four years at sea close to a small island. Marine environment and autonomous remote operation led to a more complex design with several sensors and safety mechanisms. This paper illustrates and applies Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) modeling to Floating Ecological Desalination Unit. FMEA is based on monitoring data and also taking into account failure dependencies between components during the assessment of desalination system reliability. Then two systems, one with safety mechanisms and one without are analyzed by Reliability Block Diagrams (RBD) and the reliability of each system is computed. The comparison between a simple system and the remote autonomous system illustrates the implications of the additional monitoring mechanisms and the impact of these mechanisms to reliability and risk assessment on the floating wind powered offshore desalination unit

Modelling ship’s diesel electrical system using Markov theory

One of the most critical systems for a ship operation is the diesel generator set. This is why the ship preserves four different diesel generators except the power battery packs. The paper describes the generator operation and the main failure conditions. Assuming that the failure rate of the system parts is constant the paper shows how the diesel generator system could be modelled in the context of Markov theory

Energy utilisation strategy in an offshore floating wind system with variable production of fresh water and hybrid energy storage

Renewable energy sources increase their share in the energy mix and, therefore it is important to accommodate variability in energy production. In this study, a hybrid approach is evaluated where a combination of batteries and compressed air are used together with seawater reverse osmosis in order to match renewable energy against electricity and water needs. Especially in remote islands renewable energy-powered desalination is an attractive option. These technologies are tested on a semi-submersible floating platform, accommodating an offshore wind turbine, a photovoltaic system and a reverse osmosis seawater desalination. The floating offshore system can deliver both fresh water and electricity in a dynamic configuration. Simulations of different operating strategies have been examined and show that sustainable solutions can be achieved

Cyber–Physical Security Assessment for Maritime Vessels: Study on Drillship DP System Using American Petroleum Institute Security Risk Analysis and Bow-Tie Analysis

The maritime industry’s increasing integration of IT/OT systems into vessel operations has significantly elevated its exposure to cyber–physical threats, making the development of effective cyber risk management strategies a necessity. This paper provides an outlook of the current landscape of cyber security threats and vulnerabilities for the maritime sector and vessels. An outline of the relevant governmental and industry directives, standards, and guidelines for cyber security in maritime vessels is given. Considering maritime vessels as critical elements of the maritime critical infrastructure sector, a number of relevant cyber–physical security assessment methods are presented. Bridging cyber–physical security, process safety, and security, API SRA (American Petroleum Institute Security Risk Analysis) and BTA (Bow-Tie Analysis) are presented as the most applicable cyber–physical security assessment methods for complex maritime vessels, such as an offshore oil and gas drillship. The scenario of a cyber-attack on the Dynamic Positioning (DP) system of a drillship is presented with the use of API SRA and BTA. The difficulties in the implementation of NIST CSF v2.0 and IACS UR E26 and UR E27 in the maritime sector are also discussed. The need for intensified research on and the formulation of bespoke cyber security measures to mitigate the evolving cyber threats within the maritime domain is highlighted. The need for the allocation of training and resources for the reinforcement of the capacity of a maritime vessel’s crew in the mitigation of cyber threats and safe maritime operations is emphasized

Supporting Informed Public Reactions to Shipping Incidents with Oil Spill Potential: An Innovative Electronic Platform

The analysis of the 2002 Prestige tanker accident showed how public misinformation can worsen marine pollution incidents, rendering their management suboptimal as these evolve, thus raising the issue of appropriately informing and educating coastal and island populations who are at risk. Two decades later, developments in electronic platforms, including Geographic Information Systems (GIS), the Automatic Identification System (AIS) for ship signal transmission, and social media, provide a set of means for public monitoring of such incidents, creating the possibility to antagonise effectively erroneous or malevolent information, which can hinder efficient actions for containing marine pollution risks even without active training of the populations concerned. The authors, in the framework of the development of the Marine Coastal Observatory and Risk Management project “AEGIS+”, have developed E-S.A.V.E., an online innovative platform that (a) meets the needs of different users as revealed by a survey run across groups of them, (b) uses a suitable Geographic Information System (GIS) environment, (c) cooperates with public authorities, for the reliable update of automated systems, and (d) employs an artificial intelligence (AI)-supported tool for social media monitoring; the platform also provides educational resources and information on national and international resources on marine environmental protection and sustainable maritime logistics