| Offshore windmolens en het belang van een degelijke fundering | |
| Björn Van de Walle | |
| De ontwikkeling van windparken op zee – voor het opwekken van zogenaamde ' offshore windenergie ' – maakt deel uit van een rijk pallet aan maatregelen om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen ( zie kader p.20 ) . | |
| Hoewel deze tak aan een sterke opmars bezig is en zijn efficiëntie heeft bewezen , plaatst het ingenieurs toch ook voor heel wat nieuwe uitdagingen . | |
| De voordelen om ver uit de kust zogenaamde ' farshore windparken ' te bouwen zijn duidelijk : de molens zijn er vrijwel onzichtbaar vanaf de kust , de vogeltrek wordt minder verstoord en de wind is er sterker en constanter waardoor een hoger rendement kan bekomen worden . | |
| Daartegenover staat dat de grotere waterdiepte en de ruigere omstandigheden zwaardere funderingen vereisen . | |
| Op zee worden de funderingen immers bijkomend belast door golven en stroming . | |
| In de zoektocht naar welke fundering op een bepaalde plaats en bouwtijdstip de voorkeur verdient , kan elke beslissing verstrekkende gevolgen hebben . | |
| De eerste twee gerealiseerde offshore windparken op Belgische bodem zijn daar alvast een mooie illustratie van ! | |
| Project C-Power Belwind | |
| Ligging ( afstand tot kust ) | |
| Thorntonbank ( 30 km ) | |
| Bligh-Bank ( 46 km ) | |
| Huidig aantal windmolens | |
| Waterdiepte | |
| Constructieduur | |
| Type fundering GBF ( beton ) monopiles ( staal ) | |
| Constructieduur fundering | |
| Volledig operationeel | |
| De Belgische offshore windparken illustratief voor Europese tendens | |
| Ook België volgt de ontwikkeling naar een uitbouw van offshore windparken . | |
| Momenteel leveren vóór de Belgische kust twee windmolenparken groene energie , ook al zijn ze nog niet volledig operationeel ( zie tabel ) . | |
| Het windmolenpark van C-Power op de Thorntonbank bestaat voorlopig uit slechts 6 windmolens en bevindt zich op zo'n 30 km voor de kust . | |
| Het windmolenpark van Belwind op de Bligh-Bank telt 55 windmolens en staat iets dieper ( 46 km ) in zee . | |
| Daarmee volgen de Belgische windparken op zee de Europese tendens om in steeds dieper water en verder uit de kust te gaan bouwen . | |
| Ter illustratie : gemiddeld is de waterdiepte en afstand tot de kust voor Europese windparken in 2010 toegenomen tot respectievelijk 25,5 m en 27,1 km ( EWEA ) . | |
| Naast de eerste 6 turbines van het C-Power project ( zie foto : MD ) , heeft ook het Belwind consortium reeds 55 turbines in Belgische mariene wateren in gebruik genomen | |
| Wat opvalt is dat de 55 ' Belwind ' turbines op minder dan anderhalf jaar operationeel waren , terwijl de bouw en installatie van de 6 windmolens van C-Power bijna 2 jaar in beslag namen . | |
| Dit enorm verschil in constructiesnelheid is te verklaren vanuit het type fundering dat werd gebruikt ( voor types zie verder ) . | |
| Voor de 6 windmolens op de Thorntonbank werden betonnen sokkels met een constructietijd van 9 tot 10 maanden gebruikt , terwijl de 55 windmolens op de Blighbank gefundeerd zijn op stalen monopiles die een veel kortere constructietijd hadden . | |
| Toen C-Power begon te bouwen , swingde de staalprijs de pan uit en werd voor betonnen sokkels gekozen . | |
| Twee jaar later kreeg het verhaal een andere wending : staal was plots veel goedkoper geworden . | |
| Gevolg : ten uitvoering van zijn plan om 48 windmolens bij te bouwen op de Thorntonbank , zal ook C-Power straks kiezen voor stalen funderingen . | |
| Een veelheid aan funderingstypes | |
| Al deze types funderingen vragen om een woordje uitleg : de monopiles , betonnen en stalen gravitaire funderingen , tripods , jackets en jackups . | |
| De monopile | |
| De monopile fundering is momenteel het meest gebruikte funderingstype bij offshore windturbines . | |
| In Europa zijn 65 % van alle geïnstalleerde funderingen voor offshore windturbines van dit type , t.o.v. 25 % gravitair en 8 % jacket ( EWEA ) . | |
| De monopile is een eenvoudige structuur die bestaat uit één enkele cilindrische stalen buis , vandaar de naam ' monopaal ' of ' monopile ' . | |
| Het voordeel is dat het ontwerp , de fabricatie en de installatie zeer eenvoudig zijn in vergelijking met andere funderingstechnieken . | |
| Een nadeel is een hoge buigzaamheid in diep water . | |
| De paal wordt volledig aan land gemaakt . | |
| Vervolgens wordt ze als één geheel getransporteerd naar de gewenste locatie . | |
| Dit gebeurt op een drijvend ponton dat meerdere palen tegelijk kan vervoeren . | |
| Eenmaal ter plaatse wordt de paal door een kraan op een ponton of door een jack-up platform ( zie verder ) opgetild . | |
| De paal wordt daarna gepositioneerd in een speciale mal , zodat ze zo verticaal mogelijk in de zeebodem kan geduwd worden . | |
| Eenmaal de paal de gewenste diepte heeft bereikt , wordt een tussenstuk op de paal geplaatst , waarop dan de windturbine komt . | |
| Om het probleem van de hoge buigzaamheid in diep water op te vangen is een variante ontwikkeld : de tripile ( zie figuur ) . | |
| De hoge kostprijs van deze ' tripile ' of ' drie palen'-systeem gaf op zijn beurt aanleiding tot de ontwikkeling van de getuide of met spankabels verankerde monopile . | |
| De spankabels worden zo hoog mogelijk , net onder de rotorbladen , aan de paal vastgemaakt om het buigmoment in de paal te verminderen . | |
| Dit heeft als voordeel dat de paal dunner kan geconstrueerd worden . | |
| De spankabels worden in de zeebodem vastgemaakt met behulp van stevige ankers . | |
| Het type anker is afhankelijk van de bodemsoort . | |
| Een stootrand rond de paal vormt een bescherming tegen aanvaringen . | |
| Met 65 % van alle Europese offshore windparkinstallaties , is de monopile vandaag het meest gebruikte funderingssysteem . | |
| Zijn eenvoud en relatief vlotte plaatsing speelt hierbij een rol . | |
| Een nadeel kan dan weer de hoge buigzaamheid zijn in diep water . | |
| Dit beeld toont enkele stalen monopiles en de ( gele ) tussenstukken wachtend in de haven van Zeebrugge , voor transport naar het Belwindpark . | |
| Offshore windproductie is hot | |
| De gevolgen van de huidige klimaatverandering worden wereldwijd steeds beter zichtbaar . | |
| Daarom engageert de Europese Commissie zich via het ' Klimaatplan 20-20-20 ' om de uitstoot van broeikasgassen tegen het jaar 2020 met minstens 20 % te verminderen , de energie-efficiëntie met 20 % te verhogen en het aandeel van duurzame energie in de totale energieproductie op 20 % te brengen . | |
| Om deze doelstellingen te halen , wordt onder meer beroep gedaan op windenergie . | |
| Eind 2010 bedroeg het totale geïnstalleerde vermogen aan windparken in Europa 84 GW , wat in een normaal jaar overeenstemt met een electriciteitsproductie van 181 TWh of 5,3 % van het totale Europese electriciteitsverbruik ( EWEA ) . | |
| Met 9,5 % van dit totaal , vormen offshore windparken een substantieel en groeiend aandeel . | |
| De tien windparken die momenteel in Europa op zee in aanbouw zijn , vertegenwoordigen een bijkomend geïnstalleerd vermogen van 3 GW . | |
| Tel daarbij de 19 GW capaciteit , nog niet in aanbouw maar wel reeds volledig vergund , en het moet haalbaar zijn om tegen 2020 de kaap van de 20 % aan offshore windenergieproductie te nemen . | |
| De tripile is ontwikkeld als variante op de monopile , teneinde het probleem van de hoge buigzaamheid in diep water te ondervangen . | |
| Om de hoge kostprijs van dit meerpalensysteem te drukken , kwam men vervolgens met een ' getuide ' ( zie boven ) , d.i. met spankabels verankerde monopile , op de proppen . | |
| De betonnen gravitaire fundering | |
| De gewichtsfundering of gravitaire fundering ( ' Gravity Based Foundation ' of ' GBF ' ) was in de jaren '90 de meest voorkomende fundering voor offshore windturbines . | |
| De eerste gewichtsfunderingen bestonden uit massief beton . | |
| Deze hadden – hoe tegenstrijdig het ook klinkt – één groot nadeel : hun gewicht . | |
| Dit enorme gewicht was nodig om de constructie ( dankzij de zwaartekracht of gravitatie ) haar stabiliteit te verlenen . | |
| Toen bleek dat deze betonnen structuren bij grotere waterdieptes zelfs té zwaar werden voor de sterkste installatie- en hefwerktuigen , diende een oplossing te worden uitgedokterd . | |
| Men bouwde een holle , betonnen fundering aan land die vervolgens naar de plaats van installatie werd vervoerd om daar met ballastmateriaal te worden opgevuld en zo het volledige ontwerpgewicht te verkrijgen . | |
| Het ontwerpgewicht wordt zo berekend , dat de fundering niet kan wegglijden , kantelen of opgelift worden . | |
| Kantelen kan worden voorkomen door de basis van de fundering te verbreden . | |
| Het toepassen van gewichtsfunderingen wordt vooral beperkt door de draagcapaciteit van de schepen of pontons die de funderingen naar de eindlocatie moeten brengen . | |
| Ze kunnen geplaatst worden tot op dieptes van ongeveer 25 meter . | |
| Grotere waterdieptes zullen in de toekomst ook mogelijk zijn door de bouw van zwaardere schepen en pontons en een verdere daling van het gewicht van de basisstructuur . | |
| Het grootste nadeel aan dit type funderingen is de maandenlange constructietijd wat de trage opbouw van het windmolenpark op de Thorntonbank verklaart . | |
| Een lichter type van gewichtsfunderingen , waarbij het gewicht en dus de stabiliteit wordt gecompenseerd door stalen kabels die verankerd worden in de zeebodem , is in volle ontwikkeling . | |
| Echter , het nadeel van de lange constructietijd blijft … | |
| De stalen gravitaire fundering | |
| De gewichtsfundering of gravitaire fundering kan ook in staal worden uitgevoerd . | |
| Deze bestaat uit twee delen : ( 1 ) een stalen buis en ( 2 ) een stalen doos die op de zeebodem rust ( zie figuur ) . | |
| De stalen buis is hol en wordt opgevuld met ballastmateriaal om het ontwerpgewicht | |
| te bereiken . | |
| De diameter van de buis is afhankelijk van de waterdiepte . | |
| Hoe groter de waterdiepte , hoe groter de diameter van de buis . | |
| Ook de stalen doos wordt | |
| opgevuld om tot een voldoende groot totaal ontwerpgewicht te komen . | |
| Net als de verbrede basis bij de traditionele betonnen GBF , is haar belangrijkste functie om het kantelen van de structuur te voorkomen . | |
| Het nadeel is echter dat bij grotere waterdieptes meer staal nodig is , wat de kostprijs aanzienlijk kan doen stijgen . | |
| En hoewel de benodigde constructietijd korter is dan bij de betonnen variant , is ze toch nog steeds vrij lang . | |
| De betonnen gravitaire fundering ( Gravity Based Foundation – GBF ) is vandaag toegepast bij zowat 25 % van de in Europese zeeën geplaatste turbines . | |
| Het systeem is wat op zijn retour o.a. vanwege de lange bouwtijd en de transport- en installatieproblemen eigen aan deze zware constructies . | |
| De stalen variant van de gravitaire fundering bestaat uit een holle , op te vullen buis en een soort doos die de constructie moet wapenen tegen omkantelen . | |
| Transport en plaatsing kan een stuk vlotter dan bij de betonnen GBF , maar zeker bij grote waterdieptes blijft de hoge staalprijs een groot nadeel . | |
| Bij een variante op de betonnen gravitaire fundering gebruikt men spankabels , waardoor het gewicht van de fundering kan teruggebracht worden . | |
| De tripod | |
| Een tripod kan het best vergeleken worden met het driepotige statief van een fotocamera . | |
| De centrale koker vormt de basis voor de turbine . | |
| Door deze opbouw heeft de tripod , in vergelijking met de monopile , zowel een grotere sterkte als een grotere stijfheid . | |
| De bredere basis werkt tevens het kantelen van de constructie tegen . | |
| De tripod wordt in de zeebodem verankerd door middel van palen of met behulp van zogenaamde ' suction buckets ' ( letterlijk : zuigemmers ) . | |
| Bij dit laatste systeem wordt de tripod als het ware met zuignappen vastgezogen in de zeebodem . | |
| De ' suction bucket ' is een stalen , cilindervormige doos die omgekeerd op de zeebodem wordt geplaatst en aan de bovenzijde is afgesloten . | |
| Door binnenin een zuigkracht op te wekken , zuigt de ' bucket ' zichzelf vast in de zeebodem . | |
| Dit heeft als voordeel dat de ' suction bucket ' al vóór de installatie op de zeebodem aan de rest van de structuur bevestigd kan worden . | |
| De tripod is ontworpen voor waterdieptes van 30 - 40 meter . | |
| Het kan ook in ondieper water maar is dan economisch minder interessant . | |
| Nadeel van dit type fundering is , net als bij de stalen GBF's , opnieuw de constructietijd . | |
| Ook van de tripod bestaan variaties . | |
| Bij de niet-gecentreerde tripod ( zie p. 22 ) staat de windturbine niet meer centraal , maar boven één van de hoekpunten . | |
| Het ontwerp is iets zwaarder maar omdat de productie eenvoudiger verloopt , kan de totale kost gedrukt worden . | |
| Bovendien kan installatie tot op 45 m diepte . | |
| Een tweede variant op de tripod is de betonnen tripod . | |
| Bij dit ontwerp bestaat de driehoekige voet uit beton , waarin de stalen koker verwerkt wordt . | |
| Het doel van dit ontwerp is om in tijden van duur staal de prijs te drukken . | |
| Het bijhorende nadeel is dan weer het grote gewicht waardoor transport en installatie moeilijker worden . | |
| De jacket | |
| Na de monopile ( 65 % ) en de gravitaire fundering ( 25 % ) , is de jacket ( 8 % ) vandaag het meest toegepaste funderingssysteem voor offshore windmolens in Europa . | |
| De jacket doet wel wat denken aan een hoogspanningsmast en bestaat uit een toren , die opgebouwd is uit stalen buizen en vier steunpunten telt . | |
| Door deze opbouw krijgt de toren zowel een grotere sterkte als een grotere stijfheid in vergelijking met een monopile of tripod . | |
| Net als de tripod kan ook de jacket verankerd worden met palen of met behulp van ' suction buckets ' . | |
| De structuur is echter vrij ingewikkeld waardoor de ontwerp- en fabricatiekosten oplopen . | |
| Hierdoor is de jacket economisch ongunstig bij waterdieptes van minder dan 40 m. Deze funderingstructuur wordt ook reeds frequent en met succes toegepast in de olie- en gasindustrie . | |
| Bij de ' full height jacket ' variant , komt de toren tot net onder de windturbine in plaats van tot juist boven het wateroppervlak . | |
| Hierdoor is geen extra paal vereist ter ondersteuning van gondel en rotor . | |
| Nadeel is dan weer dat deze constructie niet ' opdeelbaar ' is en dus in zijn geheel dient getransporteerd . | |
| De tripod als funderingssysteem voor offshore windturbines kan nog het best worden vergeleken met een reuze ( camera ) statief , waarbij de pyloon op de plaats van de camera komt . | |
| In één van de varianten , de niet-gecentreerde tripod , komt de pyloon niet in het midden te staan , maar boven één van de hoekpunten . | |
| De jackup | |
| Bijzonder aan dit nieuw ontwikkelde funderingssysteem , de jackup ( letterlijk krik ) , is dat de windturbine samen met zijn 3 of 4 poten drijvend naar de eindlocatie kan worden gesleept . | |
| Daar worden de poten naar beneden gekrikt tot ze voldoende diep in de zeebodem gedrongen zijn . | |
| Tegelijkertijd wordt het platform met de turbine op de poten omhoog gekrikt totdat het zich ruim boven het wateroppervlak bevindt , onbereikbaar voor de golven . | |
| Het grootste voordeel is dat voor de installatie geen grote pontons of kraanschepen nodig zijn . | |
| De jackup is immers ' zelfinstallerend ' . | |
| Net als de jacket is de jackup een ontwerp afkomstig uit de olie- en gasindustrie . | |
| Drijvende structuren | |
| Aan elk funderingstype zijn nadelen verbonden . | |
| Bovendien brengen het offshore installeren , onderhouden en repareren – vaak onder slechte weersomstandigheden – heel wat moeilijkheden en extra kosten met zich mee . | |
| En op het einde van de rit , wanneer de fundering dient te worden ontmanteld , volgt een extra , vaak onderschatte kost . | |
| Om die redenen worden drijvende structuren als een mogelijk waardevol alternatief gezien . | |
| Helaas staat de ontwikkeling nog maar in zijn kinderschoenen . | |
| Het principe benadert misschien nog het best dat van een drijvende dobber of fles , met daarop in plaats van een vlag , een windturbine ( zie figuur p.24 ) . | |
| Om te verhinderen dat deze drijvende structuren op zee gaan rondzwalpen onder invloed van stromingen , wind en golven , worden ze met kabels in de zeebodem verankerd . | |
| Groot voordeel is dat ze geplaatst kunnen worden in grote waterdieptes . | |
| De jacket als funderingssysteem voor windmolens op zee , is afgekeken uit de offshore olie- en gasindustrie . | |
| Ze is vooral interessant bij dieptes van meer dan 40 meter . | |
| Wat stuurt de keuze voor een bepaald funderingstype ? | |
| Verschillende factoren spelen mee bij de keuze van een funderingstype . | |
| De kostprijs van de benodigde materialen is een belangrijke drijfveer , maar ook de waterdiepte , de gewenste constructie- en installatietijd en de aanwezige ondergrond spelen mee . | |
| Zandige bodems zijn een uitstekende ondergrond om op te funderen , terwijl kleigronden zeer samendrukbaar zijn en door hun geringe draagkracht al eens voor problemen kunnen zorgen . | |
| Om hieraan te verhelpen kunnen hulpmiddelen aangewend worden . | |
| Funderen op palen kan een optie zijn , ware het niet dat deze en andere technieken het uiteindelijke kostenplaatje flink doen toenemen . | |
| Ook een stabiele zandige zeebodem kan nog problemen opleveren . | |
| Boven de zandlaag kan immers een meters dikke sliblaag liggen die eerst verwijderd moet worden vooraleer een fundering kan geplaatst worden . | |
| Welke oplossing uiteindelijk de beste is , hangt af van heel wat factoren . | |
| Algemeen kan men echter stellen dat de monopile nog steeds een uitstekend funderingstype is op zandige bodems bij geringe waterdieptes ( < 25 m ) . | |
| Als de waterdiepte groter wordt , of de zeebodem uit een andere ondergrond bestaat , kunnen andere funderingstypes een alternatief bieden . | |
| Bij waterdieptes van meer dan 100 m , lijken momenteel enkel drijvende structuren in aanmerking te komen ( zie figuur ) . | |
| Overzicht van alle bestaande off- en nearshore windmolenprojecten in de Noordeuropese zeeën in september 2010 . | |
| In totaal is sprake van 989 operationele offshore / nearshore turbines , goed voor een geïnstalleerd vermogen van 2,497 GW . | |
| Ter vergelijking : het vermogen van de vier kernreactoren in de kerncentrale van Doel bedraagt 2,839 GW . | |
| Kleine kanttekening : bij windmolens is het geïnstalleerde vermogen niet gelijk aan het geproduceerde vermogen . | |
| De productie van een windmolen hangt immers af van de windsnelheid , die varieert en soms nul bedraagt . | |
| In die zin spreekt men van een productiefactor . | |
| Deze productiefactor is gelijk aan de verhouding van het gemiddeld geproduceerd vermogen tot het maximaal leverbaar vermogen . | |
| Voor de windmolens op de Thorntonbank bijvoorbeeld bedraagt de productiefactor 0,38 . | |
| Dit kan laag lijken , maar is nog altijd ruim het dubbele van die bij windmolens aan land | |
| Nogersund Zweden tripod | |
| Vindeby Denemarken betonnen GBF | |
| Lely Nederland monopile | |
| Tunö Knob Denemarken betonnen caisson | |
| Irene Vorrink Nederland monopile | |
| Bockstigen Zweden monopile | |
| Utgrunden Zweden monopile | |
| Blyth Ver. Koninkrijk monopile | |
| Middelgrunden Denemarken hybride GBF ( st+b . ) | |
| Yttre Stengrund Zweden monopile | |
| Horns Rev Denemarken monopile | |
| Rönland Denemarken monopile | |
| Samsö Denemarken monopile | |
| Frederikshaven Denemarken monopile | |
| Nysted Denemarken betonnen GBF | |
| Arklow Bank Ierland monopile | |
| North Hoyle Ver. Koninkrijk monopile | |
| Scroby Sands Ver. Koninkrijk monopile | |
| Ems Emden Duitsland onshore fundering | |
| Kentish Flats Ver. Koninkrijk 2005 30 turbines monopile | |
| Breitling Duitsland | |
| Barrow Ver. Koninkrijk monopile | |
| Egmond aan Zee Nederland monopile | |
| Moray Firth Ver. Koninkrijk jacket | |
| Beatrice Ver. Koninkrijk tripod / jacket | |
| Burbo bank Ver. Koninkrijk monopile | |
| Lillgrund Zweden betonnen GBF | |
| Pr . | |
| Amaliawindpark Nederland monopile | |
| Thorntonbank België GBF | |
| Hooksiel Duitsland tripile | |
| Lynn & Inner Dowsing Ver. Koninkrijk monopile | |
| Karmoy Noorwegen drijvend | |
| Robin Rigg Ver. Koninkrijk monopile | |
| Alpha Ventus Duitsland tripod / jacket | |
| Rhyl Flats Ver. Koninkrijk monopile | |
| Store Baelt Denemarken GBF | |
| Lake Vanern Zweden GBF | |
| Kopenhagen Denemarken onshore fundering | |
| Blyth Harbour Ver. Koninkrijk monopile | |
| Hywind Noorwegen drijvend | |
| Horns Rev II Denemarken monopile | |
| Gunfleet Sands 1 & 2 Ver. Koninkrijk monopile | |
| Nysted II Denemarken GBF | |
| Thanet Windpark Ver. Koninkrijk monopile | |
| Belwind België monopile | |
| Nog maar in zijn kinderschoenen maar veelbelovend is de plaatsing van windturbines op drijvende structuren . | |
| Grote voordelen zijn de vlotte ontmanteling en de mogelijkheid om de werktijd op zee aanzienlijk te verminderen en in grote waterdieptes te gaan werken . | |
| Hoe ziet de toekomst van Belgische offshore windmolen parken eruit ? | |
| Twee windmolenparken zijn momenteel ( deels ) operationeel vóór de Belgische kust : het C-Power project op de Thorntonbank en het Belwind initiatief op de Bligh Bank . | |
| Beide windmolenparken zullen de komende 2 - 3 jaar uitgebreid worden . | |
| Tevens start dit jaar de bouw van een derde windmolenpark , dat van het Eldepasco consortium op de Bank zonder naam . | |
| Dit windmolenpark zal zich op 38 km van de kust bevinden in waterdieptes van 16 - 32 m. De keuze voor het type fundering is echter nog niet gemaakt . | |
| Daarnaast hebben nog drie andere consortia ( ' Rentel ' , ' Norther ' en ' Seastar ' ) een domeinconcessie op zak om een windpark te ontwikkelen in dezelfde zoekzone als de drie andere projecten ( zie kaart ) . | |
| Hoe elk van die projecten de uitdaging zal aangaan om ver op zee , in vrij diep water , te gaan bouwen is nog onduidelijk . | |
| Zeker is wel dat ook de Belgische ontwikkelaars niet blind zullen blijven voor internationale technologische en maatschappelijke ontwikkelingen die het steeds verder op zee lijken te zoeken ! | |
| Met dank aan : Ines Tavernier | |
| Elk van de hoger in het artikel vermelde funderingstechnieken voor offshore windmolens heeft een specifiek toepassingsgebied m.b.t. de waterdiepte . | |
| Voor ondiepe , zandige kustgebieden ( < 25 m ) blijft de monopile alsnog zeer geschikt . | |
| Overzichtskaart met geplande windmolenparken voor de Vlaamse kust ( BMM ) . | |