Golven en windturbines: 'Alsof je met een reusachtige hamer een klap tegen de fundering geeft’

De technische en economische efficiency van windturbines neemt toe naarmate ze groter zijn en een vrije (ongestoorde) luchtstroom krijgen aangeboden. Die twee eigenschappen leiden tot het plan groepen windturbines als parken op zee te bouwen.

De beukende golven en wisselende stroming plus een ‘dynamische zeebodem' van zich verplaatsend zand vereisen een uitgekiende fundering van de turbines, stelt Aart van der Pal van ECN Windenergie. "Daarom gaan MARIN en ECN samenwerken bij het onderzoek naar de belasting van de combinatie turbine en fundering."

Bij het ontwerpen van een windturbines die op zee hun werk moeten doen, is het zinnig om turbine en fundering gezamenlijk te ontwerpen. Aan de bovenkant zorgen fluctuaties van de luchtstroom voor variatie in de belasting van de constructie. Onderwijl staan aan de onderkant de golven van de zee tegen de fundering te beuken, waarvan de trilling mogelijk merkbaar is tot in de kruin van de windturbine. Waar beide trillingen elkaar versterken, treedt een piekbelasting op waarmee je als ontwerper beslist rekening wilt houden. Maar dan moet je ze wel kennen.

Resonerende trillingen

Boor- en productieplatforms staan op een fundering die in de zeebodem is geslagen. Dus er is enige kennis van de belasting van golven en stroming op een fundering. Maar de opbouw van een windturbine is zoveel anders (hoog zwaartepunt, wisselende belasting in bovenste punt) dat onderzoekers van ECN en MARIN een sterk vermoeden hadden dat er in de combinatie resonerende trillingen konden optreden. Half november presenteerden beide organisaties aan 60 belangstellenden de resultaten van een pilot study van een model van een windturbine in een golvenbassin van MARIN. Daaruit bleek dat er inderdaad hogere orde bewegingen/versnellingen gemeten werden in de constructie. Aart van der Pal: "Een brekende golf geeft een zogeheten impulsbelasting af op de constructie. Alsof je met een supergrote hamer een klap tegen de fundering geeft; in de offshore noemen ze dit ‘ringing'. Dit was een indicatieve test, om te zien of dit verschijnsel optreedt. Nu is aangetoond dat er inderdaad ingewikkelder belastingen zijn, is het zaak om een verfijnder onderzoek te starten."

Ontwerpmethode ontwikkelen

Volgens Van der Pal is het duidelijk dat turbineontwerpers behoefte hebben aan een ontwerpmethode waarin de belasting van steile dan wel brekende golven wordt meegenomen. Hij schetst de ontwikkeling om tot zo'n methode te komen. "Eerst een verfijning van de pilot study om nog beter te weten wat er speelt, dat is de eerste fase. Vervolgens op basis hiervan betrouwbare wiskundige modellen bouwen. Dan hoef je niet elke ontwerpwijziging te testen in een schaalmodel, maar kun je hem doorrekenen in je rekenmodel. Deze twee fasen willen we doen met industriële partners, in een JIP (Joint Industry Project). Vooral MARIN heeft daar veel ervaring mee."
Een derde fase is een nadere analyse van bepaalde resultaten van het voorgaande onderzoek. Welke resultaten wijken af van wat je zou verwachten? Die wil je nader bestuderen, want dat levert wellicht nieuwe inzichten op. Van der Pal: "Als onderzoeker breng je de resultaten van fase 1 en 2 in verband met mogelijke versnelde veroudering van componenten. Is daar sprake van een meer of minder directe relatie? Per slot van rekening wil je met je hele constructie een levensduur halen van 20 jaar." ECN specialisten kunnen dan op basis van dit onderzoek slimme regeltechnische strategieën bedenken. En werken aan alternatieve constructieve concepten.
En de laatste, vierde fase is de volledige aanbeveling voor het ontwerpen van offshore windturbines. Dan leg je alles vast in een methode en oplossingen die je commercieel aanbiedt. Dat is dan IP-Technology licensing (intellectual property) van mogelijke te patenteren ontwerptechnologie.

Wandelende duinen

De combinatie wind en zand leidt tot het op land bekende verschijnsel ‘wandelende duinen'. Maar de offshore-industrie van de Noordzee is bekend met het onzichtbare verschijnsel van wandelende duinen onder water. Op school heeft iedereen geleerd over het ontstaan en verschuiven van duinen langs de kust en op zandvlaktes als gevolg van de wind. Zoiets gebeurt ook op de zeebodem, waar de stroming voortdurend bezig is zand te verplaatsen. Van der Pal: "Dat betekent dat je rekening moet houden met de situatie dat in een windpark sommige turbines een tijdje in 15 m diep water staan (in een duintop) en andere in hetzelfde windpark in 25 m diep water (duindal). Voor de parkeigenaar beslist iets om rekening mee te houden."

bron: ECN