Windmolens op zee

Wel of niet (grootschalige) windparken op zee aanleggen en onder welke voorwaarden? Wat is de impact van een windpark op de ecologie? Kan een windpark voor een verrijking van de natuur zorgen? Deltares ondersteunt beleidsmakers bij overheden en ontwikkelaars van windparken op zee met deze en meer prangende vragen. Dat doen we wereldwijd en in verschillende fasen van windparkontwikkeling en op verschillende detailniveaus. Van systeemschaal, zoals bijvoorbeeld de impact op het ecosysteem door grootschalige windparkontwikkeling tot aan gedetailleerde engineering, zoals de effecten van krachten van een extreme golf op de fundering.

De uitdagingen voor windenergie op zee liggen de komende jaren in opschaling van het aantal te bouwen windparken, de ecologische impact en het multifunctioneel gebruik. Daar bieden we meerwaarde voor opdrachtgevers en ontwikkelaars en kunnen we samen het verschil maken.

Yorick Broekema, offshore windenergie expert

Deltares werkt nauw samen met de industrie in advisering én in onderzoek als onderdeel van bijvoorbeeld het GROW-consortium en TKI-Wind op Zee (onderdeel van Topsector Energie). Met haar kennis van water en ondergrond draagt Deltares bij aan de ontwikkeling en realisatie van innovaties voor de huidige en geplande windparken. Zo hielp Deltares windparkbeheerders op basis van voorspellingen of ze wel of niet konden uitvaren voor onderhoud. Ondersteunden we met de ontwikkeling van goedkopere funderingen en ontwikkelde Deltares methoden om zowel de paalinstallatie als de horizontale belasting te modelleren.

Waar eerst de nadruk lag op kostenreductie om windenergie op zee betaalbaar te maken, staan de inschatting en vermindering van de impact van windparken op de ecologie steeds hoger op de agenda. Dit geldt ook voor Deltares. Daar waar we mogelijkheden zien voor verduurzamen gaan we er voor. Denk aan zowel het mogelijk maken van stillere installatiemethodes, faciliteren van natuur-inclusief ontwerp van funderingen tot aan het duurzaam ontmantelen van de fundering aan het einde van de levensduur.

Ondersteuning in verschillende fasen van windenergie op zee

Deltares speelt in de verschillende fases – van besluitvorming tot ontwerp en bouw van windparken op zee – een rol omdat we vanuit diverse disciplines expertise kunnen bieden. We verbinden geologische, geotechnische, hydrodynamische, morfologische en ecologische kennis met sociaal-economische vraagstukken rond ruimtelijke ordening en het creëren van draagvlak onder belanghebbenden. Zo kunnen wij op zowel systeemschaal als op zeer hoog detailniveau bijdragen met onze kennis aan de ontwikkeling van windparken.

Voor windmolens die op zee geïnstalleerd worden, voeren we in meerdere fasen tijdens het ontwerpproces onderzoek uit waarmee we de hydrodynamische omstandigheden bepalen waaronder deze gebouwd kunnen worden. Deze condities zijn per locatie verschillend en dit moet dus altijd zorgvuldig onderzocht worden. We voeren uitgebreide tests uit in onze eigen testfaciliteiten om de processen met betrekking tot hydraulica en zeebodem te modelleren, zoals ontgronding rondom de funderingen en hoe daar tegen te beschermen.

Verder voeren we onderzoek uit en adviseren we partijen hoe de risico’s op beschadigingen aan kabels en leidingen te reduceren en zo de kosten laag te houden. We onderzoeken de effecten van stroming en golven op innovatieve concepten zoals de integratie van natuur-inclusief ontwerp concepten in het ontwerp van de fundering. Samen met de industrie, maar ook met andere kennisinstellingen en universiteiten, denken we actief mee hoe we beoogde effecten kunnen realiseren en versterken.

De testen in onze eigen testfaciliteiten en numerieke modellering maken dat we voor opdrachtgevers met advies en onderzoek de plaatsing, werking en het rendement van offshore windturbines maximaal kunnen verbeteren. Dat biedt voor de industrie ook de mogelijkheid om met innovaties te komen, denk aan het inzetten van andere funderingtypes zoals jackets, Gravity-Based-Structures (GBS), tripods, suction piles en zelfs drijvende funderingen voor diepere wateren. Of nieuwe technieken om aan het einde van de levensduur monopiles uit de zeebodem te verwijderen door middel van waterdruk, zodat het staal herbruikt kan worden en circulair bouwen wordt gestimuleerd.

Bouwen op zee: optimale prestaties van windmolens op zee

Windmolens op zee worden hydrodynamisch zwaar belast en de zeebodem is dynamisch. Om ontwerp, installatie en beheer en onderhoud te optimaliseren helpen we onze opdrachtgevers vragen te beantwoorden met betrekking tot hydrodynamica, morfologie en geologie. Daarvoor maken we onder andere gebruik van simpele in-house ontwikkelde tools, schaalproeven, gedetailleerde computermodellen en daadwerkelijke observaties vanuit windparken indien beschikbaar. We onderzoeken en geven advies over:

• Metocean/omgevingsomstandigheden: wind, golven, stromingen, waterstanden
• Operationele realtime voorspellingssystemen voor installatie en O&M
• Golfbelasting en -effecten op funderingen en drijvende installaties
• Ontgronding en bodembescherming voor alle soorten funderingen
• Verandering van de zeebodem tijdens de levensduur van windparken
• Hydrodynamische belastingen op kabels en kabelbeschermingssystemen (CPS)
• Kabelrouting en locatiekeuze in morfodynamische gebieden
• Geologische beoordelingen en karakterisering van de zeebodem

De steeds groter wordende turbines en funderingen vragen veel van de sterkte en belasting van de ondergrond. Daarnaast is het noodzakelijk om de impact van grootschalige uitrol van windparken op zee op het zeeleven zo veel mogelijk te beperken waar het kan. Stillere installatiemethodes en beperkende geluidsmaatregelen zijn ook nodig om het tijdsvenster waarin kan worden gebouwd te vergroten en alle beoogde windmolenparken te realiseren.

Geotechnische vragen voor offshore windindustrie

Deltares doet in samenwerking met de offshore windindustrie onderzoek naar geotechnische vragen voor offshore wind. Geotechnische vragen die we beantwoorden voor onze opdrachtgevers, zijn vragen over:

• Geotechnische beoordeling en testen van ontwerp van funderingen o.a. gedrag van de grond door cyclische belasting, verweking en vervorming
• Proof of concept, testen en optimaliseren van innovatieve en stille paalinstallatietechnieken
• Ontmantelingstechnieken van monopiles voor circulair gebruik
• Kabelinstallatietechnieken (jetting, ploughen, trenching, self burial, HDD-boring)
• Kabelbescherming bij ankers, visnetten en andere objecten

Corrosie van kabels en funderingen speelt een grote rol bij de kosten van beheer en onderhoud van windparken op zee. Deltares doet onderzoek naar corrosie en biochemie en helpen opdrachtgevers met vragen over:

• Microbiologisch beïnvloede corrosie (MIC)
• Doeltreffendheid van kathodische bescherming (CP) en coatings
• Effecten van omgevingsfactoren bij bijvoorbeeld jets, pH-balans bij replenishment in funderingen

Ecologische effecten en natuurbehoud bij windenergie op zee

Windenergie op zee draagt bij aan het realiseren van duurzame energie, maar het is ook duidelijk dat bouwen in de natuurlijke omgeving grote ecologische effecten kan hebben. In het WOZEP-project (Wind op Zee Ecologisch programma) ontwikkelt Deltares samen met andere partijen ecosysteemkennis en modelleringstools om de effecten van ecosystemen te beoordelen. Dit zijn effecten op stratificatie van het water, stromingen en suspensie van zand, die weer gevolgen hebben op de primaire en secundaire productie van nutriënten voor het zeeleven. Het installeren van een enkele paal zal beperkte effecten hebben, maar grootschalige ontwikkeling van windparken op zee op de Noordzee en elders op de wereld kan een grote invloed hebben op het ecosysteem.

WOZEP wordt uitgevoerd in samenwerking met Rijkswaterstaat, het Ministerie van Economische Zaken en Klimaat, Wageningen Marine Research, NIOZ, ingenieursbureaus en de offshore windsector. De opgedane kennis en resultaten maken we publiekelijk beschikbaar in het Noordzeeloket. Deze informatie kan gebruikt worden om de impact van windparken op zee op beschermde soorten te beoordelen. Het onderzoek in WOZEP is nauw verbonden met het programma Monitoring-Onderzoek-Natuurversterking-Soortbescherming (MONS), dat als doel heeft de centrale vraag te beantwoorden of en hoe het veranderende gebruik van de Noordzee past binnen de ecologische draagkracht van de Noordzee.

Ecologische studies die Deltares uitvoert voor opdrachtgevers zijn:

• Milieueffectbeoordelingen
• Studie van de emissies van de offshore windindustrie
• Cascade-effecten van grootschalige offshore windparkontwikkeling
• Cumulatieve effecten van offshore wind met andere vormen van gebruik
• Ontwikkelen van natuur-inclusief ontwerp van de fundering

Toekomstperspectief: offshore windparken en andere toepassingen

Hoe kun je het meeste rendement halen uit het gebied dat je toewijst aan het opwekken van windenergie op zee en waar de ruimte beperkt is? Het is een belangrijke vraag en de reden waarom Deltares ook focust op het combineren van zoveel mogelijk functies in windparken op zee, en daar onderzoek naar doet.

Andere toepassingsmogelijkheden zijn bijvoorbeeld aquacultuur, drijvende zonneparken of energie-eilanden waar de opgewekte windenergie ook omgezet kan naar groene waterstof en opgeslagen voor later gebruik, als het bijvoorbeeld een keer niet waait. Deze integratie in het gehele energiesysteem gaat een cruciale rol spelen in de gehele energietransitie.

Om deze vragen te kunnen beantwoorden zetten we ook onze mariene ruimtelijke planning kennis en aanpak in. Het nadenken over mariene ruimtelijke planning is nodig om de verschillende functies, de druk op de ruimte en het welzijn en functioneren van het ecosysteem te beschermen. Dit vereist een multidisciplinaire aanpak en nauwe samenwerking tussen verschillende sectoren.