‘Offshore wind moet vernieuwen om vraag bij te houden’

“Kijk naar de uitdaging in de energietransitie en hoe enorm offshore wind moet opschalen. Nederland gaat uit van 11,5 gigawatt voor 2030. Daar voegde de staatssecretaris voor EZ en klimaatbeleid in december nog 10 gigawatt aan toe. Als je bedenkt dat we nu nog niet eens bij een kwart gigawatt zijn… En dat hebben we in de afgelopen 20 jaar gebouwd. Dan hebben we nog acht jaar om de rest erbij te klussen. Dat zijn natuurlijk enorme getallen. Daarvoor heb je nieuwe technieken nodig.”

Aan het woord is offshore-ondernemer Jan van der Tempel, CEO van Ampelmann en directeur van De Oude Bibliotheek en oprichter van TU-spin off Delft Offshore Turbine (DOT). Daar worden in samenwerking met onderzoekers van de TU Delft nieuwe technieken ontwikkeld voor de offshore wind sector. Afgelopen najaar organiseerde Van der Tempel samen met partners Heerema en TU Delft een demonstratie van een nieuwe plaatsingstechniek met de naam Slip Joint. Van der Tempel: “Hiermee kun je tien molens per dag installeren. Dan ben je in twee weken klaar met de installatie van een heel windpark.”

De website van de rijksoverheid laat de Nederlandse ambities zien tot 2050. In 2030 is het de bedoeling om 11,5 gigawatt (GW) geïnstalleerd vermogen op de Noordzee te hebben staan. Dat staat gelijk aan 40% van de elektriciteit of 8,5% van het totale energiegebruik. Maar dat is pas het begin. In 2050 staat tussen de 38 en 72 GW gepland voor elektriciteit en voor de productie van groene waterstof. Nu staat er 2,5 GW buitengaats. In minder dan 30 jaar moet dat dus 15 tot 30 keer meer worden.

Hijskraan op zee

Tot nu toe is de offshore wind sector een kopie van windmolenindustrie op land, maar dan op zee. Maar een toren ophijsen en op z’n plaats laten zakken door er aan de zijkanten met touwen aan te trekken gaat op zee een stuk minder goed. Alles beweegt op en neer, en heen en weer. Ook de bevestiging van de toren aan de fundering met een krans vol polsdikke bouten is op zee buitengewoon omslachtig. Niet alleen omdat het veel werk is maar ook omdat er onhandig zwaar materieel voor nodig is om de bouten op spanning te krijgen. Dat is lastig werken voor iemand op een roostervloertje enkele meters boven de golven. Nu er vaart gemaakt moet worden met de installatie van windmolens op zee, betoogt Van der Tempel, wordt het tijd dat de sector nieuwe offshore technologie ontwikkelt in plaats die van land te kopiëren.

De Slip Joint die Van der Tempel demonstreerde is zo’n nieuwe technologie. Die maakt in één keer alle bouten overbodig. De toren schuift over de monopile (de fundatiepaal in de zeebodem) als twee omgekeerde koffiebekertjes: taps toelopend met precies dezelfde hoek. Promovendus David Fidalgo Domingos was erbij aanwezig. Hij zag hoe de toren simpelweg over de monopile gleed en erop vast bleef zitten. Waarom is dit niet de standaardmethode, vroeg hij zich af.

Van der Tempel reageert laconiek bij die vraag. Hij liep als jonge promovendus zo’n 20 jaar geleden tegen de eerste Slip Joint bevestiging aan: de Windmaster turbine bij Scheveningen stond zo op de funderingspaal. “We zijn naar Scheveningen gegaan en die molen ingeklommen en foto’s gemaakt zodat je die twee stukken staal over elkaar kon zien zitten. Die molen heeft het 20 jaar goed gedaan en is inmiddels verwijderd.” Daarna heeft hij regelmatig in verschillende gezelschappen en vanwege diverse problemen geopperd “Jongens, weten jullie nog van de Slip Joint?” Maar dat leverde nooit meer op dan “Ja, Jan.” En dan ging iedereen weer verder met waar die mee bezig was.

^{Kraanschip Sleipnir plaatst de conische delen van de Slip Joint boven elkaar. (Foto: DOT)}

Optakelen, laten zakken, klaar!

Soms werden bedenkingen geuit, zoals of de toren niet verder zou zakken in de loop van de tijd of dat de buizen door roest niet meer van elkaar te krijgen zouden zijn. Met een voorliefde voor eenvoudige voorbeelden verwijst Van der Tempel naar vastgekleefde Duralex glazen. “Als je achter de bar staat en die glazen zitten aan elkaar geplakt dan tik je ze even op de bar en komen ze los. Zo werkt een Slip Joint ook. Als je daar trillingen in brengt en met een paar cilinders de boel een beetje omhoog drukt dan komt de verbinding los en kun je met een kraanschip de hele windmolen er weer af tillen op een hele nette manier.” Met het kraanschip Sleipnir is bij wijze van demonstratie een windmolen herhaaldelijk geplaatst en weer verwijderd. Domingos stond erbij en keek ernaar: “Optakelen, toren laten zakken, plaatsen en klaar!” Van der Tempel schat dat het al-met-al twee uur duurt om een toren te plaatsen. Dat zijn er tien op een dag en een heel windpark in een paar weken in plaats van maanden. Dat zou enorm schelen in de kosten.

Hoe kan het dan dat niemand de Slip Joint nog toepast? Volgens Van der Tempel zetten behoudende financiers een rem op de innovatie. “De industrie is conservatief omdat alle offshore windparken gefinancierd worden met moeilijke leningen. De financiële mensen gaan dan meekijken en die vinden iets nieuws vaak spannend en eng. Daardoor gaat het risicoprofiel omhoog en wordt het geld duurder.

Dat is een beetje van Catch-22 van de innovatie op zee: we moeten een energietransitie door, maar uiteindelijk bouwen we het liefst wat we vorig jaar ook gebouwd hebben omdat we dat kennen.”

^{Voor de plaatsing is er een oranje stuurlijn bevestigd. (Foto: DOT)}

Industriële revolutie op zee

De Slip Joint is een deel van een industriële manier van windparken aanleggen. Niet langer vanaf hef-platforms die op de zeebodem staan, maar vanaf een groot drijvend kraanschip. De assemblage vindt op de kade plaats, de windmolens worden aan boord gehesen en met een Slip Joint zeevasting aan dek geplaatst. Eenmaal ter plekke worden ze vanaf het drijvende schip op een monopile geplaatst. Dat is de toekomstvisie van Van der Tempel en start-up Delft Offshore Turbine (DOT).

In dat kader heeft promovendus David Domingos (systems & control bij de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen) tijdens de demonstratie met twaalf sensoren de 3D bewegingen van het schip, de kraanhaak, de windturbine gevolgd. Dat leverde hem 15 gigabyte aan data op. Daarmee gaat Domingos een wiskundig model ontwikkelen dat berekent hoe golfbewegingen doorwerken in de positie van de onderkant van de toren boven de monopile. Ook gaat hij op zoek naar nieuwe manieren van bewegingsbeheersing bij de installatie van offshore windturbines vanaf een groot drijvend kraanschip.

De gouden graal in dit onderzoeksgebied is een ‘motion compensation device’, vertelt Domingos. Zo’n MCD zou snel en sterk genoeg moeten zijn om bewegingen in de top van de kraan te compenseren zodat de last niet gaat slingeren. Maar met een gewicht van 500 ton aan de haak is dat nauwelijks te doen. “De hele industrie werkt hieraan”, weet Domingos. Het beste wat er tot nu toe bestaat is een MCD die beweging in één richting compenseert: op en neer.

Voor de andere richtingen zou je de paal met stuurtouwen rondom op z’n plek kunnen houden terwijl die zakt. Postdoc Peter Meijers en promovenda Panagiota Atzampou (faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen) werken aan een contactloos systeem datdeze stuurtouwen moet vervangen. De opstelling in de kelder van het gebouw werkt nog maar in één richting en op een schaal van 1 op 20, maar het idee is duidelijk. Een elektromagneet moet de slingerende toren afremmen en op een bepaalde afstand fixeren. Twee haaks geplaatste magneten zouden een zakkende paal dan op z’n plek kunnen houden.

Toenemende druk

Terwijl in Delftse laboratoria onderzoekers werken aan toekomstige technologie om offshore operaties veiliger en meer gecontroleerd te maken, is de Slip Joint al zeker twintig jaar klaar voor toepassing. De demonstratie met het kraanschip Sleipnir liet dat zien.

De jonge ingenieur Domingos, die erbij aanwezig was, heeft er weinig twijfels over: “De boodschap is: de Slip Joint werkt, het is betrouwbaar, je kunt ermee aan de slag.”

Waarom gebeurt dat niet? “Je moet aan de ene kant ongeduldig blijven en aan de andere kant een lange adem hebben,” merkt Van der Tempel op. Hij denkt dat de industrie wel zal moeten vernieuwen om het tempo van de projecties naar 2030 en 2050 bij te houden. “De druk uit de publieke opinie neemt toe. Dan is er op gegeven moment iemand die z’n vinger opsteekt en zegt: ik vind het leuk, ik wil dat doen. Dan staan wij klaar met de tekeningen en hulp, en dan gaan we het toepassen.”

• Vernieuwend offshore onderzoek op de TU Delft is verspreid over meerdere faculteiten. Op CiTG is dat de afdeling Engineering Structures, waar Peter Meijers en Panagiota Atzampou werken onder supervisie van Antoni van Leeuwenhoek Professor en afdelingshoofd prof.dr. Andrei Metrikine.  Bij de faculteit 3mE is dat bij het Delft Centre for Systems and Control waar David Fidalgo Domingos werkt onder supervisie van prof.dr.ir. Jan-Willem van Wingerden, hoogleraar Data Driven Control en van Peter Wellens van Marine and Transport Technology.

^{Offshore onderzoek verloopt in nauwe samenwerking met partners uit de praktijk. (Foto Panagiota Atzampou)}