Funderingen op de zeebodem: technieken, toepassingen en duurzame ontwikkeling

De bouw van funderingen op de zeebodem speelt een cruciale rol in de opbouw van offshore windparken. In de Nederlandse Noordzee zijn verschillende methoden in gebruik om windturbines op een stabiele manier te plaatsen, waarbij de keuze van de funderingsmethode sterk afhankelijk is van de locatie, de ondergrond en de technische eisen. Deze artikelen geven inzicht in de technieken zoals monopiles, betonnen voeten en de specifieke logistieke en ecologische aspecten die hierbij een rol spelen.

In dit artikel bespreken we de diverse funderingstechnieken die op zee worden toegepast, de constructieve kenmerken van deze funderingen, de bouwprocesstappen en de duurzame aspecten die hierbij worden meegenomen. Bovendien wordt een vergelijking gemaakt tussen offshore- en onshorefunderingen, waardoor een duidelijk beeld ontstaat van de ontwikkelingen in het veld van offshore windenergie.

Offshore funderingstechnieken: monopiles en betonnen voeten

Monopile: de klassieke fundering

Een monopile is een verticale stalen paal die in de zeebodem wordt geheid. Deze methode is de meest gebruikte funderingstechniek voor offshore windturbines. De paal wordt meestal op zijn exacte locatie gebracht met behulp van een installatieschip, waarna hij met een hydraulische hamer in de zeebodem gedreven wordt. De zeebodems waarin deze funderingen worden geplaatst, liggen tussen 17 en 28 meter diepte. Dit maakt duidelijk dat de funderingsdiepte voor offshore windturbines aanzienlijk groter is dan voor windturbines op land.

De monopile wordt vaak gecombineerd met een zogenaamde transition piece, een constructie die de paal verbindt met de stalen toren van de windturbine. Deze constructie zorgt voor een stabiele overgang en helpt bij het absorberen van trillingen die ontstaan door de draaiende bladen van de turbine.

Een voorbeeld van een monopileinstallatie is te vinden in het offshore windpark Hollandse Kust Zuid. In de zomer van 2021 startte Vattenfall met het testen van funderingen op zee, inclusief een nieuw ontwerp zonder transition piece. Deze innovatie kan leiden tot vereenvoudigde constructies en lagere kosten, zonder dat de stabiliteit van de fundering in het gedrang komt.

De installatie van een monopile is een complexe logistieke opdracht. De paal moet verticaal worden gehesen en met de juiste kracht in de zeebodem gedreven. Tijdens de eerste installatiefase van Hollandse Kust Zuid in 2021 werden 34 monopiles geplaatst. Gedurende de winter werd het proces geanalyseerd en verbeterd, zodat in 2022 de installatie van de resterende 106 funderingen in 4,5 maanden kon worden voltooid. Deze verbetering is het resultaat van geleerde ervaring en technische optimalisaties.

De monopilemethode heeft meerdere voordelen. Het is een bewezen techniek die goed werkt in zachte zeebodems en heeft een relatief eenvoudige installatie. Daarnaast is het een sterk en betrouwbare fundering die goed bestand is tegen harde windstoten en golfkrachten. Echter, de methode heeft ook nadelen. De installatie is duur, en de heienwerktuigen hebben een grote impact op de zeebodem. Bovendien vereist het proces grote installatievaartuigen en precisie in de logistiek.

Betonnen voet: een innovatieve oplossing

Een alternatief voor de monopile is de zogenaamde betonnen voet. Deze fundering bestaat uit een zware betonnen constructie van ongeveer 30 meter diameter en 20 meter hoogte. In tegenstelling tot een monopile wordt deze voet niet in de bodem gedreven, maar zit vast op de zeebodem door gewicht en verankering. De fundering is ontworpen om te drijven tot de gewenste locatie en vervolgens zinkt het door geleidelijk met zand te worden gevuld.

De betonnen voet is een nieuw fenomeen in de offshore windenergie. Traditioneel worden windturbines vastgezet met een fundering in de bodem van de zee, of ze staan op een drijflichaam dat met ankerlijnen op zijn plaats blijft. De betonnen voet biedt een alternatief dat eenvoudiger in transport en installatie is. Omdat het een holle constructie is, kan het als drijvend transportmiddel naar zijn bestemming worden verscheept. Pas op de gewenste locatie wordt het gevuld met zand, waardoor het zinkt en zich op de zeebodem vestigt.

De betonnen voet is ontworpen en gebouwd door Bam en bestaat uit 1800 kubieke meter beton en een aanzienlijke hoeveelheid wapeningsstaal. De voet en de buispaal zijn beide hol, wat het transport mogelijk maakt. Eenmaal op zijn plek is het totale gewicht van de fundering zo’n 15.000 ton, genoeg om zelfs bij de zwaarste stormen de windturbine op zijn plek te houden. De turbine die op deze fundering wordt geplaatst is een opgewaardeerde Vestas-turbine van 8,3 MW, met bladen waarvan de tip ruim 190 meter boven het water uit steekt.

De betonnen voet heeft meerdere voordelen. Het is een minder invasieve techniek dan de monopile, aangezien het niet in de zeebodem wordt gedreven. Het transport en de installatie zijn relatief eenvoudiger, wat leidt tot lagere kosten en minder logistieke uitdagingen. Bovendien heeft het weinig impact op de zeebodem en kan het worden gebruikt in gebieden waar de bodem te zacht is voor een monopile. Echter, omdat het een nieuwe techniek is, is de bewezen haalbaarheid en duurzaamheid nog niet volledig vastgesteld. Daarnaast is de productie van zo’n zware betonnen constructie energie-intensief en kan dit inbreuk hebben op de duurzaamheid van het project.

Vergelijking van funderingsmethoden

De keuze voor een funderingsmethode hangt af van meerdere factoren, waaronder de locatie, de ondergrond en de technische eisen. Voor offshore toepassingen, zoals Hollandse Kust Zuid, liggen de funderingen tussen de 17 en 28 meter diep. Voor landelijke windturbines, zoals in Noordoostpolder, zijn de funderingspalen tussen de 23 en 30 meter lang. De betonnen voet uit bron 7 heeft geen ‘diepte’ in de klassieke zin, maar is een vaste constructie die op de zeebodem staat. Deze methode vereist geen verdieping in de bodem, maar zorgt wel voor een stabiele ondersteuning door het gewicht van de fundering.

De volgende tabel geeft een overzicht van de diverse funderingsmethoden en hun kenmerken.

Zowel de monopile als de betonnen voet hebben hun eigen voordelen en nadelen. De keuze hangt af van de specifieke omstandigheden van het project. In zachte zeebodems is de monopile vaak de meest geschikte optie, terwijl de betonnen voet beter aansluit op gebieden waar het transport en de installatie moeilijker zijn. Daarnaast speelt duurzaamheid een steeds grotere rol in de keuze van funderingsmethoden, waardoor innovatieve oplossingen als de betonnen voet een interessante optie worden.

Bouwprocessen en logistiek

Het bouwproces van funderingen op zee is een complexe logistieke opdracht die meerdere stappen omvat. Voor monopiles begint het proces bij de productie van de stalen palen, die vervolgens op een werf worden opgeslagen tot ze naar hun bestemming worden verscheept. De palen worden meestal verticaal gehesen en in de zeebodem gedreven met een hydraulische hamer. Tijdens deze fase moet er rekening worden gehouden met de wind- en golfcondities, die aanzienlijke invloed kunnen hebben op de precisie van de installatie.

In het geval van de betonnen voet wordt het proces anders uitgevoerd. De fundering wordt in een werkplaats vervaardigd en vervolgens als drijvend transportmiddel naar de gewenste locatie gebracht. Op het eindpunt wordt het geleidelijk met zand gevuld, waardoor het zinkt en zich op de zeebodem vestigt. Deze methode vereist minder complexe installatievaartuigen en is daarom logistiek minder uitdagend dan de monopilemethode.

De logistiek van funderingsinstallaties wordt vaak uitgevoerd door gespecialiseerde installatievaartuigen, zoals het installatieschip Seaway Strashnov dat werd gebruikt voor de monopileinstallatie van Hollandse Kust Zuid. Deze schepen zijn uitgerust met krachtige kranen en heienwerktuigen die nodig zijn voor het plaatsen van de funderingen in de zeebodem. De precisie van deze installaties is van cruciaal belang, aangezien een fundering die niet goed geplaatst is, kan leiden tot stabiliteitsproblemen en schade aan de windturbine.

Een voorbeeld van een logistieke uitdaging is de campagne van Vattenfall in 2021, waarbij de installatie van 34 funderingen de eerste grote bouwactiviteit van Hollandse Kust Zuid was. Gedurende de winter werd het proces geanalyseerd en verbeterd, zodat in 2022 de installatie van de resterende 106 funderingen in 4,5 maanden kon worden voltooid. Deze verbetering is het resultaat van geleerde ervaring en technische optimalisaties.

Ecologische impact en duurzame bouw

De bouw van funderingen op zee heeft niet alleen technische en logistieke aspecten, maar ook ecologische gevolgen. De Noordzee is de thuisbasis van verschillende beschermde dieren, zoals bruinvissen, die onderwatergeluid gebruiken voor communicatie en het vinden van hun prooi. Bouwactiviteiten, zoals het heien van monopiles, kunnen onderwatergeluiden veroorzaken die deze dieren storen. Daarom moet het onderwatergeluid als gevolg van de bouw van de funderingen onder een bepaalde drempel blijven om te zorgen dat het effect van de aanleg op het onderwaterleven acceptabel is. Deze geluidsdrempels verschillen per seizoen en per windparklocatie.

Om het ecologische effect te minimaliseren, worden technieken zoals bubbelgordijnen gebruikt. Deze gordijnen bestaan uit een luchtstrom die wordt aangemaakt rondom het heienwerktuig, waardoor onderwatergeluiden worden geabsorbeerd en het geluidsdrempel niet overschreden wordt. Deze techniek zorgt ervoor dat het ecologische evenwicht in de Noordzee zo min mogelijk wordt verstoord.

Naast het minimaliseren van de ecologische impact, zijn er ook initiatieven om de funderingen te gebruiken als onderdeel van een bredere strategie voor natuurversterking. In het offshore windpark Hollandse Kust Zuid zijn openingen gemaakt in de funderingen van windturbines om zeeleven te bevorderen. Deze openingen dienen als leefgebied voor vissen en andere dieren, waardoor de ecologische kwaliteit van de Noordzee kan worden verbeterd. Deze innovatie benadrukt het potentieel van monopile funderingen als onderdeel van een duurzame bouwstrategie.

De combinatie van bouwtechnologie en ecologische innovatie kan leiden tot een verbetering van de ecologische kwaliteit van de Noordzee. Zo kunnen windparken niet alleen duurzame energie opwekken, maar ook bijdragen aan het herstel van onderwaternatuur zoals oesterbanken en koraalriffen. Deze duurzame benadering maakt dat offshore windparken steeds meer worden gezien als een essentieel onderdeel van de transitie naar een koolstofarme economie.

Praktijkvoorbeelden en toekomstige ontwikkelingen

Bouw van windpark Hollandse Kust Zuid

Het offshore windpark Hollandse Kust Zuid is een van de meest significante projecten in de Nederlandse Noordzee. In 2021 begon de installatie van de funderingen, waarbij 34 monopiles werden geplaatst. Gedurende de winter werd het proces geanalyseerd en verbeterd, zodat in 2022 de resterende 106 funderingen in 4,5 maanden konden worden voltooid. Deze verbetering is het resultaat van geleerde ervaring en technische optimalisaties.

De monopiles worden op de Maasvlakte vervaardigd en vanaf de werf van funderingsfabrikant Sif verscheept met het installatieschip Seaway Strashnov. De monopiles worden verticaal gehesen en in de zeebodem gedreven tot een diepte van 17-28 meter. Door zijn gewicht dringt de fundering door de erosiebeschermingslaag en de onderliggende zeebodem. Door middel van een hydraulische slaghamer wordt elke paal tot de uiteindelijke diepte geheid.

De funderingen vormen de basis waarop de turbines worden geplaatst. In de toekomst zullen deze turbines duurzame elektriciteit opwekken en bijdragen aan het energiebeleid van Nederland. De bouw van het windpark is een voorbeeld van hoe technologie en duurzaamheid kunnen worden gecombineerd om een betere toekomst te creëren.

Toekomstige ontwikkelingen

De toekomstige ontwikkelingen in de offshore windsector zijn veelbelovend. Innovatieve funderingstechnieken zoals de betonnen voet kunnen leiden tot nieuwe mogelijkheden in het bouwen van windparken. Deze technieken zijn minder invasief en kunnen beter worden afgestemd op de ecologische eisen van de Noordzee.

Daarnaast zijn er initiatieven om de funderingen te gebruiken als onderdeel van een bredere strategie voor natuurversterking. Door openingen in de funderingen te maken en het zeeleven te bevorderen, kan de ecologische kwaliteit van de Noordzee worden verbeterd. Deze benadering maakt dat offshore windparken niet alleen duurzame energie opwekken, maar ook bijdragen aan het herstel van onderwaternatuur zoals oesterbanken en koraalriffen.

De combinatie van technologie en ecologie is een sleutelaspect in de toekomstige ontwikkelingen van de offshore windsector. Door innovatieve funderingstechnieken en duurzame bouwstrategieën te combineren, kan de offshore windsector een essentieel onderdeel worden van de transitie naar een koolstofarme economie.

Conclusie

De bouw van funderingen op de zeebodem is een essentieel onderdeel van de opbouw van offshore windparken. De keuze van de funderingsmethode hangt af van meerdere factoren, waaronder de locatie, de ondergrond en de ecologische eisen. Zowel de monopile als de betonnen voet zijn geschikte opties, die elk hun eigen voordelen en nadelen hebben.

De monopile is een bewezen techniek die goed werkt in zachte zeebodems en heeft een relatief eenvoudige installatie. Echter, de methode is duur en heeft een grote impact op de zeebodem. De betonnen voet biedt een alternatief dat eenvoudiger in transport en installatie is. Het is een minder invasieve techniek die goed aansluit op gebieden waar het transport en de installatie moeilijker zijn. Echter, omdat het een nieuwe techniek is, is de bewezen haalbaarheid en duurzaamheid nog niet volledig vastgesteld.

De bouw van funderingen op zee is een complexe logistieke opdracht die meerdere stappen omvat. Voor monopiles begint het proces bij de productie van de stalen palen, die vervolgens op een werf worden opgeslagen tot ze naar hun bestemming worden verscheept. Voor de betonnen voet wordt het proces anders uitgevoerd. De fundering wordt in een werkplaats vervaardigd en vervolgens als drijvend transportmiddel naar de gewenste locatie gebracht. Op het eindpunt wordt het geleidelijk met zand gevuld, waardoor het zinkt en zich op de zeebodem vestigt.

De ecologische impact van funderingsinstallaties is een belangrijk aspect in de offshore windsector. De Noordzee is de thuisbasis van verschillende beschermde dieren, zoals bruinvissen, die onderwatergeluid gebruiken voor communicatie en het vinden van hun prooi. Bouwactiviteiten, zoals het heien van monopiles, kunnen onderwatergeluiden veroorzaken die deze dieren storen. Daarom moet het onderwatergeluid als gevolg van de bouw van de funderingen onder een bepaalde drempel blijven om te zorgen dat het effect van de aanleg op het onderwaterleven acceptabel is.

De combinatie van bouwtechnologie en ecologische innovatie kan leiden tot een verbetering van de ecologische kwaliteit van de Noordzee. Zo kunnen windparken niet alleen duurzame energie opwekken, maar ook bijdragen aan het herstel van onderwaternatuur zoals oesterbanken en koraalriffen. Deze duurzame benadering maakt dat offshore windparken steeds meer worden gezien als een essentieel onderdeel van de transitie naar een koolstofarme economie.

Bronnen

1. Demargaretha.nl - Funderingsdiepten en constructies van windturbines
2. De Ingenieur.nl - Betonvoet voor windturbines op zee
3. Hollandsekust.vattenfall.nl - Terugblik op de installatiecampagne van de funderingen
4. PUC.overheid.nl - Verzoek tot vergunning voor verwijderen van betonnen fundering
5. Demargaretha.nl - Funderingen nabij de kust: uitdagingen en oplossingen voor duurzame bouw