Monopalen als fundering voor offshore windmolens: techniek, innovatie en toepassing

Published by Redactie on juli 25, 2025 | Category fundering

Inleiding

Offshore windenergie is een sleutelcomponent in de transitie naar duurzame energievoorziening. Voor de installatie van windmolens op zee worden funderingen gebruikt die ervoor zorgen dat de constructies stabiel, veilig en duurzaam zijn. De meest gebruikte fundering is de zogenaamde monopaal — een lange, hoge stalen buis die in de zeebodem wordt geheid. Deze fundering wordt vaak gekoppeld aan de turbine en is een essentiële technische en economische keuze, vooral in ondiep water en op zandige bodems zoals in de Noordzee.

Buiten de klassieke monopale fundering zijn er innovatieve alternatieven in ontwikkeling, zoals de betonnen voet en gravity-based funderingen, die ervoor zorgen dat de constructie op zee kan worden geplaatst zonder heien. Deze technieken verminderen de impact op het milieu, verlagen de installatiekosten en bieden schaalbaarheid voor toekomstige offshore windparken.

In dit artikel geven we een overzicht van de monopaalfundering, de installatiemethoden, de innovatieve alternatieven en de rol van technologische simulaties bij de planning van deze projecten. We beoordelen ook de duurzaamheid, de voordelen en de uitdagingen van deze oplossingen, alles gebaseerd op betrouwbare informatie uit het gegeven bronnenmateriaal.

Monopalen: bouw, installatie en toepassing

Technische kenmerken van monopalen

Monopalen vormen de basis van de meeste offshore windmolens. Het is een holle stalen buis met een typische doorsnede van 11 tot 13 meter en een lengte tot wel 60 meter. De paal moet zo diep worden geheid dat hij ongeveer 30 meter onder de zeebodem reikt, om de stabiliteit van de windmolen te garanderen. Deze techniek is goed bewezen en schaalbaar, vooral in ondiep water en op zandige bodems zoals die voorkomen in de Noordzee.

De keuze voor monopalen is ook economisch aantrekkelijk. Ze zijn relatief goedkoop in vergelijking met alternatieven, vooral bij grotere windparken. De monopaal is een bewezen technologie die uitstekend werkt bij windmolens met een vermogen vanaf 6 MW. Voor grotere turbines, zoals de 8 MW-modellen die tegenwoordig gebruikelijk zijn, wordt de monopaalfundering zelfs duidelijk goedkoper dan alternatieven zoals gravity-based systemen, zoals vermeld door BAM Energie in hun samenwerking met Van Oord.

Installatiemethoden: heien versus intrillen

De installatie van monopalen vereist zorgvuldige planning en monitoring. Twee hoofdmethoden worden gebruikt: heien en intrillen. Heien betekent dat de paal met behulp van een heiblok in de zeebodem wordt gedreven. Deze methode is krachtig, maar kan ook schadelijk zijn voor het milieu en het lokale ecosysteem.

In de laatste jaren is intrillen een steeds populairdere methode geworden. Bij intrillen wordt een trilblok gebruikt om de paal zachtjes in de zeebodem te tillen. Deze methode is minder drastisch voor de omgeving en heeft ook het voordeel dat het energieverbruik lager is.

Allnamics, een offshore ingenieursbedrijf, voert analyses uit zoals intrilpredicties en vermoeiingsanalyses om de impact op de paal te bepalen tijdens installatie en gedurende de levensduur. Deze analyses gebruiken simulaties, zoals AllWave-VDP, om het gedrag van de paal, de grond en het trilblok te voorspellen. Hiermee wordt zekerheid gegeven dat het beschikbare trilblok de paal op de gewenste diepte kan brengen en voorkomt men problemen zoals early refusal en extra kosten.

Stabiliteit en duurzaamheid

De stabiliteit van de monopaal is essentieel voor de veiligheid van de windmolen. Offshore ingenieurs moeten rekening houden met dynamische belastingen zoals wind, golfbeweging en stroming. Deze krachten werken zich tijdens de levensduur van de windmolen voortdurend af op de paal en moeten worden geanalyseerd om eventuele schade te voorkomen.

Daarnaast is de monopaalfundering duurzaam in de zin dat ze relatief weinig materiaal verbruikt en schaalbaar is voor grotere projecten. Ze is echter ook een relatief massieve constructie die niet licht verplaatsbaar is. Dit is een beperking bij grotere waterdieptes, waar andere funderingstechnieken zoals de betonnen voet of gravity-based systemen beter presteren.

Innovatieve alternatieven: de betonnen voet en gravity-based systemen

Betonnen voeten: een alternatief voor heien

Een innovatieve aanpak is de zogenaamde betonnen voet. Deze fundering bestaat uit een massieve betonnen constructie die aan land wordt gebouwd en vervolgens op zee wordt geplaatst. In plaats van in de zeebodem te heien, wordt de fundering op de zeebodem geplaatst en met zand of andere materialen gevuld, waardoor het geheel afzinkt en stabiliteit verkrijgt.

Deze methode heeft meerdere voordelen. Eerst is het mogelijk om de meeste bouwwerkzaamheden aan land uit te voeren, wat het offshore werk beperkt en zo de risico’s en kosten vermindert. Bovendien is heien niet nodig, wat de impact op het milieu vermindert.

Een voorbeeld is het demonstratieproject van EDF Energy Renewables in Blyth, Engeland. De betonnen fundering heeft een doorsnede van 30 meter en een hoogte van ongeveer 20 meter. Er is 1800 m³ beton en aanzienlijke hoeveelheid wapeningsstaal verwerkt. De fundering is hol, zodat het geheel drijvend kan worden versleept naar de eindlocatie. Eenmaal geplaatst wordt de voet geleidelijk gevuld met zand om te zinken en stabiliteit te verkrijgen.

Hoewel de betonnen fundering veelbelovend is, zijn er nog onzekerheden over de lange-termijnprestaties. Het verbruik van materialen is aanzienlijk, en het moet nog worden bewezen of deze fundering onder extreme belastingen even betrouwbaar is als traditionele monopalen. EDF’s project is daarom grotendeels een demonstratie, met oog op toekomstige schaalvergroting.

Gravity-based funderingen: flexibiliteit en eenvoud

Een andere innovatie is de gravity-based fundering. Deze fundering maakt gebruik van zwaartekracht om stabiliteit te garanderen. Een bekend voorbeeld is de Monobase, een systematiek waarbij de gravity base compleet met turbine en al vanaf land kan worden versleept en vervolgens op zee geplaatst. De gravity base dient in eerste instantie als drijver die de turbine stabiel houdt wanneer deze wordt versleept en ter plekke met zijn mast naar de bodem zinkt. Zodra de turbine eenmaal op zijn plek staat, wordt de gravity base afgezonken om de turbine zijn definitieve stabiliteit te geven.

Een ander voorbeeld is de gravity based monopaal van BAM Energie. Het principe is eenvoudig: een caisson van 7000 ton met een diameter van zo’n 35 meter en een vulgewicht van 9000 ton zand houdt de daarin verankerde monopaal op zijn plaats. Het grote voordeel is dat heien niet nodig is, wat ervoor zorgt dat de impact op het milieu lager is. Berekeningen wijzen uit dat zo’n fundering lonend is vanaf waterdiepten van 42 meter en turbines vanaf zo’n 6 MW. Bij 8 MW-turbines is deze fundering duidelijk goedkoper.

Duurzaamheid en milieuvraagstukken

De innovatieve funderingstechnieken zoals de betonnen voet en gravity-based systemen bieden mogelijkheden om de impact op het milieu te verminderen. Het vermijden van heien is een belangrijke factor, aangezien heien krachtige geluidsgolven produceert die het lokale ecosysteem kan schaden. Daarnaast kunnen deze systemen worden ontworpen om ecologisch verantwoord te zijn, bijvoorbeeld door openingen te creëren die zeeleven kunnen ondersteunen.

Vattenfall, een toonaangevende speler in de offshore windsector, werkt aan duurzame monpaalfunderingen met een afdekking gemaakt van polyester. Deze deksels worden gebruikt tijdens de bouw van het windmolenpark om het platform en de bouwvakkers in de monopaal te beschermen voordat de turbinetoren wordt geplaatst. Deze innovatie toont aan dat duurzaamheid niet tegenstrijdig hoeft te zijn met technische innovatie.

Technologie en simulatie in de planning van funderingsprojecten

Intrilpredicties en vermoeiingsanalyses

De planning van offshore funderingsprojecten is niet alleen een kwestie van bouwen, maar ook van simulatie en analyse. Intrilpredicties en vermoeiingsanalyses zijn essentiële tools om de installatie te plannen en mogelijke problemen te voorkomen. Deze voorspellingen geven uitsluitsel over de intrilbaarheid van een funderingspaal, voorkomen problemen tijdens de uitvoering en helpen om de meest efficiënte trilblokken te kiezen.

Bijvoorbeeld, Allnamics gebruikt AllWave-VDP om het gedrag van de paal, grond en trilblok te simuleren. Hiermee worden verwachtingen uitgesproken over de te bereiken einddiepte, spanningen en zelfs intriltijd of -snelheid. Tegenvallers op de bouwplaats op zee kunnen zo worden voorkomen, wat resulteert in een snellere en kostenefficiëntere installatie.

Duurzame monpaalfunderingen en innovatie

Innovatie speelt ook een rol in de ontwikkeling van duurzame monpaalfunderingen. Een voorbeeld is de monpaalfundering met een polyesterafdekking, zoals ontwikkeld door Enersea en Composite Cover Manufacturing voor Vattenfall. Deze deksels helpen om het milieu te beschermen tijdens de bouw van het windmolenpark. De structurele analyse van deze funderingen wordt uitgevoerd met Simcenter Femap, een tool die gebruikt wordt voor constructieberekeningen.

Conclusie

Monopalen vormen momenteel de meest gebruikte fundering voor offshore windmolens, dankzij hun bewezen prestaties, relatief lage kosten en schaalbaarheid. Ze zijn essentieel voor de veiligheid en stabiliteit van windmolens en passen goed bij turbines vanaf 6 MW. Met moderne installatiemethoden zoals intrillen en simulaties is de efficiëntie van deze fundering verder verbeterd, wat leidt tot lagere kosten en minder impact op het milieu.

Naast de klassieke monopaal zijn er innovatieve alternatieven in ontwikkeling. De betonnen voet en gravity-based funderingen bieden nieuwe manieren om windmolens op zee te plaatsen zonder heien. Deze technieken zijn vooral geschikt voor grotere waterdieptes en bieden het voordeel dat de meeste bouwwerkzaamheden aan land kunnen worden uitgevoerd. Het gebruik van zwaartekracht en innovatieve materialen maakt deze funderingen duurzaam en schaalbaar.

De toekomst van de offshore windsector houdt verder rekening met de behoefte aan efficiëntere installatiemethoden, lagere kosten en een positieve bijdrage aan de duurzame ontwikkeling. Door de combinatie van technologische vooruitgang en bewust omgaan met de natuur, kan offshore windenergie een belangrijke rol spelen in de toekomstige energievoorziening van Nederland en andere landen.

Bronnen

monopaal