GBM Works test Jet-gun bij heiwerkzaamheden voor offshore windturbines

GBM Works heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de geluidsoverlast door het heien van funderingen voor windturbines in de zeebodem te reduceren. Met waterjets, die water in de zeebodem spuiten wordt de bodem als het ware vloeibaar gemaakt, waardoor de wrijving aan de binnenkant van de paal vermindert. Met behulp van de ‘Jet-gun’ zakt de monopile door de trillingen onder het eigen gewicht sneller en met aanzienlijk minder geluid de zeebodem in. Voor de test van het systeem op de Maasvlakte leverde HBK de rekstroken, waarmee de trillingen en de materiaalvervorming van de monopiles gemeten werden. De resultaten van de tests bleken boven verwachting.

“Het heien van funderingen voor windturbines in de zeebodem veroorzaakt trillingen, drukgolven en vooral ook veel lawaai”, omschrijft Ben Arntz, oprichter en directeur van GBM Works, het probleem. “Bij het heien van een stalen funderingspaal met een diameter van acht meter kan de geluidsproductie oplopen tot wel 180 decibel. De trillingen, de drukgolven en het harde geluid  hebben een negatieve invloed op het leven onder water. Dieren worden niet alleen opgeschrikt door de trillingen en de bodemverstoring, maar de communicatie tussen zeezoogdieren zoals dolfijnen en walvissen wordt verstoord. Daarom is er regelgeving aangenomen, die de geluidsproductie bij heiwerkzaamheden op zee moet reduceren. In Duitse wateren geldt momenteel een limiet van 160 decibel op 750 meer afstand van de heiwerkzaamheden. In Nederland zijn de regels met een limiet van 160 – 170 decibel iets soepeler, maar de verwachting is dat de internationale richtlijnen de komende jaren strenger zullen worden. GBM Works heeft zich ten doel gesteld, dat de nieuwe methode om de fundering voor windturbines in de zeebodem te installeren in 2025 een volwaardig alternatief voor de traditionele heihamer in combinatie met een soundmitigation systeem moet zijn.

Fluïdiseren van de bodem

De methode van GBM Works om de paal stil te installeren is eigenlijk vrij eenvoudig. Aan de binnenkant van de heipaal spuiten tientallen waterjets zeewater in de zeebodem. Daardoor krijgt de bodem eigenschappen die vergelijkbaar zijn met drijfzand. De bodem wordt ‘vloeibaar’, waardoor de weerstand van de bodem afneemt zodat de funderingspaal sneller in de bodem zakt. Het tweede deel van de oplossing is een trilblok, dat de hydraulische hei-installatie vervangt. Bij een traditionele hei-installatie slaat een stalen heiblok op de stalen funderingspaal, hetgeen een enorme geluidsproductie tot gevolg heeft. Het trilblok bestaat uit roterende schijven die bovenop de monopile worden gemonteerd. Ze brengen de monopile in trilling, waardoor die in de gefluïdiseerde bodemlaag zakt.”

Het Jet-gunsysteem kan gebruikt worden voor zand, klei of een bodem met meerdere lagen. Voor het optimaal functioneren van het waterjetsysteem heeft GBM Works een simulatiemodel  ontwikkeld dat de ideale combinatie van waterdruk, flow en spuitrichting voor een ondergrond van zand of klei berekent.

Testserie op de Maasvlakte

Om de werking van het systeem te testen en de meerwaarde van de nieuwe methode in de praktijk aan te tonen werd in september 2020 een serie tests op de Maasvlakte uitgevoerd. “Het doel was onder meer om informatie te verzamelen over de trillingen die ontstaan, de waterdruk die nodig is, het gedrag van de bodem en uiteraard het effect op de geluiddemping. De tests werden in het kader van de regeling ‘Stimulering Duurzame Energieproductie en Klimaattransitie’ (SDE++) financieel door RVO ondersteund”, legt Wouter Verschueren, data & model engineer bij GBM Works uit. “We hebben in het totaal vier opstellingen getest: twee tests met het Jet-gunsysteem en het trilblok  op funderingsbuizen met een diameter van 70 en 120 centimeter en twee tests met alleen het trilblok op dezelfde funderingspalen. In het totaal werden in een periode van drie weken op een oppervlakte van zo’n 5.000 vierkante meter 62 proefinstallaties gedaan. Het oppervlakte was verdeeld in plots waarvan we vooraf de bodemstructuur en -samenstelling in kaart hadden gebracht om ook het effect van de bodemsamenstelling op de resultaten in kaart te kunnen brengen.”

Rekstroken

Voor de tests werden rekstroken van HBK toegepast. GBM Works had met HBK contact gezocht omdat het bedrijf betrokken was bij diverse andere test- en onderzoeksprojecten met betrekking tot de fundering en andere onderdelen van windturbines. Daar had GBM Works over gelezen. HBK adviseerde GBM Works niet alleen over het gebruik van de juiste rekstroken, maar monteerde ze ook op de monopiles.

“Met de rekstroken werd de rek in de monopiles gemeten. Als je druk op stalen funderingsbuizen uitoefent treedt er vervorming op en ontstaan er trillingen, die geluid veroorzaken. Het patroon van de vervorming en de trillingen zijn bij beide methodes uiteraard heel verschillend. Dankzij de rekstroken kregen we ook informatie over de fatique van de funderingspalen. Het traditionele heien kan schade veroorzaken en heeft een negatieve invloed op de levensduur van de monopiles. Daardoor worden ze door engineers vaak overgedimensioneerd. Bij de nieuwe methode hoeft dat niet en bespaar je kosten.”

Geluidsreductie van 90 tot 95 procent

“Het merendeel van de data is nu geanalyseerd”, licht Verschueren toe. “De resultaten zijn ver boven verwachting. We zagen bijvoorbeeld, dat de funderingspalen met alleen het trilbok niet verder dan drie of vier meter de grond ingingen, omdat de bodemweerstand te hoog werd. Met de Jet-gun en het trilblok gingen de palen makkelijk tot 10 meter diepte, terwijl de snelheid met gelijkblijvende kracht verviervoudigde. De trillingen werden bij gebruik van de Jet-gun met 25 tot 75 % verminderd. Overigens neemt de kracht van de trillingen toe naarmate de installatiesnelheid afneemt.

In een volgende testcyclus zal de geluidsproductie van de oplossing met de trilhamer en de Jet-gun onder water vergeleken worden met die van een traditionele heihamer. Nu wordt een hei-installatie gebruikt in combinatie met een sound mitigation systeem. Dat zijn complexe systemen, die werken met een onderwaterscherm om de funderingspaal, dat de trillingen en het geluid dempt. GBM Works verwacht dankzij het nieuwe systeem een geluidsreductie van 90 tot 95 procent.

Logistieke voordelen

Nog los van de geluidsreductie door toepassing van het systeem en de versnelling van het funderingsproces, wijst Arntz ook op de logistieke voordelen voor aannemers. “De traditionele hei-machine met sound mitigation systeem is een complexe installatie. De aannemer moet alle apparatuur huren en naar de locatie vervoeren. Met ons systeem is een dergelijk onderwaterscherm niet nodig waardoor het logistieke proces vereenvoudigd wordt en de installatietijd verkort. Over de mogelijke kostenbesparing van onze methode durven we nog geen harde uitspraken te doen, maar als je uitgaat van een kostenbesparing van slechts tien procent alleen al op het heiproces, dan kunnen de besparingen voor een compleet offshore windpark oplopen tot miljoenen euro’s.”