Onderzoeker Hayo Hendrikse ontwikkelde een nieuw model om de invloed van zee-ijs op offshore constructies zoals windturbines en olie- en gasplatforms veel nauwkeuriger te berekenen. Wat bleek: ijs zorgt voor minder slijtage van deze constructies dan tot nu toe werd aangenomen. Dankzij een succesvolle samenwerking met Siemens Gamesa wordt het model van Hendrikse nu gebruikt bij de aanleg van nieuwe windparken op zee.

 

Mocht het IJsselmeer ooit nog dichtvriezen, dan schaatst Hendrikse naar een van ‘zijn’ windmolens, die daar binnenkort worden gebouwd.  “Er zijn al twee projecten waarbij de ijsbelasting met mijn model wordt bepaald”, vertelt hij. “Heel leuk, vooral omdat het Nederlandse projecten zijn. Het laat zien dat dit onderzoek ook in eigen land relevant is.”

Olie- en gasplatforms

Aanvankelijk was het helemaal niet de bedoeling met windturbines aan de slag te gaan. In 2010 richtte de aandacht zich nog op de aanleg van olie- en gasplatforms in het poolgebied. "Wat oliebedrijven misten, was een model om de dynamische interactie tussen ijs en de constructie goed te kunnen voorspellen.” Er waren weliswaar bestaande modellen, maar geen enkele voldeed aan de benodigde kwaliteitseisen voor een goed ontwerp. Wetenschappelijke consensus over ‘wat er precies in het ijs gebeurt’ was er niet.

Lunskoye-A platform in level ice conditions in the Sea of Okhotsk, Russia (photo courtesy of Sakhalin Energy Investment Company Ltd.)

Zee-ijs (grote platen of een deels dichtgevroren zee of meer) komt door de stroming en de wind in aanraking met het platform, dat hierdoor deels meebeweegt. Op een gegeven moment breekt het ijs af, en de constructie beweegt weer terug naar de oorspronkelijke positie. De kracht en het moment van breken van het ijs hangt af van de dynamische eigenschappen van de constructie.

Flinke trillingen

Bij erg flexibele constructies kan dit zorgen voor een wisselwerking waarbij het breken van het ijs samenvalt met de beweging van de constructie, met flinke trillingen als gevolg. Dat, in combinatie met metaalmoeheid, kan ervoor zorgen dat de constructie zwakker wordt, met alle risico’s van dien.

A Swedish lighthouse toppled by level ice (photo courtesy of Lennart Fransson)

Voor deze dynamische interactie tussen ijs en de constructie ontwikkelde Hendrikse een model. “Toen we daarmee klaar waren, was de olieprijs inmiddels zo laag dat er hiervoor geen markt meer was”, vertelt hij. Tegelijkertijd was de aanleg van offshore windparken in volle gang, ook op locaties die ’s winters vaak dichtvriezen. “Omdat ons ijs-model geschikt is voor verschillende constructies, konden we het meteen inzetten voor offshore-windturbines.”

Satéprikkers

De effecten van het ijs op offshore-windturbines kunnen nog veel heftiger zijn dan op olieplatforms. “Het zijn eigenlijk satéprikkers met een grote massa erop.” De paal torent zo’n 120-130 meter boven het wateroppervlak uit en beweegt relatief veel wanneer het ijs er tegenaan duwt. Dat vergroot het risico op deze gevaarlijke wisselwerking.

“Je kunt een soort whiplasheffect krijgen: het ijs duwt de paal uit evenwicht en op het moment dat het ijs breekt, veert die terug. Het gevolg is dat de turbinebladen helemaal bovenin extra krachten te verstouwen hebben. Als je dat bij je ontwerp niet goed meeneemt, kan er onder extreme ijscondities iets afbreken.”

Uit onderzoek bleek dat bestaande methodes om de invloed van het ijs te berekenen leidden tot ‘conservatieve’ ontwerpen. “Sommige waren dusdanig conservatief dat de economische haalbaarheid van het project in gevaar kwam.” Uit het model van Hendrikse bleek echter dat de kracht die het ijs uitoefent in veel gevallen lager is. Dit maakt het mogelijk om zonder extra verstevigingen windturbines te bouwen in gebieden waar dit tot nu toe niet mogelijk werd geacht.

Model animation of level ice interacting with a parked offshore wind turbine resulting in severe oscillations of the structure

“Wij zorgen ervoor dat de plaatsing van windparken in ijzige gebieden haalbaar blijft zonder dat aanvullende maatregelen nodig zijn”, zegt Hendrikse. “We doen een simulatie, en nemen daarin de lokale condities mee zoals de hoeveelheid ijs per jaar en de sterkte van het ijs. Ook voeren we informatie over de te bouwen constructie in – behalve windmolens kunnen dat ook vuurtorens of offshore platforms zijn. Uit die simulatie volgt hoe het bewegende ijs en de constructie van invloed op elkaar zijn en welke krachten daarbij komen kijken. Die worden dan gebruikt in het uiteindelijke ontwerpproces.”

Win-winsituatie

Het softwaremodel wordt nu gebruikt door commerciële partijen, in totaal bij zes projecten in de Baltische Zee, voor de kust bij Duitsland, Denemarken en op het IJsselmeer. Dat het zover heeft kunnen komen, is te danken aan de samenwerking met Siemens Gamesa. “Zij hebben niet alleen bijgedragen aan de certificering en validering door een onafhankelijke derde partij, maar ook het vervolgonderzoek gefinancierd”, zegt Hendrikse. Een win-winsituatie. “Siemens Gamesa heeft het product dat zij willen, mijn model wordt nu toegepast in de praktijk en ik kan bovendien verder met vervolgonderzoek.”

Offshore wind turbines in ice at the Nissum Bredning Vind Offshore Wind Farm, winter 2018. Picture courtesy of Siemens Gamesa Renewable Energy

Om tot deze deal te komen, is overigens wel flink onderhandeld. Het Valorisatie Centrum (VC) heeft daarbij een waardevolle rol gespeeld, zegt Hendrikse (zie interview Maxim Segeren). “Mijn onderzoekshart zei: ga het model snel gebruiken. Maar al snel werd duidelijk dat het niet verstandig was om alles zomaar weg te geven.”

Hendrikse prijst de hulp die hij kreeg tijdens de onderhandelingen, vooral als het ging om het intellectueel eigendom. “Ik had het niet op de radar en het was fijn om samen te werken met mensen die daar veel verstand van hebben. Het heeft ervoor gezorgd dat ik de maximale waarde uit mijn onderzoek kon halen.”

IJstank en klimaatkamers

Inmiddels is ook het vervolgonderzoek gestart. Hendrikse en zijn team willen op modelschaal gaan testen. Daarmee werken ze samen met Siemens Gamesa en met Aalto University, die over een grote ijstank beschikt. Het project is medegefinancierd door TKI Wind op Zee. Bij de Faculteit Civiele Techniek in Delft worden klimaatkamers gebouwd: twee grote vriescellen waarin Hendrikse ook proeven wil doen. “We willen bijvoorbeeld inzicht krijgen in het verschil waarop zoet- en zoutwater-ijs reageren op de constructies.” Het onderzoek is tot nu toe altijd gefocust geweest op zout water.

The Aalto Ice Tank where the next phase of experiments will take place, courtesy of Aalto University

Het is niet mogelijk om dit te testen bij bestaande windturbines zoals bijvoorbeeld in het IJsselmeer. “Je kun wel alle meetinstrumenten ophangen, maar vervolgens kan het jaren duren voordat er ijs ligt.” Ook werkt hij aan ‘mitigerende maatregelen’, zoals een folie op de turbines, die ervoor zorgt dat het ijs op zodanige manier breekt, dat de frequentie niet samenvalt met die van de turbine.

Impact

Het model is volledig openbaar, maar de met Siemens Gamesa ontwikkelde methode om op basis van dit model offshore-windturbines te ontwerpen, is niet vrij beschikbaar. Het copyright is in handen van Hendrikse en Siemens Gamesa mag het uiteraard gebruiken. Andere partijen kunnen het model op basis van de wetenschappelijke literatuur implementeren in hun software en zelf een methode ontwikkelen om het toe te passen.

In de praktijk kloppen deze partijen voor dit laatste vaak aan bij de TU Delft. Het niet openbaar maken van de methode om het model toe te passen is een bewuste keuze. Voor sommige mensen wringt dat met de ‘open science-gedachte’, maar het was in dit geval de enige manier om impact te kunnen maken, zegt Hendrikse.

“Ik kan nu uitbreiden met een lab, proeven doen, en drie PhD’s aanstellen die samen met mij de komende 4,5 jaar aan dit onderwerp werken”, concludeert Hendrikse. “Dat is een geweldige uitkomst. Er worden offshore-windparken gebouwd waarbij wij een bijdrage hebben geleverd aan het ontwerpproces. Dat is gewoon supergaaf!”

Bijzondere deal: ‘Dit is een werelddoorbraak’

Maxim Segeren is business developer bij het Valorisation Centre en begeleidde de totstandkoming van de deal met Siemens Gamesa.

“Ons doel is nooit geweest om te verdienen met intellectueel eigendom, maar om zowel innovaties te implementeren als het onderzoek voort te zetten. Ik ben daarom blij de onderhandelingen te hebben geleid tot een samenwerkingsverband met Siemens Gamesa: het bedrijf draagt de kosten van certificeringen en het vervolgonderzoek van Hendrikse, in ruil voor een royaltyvrije licentie. Dit bood op zijn beurt de TU Delft weer mogelijkheden om er publiek-private fondsen aan te koppelen, wat we ook met succes hebben gedaan.

“We hebben hierdoor echt impact kunnen maken. We zijn van een onderzoeksmodel direct naar implementatie en certificatie in een commercieel project gegaan. Daarnaast gaat het fundamentele onderzoek nu ook door. Dat is iets waar we zowel als Valorisatie Centrum als Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen trots op kunnen zijn.

“Het was een complex traject, waarbij we ook goed hebben samengewerkt met Adriaan van Noord en Merlijn Bazuine van het team Intellectual Property (IP). Merlijn heeft alle afspraken over IP op een buitengewoon constructieve en adequate manier opgelost. Dat had ik nooit alleen kunnen doen.

“Hayo zat op de inhoud, mijn rol was om alle spelers met elkaar te verbinden, zorgen dat alle drempels worden weggenomen om zo een goede samenwerking tot stand te brengen. Dat klinkt simpel, maar dat is het vaak niet. Je hebt met zoveel verschillende mensen te maken, zowel binnen de TU Delft als extern: met subsidiegevers en met Siemens Gamesa.

“Wat Hayo heeft gedaan, is natuurlijk een werelddoorbraak. De gebruikte modellen tot nu toe voor dynamische ijsbelasting dateren uit de jaren zeventig, en de laatste grote stappen zijn gemaakt eind jaren negentig. Ruim twintig jaar geleden. De methode van Hayo zorgt er nu voor dat sommige commerciële offshore-projecten financieel haalbaar worden in gebieden waar de ijscondities dit anders niet zouden toelaten. Dat is geweldig! Onze taak als Valorisation Centre is om wetenschappers te helpen de innovaties uit hun onderzoek naar de samenleving te brengen. Daarvan is dit een schoolvoorbeeld.”