Vermoeide windmolens

De civiel-ingenieur bedacht een methode om het ontwerpen van ondersteuningsconstructies van windturbines op zee te versnellen en te versimpelen.

De media-aandacht voor de promotie van Van der Tempel is minder overweldigend dan voor de prijswinnende Ampelmann, een zichzelf stabiliserende offshorewerkvloer die hij eerder uitvond. Maar voor een rekenmethode, ‘iets dat toch minder tot de verbeelding spreekt’, toch groot. Vreemd is dat niet, want Van der Tempel verkort de berekeningstijd van de vermoeiingsschade voor windturbines op zee van drie tot twaalf uur naar twee minuten.

Een windturbine en de constructie waarop hij steunt, bewegen onder invloed van onder andere golven en wind. Deze beweging veroorzaakt vermoeiingsschade, die mede de levensduur van de windmolen bepaalt. Bij het ontwerpen van de molens wordt daar al rekening mee gehouden. Maar, zo blijkt uit de ontwerpdocumenten van vier verschillende Europese windparken, iedereen doet dit op een andere manier.

Ook lijkt volgens Van der Tempel een muur te staan tussen offshoredeskundigen en windturbinefabrikanten als het gaat over berekening van de vermoeiingsschade. “De offshore-kant maakt een ontwerp voor de ondersteunende constructie van de windmolen en gooit dat over de muur. De windturbinefabrikant doet ingewikkelde berekeningen en gooit het resultaat – de verwachte levensduur van de constructie – terug. Zo gaat dat een tijdje door tot de gewenste levensduur is bereikt.” Dit heen en weer ‘gooien’ van informatie komt volgens de civiel-ingenieur doordat de fabrikanten van windturbines hun kennis zo min mogelijk willen delen. Veel rekentijd, moeizame samenwerking, geen standaard methode. “Dat kan anders”, dacht de civiel-ingenieur. Hij blijkt gelijk te hebben.
Slijtage

Traditionele rekenmethodes zetten de slijtage veroorzakende trillingen van windmolens af tegen de tijd. Het nadeel van deze tijddomein-methode is dat de vermoeiingsschade per tijdstap moet worden uitgerekend. Een ondoorzichtige en tijdrovende berekening. De nieuwe rekenmethode van Van der Tempel maakt berekeningen in het frequentiedomein, zoals in de offshore-industrie gebruikelijk is voor de berekening van spanningen op constructies in zee. “Door boeien in zee weten we de golfintensiteit en hoe snel die golven achter elkaar komen. Met een standaardberekening kunnen we daarmee de beweging van de constructie berekenen. Eigenlijk is een druk op de knop genoeg om de vermoeiingsschade door golven te berekenen”, licht Van der Tempel toe.

Dit principe lijkt makkelijk toe te passen op het effect van de wind op de beweging van de constructie. Er is echter een kink in de kabel: niet-lineariteit. In het tijddomein konden niet-lineaire verschijnselen worden meegenomen, maar in het frequentiedomein niet. Maar Van der Tempel bedacht een trucje. Hij berekent het belangrijkste niet-lineaire verschijnsel, aërodynamische demping, apart en zet de waarde dan in de modellen. Aërodynamische demping komt bijvoorbeeld door de extra weerstand die de windmolen krijgt als hij naar voren beweegt. Zijn beweging wordt daardoor gedempt.

Als het aan de onderzoeker ligt, maakt de windturbinefabrikant alleen nog de berekening voor de interactie tussen de wind en de windmolen. Deze informatie kan hij zonder ‘geheime turbine-informatie’ doorgeven aan de offshorespecialisten, die met de voor hen vertrouwde frequentiedomein-methode de spanning door de wind en de spanning door de golven op de ondersteuningsconstructie berekenen. Bij elkaar optellen en klaar.

Van der Tempel paste zijn relatief simpele berekeningen ter controle toe op onder andere de ondersteuningsconstructies van het windmolenpark bij Egmond aan Zee, waarvan de bouw onlangs begon. Waar de traditionele tijddomeinmethode een levensduur van 35 jaar voorspelt, komt Van der Tempel tot een levensduur van 27 tot 40 jaar. “De variatie komt door de verschillende manieren om de aërodynamische demping te berekenen. Hoe dit het beste kan gebeuren is een onderzoek op zich.”

Dat er ondanks deze variatie vertrouwen is in de nieuwe rekenmethode, blijkt uit de wens van Ballast Nedam om deze standaard te gebruiken bij het ontwerpen van windmolenparken in zee. Ook andere bedrijven hebben interesse getoond en op het moment controleert Van der Tempel de berekeningen voor het toekomstige Q7-windpark bij IJmuiden met zijn rekenmethode.

Niet alleen offshorebedrijven hebben baat bij een sneller ontwerpproces, ook Van der Tempel zelf wil snel meer windmolens. Binnenkort richt hij een bedrijf op om de Ampelmann te verkopen. Meer windmolens is meer onderhoud, dus een grotere afzetmarkt voor het onderhoudsplatform.

Van der Tempel verkort de berekeningstijd van de vermoeiingsschade voor windturbines op zee van drie tot twaalf uur naar twee minuten. (Foto: Jan van der Tempel)

De media-aandacht voor de promotie van Van der Tempel is minder overweldigend dan voor de prijswinnende Ampelmann, een zichzelf stabiliserende offshorewerkvloer die hij eerder uitvond. Maar voor een rekenmethode, ‘iets dat toch minder tot de verbeelding spreekt’, toch groot. Vreemd is dat niet, want Van der Tempel verkort de berekeningstijd van de vermoeiingsschade voor windturbines op zee van drie tot twaalf uur naar twee minuten.

Een windturbine en de constructie waarop hij steunt, bewegen onder invloed van onder andere golven en wind. Deze beweging veroorzaakt vermoeiingsschade, die mede de levensduur van de windmolen bepaalt. Bij het ontwerpen van de molens wordt daar al rekening mee gehouden. Maar, zo blijkt uit de ontwerpdocumenten van vier verschillende Europese windparken, iedereen doet dit op een andere manier.

Ook lijkt volgens Van der Tempel een muur te staan tussen offshoredeskundigen en windturbinefabrikanten als het gaat over berekening van de vermoeiingsschade. “De offshore-kant maakt een ontwerp voor de ondersteunende constructie van de windmolen en gooit dat over de muur. De windturbinefabrikant doet ingewikkelde berekeningen en gooit het resultaat – de verwachte levensduur van de constructie – terug. Zo gaat dat een tijdje door tot de gewenste levensduur is bereikt.” Dit heen en weer ‘gooien’ van informatie komt volgens de civiel-ingenieur doordat de fabrikanten van windturbines hun kennis zo min mogelijk willen delen. Veel rekentijd, moeizame samenwerking, geen standaard methode. “Dat kan anders”, dacht de civiel-ingenieur. Hij blijkt gelijk te hebben.
Slijtage

Traditionele rekenmethodes zetten de slijtage veroorzakende trillingen van windmolens af tegen de tijd. Het nadeel van deze tijddomein-methode is dat de vermoeiingsschade per tijdstap moet worden uitgerekend. Een ondoorzichtige en tijdrovende berekening. De nieuwe rekenmethode van Van der Tempel maakt berekeningen in het frequentiedomein, zoals in de offshore-industrie gebruikelijk is voor de berekening van spanningen op constructies in zee. “Door boeien in zee weten we de golfintensiteit en hoe snel die golven achter elkaar komen. Met een standaardberekening kunnen we daarmee de beweging van de constructie berekenen. Eigenlijk is een druk op de knop genoeg om de vermoeiingsschade door golven te berekenen”, licht Van der Tempel toe.

Dit principe lijkt makkelijk toe te passen op het effect van de wind op de beweging van de constructie. Er is echter een kink in de kabel: niet-lineariteit. In het tijddomein konden niet-lineaire verschijnselen worden meegenomen, maar in het frequentiedomein niet. Maar Van der Tempel bedacht een trucje. Hij berekent het belangrijkste niet-lineaire verschijnsel, aërodynamische demping, apart en zet de waarde dan in de modellen. Aërodynamische demping komt bijvoorbeeld door de extra weerstand die de windmolen krijgt als hij naar voren beweegt. Zijn beweging wordt daardoor gedempt.

Als het aan de onderzoeker ligt, maakt de windturbinefabrikant alleen nog de berekening voor de interactie tussen de wind en de windmolen. Deze informatie kan hij zonder ‘geheime turbine-informatie’ doorgeven aan de offshorespecialisten, die met de voor hen vertrouwde frequentiedomein-methode de spanning door de wind en de spanning door de golven op de ondersteuningsconstructie berekenen. Bij elkaar optellen en klaar.

Van der Tempel paste zijn relatief simpele berekeningen ter controle toe op onder andere de ondersteuningsconstructies van het windmolenpark bij Egmond aan Zee, waarvan de bouw onlangs begon. Waar de traditionele tijddomeinmethode een levensduur van 35 jaar voorspelt, komt Van der Tempel tot een levensduur van 27 tot 40 jaar. “De variatie komt door de verschillende manieren om de aërodynamische demping te berekenen. Hoe dit het beste kan gebeuren is een onderzoek op zich.”

Dat er ondanks deze variatie vertrouwen is in de nieuwe rekenmethode, blijkt uit de wens van Ballast Nedam om deze standaard te gebruiken bij het ontwerpen van windmolenparken in zee. Ook andere bedrijven hebben interesse getoond en op het moment controleert Van der Tempel de berekeningen voor het toekomstige Q7-windpark bij IJmuiden met zijn rekenmethode.

Niet alleen offshorebedrijven hebben baat bij een sneller ontwerpproces, ook Van der Tempel zelf wil snel meer windmolens. Binnenkort richt hij een bedrijf op om de Ampelmann te verkopen. Meer windmolens is meer onderhoud, dus een grotere afzetmarkt voor het onderhoudsplatform.

Van der Tempel verkort de berekeningstijd van de vermoeiingsschade voor windturbines op zee van drie tot twaalf uur naar twee minuten. (Foto: Jan van der Tempel)