Composieten knooppunten voor offshore jackets

Nieuwsbericht |
TKI Wind op Zee
|
Afbeelding boom

Startup Tree Composites ontwikkelt knooppunten van composiet als alternatief voor gelaste knooppunten voor offshore constructies, waaronder Jackets. Deze disruptieve innovatie zorgt voor een betere krachtoverdracht waarmee de hoeveelheid staal in een constructie drastisch vermindert. Bovendien is deze TC-joint sterker, corrosiebestendig en zorgt hij ervoor dat constructies sneller kunnen worden geproduceerd. Wanneer er eenmaal een full-scale demonstratiemodel met windturbine op zee staat, is de belangrijkste hobbel genomen, weet directeur Maxim Segeren. 

Voor welk probleem hebben jullie een oplossing gevonden?   

“Vakwerkconstructies zoals jackets hebben de beste gewicht/stijfheid ratio en lijken daarom de meeste optimale constructies voor windturbines op zee. Monopiles domineren op dit moment echter de offshore wind fundatiemarkt, terwijl een monopile vele malen zwaarder is dan een jacket. Studies wijzen uit dat dit gewichtsverschil zal toenemen bij grotere windturbines. De reden voor het lage marktaandeel van jackets in offshore wind zijn de hogere productiekosten en lagere capaciteit vergeleken met een monopile. Dat komt onder meer door de uitdagende lassen van de TKY- knooppunten. Een jacket die in 40-50 meter diep water staat, telt al gauw 28 knooppunten, die allemaal handmatig aan elkaar gelast moeten worden. In deze gelaste knooppunten zijn lokale spanningsconcentraties aanwezig, waardoor de vermoeiingsweerstand tot wel 1000 keer af kan nemen. Om toch een levensduur van 25 jaar te kunnen garanderen neemt de wanddikte en dus het staalgebruik tot wel 300 procent toe.”   

Het getoonde proefstuk van de TC-joint werd getest in het Stevin Laboratorium. De uiteindelijke test eindigde met een grote knal.

Wat houdt jullie oplossing in? 

“Als alternatief voor lassen hebben we een knooppunt van glasvezelversterkt composietmateriaal ontworpen. We verbinden de stalen buizen met een composieten ‘wikkel’, de TC-joint. De krachtenoverdracht vindt plaats door de wikkel van composietmateriaal dat daar waar nodig aangebracht wordt. We gebruiken daardoor een groter oppervlakte voor de krachtenoverdracht. Daarmee verlagen we de stressconcentraties en kunnen we de levensduur verlengen. Bovendien beschermt het composiet het staal tegen corrosie. Met deze TC-joint combineren we de sterkte van staal in stijfheid met de vermoeiingsterkte van composiet.”  

Wat is zo baanbrekend aan jullie oplossing? 

“Onze TC-joint is de eerste (ongelaste) stalen verbinding waar composiet als primaire krachtenoverdracht dienstdoet in offshore constructies. De TC-joint is geïnspireerd door een 150-jaar oude boom die met stalen buizen wordt ondersteund om de levensduur van de takken te verlengen.

De inspiratie voor Tree Composites is een 150 jaar oude boom met stalen ondersteuning in Belgrado, Servië.

De boom groeide rond de stalen buizen en bracht daar waar nodig materiaal aan. Dit principe hanteren wij ook, vandaar onze naam. Deze disruptieve innovatie is bedacht door Marko Pavlovic, assistent hoogleraar aan de TU Delft. Composietmateriaal wordt in combinatie met staal weliswaar ook gebruikt in andere toepassingen zoals bij vliegtuigvleugels en turbinebladen. Maar niet voor de primaire krachtenoverdracht in offshore constructies ”  

Wat levert de TC-joint op? 

“Tijd, geld, een langere levensduur en minder hoofdpijn, staal, gewicht en CO₂-uitstoot. Composiet zorgt voor een gelijkmatiger krachtenverdeling, waardoor de spanningsconcentratie op de knooppunten lager is. Daardoor is in de toekomst een levensduur van 100 jaar van constructies een haalbare en betaalbare optie. Bij onze composieten knooppunten is geen extra, tijdrovende corrosiebehandeling nodig. Bovendien is de constructie met TC-joints lichter en sterker en heeft ze een prettig veilig faalmechanisme: de verbinding laat je jaren van tevoren weten dat ze zal breken. Belangrijk is verder dat we de productiecapaciteit van constructies kunnen verdubbelen, naar verwachting van 1 naar 2 per week, vergelijkbaar met de huidige doorlooptijd van een monopile. Verder hebben we berekend dat met de TC-joints je 30% tot 60% minder staal nodig is voor een offshore jacket. Omdat de staalproductie heel veel energie kost, daalt de CO₂-uitstoot navenant. Dat alles drukt de kosten en komt het milieu ten goede.” 

Hoe ver zijn jullie nu? 

Digital image correlation bood de mogelijkheid om het gedrag van het knooppunt te volgen tijdens het experiment, en de oppervlaktespanning laat zien dat het staal meegeeft voordat het faalt.

“We zijn vier jaar geleden begonnen met onderzoek. Een jaar geleden hebben we Tree Composites opgericht. We hebben inmiddels 90 testen uitgevoerd op proefstukken en hebben een statement of feasibility van DNV behaald. In mei zijn we begonnen met het samenwerkingsproject WrapNode-l, waarin naast de TU Delft grote partijen als HSM Offshore, Smulders, Siemens Gamesa, Shell, AOC, BuFA, Salzgitter Renewables and Enersea deelnemen. Dit project valt onder GROW en krijgt steun uit Hernieuwbare Energieregeling van RVO. Doel van dit project is om de schaaleffecten en andere invloeden te testen. Tot nu toe gaat alles boven verwachting: het staal gaat steeds eerder ‘vloeien’ of kapot dan de composietverbinding. Momenteel zijn we naast het R&D-project druk bezig pilotprojecten van de grond te krijgen.” 

Wat zijn jullie grootste uitdagingen? 

“De TC-joint is totaal nieuw. Er is geen handleiding hoe je hem moet ontwerpen. We ontwikkelen samen met de TU Delft bijvoorbeeld modellen waarmee we voorspellen hoe de verbinding zich gedraagt in zout water en in de zon. De echte uitdaging ligt in acceptatie van de innovatieve techniek door de markt. Voor pilotprojecten zijn de risico’s van innovaties vaak te overzien. Voor de uitrol in een geheel commercieel project wordt dit een ander verhaal. Daarom werken we in lijn en in samenspraak met DNV als certificeringsinstituut en hebben we met het huidige consortium de hele waardeketen betrokken. Op die manier willen we de industrie meenemen.”  

Een modelweergave van een jacket met TC-joints in het groen.

Wat zijn jullie vervolgstappen? 

“Het WrapNode-I project duurt nog twee jaar. We zitten nu in TRL 5-6. We willen daarna naar TRL-niveau 6-7 gaan. Daarvoor zijn we bezig pilotprojecten op te zetten waar we naast full-scale testen met buizen van 2 meter diameter en vertakkingen van 80 tot 120 centimeter ook een volledige constructie met TC-joints gaan bouwen en testen. Het moet haalbaar zijn om over drie tot vier jaar een fundering met TC-joints inclusief windturbine in bedrijf te hebben. Dan hebben we de grootse hobbel genomen. Uiteindelijk zien we dat dit de nieuwe standaard wordt voor verbindingen met meervoudige buizen.” 

Wat hebben jullie aan TKI Wind op Zee? 

“Via TKI Wind op Zee krijgen we toegang tot een groot netwerk van potentiële partners. Het is een heel waardevol instrument voor innovatieve startups om samen te kunnen werken met de industrie. De koppeling tussen kennisinstituten, overheid en industrie is goed voor Nederland. TKI Wind op Zee is een centraal punt waar alles samenkomt. Zij agenderen ook bij de overheid de noodzaak van testlocaties voor innovaties voor de Nederlandse kust. Die locaties zijn noodzakelijk om innovaties te demonstreren om zo marktacceptatie te versnellen.” 

 

Dit artikel is tot stand gekomen in samenwerking met Offshore Wind Innovators.