André Oerlemans
10 juni 2024, 13:00

Hoe een verbindingsstuk voor een revolutie zorgt in de offshore windenergie

Windparken op zee zijn de stroomleveranciers van de toekomst. De funderingen van turbines worden vooral gebouwd met gelast staal en dat kost veel tijd, geld en CO2. De Nederlandse start-up Tree Composite heeft een verbindingsstuk van koolstofvezel ontwikkeld, waardoor deze gigantische stalen constructies niet meer gelast hoeven te worden. Hun innovatie gaat vijfduizend keer langer mee, verbruikt de helft aan staal en dus aan CO2-uitstoot en kent een bouwtijd die aanzienlijk korter is dan het huidige alternatief.

Tree Composites 75 scaled e1692975435694 1536x641 De eerste verbindingsstukken van composietmateriaal zijn getest op Seavolt, het drijvende testplatform voor zonne-energie in de Noordzee | Credits: Tree Composites

Offshore windparken in Nederland en Europa hebben momenteel een capaciteit van 30 gigawatt, maar om massaal over te kunnen stappen op groene stroom is tien keer zoveel nodig. Om dat te bereiken moeten steeds grotere windturbines in steeds dieper water worden gebouwd. Daarvoor zijn enorme stalen constructies nodig, die op de zeebodem worden geplaatst: zogeheten jackets. Die hebben een groot nadeel: complexe lasverbindingen. “Die zijn erg duur, kosten veel tijd, omdat het werk handmatig wordt gedaan, en ze verzwakken de constructie, waardoor je meer staal nodig hebt. Daarom is de beste las helemaal geen las”, zegt directeur Eline Spek van Tree Composites.

Ruimtevaart

Dat is precies wat de start-up uit Delft levert: verbindingsstukken voor stalen constructies die lassen overbodig maken. In plaats van aan elkaar lassen worden de verbindingsstukken – de joints – tussen alle stalen buizen omwikkeld en ingepakt met compositiemateriaal van koolstofvezel. Dat sterke lichtgewicht materiaal wordt gebruikt in ruimtevaartuigen en vliegtuigen. Het maakt ook de stalen draagconstructies van windturbines sterker en duurzamer.

Minder staal en CO2

Uit testen blijkt dat die verbindingen vijfduizend keer langer meegaan dan lasverbindingen. Bij het bouwen van jackets gaat de meeste tijd in het lassen zitten. Het staal in de constructies is verantwoordelijk voor 70 tot 80 procent van de CO2-voetafdruk. Bestaande werven kunnen de constructies met de composietverbindingen bouwen met 50 procent minder staal en CO2-emissies, in de helft van de tijd, met een kwart minder kosten. Uit testen is gebleken dat het materiaal de zware Noordzeestormen makkelijk kan doorstaan. “Daarom zijn we zo opgewonden om dit naar de markt te brengen”, zegt Spek.

Kijk hier hoe de technologie van Tree Composites werkt:

Geïnspireerd door boom

Uitvinder van de technologie is Marko Pavlovic, universitair docent staal en composietconstructies aan de TU Delft. Hij liet zich inspireren door een eeuwenoude boom in zijn geboorteplaats Belgrado in Servië. Inwoners ondersteunden die boom met stalen palen om hem te laten groeien. Tientallen jaren daarna vormde de boom natuurlijke knobbels rond die stalen buizen om ze te verbinden met de takken. Zo kwam hij op het idee om met natuurlijke materialen op dezelfde manier verbindingen te maken tussen stalen buizen in grote constructies, lees offshore windturbines.

Verschillende funderingen

Windturbines op zee kunnen op verschillende funderingen worden gebouwd. Veel molens staan op één grote stalen funderingsbuis met een diameter van vier tot zeven meter, die diep in de zeebodem wordt geheid: de monopile. In ondiepe zeeën met een rotsbodem wordt een betonnen fundering gebruikt, waar de turbine in wordt gezet. Een andere veelgebruikte manier van funderen is met een zogeheten jacket. Die stalen constructie bestaat uit meerdere dikke palen die in de zeebodem staan. Die worden met dwarsverbindingen – joints – aan elkaar gelast, waarna de windturbine erop komt te staan. Jackets worden ook vaak gebruikt voor de offshore stroomstations van waaruit de windenergie naar land wordt getransporteerd. Om grotere windturbines in diepere zeeën te kunnen bouwen zijn jackets de beste oplossing.

Met de joint van Tree Composites hoeven buizen niet aan elkaar gelast te worden | Credit: Tree Composites

Wachten op certificering

De eerste prototypes werden in 2017 gebouwd, waarna de verbindingstukken uitgebreid werden getest bij de TU Delft. Onder meer met de Hexapod, ook wel het Beest van de TU Delft genoemd, die de sterkte testte onder de allerzwaarste omstandigheden, druk en krachten. Hiervoor stelde RVO een subsidie van 5,5 miljoen euro beschikbaar. In 2020 werd Tree Composite opgericht en inmiddels bestaat het team uit twintig mensen uit elf verschillende landen. In 2023 werd de technologie voor het eerst in de praktijk getest bij de bouw van Seavolt, het eerste drijvende testplatform voor zonne-energie in de Noordzee. De start-up zit in een R&D-consortium waarin het samenwerkt met toekomstige klanten zoals bouwers van jackets en windparkontwikkelaars als Parkwind, Vattenfall en Shell. Nu is het wachten op de certificering van keuringsinstantie DNV, waarna de start-up ermee de markt op kan en ontwikkelaars van windparken de oplossing kunnen gaan gebruiken.

Opschalen

Daarop vooruitlopend heeft Tree Composites eind mei een productielocatie van 800 vierkante meter geopend in Delft. Tot nu is de start-up vooral gefinancierd met overheidssubsidies en bijdragen van partners. Nu zoekt het bedrijf investeerders om te kunnen opschalen. In de toekomst hoopt de start-up de productie van de joints samen met de jackets op de werven zelf te laten plaatsvinden. Spek wil daarvoor lassers omscholen. “Er is nu een kleine groep lassers die dit allemaal maken. We kunnen ze leren om de composietverbindingen te maken, zodat we een tweede groep mensen krijgen die dit ook kunnen”, zegt ze.

Driekwart stroom uit wind

Nederland zet voor zijn toekomstige groene stroom vooral in op windparken op zee. In het Klimaatakkoord is afgesproken dat er rond 2030 voor 21 gigawatt aan windparken op zee moet staan. Die turbines leveren dan driekwart van alle stroom en 16 procent van alle energie. De eerste mijlpaal – 4,7 gigawatt aan vermogen – werd eind vorig jaar al bereikt. De EU-landen
hebben in de Green Deal afgesproken dat ere in 2030 voor minimaal 60 gigawatt aan offshore windturbines moeten staan en 300 gigawatt in 2050.

Directeur Eline Spek mocht de verbindingsstukken van Tree Composites promoten tijdens het Upstream festival in Rotterdam | Credit: André Oerlemans

Lees ook:

Kersverse CEO Harry Talen (Engie): ‘We hebben in Nederland alle ingrediënten om iets met groene waterstof te doen’

De interviewafspraak met de plant manager van de recent omgebouwde Maxima-centrale in Lelystad stond al even in de agenda. Dat diezelfde plant manager in de tussentijd ook tot CEO van Engie Nederland werd benoemd, is mooi meegenomen. “Veertien jaar geleden ben ik als trainee begonnen bij Engie en in de tussentijd heb ik op allerlei bedrijfsonderdelen gewerkt”, zegt Talen. Hij beschrijft hoe hij, als een van de jongste ploegleiders ooit, het vertrouwen moest winnen van de werknemers die al jaren in de machinekamers werkten. “'Daar komt weer iemand in pak die gaat vertellen hoe wij het moeten doen’, moeten ze gedacht hebben”, lacht hij. Gelukkig wist Talen zijn collega’s snel aan zijn kant te winnen. “Dat ik in mijn eerste avonddienst gelijk voor de hele ploeg ging koken, was daarin de eerste stap.” Aardgas en waterstof Tijdens het gesprek wordt snel duidelijk dat Talen het bedrijf van binnen en buiten kent. Als CEO spreekt hij vol energie over de duurzame ambities van het energiebedrijf: klimaatneutraal in 2045 in absolute zin – dus zonder compensatie van resterende CO2-uitstoot. Maar moeiteloos switcht hij naar de techniek en gaat het over schoepen, compressoren en sponsballetjes. Bijvoorbeeld als hij praat over de ombouw van de Maxima-centrale, zodat deze naast op aardgas ook voor 50 procent op waterstof kan draaien. “We zijn wereldwijd de eerste die dit met een centrale hebben gedaan. Over een paar jaar willen we ook de tweede turbine van de Maxima-centrale ombouwen, dan is deze centrale klaar om volledig op waterstof te draaien.”Engie energieneutraal Engie is van origine een Frans bedrijf en inmiddels een van de grootste nutsbedrijven van de wereld. Het bedrijf is actief in 31 landen en heeft wereldwijd ruim 97 .000 medewerkers. Engie heeft de ambitie om in 2045 geen CO2 meer uit te stoten. Hiervoor legt het bedrijf de focus op windenergie op zee, batterijopslag, waterstof- en groen-gasproductie en het flexibel maken van hun gascentrales. Dit betekent dat het aandeel aardgas in de centrales in de loop der jaren zal worden vervangen door biogas en waterstof. De Maxima-centrale benut het water uit het IJsselmeer.Hoge temperaturen Omdat het verbranden van waterstof met hogere temperaturen gepaard gaat dan bij aardgas het geval is, moest de centrale uitgerust worden met nieuwe en kostbare materialen die deze hitte aankunnen. Daarnaast moest Engie betere coatings aanbrengen en koelsystemen installeren om de verhoogde warmte te beheersen. “Wij vinden het belangrijk dat we onze verantwoordelijkheid nemen”, zegt Talen. “Daarom hebben we geïnvesteerd in de centrale, zodat de machines er klaar voor zijn als er straks waterstof naar binnen stroomt.” Want voor de duidelijkheid: op dit moment stroomt er nog geen waterstof door de Maxima-centrale. Gasunie is druk bezig met de totstandkoming van een waterstofnetwerk in Nederland. Met relatief kleine aanpassingen kan het daarvoor ons huidige aardgasnetwerk gebruiken. Gasunie wil in eerste instantie de grote industriegebieden in Nederland en het noorden van Duitsland met elkaar verbinden. Daarbij slaat het vooralsnog Flevoland, en dus de Maxima-centrale, over. Talen: “Wij pleiten ervoor dat ook de elektriciteitssector op de waterstofbackbone wordt aangesloten. Flevoland is een van de grootste congestiegebieden van Nederland. Waterstof kan daarvoor een oplossing bieden.” Talen heeft goede hoop dat een dergelijke aansluiting er in de toekomst gaat komen. Het zou een grote duurzaamheidsslag betekenen voor de elektriciteitsproductie. “Mocht er een scenario komen waarbij de centrale niet op waterstof kan draaien, dan zorgt de nieuwe technologie er in ieder geval voor dat gas efficiënter ingezet kan worden om stroom op te wekken.” Blauwe en groene waterstof De waterstof die Engie uiteindelijk wil gaan gebruiken, is idealiter groen; gemaakt uit hernieuwbare bronnen. Maar, zegt Talen: “Groene waterstof is een energiedrager waar je zuinig op moet zijn. We moeten gaan bepalen waar we groene waterstof zo efficiënt mogelijk kunnen gebruiken. Dat is waarschijnlijk vooral in het zwaar transport, waar elektrificatie niet mogelijk is, en in de industrie, ter vervanging van grijze waterstof. Ik verwacht niet dat er in de komende tien jaar genoeg groene waterstof beschikbaar zal zijn voor de productie van elektriciteit. Aangezien je altijd met verliezen te maken hebt, zou het op dit moment superinefficiënt zijn om met een elektrolyser windenergie om te zetten in waterstof om vervolgens die waterstof te verbranden in een energiecentrale.” Wel ziet Talen potentie in blauwe waterstof, geproduceerd uit fossiele brandstoffen, maar op locaties waar de CO2-uitstoot kan worden afgevangen en opgeslagen in lege gasvelden of zoutcavernes. “Grijze waterstof slaan we over. Blauw kunnen we gebruiken. En vervolgens zou het mooi zijn als we die langzaam kunnen uitfaseren naar groene waterstof zonder dat wij daarvoor nieuwe investeringen aan de centrale hoeven te doen.”Rondleiding gascentrale Na ons interview is er nog tijd voor een rondleiding op de Maxima-centrale. De centrale bestaat uit twee vrijwel identieke STEG-eenheden (stoom en gas) met een gezamenlijk vermogen van 880 megawatt, goed voor de elektriciteit van 1,6 miljoen huishoudens. Met een rendement van 60 procent behoort de Maxima-centrale tot de modernste en efficiëntste ter wereld. Op het moment van de rondleiding staan de centrales uit; zon- en windenergie leveren op dit moment de elektriciteit in Nederland. Maar mochten zon en wind wegvallen, dan kan de centrale in een kleine drie kwartier opgestart worden. Later die dag, vanaf een uurtje of vijf, staat de opstart gepland, wanneer Nederland massaal aan het koken en opladen slaat en de lampen aangaan. Op hetzelfde terrein staat ook een zonnepark opgesteld, goed voor een vermogen van 2,2 megawatt. En op een zandvlakte afgezet met lint moet in 2025 een van de grootste batterijparken van Nederland gerealiseerd worden. Met een vermogen van 35 megawatt en een capaciteit van 100 megawattuur, kunnen de batterijen straks drie uur lang op vol vermogen elektriciteit leveren.Waterstofeconomie Nederland Onlangs publiceerde het FD nog een alarmerend stuk over de mogelijkheid dat Nederland zijn groene waterstofpositie in de wereld dreigt te verliezen. De voornaamste reden is dat Nederlandse groene waterstof veel te duur zou zijn om te produceren. Toch is Talen optimistisch. “We hebben in Nederland alle ingrediënten om iets met groene waterstof te kunnen doen. De gasinfrastructuur ligt er al en we hebben veel offshore wind. Ook is er een mogelijkheid om de zoutcavernes te gebruiken voor de opslag van waterstof. Bovendien heeft waterstof nog steeds een plek in het klimaatbeleid. Maar die factoren zijn natuurlijk geen garantie voor succes. Als andere landen harder werken en meer hun best doen om een waterstofeconomie van de grond te krijgen, dan kan het zo zijn dat productie naar andere landen gaat. We moeten nu dus wel echt gaan beginnen.”De Maxima-centrale levert genoeg stroom voor 1,6 miljoen huishoudens.Droombaan In de veertien jaar dat Talen bij Engie werkt, heeft hij het sentiment rond onze energievoorziening zien veranderen. “Toen ik binnenkwam, ging het alleen maar over betrouwbaarheid. Die garantie leverde kolencentrales. Duurzaamheid was toen een minder groot topic. Als ik tien jaar geleden op een feestje vertelde dat ik in de energietransitie werkte, maakte dat nog weinig indruk. Nu heeft iedereen er een mening over.” Talen omschrijft zijn nieuwe rol als een ‘echte droombaan’. “Het gaat niet alleen maar om dit bedrijf, of om deze centrale. De energietransitie en onze rol daarin raakt aan de gehele samenleving. Als ik naar Engie kijk, hoop ik dat over een jaar of vijf de eerste blauwe waterstof door de centrale stroomt en dat we tegen 2045 kunnen roepen dat we het eerste energiebedrijf in Nederland zijn dat geen CO2 meer uitstoot. Maar nog mooier vind ik het eigenlijk als onze medewerkers over tien, vijftien jaar met trots kunnen zeggen dat ze een bijdrage hebben geleverd aan de grote maatschappelijke verandering die de energietransitie is.” Lees ook: Met nieuwe Energiewet krijgt de transitie een duw in de rug: ‘Raamwerk waar veel acties uit moeten volgen’Offshore windpark levert altijd stroom dankzij opslagtank op zeebodemHoe kolenmijnen de groene transitie een handje kunnen helpen