Golfslagcentrale

De oceaan fungeert als een gigantische batterij die nooit leeg raakt. Een golfslagcentrale tapt direct uit dit kinetische reservoir. In de waterbouw zien we deze constructies als complexe civieltechnische objecten die bestand moeten zijn tegen corrosieve zoute omgevingen en extreme mechanische belasting. Waar windmolens de lucht doorklieven, vangen deze centrales de verticale of horizontale verplaatsing van enorme watermassa's op. Het is een voortdurende strijd tegen de elementen. Beton, staal en hoogwaardige composieten vormen de ruggengraat van deze systemen. Ze zijn vaak diep verankerd in de zeebodem of deinen mee op de deining van de oceaan. Zwaar werk. Onvoorspelbare condities. Voor de infrastructuur betekent dit niet alleen de bouw van de centrale zelf, maar ook de aanleg van robuuste onderzeese kabelnetwerken die de opgewekte stroom naar het vasteland transporteren.

De realisatie van een golfslagcentrale begint bij de interactie tussen de waterdiepte en de gekozen funderingsmethode. Voor installaties nabij de kustlijn, zoals systemen die gebruikmaken van een oscillerende waterkolom (OWC), worden veelal massieve betonstructuren op een geprepareerde grindbedding op de zeebodem afgezonken. Deze caissons fungeren als stationaire kamers waarbinnen het waterniveau fluctueert. Bij offshore systemen verschuift de techniek naar drijvende constructies. Hierbij worden point absorbers of attenuators met zware ankerlijnen en kettingen aan de zeebodem gefixeerd. Men maakt gebruik van catenary mooring of gespannen ankerlijnen om de installatie binnen een gedefinieerde straal te houden terwijl deze de deining volgt.

De integratie van de Power Take-Off (PTO) is de volgende cruciale fase. Dit mechanische hart zet de lineaire beweging van de golven om in een roterende beweging voor generatoren. Bij hydraulische systemen drijven zuigers vloeistof door een hogedrukcircuit, terwijl pneumatische systemen lucht door een Wells-turbine persen. De installatie van deze modules gebeurt vaak onder geconditioneerde omstandigheden in een werf, waarna het gehele samenstel naar de locatie wordt gesleept. Ter plaatse koppelen gespecialiseerde schepen de centrale aan het elektriciteitsnet.

Een specifiek onderdeel van de uitvoering is de aanleg van de infrastructuur voor energietransport. Dynamische onderzeese kabels, ook wel umbilicals genoemd, worden in een specifieke geometrie zoals een lazy-S of wave-configuratie gelegd. Deze vorm is essentieel om de constante verticale en horizontale bewegingen van de centrale op te vangen zonder dat er kabelbreuk door metaalmoeheid optreedt. De verbinding met het landelijke netwerk verloopt via een subsea hub of direct naar een transformatorstation aan de kust. Corrosiepreventie, middels kathodische bescherming en hoogwaardige coatings, wordt gedurende de gehele constructiefase toegepast om de integriteit van de staal- en betononderdelen in het zoute milieu te waarborgen.

Geometrische indeling

Niet elke installatie vangt de deining op dezelfde manier op. We maken onderscheid op basis van de interactie met het golffront. Puntabsorbers zijn compacte, boei-achtige structuren die energie onttrekken aan de verticale beweging van de golven op één specifieke locatie; ze zijn onafhankelijk van de golfrichting. Daartegenover staan de attenuators. Deze langgerekte, gesegmenteerde drijvers liggen parallel aan de voortplantingsrichting van de golven en buigen mee op de overgang tussen dal en kam. Een derde variant is de terminator, die juist loodrecht op de golfrichting wordt geplaatst om de energie in één keer te 'onderscheppen', vaak toegepast bij installaties nabij de kustlijn.

Locatiegebonden types

De afstand tot de kust bepaalt de constructieve eisen. Shoreline-systemen zijn vaak geïntegreerd in golfbrekers of kademuren. Makkelijk bereikbaar voor onderhoud. Maar de energiedichtheid is lager door wrijving met de zeebodem. Offshore-centrales drijven in dieper water waar de golven krachtiger zijn. Hier overheersen de point absorbers en drijvende slangen. Tussenin liggen de nearshore-installaties, vaak gefixeerd op de zeebodem op een diepte van 10 tot 25 meter. Hier vinden we de Oscillating Wave Surge Converters (OWSC), waarbij een grote klep op de bodem heen en weer wordt geduwd door de horizontale waterverplaatsing onder de golven.

Luchtkamers versus reservoirs

Binnen de wereld van golfslagenergie is de technische uitvoering van de omzetting leidend voor de typering. De Oscillating Water Column (OWC) gebruikt een holle structuur onder water. De golf duwt de lucht in de kamer omhoog door een turbine. De Wells-turbine is hierbij essentieel; een technisch hoogstandje dat in dezelfde richting blijft draaien, ongeacht of de luchtstroom naar binnen of naar buiten gaat. Geen kleppen nodig. Mechanisch simpel, maar de betonconstructie moet enorme luchtdrukverschillen weerstaan.

Overtopping-systemen werken fundamenteel anders. Denk aan een kunstmatige lagune of een reservoir boven het zeeniveau. Speciaal ontworpen armen of hellingen leiden het water van de golven in het bassin. De potentiële energie van het opgeslagen water wordt vervolgens benut door het via laagverval-turbines (Kaplan-turbines) weer terug te laten stromen naar zee. Dit type centrale fungeert vaak als een drijvend eiland en heeft een enorme massa nodig om stabiel te blijven liggen. Het is een wezenlijk verschil met de point absorber, die juist kinetische energie uit de directe beweging haalt via hydraulische cilinders of lineaire generatoren.

Havenbescherming met dubbelfunctie

Stel je een havenhoofd voor bij een stormachtige kustlijn. In plaats van een passief blok beton is de kademuur hol uitgevoerd. Terwijl de branding tegen de constructie slaat, wordt de lucht in de kamers met enorme kracht omhoog geperst. Je hoort het diepe, ritmische suizen van de Wells-turbines die bovenop de caissons zijn gemonteerd. Hier fungeert de golfslagcentrale niet alleen als energieleverancier, maar ook als actieve golfbreker die de kade beschermt tegen erosie. Dubbel rendement uit één civieltechnisch kunstwerk.

De kinetische slang op open zee

Midden op de oceaan zie je een reeks gekoppelde stalen cilinders drijven. Ze liggen als een gigantische slang in de richting van de golven. Bij elke kam en elk dal knikken de scharnieren tussen de segmenten. Hydraulische cilinders in deze gewrichten worden ingedrukt en uitgetrokken. Deze constante beweging perst olie onder hoge druk door een generator. Geen fundering in de bodem. Alleen zware ankerkettingen die voorkomen dat de installatie afdrijft. Puur mechanisch uithoudingsvermogen tegen de zoute deining.

Onzichtbare kracht onder de branding

In een ondiepe baai nabij een kustdorp zie je vanaf het strand helemaal niets. Onder het wateroppervlak staat echter een enorme stalen plaat die scharniert op de zeebodem. De plaat zwaait traag heen en weer, aangedreven door de krachtige horizontale waterverplaatsing die onder de golven ontstaat. Een Oscillating Wave Surge Converter. Via een onderzeese kabel loopt de stroom direct naar een transformatorhuisje in de duinen. Geen visuele vervuiling van de horizon. Maximale energieopbrengst op de plek waar de branding het krachtigst is.

De Noordzee is geen vogelvrij gebied. Wie een golfslagcentrale wil verankeren, loopt direct tegen de Omgevingswet aan. Deze wet bundelt de regels voor de fysieke leefomgeving. Vergunningen zijn noodzakelijk. Vooral omdat de ruimte op zee schaars is. Scheepvaartroutes, defensiegebieden en bestaande windparken claimen hun plek. De Waterwet speelt hierbij een specifieke rol, met name als het gaat om de lozingsvergunningen of de impact op de waterhuishouding en stromingsprofielen. Projecten moeten vaak een milieueffectrapportage (m.e.r.) doorlopen. Ecologische verstoring moet tot een minimum beperkt blijven. Denk aan geluidsoverlast onder water tijdens de installatie. Of de aantasting van de zeebodem. Natura 2000-gebieden vormen hierbij een harde grens. Technisch gezien leunt de sector zwaar op internationale afspraken. De NEN-EN-IEC 62600-serie is de bijbel voor mariene energie. Deze normen omschrijven de ontwerpvereisten voor golfslagenergie-installaties. Van de structurele integriteit van de drijvers tot de nauwkeurigheid van de vermogensvoorspellingen. Veiligheid staat centraal. Een op drift geraakte centrale vormt een direct gevaar voor de scheepvaart. Daarom zijn er strikte regels voor de verankering en de signalering op zee, conform de IALA-richtlijnen. Voor de elektrische installatie aan boord gelden de gangbare NEN-normen voor laag- en hoogspanningsinstallaties, maar dan aangepast aan de corrosieve maritieme condities. Geen half werk. De inspectie-eisen zijn streng vanwege de lastige bereikbaarheid voor onderhoudsteams.

1799. Frankrijk. Vader en zoon Girard patentseerden toen al een machine om de kracht van de golfslag te temmen. De uitvoering bleef uit. Te vroeg voor de metaalbewerking van die tijd. Ruim honderd jaar lang bleven de plannen beperkt tot papier en kleinschalige, rammelende mechanieken die de eerste de beste najaarsstorm zelden overleefden. De zee vreet ijzer. De zee sloopt dromen van vroege pioniers. Pas in de twintigste eeuw verschoof de blik van mechanische nieuwsgierigheid naar energetische noodzaak.

De oliecrisis van 1973 veranderde alles radicaal. Opeens was de grilligheid van de oceaan minder eng dan de grilligheid van olieproducerende landen. Stephen Salter kwam met zijn 'Duck'. Een technisch hoogstandje dat met ongekende efficiëntie energie uit de deining perste, maar de Britse politiek vond het te duur, te complex en vooral te ver weg van de gevestigde orde van kolen en gas. De focus verplaatste zich naar Japan en Noorwegen waar ze de Oscillating Water Column (OWC) perfectioneerden. Minder bewegende onderdelen in het bijtende zoute water. Een pragmatische keuze voor de lange termijn.

In de decennia die volgden, zagen we de opkomst en ondergang van diverse prototypes, zoals de Pelamis, de 'stalen slang' die in Portugal de eerste commerciële stappen zette. Het leerproces was pijnlijk. En kostbaar. Elke breuk in een ankerlijn en elke kortsluiting in een onderzeese generator leverde data op voor de huidige generatie installaties die nu eindelijk de stap maken van eenzame experimentele boeien naar geïntegreerde onderdelen van de civieltechnische kustverdediging.

• https://www.joostdevree.nl/shtmls/golfslagcentrale.shtml
• https://en.wikipedia.org/wiki/Wave_power
• https://prezi.com/rys5j9ikmwpf/golfslag-centrale/
• https://www.scholieren.com/verslag/werkstuk-anw-alternatieve-energie
• https://duurzaammbo.nl/blue-energy
• https://www.joostdevree.nl/shtmls/elektriciteitscentrale.shtml
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektriciteitscentrale