Vibroacoustic Underwater Noise from Fixed and Floating Offshore Wind Turbines

Deze studie presenteert een op natuurkunde gebaseerd vibro-akoestisch raamwerk om de operationele onderwatergeluidsemissies van 10 MW aan de zeebodem vastgemaakte en drijvende offshore-windturbines te voorspellen en te vergelijken, waarbij blijkt dat drijvende configuraties hogere geluidsniveaus in het laagfrequente bereik en complexere, richtingsafhankelijke stralingspatronen genereren dan monopile-constructies, terwijl de waterdiepte de algehele voortplanting en geluidsniveaus aanzienlijk beïnvloedt.

De kern

Stel je de oceaan voor als een gigantische, stille concertzaal. Jarenlang hebben we ons zorgen gemaakt over de harde, plotselinge "knallen" van bouwwerkzaamheden (zoals het in de zeebodem drijven van heipalen) die zeedieren verstoren. Maar deze nieuwe studie richt zich op het continue gezoem dat windturbines maken terwijl ze daadwerkelijk draaien en elektriciteit opwekken.

De onderzoekers wilden een simpele vraag beantwoorden: Maakt het uit of de windturbine vastzit aan de zeebodem of drijft op het oppervlak?

Om dit te achterhalen, bouwden ze een geavanceerde "digitale tweeling" van een enorme windturbine van 10 megawatt. Ze simuleerden hoe de wind de bladen duwt, hoe de tandwielen binnenin de turbine ratelen, en hoe die trillingen de toren afzakken en het water in gaan. Vervolgens vergeleken ze twee versies:

1. De "Vaste" Versie (Monopile): Een enorme stalen paal die diep in de zeebodem is gedreven.
2. De "Drijvende" Versie: Een massief platform dat op het oppervlak dobbert en wiegt, verankerd door kabels.

Hier is wat ze ontdekten, uitgelegd via alledaagse analogieën:

1. De "Zware Zwemmer" versus de "Stijve Paal"

Stel je de Drijvende Turbine voor als een zware zwemmer in een zwembad. Omdat het platform enorm is en vrij kan bewegen, wiegt, rolt en dobbert het mee met de golven. Deze beweging creëert veel laagfrequente geluiden (een diep, grommend geluid).

• De Bevinding: De drijvende versie is veel luider in het diepe, grommende bereik (onder de 10 Hz). Het is als een basdrum die blijft doordrammen. De studie vond dat deze versie tot 15 dB luider kan zijn dan de vaste versie op deze lage frequenties, omdat het hele platform beweegt als een gigantisch, trillend drumvel.

Stel je de Vaste Turbine (Monopile) voor als een stijve paal die in beton is geplant. Deze kan niet wiegen. In plaats daarvan reizen de trillingen van de draaiende tandwielen en assen rechtstreeks de paal af naar beneden.

• De Bevinding: De vaste versie is eigenlijk stil in het diepe grommen, maar wordt luider bij hogere tonen (het "gezoem" van de tandwielen). Omdat de paal stijf is, geleidt hij die mechanische trillingen met hogere frequenties zeer efficiënt het water in, net als een stemvork.

2. De Vorm van het Geluid

Geluid gaat niet alleen rechtuit; het verspreidt zich in patronen.

• De Vaste Turbine: Het geluid verspreidt zich vrij gelijkmatig, als rimpelingen van een steen die in een rustig vijver wordt gegooid. Het is voorspelbaar en symmetrisch.
• De Drijvende Turbine: Het geluid is chaotisch en gericht. Omdat het drijvende platform drie poten en dwarsbalken heeft die op complexe manieren bewegen, creëert het geluid een "klontig" patroon. Het schiet luide stralen geluid in sommige richtingen en laat rustige plekken in andere. Het lijkt minder op een rimpeling en meer op een flitsende zaklamp die in verschillende richtingen wijst.

3. Het "Kamergrootte"-effect (Waterdiepte)

De diepte van het water werkt als de grootte van de kamer waarin het geluid speelt.

• Ondiep Water (De Kleine Kamer): In ondiep water kaatst het geluid tussen het oppervlak en de bodem, waardoor het gevangen raakt. Dit zorgt ervoor dat het geluid verder reist en luider blijft, vooral voor de drijvende turbines. Het is alsof je schreeuwt in een kleine badkamer; het geluid raakt gevangen en echoot.
• Diep Water (De Grote Hal): In diep water kan het geluid zich in alle drie de dimensies verspreiden (omhoog, omlaag en zijwaarts). Dit zorgt ervoor dat de energie sneller verspreidt. De studie vond dat het verplaatsen van een drijvende turbine van ondiep naar diep water het geluidsniveau met ongeveer 9 dB kan verlagen, simpelweg omdat het geluid meer ruimte heeft om zich te verspreiden en weg te vervagen.

4. Wie Kan Het Horen?

De onderzoekers vergeleken hun geluidskaarten met het gehoorbereik van zeedieren.

• De Vaste Turbine: Haar hogere "tandwielgezoem" overlapt aanzienlijk met het gehoorbereik van zeehonden, dolfijnen en bruinvissen. Dit betekent dat deze dieren de vaste turbines op kortere afstanden waarschijnlijker zullen horen en hierdoor verstoord zullen raken.
• De Drijvende Turbine: Haar diepe "grommen" ligt grotendeels onder wat de meeste zeezoogdieren kunnen horen. De studie merkt echter op dat dit diepe grommen sowieso vaak wordt overschaduwd door natuurlijk oceaanlawaai (zoals wind en golven), dus het is misschien minder een probleem voor dieren dan het hoge geluid van de vaste turbines.

De Conclusie

Deze studie biedt ingenieurs een nieuwe "rekenmachine". Voordat ze een windpark bouwen, kunnen ze nu deze tool gebruiken om precies te voorspellen hoe luid het onderwatergeluid zal zijn.

• Als je bouwt op een vaste paal, verwacht dan een luider, hooggezoem dat zich goed voortplant in ondiep water.
• Als je bouwt op een drijvend platform, verwacht dan een dieper, basrijk grommen dat zich anders gedraagt afhankelijk van hoe diep het water is en in welke richting het geluid reist.

Het doel is niet om te zeggen dat het ene "slecht" en het andere "goed" is, maar om het verschil te begrijpen zodat we windparken kunnen ontwerpen die vriendelijker zijn voor het akoestische milieu van de oceaan.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Vibroakoestische Onderwatergeluiden van Vaste en Drijvende Offshore Windturbines

Probleemstelling
Door de mens veroorzaakt onderwatergeluid van offshore windturbines is een opkomend milieukwestie, vooral naarmate de sector opschaalt naar grotere capaciteiten en dieper water, met gebruik van zowel bodemvaste (monopijl) als drijvende technologieën. Hoewel impulsief geluid tijdens de bouw (bijvoorbeeld door paalrijden) goed gereguleerd is, blijft continu operationeel geluid minder begrepen. Dit geluid ontstaat via twee paden: luchtgedragen aeroakoestiek (vaak verwaarloosd vanwege de impedantiewisseling tussen lucht en water) en structuurgedragen vibroakoestiek. Het laatste vloeit voort uit fluctuerende aerodynamische trekkracht, aandrijvingsexcitatie en hydrodynamische belasting, die structurele trillingen opwekken die zich in het water uitstralen. Huidige milieubeoordelingen vertrouwen vaak op achteraf-metingen of vereenvoudigde empirische schaling, en missen op natuurkunde gebaseerde voorspellende hulpmiddelen die in staat zijn geluid te kwantificeren tijdens de vroege ontwerpfase. Bovendien kunnen de onderscheidende dynamische mechanismen van drijvende platformen – gekenmerkt door star-lichaamsbewegingen en hydro-elastische koppeling – het spectrale inhoud en de uitstralings-efficiëntie veranderen in vergelijking met monopijlen, maar deze verschillen zijn niet volledig gekwantificeerd.

Methodologie
De studie presenteert een op natuurkunde gebaseerd vibroakoestisch kader om operationeel onderwatergeluid te voorspellen voor een 10 MW DTU-referentieturbine in twee configuraties: een monopijlfundering (30 m waterdiepte) en een semi-drijvend platform (getest op 30 m en 350 m diepte). De methodologie integreert drie opeenvolgende fasen:

1. Structurele Dynamiek (Tijdsdomein): Simulaties worden uitgevoerd met OpenFAST om gekoppelde aero-hydro-servo-elastische vergelijkingen op te lossen. Het model omvat buigmodi van toren en bladen, elasticiteit van de substructuur (via SubDyn) en hydrodynamische lasten (via HydroDyn). Voor de drijvende configuratie worden zes star-lichaams vrijheidsgraden (surge, sway, heave, roll, pitch, yaw) opgenomen. Om geluid van de aandrijving te compenseren, dat OpenFAST intern niet oplost, worden synthetische tonale excitaties die asharmonischen en tandwiel-meshfrequenties vertegenwoordigen, ingebracht bij de gondel, geschaald met modale versterkingsfactoren.
2. Bronreconstructie: Nodale versnellingen van ondergedompelde structurele knopen worden omgezet in equivalente dipoolkrachtbronnen. Een correctie voor stralingsimpedantie wordt toegepast om rekening te houden met de eindige dwarsdoorsnede-afmetingen van structurele leden, waarmee hoge-frequentie demping en fase-schermingseffecten worden opgevangen die eenvoudige lijnbronmodellen missen.
3. Acoustische Propagatie (Frequentedomein): Het akoestische drukveld wordt berekend door de lineaire Helmholtz-vergelijking op te lossen met behulp van analytische Green-functies. Het model maakt gebruik van de beeldmethode om rekening te houden met randvoorwaarden: een drukvrij oppervlak en een gedeeltelijk reflecterende zeebodem (zandig sediment). Convergentie-analyse bevestigt dat 30 beeldreflecties voldoende zijn voor nauwkeurigheid.

Belangrijkste Bijdragen
Het artikel levert drie specifieke wetenschappelijke bijdragen:

1. Geïntegreerd Modelleringkader: Het formuleert een uniforme aanpak die aero-elastische belasting, structurele dynamiek, vloeistof-structuurinteractie en onderwaterakoestische propagatie koppelt, verdergaand dan gescheiden bron- en propagatiemodellering.
2. Meetbare Descriptoren: Het definieert akoestische descriptoren (smalbandige SPL, OASPL, directiviteitspatronen) die een consistente vergelijking mogelijk maken tussen fundamenteel verschillende ondersteuningsstructuren.
3. Mechanistische Identificatie: Het identificeert de fysieke mechanismen die verschillen in geluidssignaturen tussen bodemvaste en drijvende turbines aandrijven, specifiek door de rollen van star-lichaamsbeweging, structurele massa en waterdiepte te isoleren.

Resultaten
De vergelijkende analyse levert verschillende onderscheidende bevindingen op met betrekking tot spectrale inhoud, directiviteit en propagatie:

• Spectrale Kenmerken:
  • Lage Frequenties (< 10 Hz): Drijvende configuraties vertonen aanzienlijk verhoogde emissies (tot 15% of ~15 dB hogere OASPL) in vergelijking met monopijlen. Dit wordt toegeschreven aan extra star-lichaams vrijheidsgraden en de grotere structurele massa van het drijvende platform, die de uitstralings-efficiëntie bij zeer lage frequenties verhogen.
  • Midden- tot Hoge Frequenties (> 10 Hz): Monopijlstructuren stralen efficiënter uit. De starre verbinding met de zeebodem faciliteert de transmissie van door de aandrijving veroorzaakte trillingen en lokale structurele modi, wat resulteert in hogere geluidsdrukniveaus in dit bereik in vergelijking met drijvende platformen, die excitatie verdelen over een grotere, meer flexibele structuur.
• Directiviteit en Ruimtelijke Distributie:
  • Monopijl: Toont een glad, bijna axiaal-symmetrisch respons bij hogere frequenties en een duidelijk dipoolpatroon uitgelijnd met de windrichting bij lage frequenties.
  • Drijvend: Vertoont complexe, anisotrope 3D-stralingspatronen. Bij lage frequenties roteert de hoofduitstralingsas door gekoppelde star-lichaamsbewegingen. Bij hogere frequenties (100–1000 Hz) tonen drijvende platformen sterke richtingsafhankelijke variaties (20–25 dB) met multi-lobige patronen, in tegenstelling tot de uniformiteit van de monopijl.
• Propagatie en Diepteeffecten:
  • Waterdiepte beïnvloedt propagatierégimes kritisch. Ondiep water (30 m) beperkt propagatie tot een quasi-2D golfgeleider, wat leidt tot langzamere dempingsraten. Diep water (350 m) staat volledige 3D-geometrische spreiding toe, wat resulteert in lagere ontvangen niveaus.
  • Drijvende configuraties in ondiep water tonen OASPL-variaties tot 7% (~9 dB) in vergelijking met hun tegenhangers in diep water, wat de gevoeligheid van drijvende systemen voor de bathymetrie benadrukt.
• Invloed van Turbulentie: Het introduceren van atmosferische turbulentie verbreedt scherpe tonale pieken tot bredere spectrale bulten en verhoogt de totale SPL met tot 10 dB bij lage frequenties, hoewel de fundamentele trends met betrekking tot het type ondersteuningsstructuur onveranderd blijven.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat dit werk een voorspellend hulpmiddel biedt voor het beoordelen van onderwaterakoestische impacten tijdens de ontwerpfase, in plaats van uitsluitend te vertrouwen op metingen na installatie. Door meetbare structurele responsparameters te koppelen aan uitgestraalde geluidsniveaus, ondersteunt het kader:

• Milieubewust Ontwerp: Ontwikkelaars in staat stellen de selectie van turbines, ruimtelijke configuratie en structurele detaillering te optimaliseren met expliciete overweging van het akoestische voetafdruk.
• Regelgevende Ondersteuning: Traceerbare metrieken verschaffen voor standaardisatie, nalevingsverificatie en de ontwikkeling van op wetenschap gebaseerde regelgevende drempels.
• Mechanistisch Begrip: Verduidelijking dat drijvende turbines niet als eenvoudige uitbreidingen van bodemvaste systemen moeten worden behandeld; hun unieke dynamiek introduceert onderscheidende lage-frequentie bronnen en complexe 3D-stralingspatronen die specifieke beoordeling vereisen.

De studie concludeert dat drijvende platformen hoewel ze energie kunnen concentreren in frequentiebanden die minder gevoelig zijn voor veel mariene soorten (zeer lage frequenties), monopijlen een hoger risico vormen in de midden- tot hoge frequentiebanden waar veel mariene gewervelden gevoelig horen. Het kader maakt een kwantitatieve beoordeling van deze afwegingen mogelijk ter ondersteuning van toekomstige mitigatiestrategieën.