WSTĘP
Montaż fundamentów farm morskich generuje szereg niekorzystnych czynników środowiskowych. Obszar morza w którym trwają prace montażowe narażony jest na ruch okrętów i hałas towarzyszący podwodnym pracom. Najbardziej uciążliwy (o czym pisałem już na stronie), powstaje w czasie montażu fundamentów monopalowych, gdzie natężenie dźwięku jest juz wręcz niebezpieczne dla zwierząt morskich. Poziom ciśnienia akustycznego zależy tutaj od skali inwestycji (wielkości monopali) i przyjętej metody ich montażu. Przy dnie mulistym i piaszczystym najpopularniejszą metodą stawiania monopala pozostaje nadal wbijanie ich w dno morskie za pomocą młota pneumatycznego lub hydraulicznego. Pomiary hałasu podwodnego wykonane podczas prac związanych z wbijaniem fundamentów o średnicy od 0,9 do 5 metrów przy kilkunastu różnych inwestycjach wskazały, że w odległości 750 m od źródła hałasu poziom ekspozycji na dźwięk SEL dla jednego uderzenia może dochodzić do 180 dB re 1µPa2s, a szczytowy poziom ciśnienia akustycznego SPL do 200 dB przy pojedynczym uderzeniu. . Im większa siłownia i im większa średnica monopala, tym praktycznie większe natężenie dźwięku.
W polskiej strefie brzegowej, na farmach wiatrowych Bałtyk 1 i Bałtyk 2 stawiane są jedne z największych siłowni wiatrowych morskich na świecie o mocy 15 MW. Tak duże jednostki wymagają pali o długości dochodzącej do 100m i średnicy 9-10m. Masa pojedynczego monopala dochodzi tutaj do 1500-2000 ton, co wymaga wyjątkowo dużej energii podczas palowania. Jest to ogromne wyzwanie dla firm wykonawczych i jednocześnie zagrożenie dla morskich ssaków. Pamiętajmy, że dźwięk rozchodzi się w wodzie z dużo większą prędkością niż w powietrzu. W wodzie słodkiej prędkość ta wynosi około 1435 m/s, w słonej przekracza nawet 1500 m/s. Tak szybkie przemieszczanie się dźwięku w wodzie i jego wysoka energia może powodować zmiany behawioralne u zwierząt morskich, wywołując ich stres i płoszenie na znaczne odległości, ale też utratę słuchu, uszkodzenia tkanek ze śmiercią włącznie.
Obowiązkiem wykonawcy jest więc zapewnienie jak najmniejszej uciążliwości inwestycji i ograniczania źródeł hałasu. Poniżej postaram się omówić różne metody obniżania poziomu natężenia dźwięku przy pracach palowych na morzu. W artykule wykorzystałem dane CIRE (Centrum Informacji o Rynku Energii) i materiały producentów.
Systemy ograniczania hałasu stosowane w palowaniu można ogólnie podzielić na dwie kategorie:
- pierwotne – skupiające się na rozwiązaniach mających za zdanie zmniejszyć hałas generowany przez sam młot (np. blue piling, wibro-palowanie)
- wtórne – ograniczające hałas rozprzestrzeniający się wokół wbijanych w dno fundamentów (np. kurtyny bąbelkowe, koferdamy, osłony izolacyjne, systemy HSD )
Jaki jest dopuszczalny poziom hałasu przy budowie MEW w POM (Polskim Obszarze Morskim)?
Wytyczne odnośnie monitoringu hałasu podwodnego w POM, generowanego w czasie prac związanych z wbijaniem fundamentów elektrowni wiatrowych w dno morskie, opierają się na niemieckich wytycznych dla oceny oddziaływania na środowisko morskich farm wiatrowych (MFW). W dokumencie pn. „Measuring instruction for underwater sound monitoring” opracowanego przez Bundesamt fϋr Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) w 2011 roku wskazuje się m.in. na wartość progową SEL na poziomie 160 dB re 1µPa2s mierzoną w odległości 750 m od źródła hałasu związanego z instalacją fundamentów MEW.
Co jeszcze mówią przepisy?
W oparciu o ww. dokument Regionalna Dyrekcja Ochrony Środowiska opracowała wytyczne na potrzeby planowanej budowy farmy wiatrowej Bałtyk Środkowy III , w tym listę wymogów i obowiązków spoczywających na inwestorze w związku z planowanymi pracami. Są to min. wymogi:
- pomiarów hałasu w okresie wykonywania intensywnych prac np. związanych z wbijaniem fundamentów w dno morskie
- pomiary należy wykonać przy pomocy urządzeń o zakresie rejestrowanych częstotliwości 10 – 20 kHz, w odległości 750 m i 5 000 m od źródła hałasu oraz w najbliższym obszarze chronionym
- dodatkowo należy wykonywać pomiary poza terenem planowanej MFW, w odległości 1km i 5 km od MFW
- dla pracujących już siłowni wiatrowych pomiar hałasu powinien być prowadzony jednokrotnie przy trzech stanach morza: 2, 4 i 6 stopni w skali Beauforta
Kurtyny bąbelkowe (bubble curtains)
Fot. Kurtyna bąbelkowa przy pracach palowych na morzu (źr. BBC.com)
To rozwiązanie popularne szczególnie na morzach Północnej Europy, w tym na Bałtyku. Polega na układaniu wokół prac palowych na dnie morza ogromnego perforowanego węża do którego za pomocą sprężarek pompowane jest powietrze. Wypływające pod ciśnieniem pęcherzyki powietrza tworzą pionową kurtynę w kształcie walca pełniąc role swoistego izolatora akustycznego.
Kurtyny bąbelkowe opierają się na prostej zasadzie: dźwięk przemieszcza się szybciej w wodzie niż w powietrzu, ponieważ woda i powietrze mają różną gęstość. Kiedy fale dźwiękowe uderzają w kurtynę bąbelkową, zwalniają, rozbijają się i odbijają od bąbelków, powodując utratę energii. Pozostały dźwięk, który powstaje po drugiej stronie kurtyny, jest zatem cichszy.
Projekt kurtyn bąbelkowych został opracowany w Niemczech i miał za zadanie chronić morświna, obniżając poziom dźwięku do wartości bezpiecznej dla morskich waleni. W praktyce okazał się też korzystny dla innych gatunków, w tym fok, czy sporadycznie odwiedzających Bałtyk delfinów. Kurtyny, dla zwiększenia skuteczności działania, wykonywane są zwykle jako wielowarstwowe za pomocą dwóch kręgów węży.
Fot. Pojedyncza (po lewej) i podwójna kurtyna bąbelkowa. (źr. bsh.de)
Zdolności tłumiące kurtyn bąbelkowych zależą od wielu czynników, w tym głębokości morza, wielkości strumienia powietrza, długości węży, liczby dysz, itp. i waha się od kilkunastu do około 20 dB.
Ekrany tłumiące hałas (NMS – noise mitigation system)
To rozwiązanie polegające na zastosowaniu wokół wbijanego pala ekranu ochronnego, np. w postaci stalowej rury o większej średnicy. Izolację akustyczną pełni w tym wypadku powietrze znajdujące się miedzy rurami oraz sama ścianka osłony. Dźwięk generowany przez kafar przenosi się w pierwszej kolejności na rurę osłonową, gdzie zostaje wytłumiony i o zmniejszonej energii przechodzi do otaczającego miejsce montażu środowiska. Dodatkowym elementem tłumiącym może być tutaj kurtyna bąbelkowa. Technologie NMC ograniczone są zwykle do konkretnej średnicy zewnętrznej monopala i rozwijają wraz z pojawianiem się monopali o coraz większych gabarytach.
Rys. System IHC hydrohammer
Zaletą ww. rozwiązań jest możliwość pozycjonowania pala podczas całego procesu przyspieszająca cały montaż i zapewniająca jego wysoką precyzję. Obecnie wiele systemów NMS jest w fazie testów. Najbardziej zaawansowana wydaje się technologia firmy IQIP (fot)
Fot. Zintegrowany montaż monopali z wykorzystaniem osłony akustycznej (źr. IQIP)
Oferowane przez firmę osłony wykonane są w trzech wymiarach:
- NMS do 6000mm
- NMS do 6900mm
- NMS do 8200mm
Firma zapewnia, że wszystkie osłony zapewniają redukcję hałasu do maksymalnego dopuszczalnego przez przepisy UE wartości 160dB.
HSD system (Hydro Sund Damper System)
Firma OffNoise-Solutions opracowała innowacyjną metodę redukcji hałasu o nazwie HSD-system (Hydro Sund Damper System), który obejmuje siatkę HSD ze specjalnymi elementami tłumiącymi. Siatka jest instalowana wokół monopala na całej jego wysokości. W ten sposób hałas może być tłumiony bezpośrednio u źródła.
Rozmieszczenie i rozmiar elementów HSD są zmienne i zależą od głównych częstotliwości hałasu. Dzięki temu możliwe jest dostrojenie siatek HSD do konkretnych warunków. System HSD składa się zasadniczo z siatki HSD połączonej z koszem balastowym, lin i ramy wciągarki, która opuszcza kosz na dno morza. Podczas opuszczania kosza, siła wyporu wypełnionych powietrzem elementów HSD rozkłada siatkę HSD. Po zakończeniu wbijania kosz siatkowy można podnieść na statek. Siatka HSD automatycznie opada z powrotem do kosza.
Rys. Wizualizacja systemu HSD. Po prawej siatka z koszem balastowym.
Badania systemu HSD wykazały bardzo dobre tłumienie dźwięku. Uzyskano redukcje hałasu do 20 dB w zakresie częstotliwości od 100-800Hz. Więcej w ( Bruns B. Evaluation of hydro sound and vibration measurements during the use of the Hydro-Sound-Damper (HSD) at the wind farm “London Array”. Proc 166th Meeting of the Acoustical Society of America; 2-6 December 2013; San Francisco, USA 2013. 2pPA4).
Rezonatory Helmholtza
System redukcji hałasu podwodnego, opracowany przez AdBm Technologies, został zaprezentowany pod koniec 2018 roku podczas operacji wbijania pali na belgijskiej części Morza Północnego, we współpracy i przy wsparciu firmy Van Oord Offshore Wind BV, która zaprojektowała i zbudowała system oraz zabezpieczyła miejsce testów. System redukcji hałasu oparty jest na rezonanatorach Helmholtza Dane zostały zebrane przez firmę itap GmbH w dziewięciu lokalizacjach podczas każdej sekwencji wbijania pali i wykazały spójne wyniki we wszystkich lokalizacjach. Istotne wyniki demonstracji z 2018 roku:
1) Zmierzono tłumienie do 20 dB w połączeniu z pojedynczą dużą kurtyną bąbelkową
2) Zmierzono tłumienie 8 dB z samego systemu AdBm, a wiele obszarów wymagających poprawy zostało zidentyfikowanych do wykorzystania w przyszłości
3) Hałas został zredukowany do zaledwie 161 dB SEL05 w przypadku zastosowania pojedynczej dużej kurtyny bąbelkowej.
Jak to działa?
System ochrony przed hałasem wykorzystujący zjawisko rezonansu akustycznego zbudowany jest w postaci pionowej klatki otaczającej monopal. Klatka składa się z całego szeregu płytek o określonej, zaprogramowanej częstotliwości dźwięku przy którym wpada w zjawisko rezonansu. Częstotliwość jest tak dobrana aby znalazła się w pobliżu piku dźwięków o największej energii. Zwykle jest to około 100 Hz. Jeśli fala dźwiękowa powstającą w procesie palowania dotrze do rezonatora, zaczyna on drgać pełniąc role tłumika akustycznego i wygaszając falę o zbliżonej do rezonansu częstotliwości. Przy prawidłowo zaprojektowanej klatce obniżenie hałasu dla najbardziej uciążliwych częstotliwości wynosi nawet >30 dB. Poniżej na wykresie dane zarejestrowane na panelu demonstracyjnym w odległości 285 m od monopala. Dla największej energii dźwięku przy częstotliwości 100 Hz przy braku klatki (baseline) zarejestrowano hałas rzędu 175 dB, podczas gdy z użyciem rezonatora niecałe 140dB. Dla żadnej częstotliwości dźwięku hałas nie przekroczył 160 dB.
Rys. Poziomy dźwięku w pasmach tercjowych dla wszystkich uderzeń monopala zarejestrowanych w odległości 285 metrów od monopala. Kolorowe linie oznaczają poziomy w pasmach odpowiadające każdemu uderzeniu.(źr. ICA)
Zaletą rezonatorów jest ich mała masa, łatwość aplikowania w miejscu montażu, zwarta składana konstrukcja, możliwość stosowania przy głębokościach morza dochodzących nawet do 80m i przede wszystkim brak zapotrzebowania dodatkowej energii. Wadą problematyczne projektowanie wymagające dostosowania częstotliwości rezonansowej do konkretnych wymagań zabezpieczanego monopala, co jest niezwykle trudne. Piki dźwiękowe zależą bowiem od wielu czynników, w tym budowy dna w miejscu montażu. Są więc trudne do przewidzenia. Jednak przy dodatkowym zastosowaniu kurtyny bąbelkowej wydaje się to skuteczna metoda ochrony przed hałasem.
Ochrona pierwotna przed hałasem
Wszystkie opisane do tej pory rozwiązania można zaliczyć do ochrony wtórnej, ograniczającej hałas już wytworzony przez młot udarowy. Ideałem byłoby, gdyby ten ostatni od razu nie przekraczał dopuszczalnej normy, a przynajmniej znajdował się w jej pobliżu.
Blue Piling
Konstrukcja młota udarowego w technologii BLUE Piling opracowana przez firmę Fistuca opiera się na wykorzystaniu słupa wody jako masy udarowej. Woda morska znajduje się w specjalnej kapsule na górze młota. W dolnej jego części jest komora spalania gdzie cyklicznie dochodzi do zapłonu gazów wytwarzających wysokie ciśnienie. Gwałtowny wzrost ciśnienia gazów unosi kapsułę z wodą, która następnie opada grawitacyjnie na monopal. Hałas wytwarzany przez uderzenie jest częściowo redukowany przez słup wody zawarty w kapsule.
Rys. Zasada działania młota BLUE Piling. Znajdujący się w dolnej części mały zbiornik wodny połączony jest bezpośrednio z dużym. Doprowadzone do małego zbiornika ciśnienia spalających się gazów wypycha gwałtownie wodę z dolnego zbiornika w dół. Woda ta oddziaływuje na słup wody w głównym zbiorniku pchając go w górę, po czym opada grawitacyjnie uderzając w pal fundamentowy i cały proces powtarza się.
Wyniki testów przeprowadzone przez firmę Fistuca pokazuje poniższy wykres. Test przeprowadzono na głębokości wody 22 m z użyciem pala o średnicy 6,5 m i długości 60 m. Wyniki porównano z opublikowanymi wynikami wbijania pala o średnicy 4 m i długości 54 m przy użyciu młota hydraulicznego w innym projekcie (OWF Q7, Princess Amalia,
Holandia)), który miał miejsce na tym samym obszarze co projekt BLUE Pilot. Załączono również wyniki trzeciego projektu (OWF GEMINI, Holandia), w którym pal o średnicy 6,6 m i długości 63,4 m został wbity w dno morskie na głębokości 30 m. Porównanie wskazuje na redukcję SELss o 19–24 dB
Rys. Pierwsze wyniki badania pilotażowego BLUE, pokazujące porównanie widma częstotliwości uderzeń pali
przez młot BLUE (niebieska linia) z widmami uderzeń pali przez młot konwencjonalny w projektach Q7 i GEMINI. © TNO, Fistuca.
Technologia wibro-palowania
W tym rozwiązaniu zamiast tradycyjnego młota udarowego wykorzystuje się wibracje do wbijania pali fundamentowych. Młoty wibracyjne (VH) znane są już w palowaniu fundamentów od 80 lat i stale ewoluują, pozwalając na montaż pali coraz większych średnic i w różnych warunkach środowiskowych. W odróżnieniu do młotów udarowych zapewniają obniżony poziom drgań gruntu i możliwość korekty w położeniu monopala.
Zasada działania
Wibracje wytwarzane są tutaj przez mimośrodowy ruch obciążników o dużej masie, które obracając się w przeciwnych kierunkach generują drgania pionowe przenoszone na monopal. Drgania te wpływają bezpośrednio na grunt powodując szybki ruch cząsteczek gruntu, co drastycznie zmniejsza tarcie pomiędzy gruntem a palem. Następuje zjawisko upłynnienia gruntu (tiksotropii) i stopniowe pogłębianie pala.
Zalety
Około 3-4 razy krótszy czas pogłębiania pala w dnie morskim, niszy koszt, możliwość korekty ustawienia pala w czasie montażu, zdecydowanie niższy hałas. Dodajmy, że proces wibracji nie uszkadza struktury pala. Po okresie eksploatacji młot wibracyjny może też posłużyć do wyciągnięcia pala z dna morskiego.