Adapting offshore wind power foundations to local environment

Titel: Adapting offshore wind power foundations to local environment
Författare: Linus Hammar, Sandra Andersson, Rutger Rosenberg, Anna Dimming
Utgivare: The Swedish Environmental Protection Agency
Årtal: 2010
Sökord: offshore, foundations, marine environment, fish, marine mammals, hydrography, bottom substrate, ecological circumstances
Rapport (Pdf, English)                                                                                                 Rapport (Pdf, Svenska)


Sammanfattning (English):

The aim of this study is to provide an environmental perspective regarding the choice of foundations for offshore windpower, suggesting that differences in environmental impact should be involved in decision-making and development concerning future offshore windpower foundations. The study concerns only the marine environment, excluding seabirds, and is based on the level of knowledge available in 2007.

The study focuses on three different types of foundations; gravity- monopile-and jacket foundations. Also tripod- bucket- and floating foundations are mentioned. The different characteristics of the foundations are discussed based on their environmental impact in five different areas; 1) epifouling and reef-effects, 2) operational noise, 3) changes in hydrographical conditions, 4) noise during construction, and 5) dissolved sediment during construction. Regarding epifouling, it is noted that the surface texture of the foundation (i.e. steel, concrete) is of less importance in the long run since the initial substrate soon will be covered with organisms, creating a rugged surface for later colonising organisms. It is rather the level of salinity, distance to shore, exposure, depth and turbidity of the water that decide which organisms that will dominate the different foundations after a few years. Generally all foundations for offshore windpower are expected to be dominated by filtering animals, such as blue mussels. A possible exception is if concrete is coated with a silicone product that limits larger organisms to establish on the foundations.

This kind of surface treatment has not yet been used by the windpower industry but occurs on other submarine concrete constructions. The potential for an evident reef-effect (local increased occurrence of mobile animals such as fish and crustaceans) increases with the complexity of the foundation structure. Hence, tripod and especially jacket foundations have better possibility to contribute to the reef-effect than monopile- and gravity foundations. Reef-effect, as well as epifouling, may be considered negative in some marine environments, such as possible valuable areas without any natural occurrence of hard substratum. In such areas new species may be introduced, changing the local ecological conditions. However, in many areas an increased level of biological
diversity is viewed as a positive change, and here reef-effect and epifouling may be considered favourable. To amplify the reef-effect, scour protection devices may be designed to create more habitats.

Operational noise from offshore windfarms has been shown to initially affect some organisms (mussels, fish) during experimental studies in small containers. Whether corresponding operational noise in field and during natural circumstances can cause any environmental impacts is not yet fully understood. Available information indicates that there is a common sound level peak from wind turbines at frequencies of 100 – 200 Hz. In the same frequency range cargo ships emit higher sound than wind power even over several kilometres distance. Based on the present lack of certainty, it can be motivated to minimize the sound at these frequencies in areas with special biological values, such as endangered organisms sensitive to stress. However, there are no indications that operational noise may significantly affect the environment beyond the vicinity of each foundation. Based on a limited number of measurements it seems as if gravity and monopile foundations emit noise of similar amplitude, but the frequency range of the gravity foundation is generally lower. There are no measurements of jacket foundation but theoretically these should emit less noise, at least within the lower frequency range. Even if little is known about future turbines and foundations, it should be technically possible to decrease the emitted noise level.

The local conditions of the seabed have a large impact on the propagation of the noise, where shallow water and hard substratum allow the sound to propagate longer distances. The background noise is also of importance and in quiet areas there is theoretically a higher risk of environmental impacts than in areas with heavy ship traffic. Changes in the hydrographical conditions around a foundation are small and are expected to be of importance only in very narrow water passages. The gravity foundation probably has the largest impact on the local hydrography. However, no direct comparisons between the different foundations have been made.

During the construction period extreme noise levels may occur, especially during pile-driving which is needed for most foundations except for gravity foundations. The noise level depends on the diameter of the piles that are driven into the sediment as well as the piling method. This means that the monopile foundation generally emits higher construction noise levels than jackets, while gravity foundations emit the least construction noise. Since the extreme noise levels from pile-driving, covering large areas, can be harmful to fish and marine mammals it is very important to minimize this disturbance. This can be done by the choice of foundation, by precautionary measures and by adapted methods of pile-driving. It is of great importance not to perform pile-driving during spawning periods of commercially valuable fish species.

Gravity foundations need no pile-driving but require dredging, which disperses dissolved sediment in the water. High concentration of dispersed sediment can disturb or harm sensitive marine organisms such as juvenile fish. The highest risk of negative impact on the environment is dredging calcareous sediments, dredging in stagnant water and where the sediment contains toxic substances. The impact on the environment from dredging can be minimized by precautionary measures and good planning. However, the impact of dredging and sediment transport related to offshore windpower is small compared
to other large dredging projects that have been carried out in Sweden without any documented any sustained environmental impacts. The result of this study is to be applied on local conditions (e.g. hydrography, bottom substrate and ecological circumstances) at every specific site, hereby indicating what type of foundation to prefer from an environmental point of view, and also to state what technical as well as planning
adaptations that ought to be applied.

Sammanfattning (Svenska):

Studien syftar till att utgöra ett underlag för att beakta de miljömässiga skillnaderna
mellan olika fundament i samband med planering av havsbaserad vindkraft. Detta
avser påverkan på den marina miljön, dock inte sjöfågel, och baseras på kunskapsläget
år 2007.

Fyra olika principer för fundament (fundamentmodeller) behandlas särskilt; gravitations-, monopile-, tripod- samt fackverksfundament. Fundamentens egenskaper redovisas och diskuteras utifrån dess miljöpåverkan inom fem områden; 1) påväxt och rev-effekt, 2) ljud under driftskedet, 3) hydrografiska förändringar, 4) konstruktionsbuller, 5) sedimentspridning under anläggningsfasen.

Beträffande påväxt konkluderas att fundamentets ytstruktur (stål, betong) är av mindre betydelse i ett längre perspektiv eftersom den initiala strukturen efter en tid blir överväxt av organismer som bildar en mer heterogen, lättbeväxt yta. Istället för fundamentet är det snarare salthalt, exponeringsgrad, djup, avstånd till land och ljustillgång som avgör vilka organismer som kommer att dominera när det biologiska samhället stabiliserats efter några år. Generellt sett kan påväxten vid alla fundament för havsbaserad vindkraft förväntas bli dominerat av filtrerande djur, exempelvis blåmusslor. Ett undantag är silikonbaserad ytbehandling av betong, där större organismer kan ha svårigheter att etableras. Sådan ytbehandling har inte använts inom vindkraft men däremot vid motsvarande brofundament.

Förutsättningarna för en påtaglig rev-effekt (lokalt ökad förekomst av rörliga djur såsom fisk och kräftdjur) ökar med fundamentens strukturella komplexitet. Detta innebär att tripod- och fackverksfundament har större förutsättningar än monopile- och gravitationsfundament att bidra till påtagliga rev-effekter. Reveffekt, och även påväxt, kan betraktas som negativt på skyddsvärda bottnar av sand eller lera där närhet till naturlig hårdbotten (berg, sten) saknas, där nya arter kan introduceras och förändra de naturliga ekologiska förhållandena. I områden där en ökad biologisk mångfald och en ökad förekomst av fisk är önskvärd, kan rev-effekt och påväxt däremot betraktas som gynnsamma förändringar. För att förstärka reveffekten kan erosionsskydd utformas särskilt för att skapa fler livsmiljöer.

Huruvida undervattensljud som avges från vindkraftverk under driftskedet kan innebära någon betydande miljöpåverkan under naturliga förhållanden är ännu inte helt klarlagt. Ljudet har initialt visat sig kunna påverka vissa organismer (musslor, fisk) under experimentella studier, samtidigt har tillvänjning påvisats under experiment och djurlivet kring befintliga vindkraftverk har visats vara rikligt. Mätvärden från befintlig havsbaserad vindkraft visar på särskilt höga ljudnivåer (frekvenstoppar) omkring 100 – 200 Hz, vilket är samma frekvenser som har visat initial påverkan genom experiment. Till sammanhanget hör även att samma ljudstyrka och samma frekvenser uppstår både naturligt under hård vind och från avlägsna lastfartyg. Fram tills dess att mer kunskap finns att tillgå kan det av försiktighetsprincip finnas anledning att tekniskt minimera ljudet från dessa frekvenser i områden med särskilda marinbiologiska värden, såsom förekomst av hotade störningskänsliga djurarter. Det finns emellertid inget som tyder på att eventuell påverkan från driftljud är påtaglig bortom fundamentens närhet.

Utifrån ett begränsat underlag av mätdata tycks gravitationsfundament och monopile-fundament avge lågfrekvent ljud av liknande styrka, men med vissa skillnader i frekvensintervall. Monopile-fundament tycks avge högre ljudnivåer vid frekvenser över c:a 100 Hz. Det saknas mätdata från fackverksfundament men teoretiskt sett torde dessa avge ljud av lägre styrka, åtminstone inom de lägsta frekvenserna. Det är inte känt huruvida framtida turbiner och fundament kommer att avge en lägre eller högre ljudstyrka under driftskedet; en
minskning av ljudstyrkan torde dock vara tekniskt möjlig att utföra om ambitionen föreligger.

Bottenförhållandena i havet är av stor betydelse för ljudets räckvidd, där grunt vatten och hårt bottensubstrat medför att ljudet fortplantas längre. Även bakgrundsljudet är av betydelse och i tysta havsområden är en eventuell risk för miljöpåverkan större än i fartygstrafikerade områden. De språngskikt som bildas mellan vattenmassor av olika salinitet eller temperatur skiljer sig åt mellan olika havsområden och kan påverka spridning av högfrekvent ljud. Språngskiktens inverkan på ljudspridningen är emellertid marginell för låga frekvenser, såsom t ex vindkraft; detta eftersom våglängderna hos lågfrekvent ljud är stora i förhållande till djupet. De hydrografiska förändringar som uppstår omkring ett fundament är små och kan endast förväntas vara av betydelse där etablering planeras i mycket smala vattenpassager. Gravitationsfundament är sannolikt den fundamentmodell som inverkar mest på den lokala hydrografin, några direkta jämförelser mellan olika fundament har dock inte gjorts.

Under anläggningsarbetet uppstår extrema ljudnivåer framförallt under pålning vilket krävs för de flesta fundamentmodeller – dock inte gravitationsfundament. Hur kraftiga ljudnivåer som uppnås beror av diametern hos de fundament som ska förankras, vilket medför att monopile-fundament generellt avger betydligt högre ljudnivåer än t ex fackverksfundament. Eftersom de extrema ljudnivåerna från pålning över stora avstånd kan vara skadliga för fisk och marina däggdjur är det av vikt att minimera störningen. Detta kan göras genom val av fundament, förebyggande skyddsåtgärder eller anpassade pålningsmetoder. Det är essentiellt att pålning inte företas under skyddsvärda fiskarters lekperioder.

Vid anläggning av gravitationsfundament krävs inte pålning men däremot muddring vilket medför spridning av sediment i vattnet. Kraftig sedimentspridning kan orsaka störning eller skada på känsliga marina organismer, såsom fiskyngel; störst risk för negativ miljöpåverkan uppstår vid muddring av kalkrika sediment, i stillastående vatten, samt där sedimentet innehåller miljögifter. Störningar från sedimentspridning kan minimeras genom försiktighetsåtgärder och god planering. I samband med vindkraft är omfattningen av muddring och sedimentspridning emellertid liten och kortvarig i förhållande till andra stora muddringsprojekt. Studiens resultat ska vid varje specifik etablering appliceras på lokala förhållanden (hydrografi, bottensubstrat och ekologiska samband) för att ge en indikation på vilken fundamentmodell som är att föredra ur miljösynpunkt, samt vilka tekniska och planeringsmässiga anpassningar som bör göras. Resultatet sammanfattas översiktligt i Tabell 6 och förslag på tillämpning ges i avsnitt 4.8.