Windmolens op zee worden gebouwd op lange stalen palen, die door enorme heihamers de bodem in worden geslagen.
Normale heihamers gebruiken een zwaar blok als hamer. De Blue 25M is een nieuw type heihamer die de kracht van een vallende watermassa gebruikt.
De nieuwe techniek is stiller, geluid onder water wordt met zeker 20 dB teruggedrongen. Tevens werkt de nieuwe hamer sneller: De vallende watermassa in de Blue 25M-hamer levert 25 MJ energie, tegen 3,5 MJ voor normale heihamers.
In de hamer, een cilindervormig stalen vat, bevindt zich 1700 m3 zeewater boven een verbrandingskamer. Ontsteking van een methaan-lucht-mengsel en de daarop volgende explosie duwt de watermassa 1,5 m omhoog. Tegelijk gaat de heipaal een stuk de bodem in. Door de zwaartekracht stort het zeewater vervolgens weer naar beneden, wat de tweede – en zwaarste - klap oplevert. Als de uitlaatgassen de verbrandingskamer hebben verlaten, herhaalt de cyclus zich. Zie figuur 1 (niet op schaal) en in het volgende filmpje:
Tijdens één explosie wordt de heipaal twee keer een stuk in de grond gedrukt; bij de tweede slag over een grotere afstand dan tijdens de eerste slag.
a) - Leg dat uit met de wetten van Newton.
- Leg met behulp van figuur 1 uit waarom de tweede slag zwaarder is dan de eerste slag.
- Uit de derde wet van Newton volgt dat als het aardgas explodeert en het water naar boven duwt, er een even grote kracht op de heipaal naar beneden wordt uitgeoefend. Dat is de eerste slag. Uit de tweede wet van Newton volgt dat voor de vertraging a van de vallende massa water m ook een kracht F nodig is. Deze wordt geleverd door de heipaal. Hierbij gaat de heipaal zelf ook dieper de bodem in (weer dankzij de derde wet van Newton). Dit is de tweede slag.
- Het water wordt over een hoogte van 1,5 m opgetild vanuit de startpositie. De kracht die hiervoor nodig is, is net zo groot als de kracht die op de heipaal naar beneden werkt. Omdat de heipaal hierdoor een stuk de grond ingeslagen wordt, valt het water vervolgens over een grotere afstand dan 1,5 m weer naar beneden en oefent een tweede, grotere kracht uit.
Voor het opliften van de watermassa is (ongeveer) 25 MJ nodig.
b) Toon dit met een berekening aan.
Het volume van 1700 m3 water wordt opgetild over een hoogte van 1,5 m. Voor de zwaarte-energie geldt dan:
$E_z=mgh=\left(\rho V \right )gh=1,024\cdot 10^3 \cdot 1700\cdot 9,81\cdot 1,5 = 25\cdot 10^6~\mathrm{J}$
c) Bereken hoeveel methaan er minimaal nodig is voor 1 ‘slag’ van de Blue 25M.
De 25 MJ aan energie is geleverd door de explosie van het methaan. De verbrandingswarmte van methaan is 35,8 ∙ 106 J m-3. Er geldt:
$E_{\mathrm{ch}} = r_v V \rightarrow V = \frac{26\cdot 10^6}{35,8\cdot 10^6}=0,70~\mathrm{m}^3~\mathrm{methaan}$
In werkelijkheid is er meer aardgas nodig voor een slag.
d) Leg dat uit.
Het rendement van de explosie is geen 100%. Niet alle energie van het aardgas is gebruikt om de watermassa op te liften, maar omgezet in andere vormen van energie zoals warmte en geluid.
