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Abb. 10: Schematische Darstellung der Aufzeichnung von Fächerecholotdaten mit dem Vermessungs-, Wracksuch- und Forschungsschiff WEGA des BSH.
© BSH

Abb. 15: Skizzierter Aufbau eines ADCP Strömungsmessers.
© Nortek

Abb. 16: Forschungstaucherin an der Plattform FINO 1.
© BMU – Edelhoff

Abb. 17: Lageplan von alpha ventus.

Abb. 18: 3D-Darstellung der Fächerecholotaufzeichnungen des Kolkes an der AV7 aus Oktober 2010. Blick aus südöstlicher Richtung in den Kolk.
© BSH
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Die Grundlagen erforschen

Das Einsatzgebiet offshore verlangt Anlagen und Gründungsbauwerken viel ab. Um verlässliche, langjährige Daten für Auslegung und Planung zur Verfügung stellen zu können, haben im Rahmen von RAVE norddeutsche Forschungsinstitute ein Konzept für Grundlagenforschung und Messsensorik entwickelt. Themengebiete sind die Ozeanographie, Meteorologie, Geologie, Strukturdynamik und Ökologie.

Das Windtestfeld alpha ventus steht in einem Teil der Nordsee, der für die Offshore-Projekte in der Deutschen Bucht typisch ist. Errichtet wurden die Windenergie-Anlagen (WEA) auf Gründungskörpern, die je nach Wassertiefe bis zu 45 m hoch sein können und im Meeresboden bis zu 30 m tief verankert sind. Anlagen auf See sind viel größeren Belastungen ausgesetzt als an Land. Das gilt vor allem für Standorte ab einer Wassertiefe von 30 m und mehr. Wichtige Forschungsfragen können hier untersucht werden. Dies betrifft die externen Betriebsbedingungen, die Strukturdynamik, die Fundamentierung der Anlagen und besonders die Netzintegration. Die Hauptbelastungen auf die WEA gehen von Umweltparametern wie Seegang, Wind, Seeschlag, Witterung, Korrosion und Auskolkung aus. Gezeitenströme sind in der Nordsee stark ausgeprägt. Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) hatmit den Projektpartnern Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik – IWES, Deutsches Windenergie-Institut – DEWI und dem Germanischen Lloyd – Garrad Hassan (GL) ein Konzept für die Messsensorik ausgearbeitet. Dafür wurden vier der in alpha ventus errichteten Anlagen beider Hersteller mit mehreren Hundert Messsensoren ausgestattet.

Derzeit laufen Messungen zu mechanischen Beanspruchungen und Lasten (Vibration, Dehnung, Torsion), zu elektrischen Kenndaten sowie zu Betriebsgeräuschen. Zusätzlich finden im Testfeld ozeanographische und geologische Untersuchungen im Hinblick auf Wechselwirkungen zwischen Offshore-Windparks und der Meeresumwelt statt. Im Wasser wurden Temperaturfühler in verschiedenen Tiefen montiert; sie geben Aufschluss über die Schichtung und Temperaturveränderungen im Testfeld. Zahlreiche Echolote an den Gründungen liefern Informationen über Kolkverhalten und Kolkdynamik. Radarpegelmessungen und Kameras an den Plattformen erfassen Seegangsdaten. Zudem werden die Daten der Meeresströmungen mit drei Strömungsmessern (ADCP, Acoustic Doppler Current Profiler) und einer Seegangsboje zur Bestimmung der signifikanten Wellenhöhe, Wellenperiode und Laufrichtung gemessen. Die ADCPs bestimmen die Geschwindigkeits- und Richtungsverteilung der darüber liegenden Wassersäule und liefern zusätzlich Seegangsdaten. Diese Messungen sind vor allem für die logistische Planung der kostenintensiven Schiffs- und Arbeitseinsätze im Windpark wichtig, da bei zu großen Wellenhöhen Personen nicht mehr auf eine WEA übersteigen können.

Insgesamt wurden über 1.200 unterschiedliche Messsensoren an den WEA, den Gründungsbauwerken der Anlagen, dem Umspannwerk und dem Meeresboden installiert. Das BSH koordiniert die Messaufgaben und ist selbst mit hydrographischen und geologischen Untersuchungen an der Forschung beteiligt. Die Daten werden täglich von den Messrechnern ins BSH übertragen und gesammelt. Dort werden sie analysiert und in das zentrale Forschungsarchiv übergeben, damit die RAVE-Wissenschaftler darauf zugreifen können.

Die DEWI GmbH sammelt bereits seit 2003 auf der Plattform FINO1 nahe beim Testfeld die weltweit umfangreichsten kontinuierlichen Windmessungen im Offshore-Bereich. Zudem führt es die Messungen auf den AREVA Wind Anlagen durch.

Der GL Industrial Services GmbH ist verantwortlich für die gesamte Logistik des RAVE-Messservice-Projekts. Für die Messungen auf den REpower Anlagen sowie für die Netzmessungen auf der Umspannplattform alpha ventus und dem Umspannwerk Hagermarsch ist die GL Garrad Hassan GmbH zuständig.

Die Fachhochschule Flensburg hat die Betriebsgeräusche des Windparks mit am Boden verankerten Hydrophonen untersucht und erforscht die Unterwasserschallemissionen der WEA.

Geologische Begleitforschung

Der Fokus des geologischen Untersuchungsprogramms liegt auf den Wechselwirkungen der Gründungselemente mit dem Meeresboden. Dabei geht es insbesondere um die Kolkentwicklung im Bereich der Rammpfähle und dadurch verursachte mögliche Sedimentumlagerungen im Windpark.

Kolke entstehen, wenn eine Struktur, z. B. das Fundament einer WEA, in ein strömendesMedium eingebracht wird. Im unmittelbaren Bereich dieser Struktur ändert sich das Strömungsmuster, was eine erhöhte Erosion des Meeresbodens zur Folge hat. Dadurch entsteht rund um die Struktur eine Vertiefung, die als Kolk bezeichnet wird. Die Tiefe und Ausdehnung dieser Kolke können die Standsicherheit einer WEA beeinflussen. Zur Erfassung der lokalen Kolktiefen im Bereich der Fundamente der WEA und deren Dynamikwurden an den Gründungsstrukturen der Forschungsanlagen AV4 (Jacketkonstruktion) und AV7 (Tripodkonstruktion) eine Reihe von Echoloten angebracht. Die Echolote erfassen zeitlich hoch aufgelöst die Kolktiefen und deren Dynamik.

Regelmäßige flächendeckende hydroakustische Messungen mit Fächerecholot, Seitensichtsonar und einem hochauflösenden Sedimentecholot erlauben es, den Einfluss von Änderungen in der Sedimentdynamik auf den Aufbau und die Beschaffenheit des oberen Meeresbodens zu bewerten.Regelmäßige Drucksondierungen mit dynamischen Penetrometern und geotechnischen Laboruntersuchungen geben Auskunft über die Veränderungen in der Lagerungsdichte der Oberflächensedimente.

Im Rahmen der geologischen Begleitforschung sollen damit die Prognosen der Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP), die im Zuge des Genehmigungsverfahrens erstellt wurde, überprüft werden. Dabei geht das Untersuchungskonzept über das hinaus, was der Windparkbetreiber im Laufe des Betriebsmonitorings zu untersuchen hat.

Kolkuntersuchungen

Mithilfe von 19 stationären Echoloten, die an der Gründungsstruktur der Forschungsanlage AV7 installiert wurden, werden kontinuierlich die Kolktiefen im Bereich der Rammpfähle und unterhalb des Zentralsegmentes gemessen. Zur Zeit werden von jedem Echolot etwa im 20-Minuten-Takt Tiefenwerte aufgezeichnet. Diese zeitlich hochaufgelösten Aufzeichnungen erlauben einen guten Einblick in die Dynamik der Kolkbildung. Die stationären Echolote erlauben nur eine punktuelle Aufzeichnung der Kolktiefen. Um eine Aussage über die räumliche Ausdehnung der Kolke treffen zu können, werden zweimal jährlich im Bereich der Forschungsanlage AV7 flächendeckende Vermessungen mit einem Fächerecholot durchgeführt. Die kontinuierlichen Aufzeichnungen der stationären Echolote zeigen, dass sich von Beginn der Aufzeichnungen Ende August 2009 bis etwa Mitte Januar 2010 unterhalb des Zentralsegmentes relativ rasch maximale Kolktiefen zwischen 5 und 5,5 m eingestellt haben. Im Oktober 2010 lag der Wert dieses zentralen Kolks zwischen 6 und 6,5 m.

Die Fächerecholotaufzeichnungen an der Forschungsanlage AV7 von Oktober 2010 bestätigen die in der Abb. 23 dargestellten Kolktiefen. Ein Vergleich der Fächerecholotdaten von Oktober 2010 mit den Daten vorausgegangener Fahrten zeigt, dass die anfangs noch einzeln voneinander abgrenzbaren lokalen Kolke an den Rammpfählen des Tripods im Verlauf der Zeit immer weiter mit dem Kolk unterhalb des zentralen Turmsegmentes (zentraler Kolk) zusammengewachsen sind. In der 3D-Darstellung der Fächerecholotdaten von Oktober 2010 ist gut zu erkennen, dass die einzelnen Kolke kaum noch voneinander zu unterscheiden sind. Es beginnt sich ein globaler Kolk auszubilden, der den zentralen Kolk unterhalb des Turmsegmentes und die lokalen Kolke an den Rammpfählen umfasst.

Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Auswirkungen der WEA auf die Sedimentdynamik und damit auf das Kolkungsverhalten und die Sedimentbeschaffenheit bislang auf den Bereich unter den Anlagen beschränkt ist. Die Standsicherheit der Anlagen ist damit nach derzeitigem Kenntnisstand gewährleistet.

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Adressen

Anlagentechnik
BSH

Grundlagen- und ökologische Begleitforschung
Fraunhofer IEE

Netzintegration und Gesamtkoordination
Leibniz Universität Hannover, FI

Konferenz

RAVE International Conference
May 8 – 10, 2012
Bremerhaven, Germany
www.rave2012.de

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Filme

Ein 16-minütiger Film in deutscher und in englischer Sprache via youtube.

RAVE Online

Das Portal der Forschungsinitiative RAVE gibt einen Überblick über sämtliche Themen in Form von Infoblättern, einer Dokumentation mit Aufnahmen von alpha ventus, Forschungsprojekten und 3-D-Animationen an.

Auch das Testfeld alpha ventus ist im Netz vertreten. Dort findet man einen Überblick über Bau und Betrieb des Testfelds sowie Neuigkeiten.

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesen Projekten:

0325002 A-D
0325093
0325170 A-B
0327551
0327564 A-E und G
0327577
0327585
0327618
0327618 A
0327642 A
0327648
0327686 A
0329924 B-C und F
03KP204 A-D