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Nach etwa einer Stunde hat sich der Probenkörper komplett in den Sandboden eingesaugt
© Pascal Hancz
Offshore Windenergie
15.02.2018

Zu Versuchsbeginn ragt der Testkörper noch hoch über den Sandboden hinaus.
© Pascal Hancz

Die Grundbauversuchsgrube fasst 1.250 m³ Sand und ist 10 m tief. Dank vier Brunnen ist der Boden wassergesättigt. Der Boden entspricht den charakteristischen Verhältnissen in der Nordsee.
© Leibniz Universität Hannover

Neue Fundamente für Offshore-Anlagen testen

Bisher ruhen die meisten Tragkonstruktionen für Offshore-Windenergieanlagen auf Rammpfählen, die tief in den Sandboden getrieben worden sind. Diese Bauweise verursacht Lärm und hohen technischen Aufwand. Eine Alternative dazu sind Suction Buckets. Das sind unten offene und oben geschlossene Stahlzylinder, die äußerlich einem umgedrehten Eimer ähneln und sich durch künstlichen Unterdruck im Inneren in den Boden einsaugen. Im Testzentrum Tragstrukturen in Hannover laufen derzeit großmaßstäbliche Versuche, den Einbau der Körper zu optimieren und mögliche Druck- und Zugbelastungen zu erforschen.

Um Windenergieanlagen vor der Küste mitten im Meer errichten zu können, sind große Unterwasserbauwerke als Tragstrukturen notwendig. Damit diese fest in der Erde verankert sind, werden bisher – je nach Konstruktion – ein bis vier Rammpfähle tief in den Meeresboden getrieben, auf denen die Tragwerke gründen. Diese Rammarbeiten auf offener See erfordern einen hohen technischen Aufwand und verursachen viel Lärm, der besonders Meeressäuger beeinträchtigt. Anstelle der bisherigen Rammpfähle sind Suction Buckets eine lärmarme und zügig umsetzbare Alternative. Diese oben geschlossenen und unten offenen, hohlen Stahlzylinder werden durch einen von Pumpen erzeugten Unterdruck im Inneren in den Meeresboden förmlich hineingesaugt. Dies verursacht keinen Rammschall und benötigt zum Bau keine schweren Installationsgeräte. Je nach Auslegung der im Boden verankerten Buckets lassen sich dann auf ihnen Monopiles oder Jacket-Tragwerke für Offshore-Windenergieanlagen errichten. Wenn die Windenergieanlage eines Tages wieder abgebaut werden muss, lässt sich das Fundament komplett zurückbauen. Das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) testet den Einbau von Demonstrationsbuckets in der Grundbauversuchsgrube des Testzentrums Tragstrukturen in Hannover.

Die Bucket-Gründung in den Sand setzen

Die Herausforderung bei diesem Gründungsverfahren ist es, den Druck genau zu dimensionieren und zu verteilen. Außerdem ist es wichtig, Schiefstellungen zu vermeiden. Bei den Versuchen verschwand der Stahlzylinder der Bucket-Gründung, der einen Durchmesser von 1,4 m aufweist, innerhalb von einer Stunde im Boden.

Die rasche Installation ist ein großer Vorteil: eine vorbereitete Tragstruktur mit Bucket lässt sich an einem Tag errichten. Der Prüfkörper ist für eine Jacket-Tragstruktur ausgelegt. Bei dieser steht eine Gitterstruktur – vergleichbar einem Hochspannungsmast – auf vier Fundamenten im Boden. In der Praxis weisen Suction Buckets einen Durchmesser von 6 bis 15 Metern auf.

Tulio Quiroz, IWES Projektleiter, erklärt: „Es ist extrem wichtig, den Unterdruck genau zu überwachen, um Bodenschäden und eine Schiefstellung des Buckets zu vermeiden. Bei Offshore-Installationen wird daher mit vier getrennten Kammern im Bucket gearbeitet, um den Druck auszugleichen.“ Das IWES erprobt in Hannover seit sechs Monaten in einer Versuchsserie verschieden große Prüfkörper. Das Ziel der Versuche ist, die Interaktionen des Fundaments mit Baugrund, Wellen und Strömungen zu erforschen. Die Ergebnisse sollen Industriepartnern in Forschungsprojekten zugänglich gemacht werden, um das Verfahren weiter zu optimieren. Suction Buckets werden bereits in der Praxis eingesetzt. Mit dieser lärmarmen Technologie können auch Gebiete mit Schallbeschränkungen erschlossen werden.

Testumgebung wie im Meer

Die Grundbauversuchsgrube fasst 1.250 m³ Sand, ist 10 m tief und der Boden wird durch vier Brunnen wassergesättigt. Diese Bedingungen entsprechen den charakteristischen Bodenverhältnissen in der Nordsee. Hydraulische Aktuatoren übertragen große Kräfte auf den Kopf des Prüfkörpers, um Druck- und vor allem Zugbelastungen nachzubilden. Ein Beispiel ist die Kombination aus zyklischen Lasten und großen Impulsen, was in der Realität  einem Dauerbetrieb bei einzelnen, hohen Wellen entspricht. Dehnungs-, Neigungs- und Beschleunigungssensoren zeichnen alle Bewegungen auf. Die Grube ist eine Versuchsanlage im Testzentrum Tragstrukturen, einer Einrichtung der Leibniz-Universität Hannover. Eine ausführliche Beschreibung des Testzentrums bietet das BINE-Projektinfo „Turm und Fundamente testen“ (05/2015). Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) hat dessen Bau im Rahmen der Energieforschung gefördert.

(mi)

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Adressen

Projektleitung
Fraunhofer IWES

Infotipps

Turm und Fundamente testen
BINE Projektinfo 05/2015

RAVE – Forschen am Offshore-Testfeld
BINE-Themeninfo I/2012

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zum Testzentrum Tragstrukturen.