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2016 | Book

Metamorphosen eines Meeres-Windparks Read chapter Read first chapter

Meer – Wind – Strom

Forschung am ersten deutschen Offshore-Windpark alpha ventus

Editors: Michael Durstewitz, Bernhard Lange

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Die Offshore-Windenergie wird in der zukünftigen Stromversorgung eine entscheidende Rolle spielen. Diese Entwicklung steht aber gerade erst an ihrem Anfang. Ein großes Team aus Forschung, Industrie, Verwaltung und Politik hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, die aktuellen und grundlegenden Fragen der Offshore-Windenergienutzung zu bearbeiten. Über 100 Forscher der RAVE-Initiative (Research at alpha ventus) arbeiteten in interdisziplinären Forschungsprojekten daran, unser Wissen zu erweitern und anwendungsorientierte Lösungen für die Offshore-Windenergie zu finden. Damit tragen sie dazu bei, die Offshore-Windenergie als eine zuverlässige, nachhaltige und kostengünstige Energiequelle auf Dauer zu etablieren.

Im Testfeld alpha ventus, Deutschlands erstem Offshore-Windpark, wurden die Voraussetzungen für diese Forschung geschaffen. Der Windpark wurde mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet: Über 1200 Messgrößen werden aufgezeichnet und sind über ein zentrales Forschungsarchiv zugänglich. Die Forscher der RAVE-Initiative haben somit die weltweit einmalige Möglichkeit, eine Vielzahl von Messdaten aus einem operativen Windpark zu nutzen. Die Auswertungen erfolgen dezentral an Forschungseinrichtungen im gesamten Bundesgebiet.

Über Ziele, Methoden und Schwierigkeiten der RAVE-Forschungsprojekte wird in allgemeinverständlicher Form berichtet und die Ergebnisse sowie ihre Bedeutung für die weitere Nutzung der Offshore-Windenergie dargestellt.

Der Leser erhält somit einen Überblick über den aktuellen Stand der Offshore-Windenergieforschung und die Ergebnisse der Forschungsarbeiten.

Table of Contents

Frontmatter

Bau, Betrieb, Messtechnik, Koordination

Frontmatter
1. Metamorphosen eines Meeres-Windparks
Planung, Bau und Betrieb von Deutschlands erstem Offshore- Windpark und Testfeld alpha ventus
Zusammenfassung
Planung, Bau und Betrieb von Deutschlands erstem Offshore-Testfeld alpha ventus waren ein langwieriger Prozess, denn Offshore-Windparks mit Kosten im dreistelligen Millionen-Bereich waren und sind für Investoren, Banken und Versicherungen ein unsicheres Terrain. Zunächst plante eine Projektierungsgesellschaft Ende der 90er Jahre den Windpark „Borkum West“. Die Baugenehmigung wurde dann von der Stiftung Offshore Windenergie erworben, die wiederum die Nutzungsrechte an ein Konsortium der Energiebranche aus E.ON, EWE und Vattenfall mit der Auflage verpachtet hat, die Forschung im Testfeld aktiv zu unterstützen. Das Testfeld alpha ventus wurde mit 12 Anlagen der 5 MW-Klasse errichtet und im April 2010 offiziell eingeweiht. Neben der Stromproduktion – ausreichend für über 50.000 Haushalte – ist alpha ventus auch zur „Heimat“ von Forschern und ihren Forschungsprojekten der RAVE-Initiative geworden. Bei allen gemachten Erfahrungen ist alpha ventus vor allem eines – ein Gemeinschaftswerk.
Björn Johnsen
2. Wer, was, wann, warum und vor allem – wohin?
Die Koordination der Offshore-Testfeldforschung
Zusammenfassung
Alpha ventus gibt den Startschuss für die Offshore-Windenergie in Deutschland – und für die Offshore-Forschungsinitiative RAVE (Research at alpha ventus). Die Verantwortung für die Koordination der Forschungsaktivitäten liegt bei Fraunhofer IWES. Die wichtigste Aufgabe dieses Projekts besteht darin, mit allen Projektbeteiligten eine einvernehmlich abgestimmte Struktur der Zusammenarbeit zu schaffen. Hierzu zählen die organisatorische und wissenschaftliche Vernetzung aller Forschungspartner der über 50 beteiligten Forschungseinrichtungen und Institute. Typische Aufgaben im Koordinationsprojekt sind: Organisation der rechtlichen Rahmenbedingungen, Messkonzepterstellung, Akkreditierung von Forschern zum Forschungsarchiv sowie die Öffentlichkeitsarbeit.
Björn Johnsen
3. Tausend Sensoren von der Blattspitze bis in den Meeresboden
Zwischen Messtechnik, Logistik, Kolktiefen und dem Ozean: Das zentrale Mess-Serviceprojekt
Zusammenfassung
Das Messserviceprojekt hat das Ziel selbst Messungen durchzuführen, den Messbedarf einzelner Teilprojekte zu koordinieren und effizient umzusetzen. Es stellt somit die notwendige Serviceeinrichtung für alle am Gesamtvorhaben beteiligten Institute, Behörden und Firmen. Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) leitet und koordiniert die Installation der Messtechnik sowie die Wartung und Betreuung der Messungen aller Forschungsvorhaben und führt selbst ozeanographische und geologische Messungen durch. Fokus wird auf die die Offshore-Bauwerke belastenden Umweltparameter (u.a. Seegang, Wind, Strömung, Baugrund-Wechselwirkung) und die bau- und betriebsspezifischen Parameter (u.a. Bau- und Betriebsgeräusche, Vibration, Belastungen, Strukturdynamik) gelegt. Die Ergebnisse aus den Messungen und Kartierungen zeigen nach fünf Jahren anlagespezifische Charakteristika und Größenordnungen. Die Ergebnisse gingen und gehen direkt in Planungen für weitere Windparks ein.
Kai Herklotz, Thomas Neumann, Wilhelm Heckmann, Hans-Peter Link

Gründungs- und Tragstrukturen

Frontmatter
4. Ein fester Halt in rauer See
Gigawind alpha ventus – Ganzheitliches Dimensionierungskonzept für die Tragstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen
Zusammenfassung
Wind- und Wellenlasten sowie Korrosion stellen die Tragstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen auf eine harte Probe. Im RAVE-Projekt „Gigawind alpha ventus“ wurde ein „ganzheitliches Dimensionierungskonzept für OWEA-Tragstrukturen“ erforscht. Dreibein-Gründungen im 1:12-Maßstab wurden im großen Wellenkanal getestet, die Schweißknoten der gittermastartigen Jacket-Gründungen auf Ermüdungsfestigkeit untersucht. Für die Mörtelfüllung des Hohlraums zwischen Pfahl im Meeresboden und Übergangsstück hat man ein Messsystem entwickelt, das dort laterale Verschiebungen erfassen kann. Besten Korrosionsschutz bieten derzeit multiple Schutzschichten. Als innovativen Kolkschutz hat man mit Beton gefüllte Kettenelemente entworfen. Sie schützen die Gründungen vor dem „Freispülen“ durch Meeresströmungen. Ein neu entwickeltes Programmpaket ermöglicht aero-hydro-elastische Gesamt- und Mehrkörpersimulationen und bildet somit eine Grundlage für zukünftige Forschungen.
Raimund Rolfes, Moritz Häckell, Tanja Grießmann
5. Leben geht weiter
Die Lebensdauerforschung setzt an den gesamten Tragstrukturen an
Zusammenfassung
Das Vorhaben „Gigawind life“ hat die Lebensdauerforschung von Offshore-Tragstrukturen zum zentralen Thema. Messungen aus alpha ventus werden mit Simulationsmodellen zusammengeführt, ebenso müssen der Einfluss von Seegang, Kolk und marinem Bewuchs auf die Ermüdungslasten der Tragstrukturen sowie die Folgen von Materialverlust durch Korrosion auf die Lebensdauer analysiert werden. Die numerische Modellierung von Rohrknotenverbindungen der Jacket-Tragstrukturen stellt bei den Simulationsmodellen eine große Herausforderung dar. Neben den numerischen Simulationen werden auch Laborexperimente durchgeführt: Im großen Wellenbecken in Hannover lassen sich präzise Wellen- und Strömungsflüsse auf die Offshore-Bauwerke analysieren. Kennt man die realen Belastungsdaten einer Offshore-Windenergieanlage, könnte man wie bei Autos zukünftig ziemlich genau das Ende für eine bestimmte Komponente und automatisiert die Lebensdauer einer Offshore-Windenergieanlage bestimmen.
Raimund Rolfes, Tanja Grießmann
6. Schieflagen bitte vermeiden
Anwendungsorientiertes Bemessungs- und Überwachungsmodell für Gründungsstrukturen unter zyklischer Belastung
Zusammenfassung
Am Pfahl hängt alles. Über die Hälfte der geplanten Offshore-Windparks sind Ein-Pfahl-Gründungen, über 40 % haben mehrere Pfähle. Das RAVE-Projekt „Anwendungsorientiertes Bemessungs- und Überwachungsmodell für Offshore-Gründungskonstruktionen“ erforschte Grundlagen, führte Modellversuche durch und rüstete eine Windenergieanlage in alpha ventus mit Sensorik aus. Je mehr Wind auf die Anlage „drückt“, umso mehr wird ihr Pfahl im Meeresboden belastet. Der Porenwasserdruck – die Spannung in wassergefüllten Poren des Meeresbodens – kann dort das Tragverhalten beeinflussen. Nach einem extremen Sturm ist das Fundament am ehesten gefährdet, wenn starker Porenwasserdruck den Boden auflockert. Nach einiger Zeit verfestigt er sich wieder. Größere Pfahldurchmesser sorgen für eine bessere Spannungsverteilung. Aufgabe bleibt, reale Einwirkungsszenarios für die Gründung, die ständig wechselnde Lastrichtungen und Zeitabläufe, vom kurzen „Peak“ bis zur Langzeitwirkung erfährt, zu berücksichtigen.
Werner Rücker, Pablo Cuéllar, Steven Georgi, Krassimire Karabeliov, Matthias Baeßler
7. „Neuland“ auf dem Meeresboden
Überwachungsverfahren und Bewertungsmodell für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen
Zusammenfassung
Sind Fundamente für Offshore-Windparks überdimensioniert, verursachen sie zu große Kosten; sind sie unterdimensioniert, gefährden sie das Bauwerk. Im RAVE-Projekt „Überwachungsverfahren und Bewertungsmodell für die Gründungen von Offshore Windkraftanlagen“ stand unter anderem auch ein neuer Gründungstyp im Mittelpunkt: Das Tripile, verwendet im Windpark Bard Offshore 1 (80x 5 MW). Wie beim Tripod werden hier drei Pfähle in den Meeresboden gerammt, ragen aber noch einige Meter über die Wasseroberfläche hinaus und werden über ein Stützkreuz miteinander verbunden. Ziel: „Wir machen alles Wichtige über Wasser“. Im Projekt ermittelt ein neues Verfahren die Pfahl-Last-Verschiebungskurven aus den Betriebsdaten der Anlage. Versuche mit wassergesättigtem Boden an Land zeigen die Pfahlreaktion: Die Tragfähigkeit der Pfähle nimmt einerseits mit ihrer Standzeit zu, andererseits wird sie durch die zyklischen Lasten reduziert.
Matthias Baeßler, Pablo Cuéllar, Steven Georgi, Krassimire Karabeliov, Werner Rücker

Anlagentechnik und Monitoring

Frontmatter
8. Langlebig trotz rauer Winde
Zur Weiterentwicklung der Komponenten in Offshore- Windenergieanlagen
Zusammenfassung
Die Belastbarkeit der Komponenten, verbesserte Überwachungskontrollen, verlängerte Wartungsintervalle und mehr Servicefreundlichkeit standen beim RAVE-Projekt „Weiterentwicklung von Offshore-WEA-Komponenten in Bezug auf Kosten, Langlebigkeit und Service“ bei der Senvion 5M-Windenergieanlage im Fokus. Ein Ansatz zum Thema „mehr Servicefreundlichkeit“ ist, möglichst alle Komponenten einschließlich des zerlegbaren Getriebes im Bedarfsfall mit Hilfe des vorhandenen Bordkrans austauschen zu können. Damit kann bei Servicearbeiten soweit möglich auf den Einsatz eines externen Großkranes und des damit verbundenen Bedarfs an logistischem Equipment wie Hubschiff verzichtet werden. Im Hinblick auf Optimierung der Überwachungskontrollen werden die Wechselwirkungen der mechanischen, aerodynamischen und elektrischen Komponenten untereinander in einem ganzheitlichen Ansatz analysiert und die Ergebnisse bei Entwicklung und Einsatz von neuen Bauteilen oder Steuerungsprozeduren berücksichtigt.
Jan Kruse
9. Wind in den Flügeln
Von der Entwicklung eines neuen, ertragsoptimierten und kostengünstigen Rotorblattes
Zusammenfassung
Bessere Aerodynamik und verringerte Produktionskosten waren Hauptziele im RAVE-Projekt „Entwicklung eines innovativen, ertragsoptimierten und kostengünstigen Rotorblatt für Offshore-Windenergieanlagen“ bei Senvion. Dabei verwendeten die Entwickler als Materialien unter anderem GFK und PET-Schäume und verzichteten auf die üblichen, leichteren, aber auch teureren Komponenten auf Kohlefaserbasis. Dadurch wird das neue Rotorblatt an der Blattwurzel dicker. Eine „abgeschnittene“ Hinterkante am Blattprofil führt zu einer besseren Aerodynamik und höherem Ertrag. Strukturell bedeutsame Bauteile werden separat vorproduziert, und dadurch Arbeitszeiten an der Hauptform eingespart. Neue Transportgestelle erlauben das „Stapeln“ von mehreren Rotorblättern und verringern die Lagerfläche, gerade bei Transport auf See. Möglich ist auch eine Einzelblattmontage statt der Installation eines kompletten Rotorsterns.
Jan Kruse
10. Das klügere Blatt gibt nach
Suche und Versuche mit intelligenten Rotorblättern – ein Ausblick
Zusammenfassung
In Zukunft müssen für neue, größere Anlagengenerationen Rotorblätter mit 100 Meter Länge und mehr gebaut werden. Mit der bisherigen konventionellen Bauweise wären diese für eine schnelle Blattverstellung zu schwer und zu träge. Wie neue Rotorblätter mit innovativen Regelungsansätzen aussehen, untersucht das Projekt „SmartBlades“. Um die auftretenden starken Belastungen der Rotorblätter zu reduzieren, sollen sich künftige passive SmartBlades um die eigene Achse verwinden. Aktive SmartBlades sollen, analog zu den beweglichen Start- und Landehilfen an Flugzeugtragflächen, die Geometrie an der Vorder- oder Hinterkante verändern und die damit entstehenden Lasten, etwa bei Schräganströmung oder Turbulenzen, verringern. Wie auch immer zukünftige Windenergieanlagen und neue Regelungsansätze aussehen – den Rotorblättern kommt dabei eine Schlüsselrolle zu.
Björn Johnsen
11. Die ausschließliche Offshore-Windenergieanlage
Weiterentwicklung und Test der Adwen M5000-Technologie unter erschwerten Bedingungen auf See
Zusammenfassung
Die Adwen AD5-116 ist die erste, ausschließlich für den Einsatz im Meer entwickelte Windenergieanlage und als „Innovative Weiterentwicklung, Konstruktion und Test der Offshore-Windenergieanlage M5000“ eines der ersten RAVE-Projekte. Einige der Projektergebnisse sind: 1) Beim neuen, lastreduzierten Rotorblatt sorgt eine höhere Vorbiegung für mehr aeroelastische Stabilität. 2) Die Kühlung des Umrichters ist, anders als üblich, weiter oberhalb im Turm untergebracht. 90 Prozent der Verlustwärme werden nach außen geführt, um ein zu starkes Aufheizen im Turm zu verhindern. 3) Ebenso wird die Frischluftzufuhr zur Kühlung in den Turm unterbunden, um dort Salzablagerungen und somit potentielle Korrosionskeime zu verhindern.
Gerrit Haake, Annette Hofmann
12. Mit Laserstrahlen in den Wind schießen
Lidar-Windmessungen im Offshore-Testfeld öffnen neue Horizonte
Zusammenfassung
Lidar-Systeme (Light detecting and ranging) sind für die Erfassung der Windverhältnisse immer wichtiger, gerade offshore. Die Lidargeräte tasten mit Laserstrahlen die Strömung ab, die dort auf kleinste Partikel treffen. Die Reflektion ermöglicht Rückschlüsse auf Windgeschwindigkeit. In den beiden Projekten wurden robuste und industrietaugliche Lidargeräte entwickelt. Sie können das einströmende Windfeld erheblich schneller, genauer und weitläufiger erfassen als Windmessmasten. Zudem hat das Windströmungsfeld hinter einer Anlage – der Nachlauf – erhebliche Auswirkungen, wenn es auf die nachfolgenden Windenergieanlagen trifft. Simulationsmodelle können den Nachlauf recht gut rekonstruieren, müssen aber weiter entwickelt werden. Heutige Regelsysteme reagieren erst, wenn der Wind auf die Anlage trifft – und die Belastung an Rotorblättern und weiteren Komponenten bereits entstanden ist. Es wurde eine lidargestützte Vorsteuerung entworfen, die diese Belastungen deutlich reduzieren kann.
Björn Johnsen
13. “Geh mir aus dem Wind“
Über Windpark-Abschattungen, Nachläufe und Turbulenzen
Zusammenfassung
Wenn der Wind die Rotorblätter einer Windenergieanlage passiert, ist der Wind im Nachlauf der Anlage verwirbelt und weist eine höhere Turbulenz auf. Dies hat Auswirkungen auf die nachfolgenden Anlagen im Windpark. Abschattungen durch Nachläufe von Windenergieanlagen können dort Leistungsverluste bewirken und die Lebensdauer der Anlagen beeinträchtigen. Im Forschungsprojekt GW Wakes hat man die Windparkströmung und die Nachläufe in alpha ventus und im größeren Offshore-Windpark Riffgat mit mehreren Lidargeräten vermessen. Gesamtziel: Ein besseres Verständnis der turbulenten Windparkströmung in sehr großen Offshore-Windparks durch Strömungsmessungen und hochaufgelöste Simulationen zu gewinnen, die Auswirkungen auf die Anlagen genauer zu simulieren und Ingenieursmodelle zu entwickeln, um damit die Planung und den Betrieb von Offshore-Windparks verbessern zu können.
Björn Johnsen
14. Erster “Wahrheitstest für Offshore-Anlagen“
Entwurfsanforderungen für Offshore-Windenergieanlagen auf dem Prüfstand
Zusammenfassung
Die Überprüfung der Entwurfsanforderungen und des Anlagenbetriebs waren Schwerpunkte des RAVE-Projektes „Verifikation von Offshore-Windenergieanlagen“. Durch die Nähe zur Messplattform Fino 1 konnte die Abhängigkeit der Erträge von den atmosphärischen Randbedingungen analysiert werden. Mit einer Modellkette gelang es, für die Anlagenaerodynamik relevante turbulente Strukturen der Anströmung aufzulösen und somit detaillierte Einblicke in Nachläufe zu erhalten. Simulationsergebnisse mit CFD-Modellen zeigen, dass noch kilometerweit hinter einem Offshore-Park Nachlaufeffekte wirken. Die entwickelten Modelle zur Berechnung der Anlagendynamik bilden die Statistik der gemessenen Lasten gut nach. Zur Lastberechnung wurde ein aero-elastisches Simulationsmodell mit Modellen für die Tragstruktur zu einem integrierten Simulationswerkzeug kombiniert. Weiterhin wurden Lastmonitoringsysteme auf Basis neuronaler Netze erprobt, die reguläre Betriebs- und Messdaten der Anlage nutzen und auswerten.
Björn Johnsen
15. Last, Lastmonitoring, Lastreduktion
Anforderungen an zukünftige Anlagen-Generationen. Ein Einblick in das laufende Forschungsvorhaben „OWEA Loads“
Zusammenfassung
Das Projekt „Probabilistische Lastbeschreibung, Monitoring und Reduktion der Lasten zukünftiger Offshore-Windenergieanlagen (OWEA Loads)“ knüpft an das Vorgängerprojekt „Verifikation von Offshore-Windenergieanlagen“ an. Hier soll die Auswertung des umfangreichen Datenmaterials zu einem belastungsgerechten und zuverlässigen Entwurf und Betrieb von Offshore-Windenergieanlagen führen. Die Forscher wollen die dynamische Interaktion der Anlagen mit Wind und Wellen sowie den Einfluss von Nachlauf auf die folgenden Anlagen untersuchen. Die Untersuchungen werden messtechnisch mit Lidar und UAV, mit numerischen Simulationen und mit der Auswertung der Messdaten unterstützt. Damit werden charakteristische Extrem- und Ermüdungslasten bestimmt und Belastungskombinationen aus Wind, Turbulenzen und Wellen ermittelt. Die Ergebnisse des Projekts könnten zu Empfehlungen für Regelwerke führen, die einen effizienteren und kostengünstigeren Entwurf für Offshore-Windenergieanlagen zur Folge haben.
Björn Johnsen
16. Anders als bisher gedacht
Die Turbulenzen in der atmosphärischen Grenzschicht über dem Meer und ihre Folgen für die Windfeldmodelle
Zusammenfassung
Windturbulenzen spielen bei der Nutzung der Windenergie eine wichtige Rolle. Bisherige Ansätze von Turbulenzbeschreibungen erwiesen sich für maritime Bedingungen als unzureichend, besonders für die oberflächennahe, untere atmosphärische Grenzschicht. Das RAVE-Projekt „Veritas“ hatte als wesentliche Forschungsziele die „Verifikation der Turbulenzparametrisierung und Beschreibung der vertikalen Struktur der maritimen atmosphärischen Grenzschicht“. Anhand von Messungen von der Forschungsplattform Fino1 konnte die oberflächennahe Turbulenzbeschreibung verbessert und der fortwährende Verdunstungsprozess durch das Meer als permanente Feuchtequelle quantifiziert und als wichtiger Parameter für die Stabilität der Luftschicht identifiziert werden. Weiterhin kann man nun bei stabiler Luftschichtung den Einfluss der variablen Oberflächenrauigkeit des Meeres, also bei unterschiedliche Wellenlängen und Wellenhöhen, in Modellrechnungen in Form eines Widerstandsbeiwerts mit berücksichtigen.
Stefan Emeis
17. Manchmal brodelt‘s fast wie im Spaghetti-Kochtopf
Wie die Feuchtigkeitsflüsse über dem Meer die Turbulenzen in Offshore-Windparks beeinflussen
Zusammenfassung
Wenn feuchte Luft über dem vergleichsweise warmen Meer aufsteigt und auf darüber liegende trockene, schwere Luftschichten trifft, kommt es zu vertikalen Umlagerungen dieser Luftschichten, zu Turbulenzen. Die Erforschung der Einflüsse der atmosphärischen Feuchte und der turbulenten Feuchteflüsse auf die statische Stabilität der unteren Luftschichten über dem Meer waren die Ziele des Rave-Projekts „Erfassung des Einflusses turbulenter Feuchteflüsse auf die Turbulenz in Offshore-Windparks“. In der Nachlaufströmung hinter den Windenergieanlagen nehmen die Turbulenzen besonders zu und wirken sich sowohl auf den Ertrag als auch durch Wechsellasten auf die Ermüdung der Offshore-Windanlagen aus. Die Auswertungen meteorologischer Daten liefern statistische Informationen über die atmosphärische Turbulenz und deren Relevanz bei unterschiedlichen Wetterbedingungen. Die räumliche Struktur und Ausbreitung der Turbulenzen könnte mit Hilfe von Lidar-Scanner-Systemen erfasst und analysiert werden.
Stefan Emeis, Thomas Neumann, Richard Foreman, Beatriz Cañadillas
18. Künstliche Intelligenz und automatische Selbstorganisation
Methoden und Werkzeuge für eine preagierende Instandhaltung auf See
Zusammenfassung
Wartung und Reparatur der Offshore-Anlagen auf See ist teuer und kann rund 25 % der Gesamtkosten eines Windparks umfassen. „Künstliche Intelligenz“ und „automatische Selbstorganisation“ können dies wesentlich verringern, so das RAVE-Forschungsprojekt „Methoden und Werkzeuge für die preagierende Instandhaltung von Offshore-Windenergieanlagen“. Bisher wird meist ausfallorientierte, periodische oder zustandsabhängige Instandsetzung praktiziert. Wenn erst der Störfall die Reparatur anstößt, kann es zu spät oder sehr teuer werden: Wegen fehlender Schiffe, Ersatzteile oder monatelang „Schlecht-Wetter.“ Im Projekt wurden Betriebsdaten für ein breites Ausfallspektrum erhoben und ein preagierendes Instandhaltungskonzept entwickelt, mit automatisierten Handlungsempfehlungen, kombiniert mit erwarteten Reparaturzeiten und Komponenten-Restlebensdauern. In der Zukunft könnten die Maschinen die Instandhaltungsmaßnahmen zur Ressourcen-Zuteilung und vorhandenen Logistik selbst anstoßen.
Stephan Oelker, Marco Lewandowski, Klaus-Dieter Thoben, Dirk Reinhold, Ingo Schlalos
19. Ja, wie laufen sie denn nun?
Monitoring der neuen Offshore-Windenergieanlagen in Deutschland
Zusammenfassung
„Ja, wie laufen sie denn nun?“, möchte man von den neuen Offshore-Windenergieanlagen erfahren. Das RAVE-Forschungsprojekt „OWMEP“ – Offshore Wissenschaftliches Mess- und Evaluierungsprogramm – soll das Monitoring hierzu leisten: Produktions- und Betriebsdaten erfassen, einschließlich Investitionskosten und Schadensfällen. Das erfordert Vertraulichkeit bei Einzelanalysen sowie Öffentlichkeitsarbeit für die Darstellung übergeordneter Entwicklungen. Insofern arbeitet man im OWMEP mit Lupe und Fernrohr zugleich. Auswertungen der OWMEP-Datenbank mit Stamm-, Betriebs- und Ergebnisdaten erfolgen auf Basis von auf Nutzerprofilen angepassten Vertraulichkeitshierarchien. Über 200 Offshore-Windenergieanlagen sind bislang beim OWMEP dabei, das u.a. Volllaststunden, Verfügbarkeit und Investitionskosten großer Offshore-Windparks der Öffentlichkeit zur Verfügung stellt.
Berthold Hahn, Stefan Faulstich, Volker Berkhout

Netzintegration

Frontmatter
20. Wind, der „wilde Geselle“ im Kraftwerksverbund
Wie die Netzintegration der Offshore-Windparks gelingt
Zusammenfassung
Wie die Integration der fluktuierenden Leistung aus großen Offshore-Windparks ins deutsche Stromnetz gelingt, untersuchte das RAVE-Forschungsprojekt „Netzintegration“. Denn aus dem Stromnetz darf nur so viel entnommen werden wie im gleichen Augenblick produziert wird. Die Bündelung mehrerer Offshore-Parks ermöglicht es, diese wie einen großen Kraftwerksverbund zu betreiben, inklusive Regelleistung. Hierfür sind präzise Windprognosemodelle notwendig. Verschiedene Prognosemodelle wurden im Hinblick auf Sicherheit und Stabilität des Netzes weiterentwickelt. Mit einem gemeinsamen Nordsee-Offshore-Super-Netz zwischen Skandinavien, Großbritannien, den Niederlanden und Deutschland könnte man Leistungsspitzen abfangen, Leistungsdefizite untereinander oder durch skandinavischen Wasserkraftüberschuss ausgleichen und die Systemzuverlässigkeit erhöhen. Offshore-Windparks wären dann als ein Offshore-Kraftwerksverbund zentraler Bestandteil des zukünftigen Netzsystems.
Arne Wessel, Sebastian Stock, Lüder von Bremen

Umwelt und Ökologie

Frontmatter
21. Das bedeutendste Umweltprojekt in einem deutschen Offshore-Windpark
Ökologische Begleitforschung am Offshore-Testfeldvorhaben alpha ventus
Zusammenfassung
Die Forschungsarbeiten zum Projekt „Ökologische Begleitforschung am Offshore-Testfeld alpha ventus zur Evaluierung des Standarduntersuchungskonzeptes des BSH (StUKplus)“ war mit 14 Einzelprojekten und sechsjähriger Projektlaufzeit das bisher bedeutendste deutsche Umweltforschungsprojekt für Offshore-Windparks. Gegenstand der Arbeiten waren insbesondere die Erforschung der Effekte von Bau und Betrieb von Offshore-Windparks auf Fische, Benthos, marine Säuger, Rast- und Zugvögel aber auch Fragestellungen zu Auswirkungen des Unterwasserschalls usw. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden in einer Aktualisierung des für Antragsteller bzw. -Genehmigungsinhaber verbindlichen „Standard Untersuchung der Auswirkungen von Offshore-Windenergieanlagen auf die Meeresumwelt (StUK4)“ berücksichtigt.
Anika Beiersdorf, Maria Boethling, Axel Binder, Kristin Blasche, Nico Nolte, Christian Dahlke
22. Viel „Bubbel“ um Nichts?
Erforschung der Schallminderungsmaßnahme „Gestufter Blasenschleier“
Zusammenfassung
Wenn riesige, bis zu 40 Meter lange Stahlpfähle im Sekundentakt in den Meeresboden gehämmert werden, ist der Lärm über 50 km weit hörbar. Bei der Errichtung von Offshore-Windenergieanlagen kann der Rammschall das Gehör von Meeressäugetieren schädigen. Die Schallminderungsmaßnahme „Gestufter Blasenschleier“ stand im Mittelpunkt des gleichnamigen RAVE-Projektes. Hierin wurde die Wirksamkeit von Millionen, rund um den Pfahl aufsteigenden Luftbläschen erforscht, um die Auswirkungen des Rammschalls zu verringern. Vor Beginn der Rammarbeiten wurden die Meeressäugetiere zunächst mit hochfrequenten, akustischen Signalen vergrämt, um sie aus dem Baugebiet zu vertreiben. Das Konzept des gestuften Blasenschleiers, bei dem Auftriebskörper rund um den Pfahl und Tauchereinsätze notwendig sind, war eine große technische und organisatorische Herausforderung. Es zeigte sich, dass die Meeresströmung den Blasenschleier leicht wegtreiben und somit die Gesamteffizienz reduzieren kann.
Raimund Rolfes, Jörg Rustemeier, Tanja Grießmann
23. Lärm wie in einer Uni-Mensa
Der Unter-Wasser-Betriebsschall und seinen Auswirkungen auf Schweinswal & Co.
Zusammenfassung
Welchen Lärm machen Offshore-Windenergieanlagen im Dauerbetrieb, wie wirkt sich dieser auf geräuschempfindliche Meeres-Säugetiere wie Schweinswale aus? Diese Fragen untersuchte das RAVE-Forschungsprojekt „Betriebsschall“. Zwei Anlagen in alpha ventus wurden mit Unterwassermikrophonen ausgerüstet sowie mit Beschleunigungsaufnehmern zur Vibrationsmessung. Der Betriebsschall wurde bei Teillast und Volllast aller Anlagen im Windpark gemessen. Bei Starkwind sind die Umgebungsgeräusche, die insbesondere durch Schiffsverkehr entstehen, so laut wie der Betriebsschall der Anlagen, der bei den Hörschwellen von Schweinswalen und Seehunden liegt. Übertragen auf Luftschall ist es im Windpark unter Wasser so laut wie mittags in der Mensa einer Universität. Wegen der abzusehenden Geräuschakkumulierung durch den laufenden Anlagenbetrieb vieler neuer Offshore-Windparks, insbesondere bei der Errichtung (Baulärm), und den Schiffsverkehr sind unabhängige Unterwasserschallmessungen zukünftig notwendig.
Michael Benesch, van Hermann Radecke
24. Aus den Augen, aus dem Sinn?
Errichtete Offshore-Windparks werden eher akzeptiert als geplante
Zusammenfassung
Im RAVE-Forschungsprojekt „Akzeptanz der Offshore-Windenergienutzung“ wurden Anwohner, Touristen und lokale Experten in zwei Regionen mit Offshore-Windparks zu drei Zeitpunkten befragt: vor der Errichtung von Offshore-Windparks (2009) und danach, während des Anlagenbetriebs (2011, 2012). Um festzustellen, ob eventuell veränderte Einstellungen zur Windenergie auf den Betrieb zurückzuführen sind, wurden Vergleichsbefragungen in Küstenregionen ohne Offshore-Windparks durchgeführt. Themen bei den Interviews waren Einstellungen sowie die erwarteten Auswirkungen auf die Meeresumwelt, Tourismus, Heimatgefühl und Sicherheit der Seeschifffahrt sowie gewünschte Beteiligungsformen, auch am Planungsprozess. Ebenso wurde nach Maßnahmen für mehr Akzeptanz gefragt. Die Offshore-Windenergie trifft auf Akzeptanz, auf höhere für küstenferne als -nahe Anlagen und wenn die Sicherheit der Seeschifffahrt an erster Stelle steht. Mit Partizipation dürften sich Konflikte deutlicher begrenzen lassen als ohne.
Gundula Hübner, Johannes Pohl

Sicherheit

Frontmatter
25. Wenn U-995 auf Tauchfahrt taumelt
Entwicklung und Einsatz von Sonartranspondern in Offshore-Windparks
Zusammenfassung
U-Boote sind latent gefährdet durch Kollision mit Tragstrukturen von Offshore-Windparks. Um Unterwasserfahrzeuge zu warnen, war die Entwicklung eines sogenannten Sonartransponders Bestandteil des gleichnamigen RAVE-Forschungsprojektes. Wesentliche Vorgaben: Der Sonartransponder soll nicht dauerhaft senden, sondern nur auf entsprechende U-Boot-Anforderungen reagieren. Gleichzeitig darf er Schweinswale und Seehunde nicht schädigen und die Signale sollen auch bei schwierigen Bedingungen, wie hohem Seegang, noch in zwei km Entfernung zu empfangen sein. Nach diversen Voruntersuchungen, Modellrechnungen und Messkampagnen entstand ein Prototyp, der am Fundament als Quellpegel 200 Dezibel (dB) ausstrahlen muss, um die geforderten Spezifikationen zu erreichen. Damit wird der Schädigungsgrenzwert für Meeressäugetiere (179 dB) überschritten. Deshalb sendet der Sonartransponder nicht sofort mit voller Leistung, sondern zunächst mit einem „Softstart“, um in der Nähe schwimmende Tiere zu vergrämen.
Raimund Rolfes, Moritz Fricke, Tanja Grießmann
26. Zuviel vom Salz der Erde
Umgebungseinflüsse auf Offshore-Windenergieanlagen
Zusammenfassung
Salzige Gischt, hohe Luftfeuchtigkeit, Sturm und prasselnder Regen – all dies kann zu Korrosion führen, dazu noch mikrobiologischer Befall, wie Pilze und Bakterien. Im RAVE-Projekt „Umgebungseinflüsse auf Offshore-Windenergieanlagen“ hat man deren Auswirkungen auf eine Anlage in alpha ventus, auf die Forschungsplattform Fino 1 und auf eine Nearshore-Windenergieanlage an der Küste verglichen. Hierzu zählen insbesondere die Salzablagerungen auf Stahl, Aluminium und Faserverbundstoffen. Starker Regen kann zwar Salz abwaschen, aber durch prasselndes „Salztropfen-Bombardement“ auch verheerende Korrosion bewirken. Im Projekt wurden zwei neue Salzdetektorsysteme erfolgreich getestet. Mit deren kamera- und laserunterstützter Optik könnten Oberflächen, z.B. im Inneren eines Rotorblattes oder eines Turms überwacht werden. Denn dort begünstigt die hohe Luftfeuchtigkeit das Wachstum von Mikroorganismen. Auch Faserverbundstoffe werden durch Erosion geschädigt, so dass hierzu noch Forschungsbedarf besteht.
Heiko Hinrichs, Thole Horstmann, Uta Kühne, Monika Mazur, Henry Seifert
27. SOS auf Offshore-Plattform Sieben
Wie ein telemedizinisches Notfallkonzept aussehen könnte – und vielleicht auch in dünnbesiedelten Landstrichen weiterhilft
Zusammenfassung
In Notfällen sind die Wartungsteams der Offshore-Windparks zunächst auf sich allein gestellt. Wie für die Verletzten durch die Ersthelfer vor Ort eine telemedizinische Notversorgung gestaltet werden könnte, untersucht das RAVE-Projekt „Sea and Offshore Safety – SOS“. Im Vordergrund der Analyse stehen zunächst die Voraussetzungen wie eine funktionierende Kommunikationskette für die Übertragung von Live-Vitaldaten nebst WLAN-Verbindungsqualität und guter Kameraausleuchtung im Turm. Ferner werden Audio- und Audio-Video-Systeme miteinander verglichen. Im Forschungsprojekt wurde zudem ein Prototyp- für die Offshore-Notfallversorgung entwickelt: die gut tragbare telemedizinische Box (TMBox), die aktuelle Notfallsysteme für bestimmte Anwendungsszenarien in der Nutzbarkeit übertrifft und vielleicht auch in schwer erreichbaren Gebieten an Land eingesetzt werden kann. Zukünftig sind Funktionsumsetzungen dieser TMBox bei verbesserter Software vielleicht sogar als Smartphone-App möglich.
Christine Carius, Christoph Jacob, Martin Schultz
Metadata
Title
Meer – Wind – Strom
Editors
Michael Durstewitz
Bernhard Lange
Copyright Year
2016
Electronic ISBN
978-3-658-09783-7
Print ISBN
978-3-658-09782-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-09783-7