Offshore-Windenergieanlagen lärmarm verankern

Projektinfo 11/2013
Energieforschung konkret
Offshore-Windenergie­
anlagen lärmarm verankern
Meerestaugliche Bohranlage kann das bisher übliche
Rammverfahren für Gründungspfähle ersetzen
Der Ausbau der Offshore-Windenergie in der deutschen
Nord- und Ostsee soll umwelt- und naturverträglich erfolgen. Dabei ist eine wichtige Vorgabe, bei der Errichtung der
Fundamente den Baulärm zum Schutz der Meeressäuger
zu begrenzen. Im Vergleich zu dem bisher üblichen Rammverfahren ermöglicht ein neu entwickeltes Bohrverfahren für
Gründungspfähle eine lärmreduzierte Installation. Ingenieure
entwickeln eine seetaugliche Bohranlage und konzipieren
den späteren Bauablauf.
Dieses Forschungsprojekt
wird gefördert vom
Bundesministerium für Umwelt,
Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
Die Rotorblattspitzen im Meer errichteter Windenergieanlagen erreichen fast die
Höhe des Kölner Doms. Diese mächtigen Anlagen müssen auf soliden Fundamenten
aufgestellt werden, damit sie der Kraft von Wind und Wellen standhalten. Der Markt
bietet dafür verschiedene Formen der Fundamente an, sogenannte Tragstrukturen,
die abhängig vom geologischen Untergrund und der Wassertiefe jeweils mit einem
großen oder mehreren kleineren Pfählen ca. 20 – 40 m tief im Meeresboden verankert
werden. Bisher wurden bei den meisten Anlagen die Pfähle sehr lärmintensiv in
den Boden gerammt. Daneben gibt es noch Fundamenttypen ohne Gründungspfähle. Schwergewichtsfundamente sind besonders für schwierig zu rammende
geologische Verhältnisse (z. B. bei Vorkommen von Findlingen im Untergrund) geeignet, bisher aber in Deutschland wegen der größeren Wassertiefen weniger verbreitet. Bei diesen Fundamenten geben schwere Betonkörper, die auf dem Meeresboden aufliegen, den notwendigen Halt. Um sie einsetzen zu können, muss der
Boden vorher eingeebnet werden, was einen Eingriff in die natürliche Bodenfauna
bedeutet. Schwimmende Fundamente und Saugeimer-Gründungen sind weitere
Formen, die sich noch in der Entwicklung befinden.
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BINE-Projektinfo 11/2013
Mit einem jetzt in der Entwicklung befindlichen, neuen
Bohrverfahren soll eine lärmreduzierte Alternative zum
Rammverfahren auf den Markt kommen. Das neue Verfahren schont das Gehör von Schweinswalen und Robben:
Nach dem derzeitigen Stand der Planung prognostizieren
die Entwickler für den Bau einen Schallwert (Dauerschall)
von etwa 120 dB (re 1 μPa) in 750 m Entfernung. Der einzuhaltende Grenzwert für Rammschall liegt bei 160 dB
in 750 m Entfernung. Das Verfahren funktioniert bei unterschiedlichen geologischen Verhältnissen und ermöglicht
größere Pfahldurchmesser bei minimalen Eingriffen in
die Bodenfauna.
In einem Forschungsprojekt wird eine Schachtabsenkmaschine für den Offshore-Einsatz weiterentwickelt. Das
Konzept heißt Offshore-Foundation-Drilling (OFD®). In
diesem Projekt arbeiten die Firmen Herrenknecht AG und
Hochtief Solutions AG eng zusammen. An Land werden
Schachtabsenkmaschinen bereits seit langem eingesetzt,
um beispielsweise Zugangsschächte zu U-Bahn-Systemen,
Belüftungsschächte und Start- und Zielschächte für
Tunnelbohrmaschinen zu erstellen.
Abb. 1 Fundamenttypen: Monopile, Tripod und Jacket (von links nach rechts).
Quelle: Hochtief Solutions AG
Förderpumpe
Im tiefen Wasser fest verankern
In Deutschland dürfen Offshore-Windparks aus Gründen
des Naturschutzes nicht im ökologisch sensiblen Wattenmeer errichtet werden. Sie stehen fast ausschließlich im
Abstand von mehr als 30 km vor der Küste in 20 bis 40 m
tiefem Wasser. In den meisten anderen Ländern befinden
sich die Parks im flacheren Wasser und näher zum Land.
Wegen dieser Bedingungen in Deutschland müssen die
Anlagen aus wirtschaftlichen Gründen möglichst leistungsstark und damit groß sein. So stehen im deutschen Offshore-Testfeld alpha ventus, das 2009 errichtet wurde,
ausschließlich 5-MW-Anlagen. In der Anlagentechnik geht
heute ein Trend zu noch größeren Leistungsklassen.
Abb. 1 zeigt mögliche Fundamente für Offshore-Windenergieanlagen. Die Kosten für Fundamente machen bei
Offshore-Anlagen etwa 25 % der Investitionskosten aus.
Die meist kostengünstigste Form ist der Monopile, ein
langes Stahlrohr mit einem Durchmesser von mehreren
Metern. Mit den heute üblichen Rammverfahren wurden
bislang Pfähle mit einem Durchmesser von bis zu 6,5 m
in den Meeresboden eingebracht. Bei 30 m Wassertiefe
ist ein typischer Monopile 65 m lang und wiegt etwa 700
Tonnen. Bei diesem Pfahltyp können rund zwei Drittel
der Fundamentkosten auf die Herstellung an Land entfallen. Dieser Pfahl kann derzeit, je nach Standort, für
Anlagen bis zu einer Größe von 5-MW ausreichen. Überwiegend bei größeren Anlagen kommen Jacket- oder
Tripodkonstruktionen zum Einsatz. Diese Fundamentkonstruktionen werden mit mehreren, dünneren Pfählen
(Durchmesser ca. 1,5 bis 3 m) im Meeresboden verankert.
Beim Bau einer Offshore-Anlage wird der Boden vor dem
Rammen mit seismischen Verfahren und Kernbohrungen untersucht. Felsige Geologien, Findlinge und sehr
dicht gelagerte Sande können das Rammen erschweren
oder unmöglich machen. An vielen Stellen in Nord- und
Ostsee, an denen Offshore-Windparks geplant sind, sind
dies allerdings typische geologische Bedingungen.
Die OFD-Maschine im Einsatz
Die neue Maschine (Abb. 2) lässt sich flexibel auf den
gewünschten Bohrdurchmesser zwischen 5,5 und 7,5 m
einstellen. Damit wird es möglich, die Maschine ins Innere
der konisch verjüngten Pfähle einzubringen. Durchmesser
von bis zu 10 m sollen später realisiert werden.
Gripper
Vortriebszylinder
Stabilisator
Fräsarm
Abb. 2 Die OFD®-Anlage
Quelle: Herrenknecht AG
Fräskopf
Für den Bohrvorgang wird die Maschine im Innern des Pfahls abgesenkt.
Mit einem variablen System, sogenannten Grippern und Stabilisatoren, ist sie
an der Innenwand fixiert. Dank eines um die Pfahlachse drehbaren Schwenk­
arms arbeitet sich der Fräskopf konzentrisch von innen nach außen in die
Tiefe. Das gewährleistet eine hohe Durchmesserflexibilität. Dieses System
und die Vortriebszylinder ermöglichen zugleich, dass die Maschine auch
unterhalb der Pfahlunterkante bohren kann (Überschnitt). Der Fräskopf
(Abb. 3) ist dabei ein universeller Werkzeugträger. Liegen Sande vor, wird der
Fräskopf mit sogenannten Schälmessern bestückt, bei festen Gesteinen
kommen Rundschaftmeißel zum Einsatz.
Für die Installation von Offshore-Windenergieanlagen werden große Arbeitsplattformen benötigt. Dies sind Errichterschiffe oder Hubinseln, die sich am
Einsatzort mit teleskopierbaren, hydraulischen Stelzen auf dem Meeresboden
abstellen und aus dem Wasser emporheben können. Da Errichtereinheiten
recht unterschiedlich ausgelegt sind, kann der im Folgenden geschilderte
Ablauf der Bohrarbeiten nur beispielhaft einen Rahmen abstecken: Sobald
Wellenhöhe und Wind den Bau von Windanlagen zulassen, wird die Bohrmaschine an Bord einer Hubinsel zum Einsatzort transportiert. Der Pfahl
wird mit luftgefüllten Schwimmtanks von einem zweiten Schiff zur Baustelle
BINE-Projektinfo 11/2013
Schweinswale
Rundschaftmeißel
Schälmesser
Abb. 3 Fräskopf mit kombinierter Werkzeugbestückung. Schälmesser werden
für sandige Bodenschichten und Rundschaftmeißel bei Festgesteinen eingesetzt.
Quelle: Herrenknecht AG
Abb. 4 Einstellung des Monopile in den Absenkrahmen
Quelle: Herrenknecht AG
geschleppt, dort aufgerichtet und fixiert. Durch sein Eigengewicht sinkt er
mehrere Meter im Boden ein. Die OFD-Anlage arbeitet im Pfahlinnern und
fräst ein Loch in den Meeresboden, in das der Pfahl immer weiter einsinkt.
Während des Einsinkens wird der Spalt zwischen Pfahl und Boden kontinuierlich mit einem Spezialmörtel ausgefüllt. Der Mörtel zeichnet sich durch
ein gutes Förder- und Fließverhalten sowie gute Schmiereigenschaften aus.
Ohne weitere Pumpen lässt er sich in Schläuchen über die benötigten Distanzen bewegen. Ein auf dem Installationsschiff mitgeführtes Labor untersucht und kontrolliert vor dem Einbau die Mörtelqualität. Da die Bohrmaschine unter Wasser arbeitet, wird der mit Wasser vermischte abgetragene
Boden mit einer Pumpe an die Oberfläche gefördert und auf einem Schiff
separiert. Das abgetrennte Wasser wird in das Pfahlinnere zurückgeleitet.
Sobald der Pfahl die Zieltiefe erreicht hat, wird die OFD-Maschine geborgen
und das Pfahlinnere mit dem zwischengelagerten Bodenaushub verfüllt.
Da witterungsbedingt die jährliche Bausaison kurz ist, soll die OffshoreFoundation-Drilling-Maschine möglichst optimal ausgelastet werden und
kontinuierlich auf See bleiben. Die Maschine wird so an Deck der Hubinsel
befestigt, dass Wartungs- und Reparaturarbeiten während der Fahrt zum
nächsten Einsatzort erfolgen können.
Der in Nord- und Ostsee vorkommende Schweinswal
gehört zu den kleinen Zahnwalen und ist zur Orientierung auf seine Echo-Ortung angewiesen. Das macht ihn
besonders empfindlich für Lärmimmissionen. Er ist die
einzige in deutschen Gewässern heimische Walart.
Diese Wale gehören zu den streng geschützten Arten
nach dem Bundesnaturschutzgesetz sowie mehreren
internationalen Schutzabkommen und fallen unter den
Schutzauftrag der europäischen Fauna-Flora-HabitatRichtlinie. Die Tiere bringen im Sommerhalbjahr ihre
Jungen zur Welt. Die Bestände werden auf etwas mehr
als 220.000 Tiere in der Nordsee (davon 54.000 in
deutschen Gewässern) und etwa 40.000 Tiere in der
Ostsee (davon 1.000 in deutschen Gewässern) geschätzt. In der Ostsee lassen sich mindestens zwei
Sub-Populationen („Kattegat-Beltsee“ und „Zentrale
Ostsee“) unterscheiden, die genetisch kaum im Austausch miteinander stehen. Besonders die Population
in der zentralen Ostsee gilt mit weniger als 250 Tieren
als vom Aussterben bedroht. Gefährdungsfaktoren sind:
Unerwünschter Beifang der Fischerei, die chemische
Belastung der Meere, Überfischung der Nahrungsfische
und Lärmexpositionen.
Ein Schweinswal braucht die Echo-Ortung.
Quelle: Fjord&Baelt / F. Graner
Perspektiven
Die Entwickler konzentrieren sich vorrangig auf den Monopile als Fundamenttyp, weil dieser wirtschaftlich am
günstigsten ist. Damit das OFD-Verfahren wirtschaftlich
mit dem Rammverfahren mithalten kann, muss sich die
Anlage bei sandigem Untergrund und einem Pfahldurchmesser von 7,5 m mit einer Geschwindigkeit von 3 m/h in
die Tiefe vorarbeiten. Zukünftig werden größere Pfahldurchmesser benötigt, da voraussichtlich offshore größere Windenergieanlagen eingesetzt und auch Areale mit noch
größeren Wassertiefen erschlossen werden. Die Stärken
des neuen Verfahrens: Es verursacht geringere Lärmemissionen, ist flexibel auch bei schwierigen Bodenverhältnissen einsetzbar und kann die Größe des Bohrlochs
variieren. Auf dem internationalen Markt gibt es bislang
keine konkurrierende Entwicklung, die alle diese Kriterien
erfüllen würde. In einem bis März 2014 laufenden Anschlussprojekt wird derzeit ein Prototyp entwickelt, getestet sowie wirtschaftlich und technisch optimiert.
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BINE Projektinfo 01/2010
BINE-Projektinfo
11/2013
Offshore den Baulärm begrenzen
In den nächsten Jahren sind bis zu 5.000 Windenergieanlagen (WEA) in der deutschen
Nord- und Ostsee geplant. Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie als
Genehmigungsbehörde hat zum Schutz der Meeresumwelt beim Bau von Offshore-WEA
für den Einzelereignis-Schalldruckpegel 160 dB re 1 µPa und den Spitzenschalldruckpegel 190 dB re 1 µPa festgesetzt, die in 750 m Entfernung zur Baustelle einzuhalten sind.
Die vorgestellte Bohranlage ist ein aussichtsreiches Verfahren, um diese Vorgabe zu
erfüllen.
In anderen Forschungsprojekten werden auch weitere lärmarme Gründungsvarianten sowie
schallmindernde Maßnahmen für das Rammverfahren erforscht und zur Anwendungsreife
entwickelt. So wurden u. a. die Entwicklung und Erprobung des großen und des kleinen
Blasenschleiers sowie des Hydroschalldämpfer vom Bundesumweltministerium gefördert.
Beim großen Blasenschleier wird ein Düsenschlauch ringförmig im Abstand von etwa 70 m
um die Bohrstelle verlegt. Während der Rammarbeiten, die bei guten geologischen
Voraussetzungen wenige Stunden dauern, lässt man Druckluft über diesen Schlauch im
Wasser aufsteigen. Es entsteht ein Schleier aus Luftblasen rings um den Pfahl, der die
Lärmausbreitung dämpft. Messungen belegen, dass dadurch das von besonders hohen
Lärmimmissionen (> 160 dB) betroffene Areal um bis zu 90 % verkleinert werden konnte
und die anwesenden Schweinswale weniger gestört wurden. Derzeit werden auch
doppelte Blasenschleier eingesetzt, um eine noch höhere Schallminderung zu erzielen.
Der kleine Blasenschleier entspricht im Prinzip seinem großen Verwandten, mit dem
Unterschied, dass bei ihm mehrere Schläuche direkt um den Pfahl angebracht sind. In
einem Forschungsprojekt wurden dafür auch verschiedene Konfigurationen getestet, um
ein Optimum von Schalldämpfung und eingesetzter Pressluft zu finden. Beim ‚Hydroschalldämpfer‘ handelt es sich um ein Netz, an dem eine Vielzahl von schalldämpfenden
Ballons befestigt sind. Das Netz wird rings um die Baustelle ausgelegt und reicht über
die gesamte Wassersäule.
Mit den drei Verfahren kann es gelingen, den geforderten Lärmgrenzwert auch mit
Rammverfahren einzuhalten, allerdings mit einer größeren Unsicherheit als beim
Bohrverfahren. Derzeit wird ein Simulationsprogramm für die Ausbreitung von Wasserschall
entwickelt, um die aufwendigen Offshore-Tests zu begrenzen. Alle schalldämmenden
Verfahren werden weiter erforscht und optimiert.
Projektbeteiligte
>> Gesamtkoordination und Bohrtechnik: Herrenknecht AG, Schwanau,
Boris Jung, Stefan Frey, [email protected]
>> Logistik und Maschinenhandling: HOCHTIEF Solutions AG, Civil Engineering Marine and Offshore (CEM),
Hamburg, Wolfgang Els, [email protected]
>> Mörtelentwicklung: HOCHTIEF Solutions, Civil Engineering and Tunneling (CET), Essen,
Dr. Christoph Budach, [email protected]
Links und Literatur
>> www.hydroschall.de – In diesem Portal werden ausführliche Informationen zum großen Blasenschleier und zu den physikalischen Grundlagen des Wasserschalls angeboten.
www.fino-offshore.de | www.rave-offshore.de | www.erneuerbare-energien.de
>> Forschen mitten im Meer. BINE-Projektinfo 17/2011
>> RAVE – Forschen am Offshore-Testfeld. BINE-Themeninfo I/2012
>> Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Berlin (Hrsg.). Innovation durch
Forschung – Jahresbericht 2012 zur Forschungsförderung im Bereich der erneuerbaren Energien.
www.erneuerbare-energien.de
Mehr vom BINE Informationsdienst
>> Dieses Projektinfo gibt es auch online und in englischer Sprache unter www.bine.info
im Bereich Publikationen/Projektinfos.
>> BINE Informationsdienst berichtet aus Projekten der Energieforschung in seinen Broschürenreihen und
dem Newsletter. Diese erhalten Sie im kostenlosen Abonnement unter www.bine.info/abo
Projektorganisation
Bundesministerium für Umwelt,
Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
11055 Berlin
Projektträger Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Christian Schneider
52425 Jülich
Förderkennzeichen
0325064, 0325233, 0325533
Impressum
ISSN
0937 - 8367
Herausgeber FIZ Karlsruhe GmbH · Leibniz-Institut
für Informationsinfrastruktur
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Autor
Uwe Milles
Titelbild
Herrenknecht AG
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