Messung von Umweltbedingungen

Die Planung für den Bau und Betrieb eines Offshore-Windparks ist ein hochkomplexes Projekt mit vielfältigen wirtschaftlichen und technologischen Fragestellungen. Die größte Herausforderung sind dabei die extrem schwierigen Umweltbedingungen, die zwar eine gute Windressource liefern, aber höchste Anforderungen an die verwendete Technologie und die zum Bau und Betrieb notwendigen Arbeiten stellen.

Die erwarteten Erträge aus der Windressource stehen den hohen Kosten für die Anlagen, deren Bau und Betrieb gegenüber. Jede Unsicherheit in der Windressource bedeutet ein großes Risiko für den wirtschaftlichen Erfolg des Projektes und schlägt sich in Kosten für die Finanzierung nieder. Ebenso bedeutet jede Unsicherheit in den Designparametern für die Gründungen und Windenergieanlagen ein zusätzliches Risiko mit höheren Sicherheitsfaktoren und Kosten. Genaue und an die Anforderungen der Offshore-Windindustrie angepasste Messtechnik kann diese Unsicherheiten erheblich reduzieren.

Infografik LiDAR Boje
© Foto Fraunhofer IWES Nordwest

LiDAR-Systeme senden gepulste Laserstrahlen in die Atmosphäre. Diese werden an Partikeln in der Luft, den Aerosolen, reflektiert. Aus der Frequenzverschiebung des zurückgestreuten Signals wird die Windgeschwindigkeit und -richtung in den entsprechenden Messhöhen errechnet

Die Fraunhofer IWES Wind-Lidar-Boje ist ein schwimmendes Lidar-System, für das ein Lidar-Windmessgerät in einer angepassten Seeboje integriert wurde. Das kompakte Design, ein robustes autonomes Stromversorgungssystem sowie eine effiziente Datenverarbeitung und -kommunikation gewährleisten zuverlässige und flexible Offshore-Windmesskampagnen bei minimalen Kosten.

Der vom Fraunhofer IWES entwickelte Korrekturalgorithmus, der die Bewegungen der Boje herausrechnet, garantiert eine hohe Messgenauigkeit - vergleichbar mit Offshore-Mastmessungen. Ihr Offshore-Windprojekt kann von der Wind-Lidar-Boje aufgrund der zuverlässigen Messdaten in allen relevanten Projektphasen - einschließlich Planung, Installation und Betrieb - profitieren.

Broschüre "Validated LiDAR system for flexible offshore site assessment" (english)

 

 

 


DIENSTLEISTUNGEN
• Windgeschwindigkeitsmessungen auf mehreren Messhöhen gleichzeitig bis etwa 200 m
• Messung zusätzlicher Parameter wie Wellen, Strömungen, Temperatur etc.
• Kompletter Dienstleistungsvertrag inklusive Genehmigungen, Ausbringung, Service, Datenübertragung, Qualitätskontrolle etc.
• Windpotentialbestimmung auf der Basis der gemessenen Daten
• Messkampagnen von einer Woche bis zu einem Jahr möglich

 

Schiffsbasierte LiDAR-Messung


Während Messungen von festen Plattformen und von verankerten Bojen sich vor allem für den längerfristigen Einsatz eignen, bietet sich eine Messung von einem Schiff aus vor allem dann an, wenn das Schiff ohnehin am Standort im Einsatz ist oder wenn nur für einen relativ kurzen Zeitraum gemessen werden muss. Messungen können sehr gezielt durchgeführt werden und benötigen deutlich weniger Zeit für Planung und Vorbereitung. Voraussetzung für eine präzise Messung von einem sich bewegenden Schiff aus ist die Korrektur der Messwerte für die auftretenden Bewegungen. Ein wesentlicher Teil des entwickelten Schiffs-LiDAR-Systems ist daher die integrierte Bewegungsmessung. Daten für die bis zu sechs Freiheits- grade des auf dem Schiff platzierten Systems werden hochaufgelöst aufgenommen, aufbereitet und für eine Bewegungskorrektur der gleichzeitig aufgenommen LiDAR-Messdaten verwendet.

Infografik Seismisches Messsystem
© Foto Fraunhofer IWES Nordwest

Die Flachwasser-Mehrkanalseismik liefert hochaufgelöste Daten bis zur Fundamenttiefe von 50 Metern.

Für die Planung und Entwicklung von Offshore-Windparks ist die genaue Kenntnis der örtlichen Baugrundverhältnisse eine wichtige Voraussetzung. Auf dieser Grundlage lassen sich die Tragstrukturen von Windenergieanlagen auswählen und optimal dimensionieren. Da die Gründungsarbeiten einen vergleichsweise großen Anteil an den Gesamtkosten einer Offshore-Windenergieanlage haben, liegt in diesem Bereich ein großes Potential zur Kostenoptimierung.

Gängige Untersuchungsmethoden wie geologische Bohrungen und Drucksondierungen liefern wichtige baugrundrelevante Informationen, allerdings stets beschränkt auf den jeweiligen Beprobungsstandort. Auf dieser Basis sind Aussagen über die Baugrundverhältnisse der näheren Umgebung nur bedingt möglich; dies kann insbesondere bei aufgelösten Strukturen wie z.B. Jackets oder Tripods unzureichend sein.

Im Unterschied dazu geben geophysikalische Methoden einen vergleichsweise schnellen und kostengünstigen flächigen Überblick über die Baugrundbedingungen, lassen jedoch keine direkten Aussagen hinsichtlich der Bodeneigenschaften zu. Es ist ein Ziel der Gruppe "Offshore-Standortbewertung Boden", das Thema Baugrundbewertung ganzheitlich zu betrachten und die unterschiedlichen Methoden sinnvoll und effizient miteinander in Beziehung zu setzen.

Weitverbreitete Probleme herkömmlicher Messverfahren wie unzureichende Signaleindringung und eine schlechte Abbildbarkeit komplexerer Strukturen schränken die Ausagefähigkeit der Untersuchungen erheblich ein. Ein speziell für den Offshore-Einsatz entwickeltes mehrkanalseismisches Messverfahren, hat diese Mankos nicht. Bisherige Feldversuche in Offshore Windparks in Nord- und Ostsee verliefen überaus erfolgreich

Bezüglich der geotechnischen Dimensionierung von Offshore-Gründungstrukturen bietet die Arbeitsgruppe In-situ-Erkundungsmethoden (CPT) sowie geotechnische sowohl monotone als auch zyklische Laborversuche zur Charakterisierung von Meeresbodenproben an. Die gewonnenen Parameter stellen die Grundlage für die Bemessung und den Dimensionierungsprozess der Gründungskonstruktion dar. Die Bemessung erfolgt in Übereinstimmung mit dem BSH-Standard, umfasst zyklische Belastungen und wird, nach Anforderung und Kundenwunsch, durch die Anwendung von FE-Verfahren unterstützt und abgesichert.

Datenblatt "Geophysical Site Investigation"

Simple-shear Gerät für Scherversuche an Bodenproben

DIENSTLEISTUNGEN

• Dynamische Triaxialversuche
• Zyklische Simple Shear Versuche, zyklische Rahmenscherversuche
• Consulting und Beratung zur Verwendung der Versuchsergebnisse im technischen Design
• Consulting und Beratung zu Planung und Entwicklung


 

 

 

Im „Standard Baugrunderkundung“ für Offshore-Windenergie-Anlagen (OWEA), Offshore-Plattformen und Stromkabel des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrografie (BSH) ist ausgeführt: „Der Entwurf der Gründungskonstruktionen erfordert ausreichend detaillierte Kenntnisse des Baugrunds, seiner geotechnischen Eigenschaften usw. […] Eine geotechnische Standorterkundung und -beurteilung durch qualifizierte Sachverständige ist deshalb zwingend geboten.“

Zur Erreichung der 1. Freigabe in Planung und Entwicklung eines Offshore-Windparks ist u. a. ein Baugrund- und Gründungsgutachten (der Entwicklungsphase) in geprüfter Form vorzulegen, das Ergebnisse aus Laborversuchen im Rahmen der Vorerkundung beinhaltet. Für die 2. Freigabe bildet der Baugrundhauptuntersuchungsbericht zusammen mit dem Baugrund- und Gründungsgutachten (der Konstruktionsphase) das sogenannte Basic Design. Ein Baugrunduntersuchungsbericht im Verfahren entspricht dem geotechnischen Untersuchungsbericht nach DIN EN1997-2 und DIN 4020 und umfasst u. a. die Ergebnisse der Labortests. Spätestens hierfür muss an jedem Anlagenstandort mindestens ein Baugrundaufschluss ausgeführt werden, an den sich entsprechende Laborversuche anschließen. Die Resultate gehen in die genannten Unterlagen ein und werden im technischen Design der Anlagen verwendet.

Datenblatt "Geotechnische Laboruntersuchungen"

© Foto Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser und AWAC
© Foto Jan Meier

Für das Design von Offshore-Windenergieanlagen und Meeresenergieanlagen ist die detaillierte Charakterisierung der Strömungs- und Wellenverhältnisse ausschlaggebend. Für Projektplaner und Investoren vermindert eine Standortbewertung technischen und finanziellen Risiken. Die Strömungsverhältnisse um die Fundamente von Offshore-Windenergieanlagen bestimmen nicht nur Lasten auf die Struktur, sie verursachen auch Sedimenttransporte im Nahbereich der Struktur, die zu Auskolkungen führen können.

Die genauere Analyse von Strömungsdaten zeigt ihre komplexe räumliche und zeitliche Variabilität - Ursache ist der Einfluss von Turbulenz, Wellen und Wind auf die mittlere Strömung. Die Analyse des Strömungsfeldes wird durch die zu geringe räumliche und zeitliche Auflösung von Messtechnik mit ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) begrenzt. Abhilfe schafft hier der Einsatz akustischer Geräte zur Strömungsmessung. Die Messung in unmittelbarer Nähe eines Fundaments ermöglicht die detaillierte Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Struktur und Strömung und der dadurch hervorgerufenen Sedimenttransporte.