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Fundamente für Offshore-Windenergieanlagen.

Deutsche Offshore-Windparks werden in Nord- und Ostsee vorrangig außerhalb der 12-sm-Zone gebaut. Die Standorte auf hoher See tragen dem Naturschutz, der Freihaltung küstennaher Räume und dem Wunsch nach technikfreien Horizonten sowie den Ansprüchen der Fischereiwirtschaft und der Sicherheit des Schiffsverkehrs Rechnung. An ihren Standorten 40 bis über 100 Kilometer weit von der Küste entfernt sind die Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) extremen Bedingungen ausgesetzt. Sie werden in 20 bis 50 Metern Meerestiefe verankert und mit einer Mindestlebensdauer von 20 Jahren für lange Zeit dem aggressiven Salzwasser, großen Wind- und Wellenlasten sowie starken Wasserströmungen ausgesetzt. Besonders die Verankerungen der OWEAs im Meeresboden, die Fundamente, müssen vor diesen hohen Belastungen durch Baumaterial und Konstruktion geschützt werden. Obwohl der Bau von Offshore-Windparks unter diesen Bedingungen
bisher weltweit einmalig ist, stehen bereits verschiedene Fundamenttypen zur Verfügung.

Sieben Fundamenttypen können zum Einsatz kommen.

Monopile.

Die Monopile-Konstruktion besteht aus einem zylindrischen hohlen Pfahl. Das Monopile wird in vielen europäischen Offshore-Windparks in Küstennähe verwendet und eignet sich für Fundamente in Wassertiefen bis zu etwa 20 Metern. Für den Einsatz leistungsfähigerer OWEA (6 MW) in größeren Wassertiefen sind Monopil-Konstruktionen nicht geeignet. Ihr Einsatz ist bis zu Wassertiefen von etwa 15 Metern wirtschaftlich. Monopile können einfach und schnell installiert werden. Jedoch werden für die Errichtung schwere Rammgeräte benötigt. Monopile-Konstruktionen lassen sich problemlos gegen die Auskolkung sichern und bieten einen guten Kollisionsschutz. Sie sind in steinigen Meeresböden nicht einsetzbar.

Jacket.

Das Jacket ist eine Fachwerkskonstruktion aus Stahl, die der Konstruktion von üblichen Strommasten gleicht. An seinen vier Füßen wird das Jacket mit Pfählen im Meeresboden verankert. Die Jacket-Konstruktion hat sich bereits in der Ölindustrie in größeren Wassertiefen bewährt. Durch die Fachwerkskonstruktion lassen sich gegenüber dem Monopile 40 bis 50 % Stahl einsparen. So steigen die Projektkosten beim Einsatz dieser Konstruktion in größeren Wassertiefen nur relativ gering an. Da die einzelnen Bauelemente relativ klein sind, lassen sie sich fast vollautomatisch produzieren und können einfach transportiert und montiert werden. Ein Nachteil dieser Gründung ist die geringe Kollisionssicherheit.

Tripod.

Das Tripod ist eine Dreibeinkonstruktion aus Stahlrohren, die unter Wasser den Hauptpfahl stützen. Das Dreibein wird mit kleinen Pfählen durch Rammung im Meeresboden verankert. Im Vergleich zum Monopile-Fundament können hier Stahlrohre mit kleinerem Durchmesser verwendet werden. Es ist so möglich, das Tripod für Meerestiefen größer 20 Meter einzusetzen. Ein anderer Vorteil ist die gute Sicherung dieses Fundaments gegen die Auskolkung in sandigem Meeresboden. Bei Steinhindernissen im Grund ist das Tripod nicht einsetzbar.

Tripile.

Das Tripile besteht aus drei Stahlpfeilern, die unter Wasser verankert werden. Über Wasser wird auf diesen Stahlpfeilern eine Dreibeinkonstruktion aufgesetzt. Die Produktion von Tripile-Fundamenten ist wegen der kompakten Bauweise relativ kostengünstig. Die erste Testanlage mit einem Tripile-Fundament befindet sich vor Hooksiel in der Außenjade. Nach Angaben des Herstellers sind Tripile-Fundamente für Wassertiefen von 25 bis zu 50 Metern geeignet.

Schwerkraftfundament.

Schwerkraft-Fundamente bestehen aus einem großen Betonblock, der die Stahlkonstruktion der OWEA trägt. Schwerkraft-Fundamente werden vorrangig im Brückenbau und für europäische Offshore-Windparks in Wassertiefen unter 10 Metern verwendet. Die anfangs hohen Kosten wurden durch die inzwischen veränderte Form der Fundamente verringert. Sie sind deshalb auch bei größeren Wassertiefen wirtschaftlich einsetzbar. Schwerkraft-Fundamente sind nicht vom Stahlpreis abhängig.

Bucket-Fundament.

Das Bucket-Fundament wird einem umgedrehten Eimer ähnlich durch den Unterdruck ausgespült und saugt sich im sandigen Untergrund fest. Wichtig bei der Errichtung dieser Konstruktion ist, dass sie sich gleichmäßig ausrichtet und der OWEA die Basis für einen senkrechten, sicheren Stand bietet. Für das Bucket-Fundament sind keine Rammarbeiten notwendig; es ist deshalb besonders umweltschonend.

Schwimmendes Fundament.

Das schwimmende Fundament ist eine Konstruktion, bei der die schwimmende OWEA mit einem Seil an einem Fundament auf dem Meeresboden befestigt wird. Diese Konstruktionen befinden sich noch in der Erforschung und Erprobung. Erfahrungen mit solchen Konstruktionen konnten bereits bei ihrem Einsatz bei Ölplattformen gesammelt werden. Im Unterschied dazu wirken beim Einsatz in Offshore-Windparks jedoch wesentlich größere Kräfte auf die schwimmenden Fundamente ein. An der optimalen Bauweise für solche Fundament wird mit dem Ziel gearbeitet, sie beim Bau von Offshore-Windparks in Wassertiefen von mehr als 50 Metern besonders wirtschaftlich einsetzen zu können.

Schallbelastung bei der Errichtung der Fundamente.

Die Einbringung der Stahlrohre in den Meeresgrund wird mit speziellen Montageplattformen durchgeführt. Die Rammtiefe und der Durchmesser des Stahlrohrs bestim-men maßgeblich die Dauer des Rammvorgangs. Das Rammen eines der insgesamt 80 Monopile-Fundamente im dänischen Windpark Horns Rev dauerte 30 bis 90 Mi-nuten. Die Rammarbeiten verursachen erhebliche Schall-emissionen. Deren Auswirkungen auf das Leben von Mee-ressäugern sowie anderen Lebewesen im Meer werden aktuell erforscht. Mögliche Gegenmaßnahmen sind das zeitweise Vergrämen der Tiere aus der Gefahrenzone oder der Einsatz schallminimierender Maßnahmen, wie der Einsatz eines schallmindernden Blasenschleiers. Weitere Optionen zur Schallminderung wie ein Hydroschalldämp-fer oder das Bohren der Fundamente werden geprüft.

Die Kollisionssicherheit.

Risikoanalysen zur Sicherheit von Schiffen und Offshore-Fundamenten tragen dazu bei, mögliche Personen- und Sachschäden oder Umweltgefahren bei der Kollision eines Schiffes mit einer OWEA zu vermeiden. Die Genehmigungsbehörden fordern in ihren Vorschriften, dass die Fundamente schiffskörpererhaltende Eigenschaften aufweisen. Eine Untersuchung der TU Hamburg zeigt, dass Monopiles dieser Anforderung mit einer besonderen Eigenschaft gerecht werden: im Fall einer Kollision knicken sie seitlich weg und lassen den Schiffskörper weitestgehend unberührt.

Das Kolkphänomen.

Meeresströmungen und der ständige Wellengang können die Offshore-Fundamente ausspülen. Dieser Vorgang wird als Auskolkung bezeichnet und kann z. B. auch an strandnahen Buhnen und großen Steinen beobachtet werden. Durch das Auskolken verlieren OWEAs ihren Halt im Meeresboden und damit ihre Stabilität. Sandsäcke und Steine, die rund um das Fundament aufgeschichtet werden, oder die weitere Vertiefung der Anlage können der Auskolkung entgegenwirken. Tauchroboter, die die jährliche Prüfung im Testfeld alpha ventus vornehmen, konnten bisher Auskolkungen von maximal einem Meter feststellen. Bei Auskolkungen dieser Größenordnung sind keine Gegenmaßnahmen erforderlich.

Ausblick.

In deutschen Gewässern kamen bisher Jackets, Monopiles, Tripods und Tripiles zum Einsatz. Mit der Verwendung weiterer Fundamenttypen, besonders der Schwerkraftfundamente, ist in Zukunft zu rechnen. Für die Errichtung von OWEAs in über 50 Metern Wassertiefe werden zukünftig schwimmende Fundamente entwickelt werden. Trotz der Vielzahl von Anwendungen im In- und Ausland besteht weiterer Bedarf an der Neu- und Weiterentwicklung von Konstruktionen und Materialien für Offshore-Fundamente.

 


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Glossar

12-sm-Zone

12-Seemeilen-Zone oder Küstenmeer

Gründung

Fundament für die Offshore-Windkraftanlagen

Jacket

Gründungsstruktur: vierbeinige stählerne Fachwerkkonstruktion.

Monopile

Gründungsrohr