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Forschungsprojekt simuliert Wind- und Wellen-Belastung bei Offshore-Monopiles unter Realbedingungen

© Fraunhofer IWES© Fraunhofer IWESHannover - Die Tragstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen, bei denen es sich oft um große Stahlrohre (Monopiles) handelt, stehen unter großen Belastungen von Wind, Wellen und Meeresströmungen. In einem Großprojekt an der Uni Hannover werden diese Belastungen simuliert, mit dem Ziel, das Design der Monopiles zu optimieren.

Die Leibniz Universität Hannover und das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme untersuchen unter Realbedingungen gemeinsam mit weiteren Partnern die Eigenschaften von Offshore-Monopiles der aktuellen und nächsten Generation. Im Rahmen des Projektes soll eine zuverlässige Berechnungsmethode für eine möglichst lange Lebensdauer entwickelt werden. Da ein großer Teil der Kosten einer Offshore-Windenergieanlage auf die Gründungsstruktur entfällt, kann ein verbesserter Designansatz direkt dazu beitragen, die Gesamtkosten bei der Energiegewinnung zu reduzieren.

Versuchsaufbau zur Simulation der Belastungen europaweit einzigartig
An der Leibniz Universität Hannover (LUH) läuft derzeit ein Verbundprojekt zur Untersuchung des horizontalen Tragverhaltens von XL-Monopiles von Offshore-Windenergieanlagen unter zyklischer Beanspruchung. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (Fraunhofer IWES) und weiteren Projektpartnern untersucht die LUH in komplexen Belastungstests die Auswirkungen von Wind- und Wellen auf die Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen.

Um Offshore-Bedingungen nachzustellen, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die zehn Meter tiefe Grundbauversuchsgrube im Testzentrum Tragstrukturen Hannover (TTH) der LUH unter definierten Rahmenbedingungen mit Sand befüllt, der in Struktur und Körnung offshore-typische Eigenschaften hat. Anschließend wurde der Wasserspiegel bis an die Bodenoberkante angehoben. „Reproduzierbare offshore-ähnliche Bedingungen sowie realitätsnahe Verhältnisse von Bodensteifigkeit zu Pfahlsteifigkeit sind wichtig, um später eine verlässliche Datenbasis für die Modellvalidierung zu erhalten“, so Severin Spill, Projektleiter am Fraunhofer IWES.

In den vergangenen Monaten wurden drei Pfähle in den Boden eingerammt - mit einem Durchmesser von bis zu 1,50 Metern und einer Einbindelänge von 6,15 Metern. In diesem großen Maßstab von 1:5 sind solche unter kontrollierbaren realitätsnahen Bedingungen durchgeführte Tests nach Angaben von Fraunhofer IWES europaweit einzigartig.

Ziel: Validierter Berechnungsansatz für lange Betriebssicherheit und bessere Kosteneffizienz
Bislang basieren die Berechnungen bei Offshore-Windenergieprojekten oftmals auf ursprünglich für die Öl- und Gasindustrie entwickelten Methoden. Diese können aber nicht ohne Weiteres übertragen werden, denn Monopiles von Offshore-Windenergieanlagen haben in der Regel deutlich größere Abmessungen und sind höheren dynamischen Belastungen ausgesetzt. Gleichzeitig steigen die technischen Anforderungen durch immer größere Windenergieanlagen und zunehmende Wassertiefen bei herausfordernden Bodenverhältnissen.

Im Fokus der Untersuchungen am TTH steht die Auswirkung der horizontalen Belastung durch Wind und Wellen auf den Monopile, die sich zyklisch ständig wiederholt. Diese Ergebnisse sollen als Grundlage für die Weiterentwicklung fortschrittlicher numerischer Modelle dienen, die von der Industrie eingesetzt werden können. Entwickelt werden soll ein validierter Berechnungsansatz, der ein zuverlässigeres und wirtschaftlicheres Monopile-Design ermöglicht.

Derzeit starten die zyklischen und statischen Belastungstests an den Modellpfählen. Hierzu wurde ein Stahlrohrturm auf die installierten Pfähle montiert. Ein horizontal am Turmkopf befestigter Hydraulikzylinder simuliert die entsprechende Belastungssituation. Das Boden- und Strukturverhalten wurde bereits rund um die Installation und nun während der Pfahlprüfung analysiert und bewertet.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit insgesamt rund 1,7 Millionen Euro geförderte Projekt Ho-Pile (Forschungskennziffer 0324331) basiert auf dem Vorgängerprojekt TANDEM (Forschungskennziffer 0325841) und läuft zunächst bis November 2021. Neben dem Fraunhofer IWES und der Leibniz Universität Hannover (Testzentrum Tragstrukturen Hannover und Institut für Geotechnik) sind als Projektpartner ohne Förderung die Jörss-Blunck-Ordemann GmbH, Hamburg, die Bundesanstalt für Wasserbau, Hamburg, und die DEWI-OCC Offshore and Certification Centre GmbH, Cuxhaven, beteiligt.


© IWR, 2021


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