DE10021163B4

DE10021163B4 - Wasserfahrzeug zum Versorgen einer Offshore-Windenergieanlage

Info

Publication number: DE10021163B4
Application number: DE10021163A
Authority: DE
Inventors: Sönke Siegfriedsen
Original assignee: Aerodyn Engineering GmbH
Current assignee: Aerodyn Engineering GmbH
Priority date: 2000-04-29
Filing date: 2000-04-29
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2020-04-30
Also published as: WO2001083290A1; AU5461601A; DE10021163A1

Abstract

Wasserfahrzeug zum Versorgen einer Offshore-Windenergieanlage, mit einem Schiffskörper (32), der absenkbare Tragsäulen (36) aufweist, gekennzeichnet durch eine zur Aufnahme von wenigstens zwei Containern (24) ausgebildete, auf dem Deck des Wasserfahrzeugs angeordnete, um eine vertikale Achse verdrehbare Plattform (46).

Description

Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug zum Versorgen einer Offshore-Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches (Der Begriff "Versorgen" meint dabei alle Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten, die ein Betreiber an Windenergieanlagen durchführen muß).

Bei Offshore-Anlagen, die wesentlich schlechter als an Land aufgestellte Anlagen erreicht werden können, ergeben sich hierbei neue Problemstellungen. Diese Problemstellungen werden in naher Zukunft große Bedeutung erlangen, denn die Windenergienutzung hat in Europa bereits einen beachtlichen Anteil an der gesamten regenerativen Energienutzung erreicht. Um aber auch in Zukunft die politischen Vorgaben der EU bezüglich des weiteren Ausbaus der Windenergienutzung zu realisieren, werden nun die Offshore-Potentiale in einem erheblichen Maße genutzt werden müssen.

Dieses wird dazu führen, daß Offshore-Windparks in großem Umfang bevorzugt in Bereichen mit bis zu 20 m Wassertiefe gebaut werden. Die Aufgabe der Wartung und Instandhaltung der Anlagen wird dabei auch unter rauen Umweltbedingungen bspw. im Winter zu ermöglichen sein.

Ein Wasserfahrzeug muß dabei in der Lage sein, sich auch bei größeren Wellenhöhen der Anlage zu nähern und Personal und Material vom Schiff auf die Anlage überzusetzen. Bei üblichen Wasserfahrzeugen besteht dabei das Problem, daß diese durch die Wellen starke Bewegungen ausführen und damit nicht ohne Kollisionsgefahr an die Offshore-Windenergieanlage herangebracht werden können, sowie ein Übersteigen von Personen ab gewissen Wellenhöhen erheblich erschwert ist und durch Arbeitsschutzbestimmungen nicht mehr zulässig ist.

Für umfangreichere Reparaturen muß zudem das Wasserfahrzeug ortsfest positioniert werden können, um z. B. Container mit wichtigen Funktionskomponenten der Anlage austauschen zu können. Während der Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten, die durchaus mehrere Tage andauern können, sollte das Schiff weiterhin als Unterkunft für das Personal dienen können. Für diese Anforderungen gibt es z. Zt. keine praktikablen Lösungen.

Durch stets gewährte Erreichbarkeit mit einem geeigneten Wasserfahrzeug wird die Stillstandszeit der Windenergieanlagen minimiert, so daß der jährliche Energieertrag und damit die Wirtschaftlichkeit verbessert wird.

In der DE 199 62 453 C1 wird bereits vorgeschlagen bestimmte Subsysteme der Windenergieanlage in einem Container außerhalb des Turms der Anlage anzubringen, um ein einfaches Auswechseln dieser Systeme zu ermöglichen.

Aus der DE-OS 2 053 974 ist bereits eine schwimmfähige Arbeitsplattform mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Bei diesem vorbekannten Wasserfahrzeug ist ein besonderer Kran vorgesehen. Die Vorsehung einer U-förmigen Andockzone ist für eine Bohrplattform aus der GB 2 306 920 A bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Wasserfahrzeug so zu verbessern, daß es zum Austausch von außen an dem Turm der Windenergieanlage angeordneter Container geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Wasserfahrzeug mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben dabei vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder.

Das Wasserfahrzeug besteht aus einem Schiffskörper, an dessen Unterseite wenigstens zwei Auftriebstanks angeordnet sind. Diese sind mit den einen Enden der Tragsäulen verbunden und können auf den Meeresboden abgesenkt werden. Die Auftriebstanks können vorzugsweise mit Hilfe eines Druckluftaggregates gelenzt werden und durch geeignete Ventile mit Wasser geflutet werden. Eine zusätzliche Trimmeinrichtung kann mehrere Kammern in den Tanks (vorn und hinten) sowie links und rechts separat ansteuern, so daß die Neigungslage des Schiffes aktiv beeinflußt werden kann.

Eine auf dem Wasserfahrzeug vorgesehene, um eine vertikale Achse drehbare Plattform, die zur Aufnahme von wenigstens zwei Containern ausgelegt ist, ist auf dem Deck des Wasserfahrzeugs vorgesehen. Sie erlaubt es, einen von der Windenergieanlage abgesenkten Container aufzunehmen und stellt nach Drehung den anderen Container an demselben Ort zur Aufnahme durch die Windenergieanlage bereit.

Die Tragsäulen sind vorzugsweise verschieblich zum Schiffskörper an diesem gelagert, und können über Hub/Senkeinrichtungen im wesentlichen in vertikaler Richtung verfahren und fixiert werden.

Neigungsmeßeinrichtungen bestimmen dabei die Ausrichtung des Schiffes gegenüber der Horizontalen. Eine entsprechende Verarbeitung der Meßdaten durch eine Steuerung bewirkt eine Justierung der Schiffsausrichtung mit Hilfe des Flutens oder Lenzens der verschiedenen Auftriebstanks. Dabei kann das Wasserfahrzeug schon vor dem endgültigen "Andocken" durch Absenken der Auftriebstanks im Wasser und Lenzen der Tanks soweit aus dem Wasser gehoben werden, daß die Wellen nicht mehr den Schiffskörper erreichen, sondern lediglich die im Volumen nicht mehr ins Gewicht fallenden Tragsäulen zu den Auftriebstanks.

Da die Auftriebstanks aber bevorzugt tief genug unterhalb der Wasseroberfläche verbleiben, um ebenfalls ruhig ohne Wellenbeeinflußung zu liegen, ergibt sich für die Annäherungsphase beim Andocken eine bisher bei stärkerem Wind nicht erreichte Positioniermöglichkeit für das Wasserfahrzeug. Die letzten Meter könnten nun durch Verkürzen einer bereits hergestellten Leinenverbindung zurückgelegt werden, bevorzugt werden jedoch Hilfsantriebe an den Auftriebskörpern nach Art verdrehbarer elektrischer Propellerantriebe die Manövrierbarkeit des mit dem Schiffsrumpf aus dem Wasser gehobenen Wasserfahrzeugs herstellen.

Nach dem Andocken kann das Wasserfahrzeug durch weiteres Ausfahren der Tragsäulen fest auf den Meeresgrund gestellt werden. Die am unteren Ende der Tragsäulen befindlichen Auftriebstanks ergeben dabei eine genügend große Fläche, um ein tiefes Eindringen in den Boden zu vermeiden und anderseits stets einen sicheren Stand zu gewähren.

Zusätzlich sind die Auftriebstanks an der Unterseite mit Abstandssensoren bestückt, die die Distanz der Auftriebstanks zum Meeresboden messen. Dadurch kann die Betätigung der Hub/Senkeinrichtung der Tragsäulen und die Trimmeinrichtung gesteuert werden.

Falls die Wassertiefen zu groß sind, um Tragsäulen mit praktikablen Dimensionen ausführen zu können, ist es möglich, an dem Gründungsteil des Turm eine "Landeplattform" zum Aufsetzen der Auftriebstanks zu befestigen. Diese Ausführung ist ebenfalls sinnvoll, wenn der Meeresboden Unebenheiten oder größere Steine aufweist.

Zwischen den unteren Enden der Tragsäulen und den Auftriebstanks können Gelenkverbindungen vorgesehen sein, um für den Fall eines unebenen Meeresbodens einen Winkelausgleich zu schaffen. Dabei kann ein Meßsystem die Hub/Senkvorrichtungen einzeln ansteuern, um einen Ausgleich vor dem Aufsetzen auf den Boden vornehmen zu können. Durch Messung der Neigung des Schiffskörpers kann eine Feinkorrektur noch danach erfolgen.

Für die Stabilität des Fahrzeugs kann es vorteilhaft sein, daß die Tragsäulen nicht genau senkrecht ausfahren, sondern derart geneigt sind, daß sich der Abstand zwischen den Auftriebstanks bei Ausfahren vergrößert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Auftriebstanks im großen Abstand zum Gründungsteil aufsetzen und somit die Kollisionsgefahr weiter vermindert wird.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Schiffskörper mit einer U-förmig ausgebildeten Andockzone versehen, deren innere Weite dem Außendurchmesser eines Gründungsteils eines Windenergieanlageturms der zu versorgenden Offshore-Windenergieanlage angepaßt ist.

Dabei kann die Andockzone mit einem aufblasbaren Kragenelement versehen sein, das im aufgeblasenen Zustand einen festen Kontakt zwischen Andockzone und Gründungsteil vermittelt. Dabei ist die innere Weite der Andockzone ein wenig größer als der U-Durchmesser des Gründungsteils des Turms der Windenergieanlage in dem Bereich des Andockens, und durch Aufblasen des Kragenelementes kann der Spalt überbrückt werden und dadurch auch eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt werden.

Nachfolgend werden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
1a eine schematische Darstellung einer Offshore-Windenergieanlage mit außen angebrachtem Container,
1b eine perspektivische Ansicht der 1a,
2a das Wasserfahrzeug für Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten perspektivisch dargestellt in normaler Fahrposition,
2b eine Ansicht des Wasserfahrzeugs der 2a von der Steuerbordseite,
2c eine Ansicht des Wasserfahrzeugs der 2a von vorn,
2d eine Ansicht des Wasserfahrzeugs der 2a von oben,
3a das Wasserfahrzeug beim Absenkvorgang der Auftriebstanks,
3b eine perspektivische Ansicht der 3a,
4a das Anheben des Schiffskörpers des Wasserfahrzeugs aus dem Wasser durch das Lenzen der Auftriebstanks,
4b eine perspektivische Ansicht der 4a,
5a das Andocken des Wasserfahrzeugs an die Offshore-Windenergieanlage,
5b eine perspektivische Ansicht der 5a,
6a das Absetzen des Wasserfahrzeugs auf dem Meeresgrund durch Fluten der Auftriebstanks und/oder Ausschieben der Tragsäulen,
6b eine perspektivische Ansicht der 6a,
7a das Anbringen der Aufstiegsleiter und das Ablassen eines zu tauschenden Containers,
7b eine perspektivische Ansicht der 7a,
8a das Drehen der zu tauschenden Container auf der Drehplattform,
8b eine perspektivische Ansicht der 8a,
9a das Anheben des neuen funktionsfähigen Containers,
9b eine perspektivische Ansicht der 9a,
10a eine Variante, bei der eine Landeplattform am Gründungsteil der Anlage angebracht ist,
10b eine perspektivische Ansicht der 10a,
11a die Anordnung von Gelenken zwischen Tragsäulen und Auftriebstanks um einem Ausgleich von Unebenheiten des Meeresbodens zu ermöglichen,
11b eine perspektivische Ansicht der 11a,
12a die seitlich nach außen gespreizte Anordnung der Tragsäulen, um die Stabilität des Wasserfahrzeugs zu erhöhen und den Abstand der Auftriebstanks zum Gründungsteil der Windenergieanlage zu vergrößern, und
12b eine perspektivische Ansicht der 12a.
In 1 ist die im Meeresboden 12 mit einem Gründungsteil 22 stehende Windenergieanlage mit ihren Rotorblättern 16 an dem Maschinenkopf 18 dargestellt. Die Wasseroberfläche 14 der See 10 mit ihrer Wellenbewegung ist im Bereich des Gründungsteils 22 schematisch dargestellt. Oberhalb des Gründungsteil 22 befindet sich der eigentliche, innen hohle Windenergieanlagenturm 20, an dem sich zwei Container 24 mit störanfälligen Einheiten der Windenergieanlage (z.B. Trafostation oder Wechselrichter) befinden. Eine Arbeitsplattform 26 und die Einstiegtür 28 in den Turm sind ebenfalls dargestellt. 1b stellt insbesondere den Rotor 16 nochmals perspektivisch dar.
2 stellt das Wasserfahrzeug mit den einzelnen Komponenten dar. Der Schiffskörper 32 ist über vier Tragsäulen 36 mit zwei parallel zur Fortbewegungsrichtung verlaufenden Auftriebstanks 34 versehen, die jeweils an den Enden der Tragsäulen 36 angesetzt sind.
Hub- und Senkeinrichtungen 38 für die Tragsäulen 36 können die Auftriebstanks 34 in ihrer Lage zum Schiffskörper 32 vertikal verfahren. Über Abstandssensoren 40 kann der Abstand der Auftriebstanks 34 zum Meeresboden 12 bestimmt werden.
Die Tragsäulen 36 werden dabei eine ausfahrbare Länge besitzen, die wenigstens der erwarteten Wassertiefe unter den Enden der aufgeholten Tragsäulen zuzüglich der Eintauchtiefe des Schiffskörpers und der Wellenhöhe am Ort der Windenergieanlage entspricht.
Weiter sind Antriebe 42 vorgesehen, über die die Position und die Ausrichtung des Wasserfahrzeugs auch dann bewirkt werden, wenn der eigentliche Rumpf schon aus dem Wasser gehoben ist. Der Schiffsrumpf des Wasserfahrzeugs verfügt zudem über eine Andockzone 44, die mit einer U-förmigen Aussparung versehen ist, die dem Durchmesser des Gründungsteils 22 angepaßt ist.
Auf dem Deck des Schiffskörper 32 ist eine verdrehbare Plattform 46 angeordnet, die zur Aufnahme von wenigstens zwei Containern 24 vorgesehen ist. Mit Bezugszeichen 48 ist das Brückenhaus des Wasserfahrzeugs bezeichnet.
Während 2b und 2c nur Ansichten von der Seite und von vorne zeigen, ist in 2d ein aufblasbares Kragenelement 45 in der U-förmigen Andockzone zu erkennen, das den Spalt nach dem Andocken im aufgeblasenen Zustand überbrückt und den Schiffskörper 32 weiter fixiert, indem inniger Kontakt hergestellt wird.
Da der Schiffskörper 32 mit einer in Draufsicht auf diesen U-förmig ausgebildeten Andockzone 44 versehen ist, deren innere Weite dem Außendurchmesser des Gründungsteils 22 des Windenergieanlagenturms 20 der zu versorgenden Windenergieanlage angepaßt ist, muß in diesem Fall für das Kragenelement 45 und ein mittleres Maß an Ausdehnung Platz gelassen werden.
In 3 ist dargestellt, wie sich das Wasserfahrzeug der Offshore-Windenergieanlage annähert und dabei durch Ausfahren der Tragsäulen 36 die Auftriebstanks 34 abgesenkt werden. Dabei ist der Schiffskörper 32 im Wasser und erzeugt den erforderlichen Auftrieb.
In 4 sind die Auftriebstanks 34 in einem geringeren Abstand zum Meeresboden 12 ausgefahren worden. Der Abstand wird durch die Abstandssensoren 40 bestimmt. Durch das Lenzen der Auftriebstanks 34 mit Hilfe der Trimmeinrichtung wird der Schiffskörper 32 aus dem Wasser gehoben. Dadurch ist eine sehr stabile Lage des Wasserfahrzeugs gegeben.
In der 5 ist das Wasserfahrzeug durch die Antriebe 42 mit dem Schiffskörper 32 an das Gründungsteil 22 der Offshore-Windenergieanlage angedockt worden. Die Andockzone 44 umschließt dabei das zylindrische Gründungsteil 22.
Die 6 zeigt das Wasserfahrzeug in abgesenktem Zustand, wobei die Auftriebstanks 34 auf den Meeresboden 12 aufgesetzt haben, der Schiffskörper 32 ist weiterhin oberhalb der Wasseroberfläche 14. Dadurch steht das gesamte Wasserfahrzeug fest auf dem Meeresboden 12.
7 zeigt die Anbringung einer Aufstiegsleiter 50 an dem Windenergieanlagenturm 20, über die das Personal die Arbeitsplattform 26 und die Einstiegstür 28 erreichen kann. Ferner wird das Ablassen eines Container 24 über ein Seilsystem 52 auf die Plattform 46 gezeigt.
8 zeigt den Vorgang, wie die auszutauschenden Container 24 auf der um eine vertikale Achse verdrehbaren Plattform 46 in ihrer Position getauscht werden, um den defekten Container durch einen funktionstüchtigen zu ersetzen.
9 zeigt, wie der funktionstüchtige Container 24 über das Seilsystem 52 wieder in die vorgesehene Position gebracht wird. Der Container mit den defekten Komponenten verbleibt auf dem Wasserfahrzeug zwecks Abtransport zum Reparaturbetrieb.
10 stellt eine Ausführungsvariante dar, wobei an dem Gründungsteil 22 eine separate, sich im wesentlichen rechtwinklig zum Gründungsbauteil, horizontal erstreckende "Landeplattform" 54 vorgesehen ist, auf der sich das Wasserfahrzeug mit seinen Auftriebstanks 34 absetzen kann und damit unabhängig von der Beschaffenheit des Meeresbodens 12 ausgebildet sein kann.
11 zeigt eine Ausführungsvariante, die besonders geeignet ist, Neigungen des Meeresboden 12 auszugleichen. Dabei sind zwischen den Tragsäulen 36 und den Auftriebstanks 34 Gelenke 56 angebracht, die einen Ausgleich der Schrägstellung der Auftriebstanks 34 ermöglichen.
12 stellt schließlich eine weitere Ausführungsvariante dar, bei der die Tragsäulen 36 nicht senkrecht, sondern nach außen geneigt in den Schiffskörper 32 eingebracht sind. Dieses Anwinkeln um 5 – 20° gegen die Vertikale mit den unteren Enden nach außen führt dazu, daß die Auftriebstanks 34 auf dem Boden einen größeren Abstand voneinander haben und damit die Stabilität des Fahrzeugs im stehenden Zustand weiter erhöht wird. Deutlich sind weiter die Anbringungsorte der Mehrzahl das Wasserfahrzeug antreibender Antriebe 42 zu erkennen.

Claims

Wasserfahrzeug zum Versorgen einer Offshore-Windenergieanlage, mit einem Schiffskörper (32), der absenkbare Tragsäulen (36) aufweist, gekennzeichnet durch eine zur Aufnahme von wenigstens zwei Containern (24) ausgebildete, auf dem Deck des Wasserfahrzeugs angeordnete, um eine vertikale Achse verdrehbare Plattform (46).
Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schiffskörper (32) mit einer in Draufsicht auf diesen U-förmig ausgebildeten Andockzone (44) versehen ist, deren innere Weite dem Außendurchmesser eines Gründungsteil (22) eines Windenergieanlagenturms (20) der zu versorgenden Offshore-Windernergieanlage angepasst ist.
Wasserfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Andockzone (44) mit einem aufblasbaren Kragenelement (45) versehen ist, das im aufgeblasenen Zustand einen festen Kontakt zwischen Andockzone (44) und Gründungsteil (22) vermittelt.