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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einbau eines Schwergewichtsgründungssystems für eine Offshore-WEA nach Patentanspruch 1.
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Bei Gründungssystemen für WEA, die offshore errichtet werden, unterscheidet man zwischen Flachgründungen und Pfahlgründungen. Im letzteren Fall werden ein oder mehrere Pfähle in den Meeresboden eingetrieben zur Abstützung des Turms einer WEA. Im ersteren Fall wird ein sogenanntes Schwergewichtsfundament verwendet, das auf dem Meeresboden abgesetzt wird. Das Schwergewichtsfundament besteht in der Regel aus einem Basiskörper und einem auf diesem angeordneten Schaft. Der Schaft ist entweder gleichzeitig Turm der WEA oder dient zur Abstützung des Turms der WEA, wobei er dann nur etliche Meter über dem Meeresspiegel aufragt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Basiskörper eines Schwergewichtsfundaments in den Meeresboden einzuspülen, vorzugsweise derart, dass seine Oberseite in Höhe des Meeresbodenniveaus zu liegen kommt. Das Einspülen des Schwergewichtsfundaments in den Meeresboden mit Hilfe von Druckwasser und des Absaugens von Sand hat etliche Vorteile, auf die hier im Einzelnen nicht eingegangen werden soll.
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Je nach Beschaffenheit des Meeresbodens ist nicht auszuschließen, dass nach dem Einbringen des Schwergewichtsgründungssystems nachträglich Setzungen eine Schieflage des Fundaments herbeiführen, was für eine WEA nicht hingenommen werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbau eines Schwergewichtsgründungssystems für eine Offshore-WEA anzugeben, mit dem vermieden werden soll, dass eine nachträgliche Setzung des Schwergewichtsfundaments eine unerwünschte Neigung seiner Hochachse bezüglich der Vertikalen bewirkt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Schwergewichtsfundament mit einem Basiskörper, vorzugsweise aus Beton, und einem Vertikalschaft für die Abstützung eines Turms einer WEA oder für die Bildung des Turms der WEA mittels Schwimmkörper als Einheit zu einem Einsatzort transportiert. Der Basiskörper ist vorzugsweise kammernartig ausgestaltet, wobei die Kammern während des Seetransports nur mit Luft gefüllt sind. Das Schwergewichtsfundament hat daher einen erheblichen Auftrieb, der dazu benutzt werden kann, das Fundament auf einfache Weise schwimmend zum Einsatzort zu transportieren. Basiskörper und vertikaler Schaft sind vorzugsweise bereits an Land als Einheit hergestellt und werden anschließend an einer Pier von einem Schwimmkörper aufgenommen und anschließend von dort mit diesem dann zum Einsatzort befördert.
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Am Einsatzort wird die Einheit auf den Meeresboden abgesenkt, vorzugsweise unter Führung an einem zuvor abgesenkten Führungspfahl oder einem Stützpfahl des Schwimmkörpers. Der Schwimmkörper ist vorzugsweise von absenkbaren Stützpfählen stabilisierbar. Der Führungspfahl ist nach seinem Absenken von dem Schwimmkörper gehalten, von dem aus das Schwergewichtsfundament abgesenkt wird. Vor seinem Absenken ist der Führungspfahl vorzugsweise seitlich am Schaft des Schwergewichtsgründungssystems gehalten.
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Durch Einspülen von Druckwasser und Absaugen fluidisierenden Sandes wird der Basiskörper gleichmäßig im Meeresboden eingesenkt, vorzugsweise bis er an der Oberseite in Höhe des Meeresbodenniveaus liegt. Vorzugsweise wird der Basiskörper am oberen Rand von einer sogenannten Kolkschutzmatte oder ähnlichen Kolkschutzmitteln umgeben, die sich dann auf den Meeresboden auflegt. Sollte es zu einer Verkolkung kommen, kann die Kolkschutzmatte sich Vertiefungen am Rand des Basiskörpers anpassen.
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Erfindungsgemäß wird ferner mittels Ballastkörpern das Schwergewichtsfundament zeitlich begrenzt vorbelastet, bevor der Turm der WEA bzw. deren Gondel montiert wird.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Ballastkörper von Behältern, vorzugsweise beutelartigen Behältern gebildet, die zum Ballastieren mit Wasser gefüllt werden. Es versteht sich, dass die Ballastkörper vorzugsweise symmetrisch zur Hochachse des Schwergewichtsfundaments angeordnet werden, um einen gleichmäßigen Druck über die Sohle des Schwergewichtsfundaments auf den Boden auszuüben. Es versteht sich ferner, dass ein gleichmäßiger Druck nur erreicht wird bei gleichmäßig verteiltem Gewicht der Ballastkörper.
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Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Ballastkörper über eine Haltekonstruktion, vorzugsweise in Form eines Kreuzes oder einer Plattform, am oberen Ende des Schaftes aufgehängt. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Haltekonstruktion vor dem Transport angebracht. Der letztere Verfahrensschritt ist im Wesentlichen dann von Vorteil, wenn der auf dem Basiskörper aufgerichtete Schaft nicht gleichzeitig den Turm der WEA bildet, sondern einen solchen abstützt. Die Haltekonstruktion zusammen mit den Ballastkörpern bzw. -behältern wird dann ebenfalls an Land auf dem Schaft des Fundaments montiert und zusammen mit der Einheit zum Einsatzort transportiert. Die Verbindung der Haltekonstruktion mit dem Schaft ist selbstverständlich lösbar, damit nach dem Ballastieren des Fundaments die Ballastierkonstruktion entfernt werden kann, um für den Turm der WEA Platz zu machen. Die Ballastierungszeit kann sich bis zu sechs Monaten erstrecken.
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Es ist besonders vorteilhaft, den Schaft als Gittermast auszubilden. Der Gittermast hat den Vorteil, Wasser- und Windbewegungen weniger Widerstand entgegenzusetzen. Für eine derartige Konstruktion sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass an der Haltekonstruktion mindestens ein Rohr für eine Spül- und Pumpeinrichtung für das Einspülen des Basiskörpers angehängt wird, das sich bis zur Oberseite des Basiskörpers erstreckt. Für das Einbringen von Druckwasser in den Bodenbereich unterhalb des Fundaments und das Absaugen von Sand sind geeignete Pumpen erforderlich, die vorzugsweise oberhalb des Meeresspiegels angeordnet sind und über geeignete Rohre im Bereich unterhalb der Sohle des Basiskörpers wirken. Besteht der Schaft aus einer hohlen Betonkonstruktion, können derartige Rohre und auch die Pump- und Spüleinrichtungen innerhalb des Schaftes angebracht werden. Bei einer Gittermastkonstruktion kommt eine solche Anordnung nicht in Frage. Stattdessen wird mindestens ein Hüllrohr vorgesehen, das sich zwischen dem oberen Ende des Schaftes bzw. der Haltekonstruktion und der Oberseite des Basiskörpers erstreckt. Innerhalb dieses Rohres sind dann die Rohre zum Spülen und Abpumpen angeordnet. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass der abgepumpte Sand in Kammern des Basiskörpers eingefüllt wird. Dies hat zum einen den Vorteil, dass der Basiskörper dadurch ausreichend ballastiert wird. Zum anderen muss kein Aufwand für den Abtransport des Sandes getrieben werden.
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Es ist durchaus denkbar, den Schaft als Turm einer WEA in Form eines Gittermastes zu bilden. Der Gittermast wird, wie oben für den kürzeren Schaft beschrieben, ebenfalls vor dem Transport zum Einsatzort auf dem Basiskörper errichtet. In diesem Zusammenhang sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass nach dem Einspülen des Basiskörpers vier im Rechteck angeordnete Stützpfähle auf dessen Oberseite abgesetzt werden, deren obere Enden mit Balken verbunden werden. An jedem der vier Balken wird mindestens ein Ballastkörper angebracht. Im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Verfahrensabschnitt wird die Ballastkonstruktion erst nachträglich angebracht, um das Fundament in geeigneter Weise zu ballastieren.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf der Haltekonstruktion oder dem Balken eine Arbeitsplattform angebracht.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ballastkörper symmetrisch zur Achse des Schaftes bzw. zur Hochachse des Basiskörpers angeordnet werden, eine Neigungsmessvorrichtung vorgesehen ist, die eine Neigung der Achse zur Vertikalen misst und die Beschwerung der Ballastkörper nach Maßgabe der gemessenen Neigung verändert zwecks Kompensation der Neigung. Sobald die Neigungsmessvorrichtung feststellt, dass aufgrund von Setzungen die Hochachse des Schwergewichtsfundaments sich zu neigen beginnt, wird mit Hilfe von Gewichtsänderungen in den Ballastkörpern eine Gegenmaßnahme eingeleitet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Mittel zur Durchführung des Verfahrens werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt schematisch das Aufsetzen eines Schwergewichtsgründungssystems vom Festland auf einen Schwimmkörper.
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2 zeigt das Einschwimmen des Schwimmkörpers mit aufgenommenem Schwergewichtsfundament mit Hilfe eines Pontonliftes.
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3 zeigt das Absenken des Pontonlifts und den Transport des Schwergewichtsfundaments mit dem Schwimmkörper.
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4 zeigt das gesteuerte Absenken des Schwergewichtsfundaments an einem Führungspfahl am Einsatzort.
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5 zeigt das Einspülen des Schwergewichtsfundaments und das gesteuerte Einsenken sowie das Ballastieren des Schwergewichtsfundaments.
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6 zeigt die Montage des Einspülsystems und der Ballastierung.
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7 zeigt das Einspülen eines Schwergewichtsfundaments mit einem Gittermast in einer anderen Ausführungsform.
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8 zeigt das Montieren von Stützpfählen für eine Ballastierung des Schwergewichtsfundaments nach 7.
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9 zeigt die Montage von Ballastierungsbalken auf den Stützpfählen nach 8.
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10 zeigt die angebrachten Ballastierungsbehälter und das Anbringen einer Arbeitsplattform.
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11 zeigt die eingespülte und ballastierte Konstruktion mit einer Arbeitsplattform.
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In 1 ist auf einer Gleitbahn stehend ein Schwergewichtsfundament 10 gezeigt mit einem Basiskörper 12 und einem Mast oder Schaft 14 in Form eines Gittermastes. Der Basiskörper 12 ist eine Kammern enthaltende Konstruktion, z. B. aus Beton, deren oberer Rand von einem Kolkschutz 16 umgeben ist. Am Rand der Pier befindet sich ein Pontonlift 20, der mittels Stützpfählen 22 verankert ist. In 1 ist gezeigt, wie ein Schwimmkörper 22a vom Pontonlift 20 angehoben ist in Höhe der weiter nicht dargestellten Gleitbahn. Über die Gleitbahn wird ein Schwergewichtsfundament 10 auf den Schwimmkörper 22 aufgeschoben. Er gleicht dem Schwergewichtsfundament das weiter oben beschrieben wurde. Es ist außerdem noch mit einem Führungspfahl 24 versehen, der am oberen Rand mit dem Schaft 14 verbunden ist und in einer Führung des Schwimmkörpers 22 geführt ist. Ferner ist auf das obere Ende des Schaftes 14 eine Haltekonstruktion 26 aufgesetzt, an der Ballastbehälter 28 angehängt sind. Von den vier Ballastbehältern, die normalerweise vorgesehen sind, sind in 1 nur zwei gezeigt. Sie sind beutelartig und geeignet, mit Wasser gefüllt zu werden. Zunächst einmal sind sie unbefüllt. Auf der Haltekonstruktion 26 ist außerdem eine Plattform 30 angebracht, auf der Mittel zum späteren Einspülen des Schwergewichtsfundaments 10 angeordnet sind. Zu diesem gehört auch ein Rohr 32, das zwischen dem Basiskörper 12 und der Plattform 30 bzw. der Haltekonstruktion 26 geführt ist. Innerhalb des Rohres 32 können Rohre für Druckwasser und zum Absaugen von Sand geführt werden (nicht gezeigt). Hierzu gehören ferner Pumpen für Druckwasser und zum Absaugen von Sand und geeignete Antriebsvorrichtungen und Steuerungen dafür. Diese sind im Einzelnen nicht dargestellt.
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In 2 ist zu erkennen, dass Pontonlift 20 abgesenkt worden ist, um den Schwimmkörper 22 einschwimmen zu lassen. In 3 ist gezeigt, wie der Pontonlift 20 ausreichend abgesenkt ist, um das Ausschwimmen des Fundaments mit Hilfe des Schwimmkörpers 22 zu ermöglichen. Der Transport des Schwimmkörpers 22 erfolgt mit Hilfe eines bei 34 lediglich angedeuteten Schleppers.
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In 4 ist das Schwergewichtsfundament 10 mit Hilfe des Schwimmkörpers 22 am Einsatzort angekommen. Nach Absenken des Führungspfahls 24 wird das Schwergewichtsfundament 10 gesteuert abgesenkt, bis es auf dem Meeresboden aufliegt. Der Schwimmkörper 22 wird anschließend entfernt. Der Basiskörper 12 des Fundaments 10 wird anschließend eingespült, wie dies in 5 dargestellt ist. Wie schon erwähnt, wird zu diesem Zweck der Boden unterhalb des Basiskörpers 12 fluidisiert, und der fluidisierte Sand wird anschließend abgesaugt und in Kammern des Basiskörpers aus Beton eingefüllt. Der Absenkvorgang wird vorzugsweise beendet, wenn die Oberseite des Basiskörpers auf dem Niveau des Meeresbodens angekommen ist.
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Nachdem das Einspülen beendet worden ist, werden die Behälter 28 anschließend mit Wasser gefüllt. Dies ist in 5 zu erkennen. Während sie zuvor nur schlaff herabhingen, sind die Behälter 28 prall gefüllt. Auf diese Weise erfolgt eine erhebliche Belastung des Schwergewichtsfundaments, wodurch eine Belastung durch die später zu montierende WEA simuliert wird.
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Nachdem der Belastungsvorgang beendet ist, der mehrere Monate in Anspruch nehmen kann, wird anschließend die Haltekonstruktion 26 mit Arbeitsplatzform 20, Behältern 28 und Rohr 32 als Einheit vom Schaft 14 des Schwergewichtsfundaments 10 entfernt, und zwar mit Hilfe eines Hebezeugs 40, das auf einem Schwimmkörper 42 angeordnet ist und das Möglichkeiten aufweist zur Stabilisierung auf dem Meeresgrund mit Hilfe von absenkbaren Stützpfählen 44, mit deren Hilfe der Schwimmkörper bzw. das Schiff 42 sich in ausreichendem Maße anheben lässt. Es versteht sich, dass die beschriebene entfernbare Einheit anschließend bei einem anderen Gründungsvorgang eingesetzt werden kann.
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Es sei noch erwähnt, dass auf der Arbeitsplattform 30 eine Neigungsmessvorrichtung angeordnet werden kann, um während des Ballastierens durch Setzungen verursachte Neigungen zu messen. Durch Änderung der Belastung lässt sich eine Kompensation erzielen, beispielsweise durch Ablassen von Wasser aus einem oder zwei Behältern 28 bzw. einem weiteren Auffüllen von einem oder zwei Behältern.
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Die in den 7 bis 11 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der nach den vorangehenden Figuren insbesondere dadurch, dass mit dem Basiskörper des Schwergewichtsfundaments ein Gittermast verbunden wird, der auch den Turm der WEA bildet. Dies ist etwa in 7 zu erkennen. In 7 und weiteren Figuren ist ein Basiskörper 50 eines Gründungssystems 52 zu erkennen, der teilweise in den Meeresboden eingespült ist. Er gleicht in seinem Aufbau dem Basiskörper 12 nach den voranstehenden Figuren. Auf dem Basiskörper 50 ist ein Gittermast 54 aufgerichtet, der zum Beispiel eine Höhe von 140 m hat, wobei er etwa mit 40 m unterhalb des Meeresspiegels liegt. Ein Gittermast hat den Vorteil des leichteren Gewichts und des geringeren Widerstands gegenüber Wellen und Wind. Dadurch kann die dynamische Belastung, die durch Wind und Wasserkräfte verursacht werden, verringert werden.
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In 7 ist ferner zu erkennen, wie ein Rohr 56 auf dem Basiskörper 50 aufgestellt ist, an dessen oberen Ende eine Arbeitsplattform 58 angeordnet ist. Von der Arbeitsplattform 58 aus werden Spül- und Saugeinrichtungen gesteuert und betrieben, um den Spülvorgang, der weiter oben bereits erläutert wird, vorzunehmen. Es versteht sich, dass dieser Vorgang auch von einem Schwimmkörper aus vorgenommen werden kann, von dem aus das Schwergewichtsfundament 52 zunächst auf den Meeresboden abgesenkt wird. Mit diesem könnte dann auch ein Führungspfahl 60 verbunden sein, um sowohl das Absenken auf den Meeresboden als auch das Einspülen des Basiskörpers 50 gezielt zu führen. Eine Führung beim Absenken des Basiskörpers kann auch am Stützpfahl des Schwimmkörpers 64a erfolgen.
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In 8 ist der Basiskörper 50 vollständig in den Meeresboden eingespült, wobei seine Oberseite mit dem Niveau des Meeresbodens übereinstimmt. Auf dem Basiskörper 50 sind in Rechteck- oder Quadratanordnung außerhalb der Basis des Gittermastes 54 kegelartige Pylonen 62 angeordnet. Sie dienen zur Führung von vier rohrförmigen Stützpfählen 64, die, wie in 8 zu erkennen ist, von einem Schwimmkörper 64a mittels Hebezeug 66 herabgelassen werden. Der Schwimmkörper besitzt zur Stabilisierung seiner Position Stelzen oder Stützpfähle 68, mit deren Hilfe der Schwimmkörper 64a im Übrigen auch über den Meeresspiegel angehoben werden kann, um notwendige Arbeiten durchführen zu können.
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In 9 ist zu erkennen, wie mit Hilfe des Hebezeugs 66 anschließend Ballastierungsbalken 70 mit den oberen Enden der Stützpfähle 64 verbunden werden. Die Ballastierungsbalken 70 bilden anschließend ein Viereck oder Quadrat, das eine Haltekonstruktion für ein Ballastieren des Fundaments bildet. An den Ballastierungsbalken 70 werden beutelartige Behälter 72 angehängt, etwa in der Mitte jeweils eines Balkens. In 10 sind drei derartige Behälter 72 zu erkennen. Sie sind mit Wasser gefüllt und belasten mithin den Basiskörper 50, um dessen Setzungen zu beschleunigen und abzuschließen. Dies kann einen Zeitraum von mehreren Monaten umfassen. Das Ballastierungsverfahren gleicht dem wie es bereits weiter oben beschrieben wurde. In 10 ist ferner zu erkennen, wie mit Hilfe des Hebezeugs 66 eine Arbeitsplattform 74 auf die von dem Ballastierungsbalken 70 gebildete Haltekonstruktion aufgesetzt wird. In 11 ist gezeigt, wie der Vorgang beendet ist. Die Arbeitsplattform 74 enthält Mittel zum Auffüllen der Behälter 72 bzw. zum Ablassen von Wasser, um die Ballastierung gezielt zu steuern. Hierzu kann eine Neigungsmessvorrichtung (nicht gezeigt) verwendet werden, die auf der Arbeitsplattform 74 angeordnet wird. Auch dieses Verfahren wurde weiter oben bereits erläutert. Sobald das Vorbelastungsverfahren beendet ist, werden die Arbeitsplattform 74, die Behälter 72, Ballastierungsbalken 70 und die Stützpfähle 54 entfernt. Dies geschieht wiederum mit den gleichen Mitteln, mit denen diese Teile montiert worden sind. Daher wird darauf verzichtet, diese im Einzelnen zu erläutern. Nur nebenbei sei erwähnt, dass mit Hilfe des Schwimmkörpers 64a und des Hebezeugs 66 anschließend auch die Montage der Gondel für die WEA erfolgen kann. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel der Schwimmkörper 64a an den Stützpfählen 68 soweit angehoben werden, dass ein Arbeiten in großer Höhe möglich ist. Dies soll jedoch im Einzelnen nicht näher dargestellt werden.
