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Die vorliegende Erfindung betrifft eine selbsterrichtende Offshore-Anordnung mit einem schwimmfähigen Rumpfkörper, der eingerichtet ist, um mindestens eine Offshore-Anwendung aufzunehmen, und der eine Unterseite aufweist, die im Schwimmzustand in Richtung des Meeresgrundes weist, und mit einer Stützkonstruktion, die relativ zu dem Rumpfkörper verfahrbar an diesem angebracht ist, um den Rumpfkörper im installierten Zustand der Offshore-Anordnung zu tragen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Installation einer Selbsterrichtenden Offshore-Anordnung.
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Die von dem Rumpfkörper aufgenommene Offshore-Anwendung kann dabei eine Anwendung mit Bezug zu Offshore-Windkraftanlagen, wie beispielsweise eine Offshore-Umspannungsanlage sein. Eine solche Offshore-Anordnung zur Aufnahme einer Umspannungsanlage ist z. B. in der
DE 10 2010 035 024.9 beschrieben. Die Aufnahme anderer Offshore-Anwendungen ohne einen Bezug zu Offshore-Windkraftanlagen ist im Sinne der vorliegenden Erfindung jedoch ebenso denkbar.
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Im Zuge des Bestrebens einer verstärkten und effizienteren Nutzung der Windenergie sind in der jüngeren Vergangenheit zunehmend Windkraftanlagen vor den Küsten geplant oder bereits errichtet worden, und die Bedeutung dieser im Meer erbauten Anlagen wird in der Zukunft weiter zunehmen. Dabei ist beabsichtigt, nicht nur einzelne oder wenige Windkraftvorrichtungen bzw. -räder an einem Ort zu installieren, sondern größere Windenergieparks. Unabhängig von ihrem Umfang werden derartige Windenergieanlagen allgemein als Offshore-Windkraftanlagen bezeichnet. Im Rahmen dieser Anmeldung sind dabei nicht nur Windkraftanlagen gemeint, die beispielsweise außerhalb der Zwölfmeilenzone errichtet worden sind, sondern alle Windkraftanlagen, die sich auf offener See befinden.
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Die Errichtung von Offshore-Windkraftanlagen ist bereits vom Grundprinzip her mit größeren Schwierigkeiten verbunden als die Errichtung von Windkraftanlagen an Land, da die notwendigen Komponenten über das Meer an ihren Bestimmungsort transportiert und Installationsarbeiten auf See durchgeführt werden müssen. Um die Anzahl der aufgrund der Umgebungsbedingungen komplizierten und aufwändigen Arbeitsschritte vor Ort möglichst gering zu halten, wird allgemein versucht, größere Baueinheiten bereits an Land zu montieren.
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Neben den Windrädern müssen Offshore-Windkraftanlagen eine oder mehrere Umspannungsanlagen aufweisen. Diese Umspannungsanlagen, von denen beispielsweise eine für mehrere oder alle Windräder einer Offshore-Windkraftanlage gemeinsam vorgesehen sein kann, sind erforderlich, um die erzeugte elektrische Energie in eine geeignete Form umzuwandeln, um einen möglichst effizienten und verlustarmen Transport über die häufig beträchtlichen Entfernungen über ein Seekabel bis zur Küste zu ermöglichen, wo die Energie dann in das allgemeine Stromnetz eingespeist wird. Jede Umspannungsanlage wird zumeist als gegenüber den Windrädern separate Einheit ausgebildet, d. h. als separate Umspannungsanlage, die zusätzlich zu den eigentlichen Windkrafteinrichtungen in Form eines eigenen Offshore-Bauwerks vorgesehen werden oder in einem eigenen Offshore-Bauwerk angeordnet bzw. durch ein solches abgestützt werden muss.
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Dazu wurden die Umspannungsanlagen nach dem Vorbild von Ölplattformen auf oder in Plattformen angeordnet, die oberhalb der Wasseroberfläche von einem sog. Jacket, d. h. einem Rahmentragwerk, oder einer anderen Trag- oder Stützkonstruktion abgestützt wurden. Diese Tragkonstruktionen wiesen zum Beispiel drei oder vier von der Wasseroberfläche in Richtung auf den Meeresboden verlaufende Stützbeine auf, die zur sicheren Gründung des Offshore-Bauwerks in geeigneter Weise im Meeresboden verankert wurden.
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An die Sicherheit der Gründung und die Stabilität des Offshore-Bauwerks müssen zur Gewährleistung einer langfristigen Standsicherheit hohe Anforderungen gestellt werden. In diesem Zusammenhang sind die Wassertiefe und die Kräfte zu berücksichtigen, die durch das Eigengewicht des Offshore-Bauwerks sowie Winde, Strömungen und Wellen ausgeübt werden.
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Wie z. B. in Abschnitt 2.3.2 von
"Meerestechnische Konstruktionen", Verfasser: G. Clauss, E. Lehmann, C. Östegaard, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, 1988 beschrieben ist, werden Jacketgründungen typischerweise durchgeführt, indem zunächst das an Land vormontierte und zum Errichtungsort transportierte Jacket installiert und auf dem Meeresboden gegründet wird und anschließend die Plattform mit der Umspannungsanlage entweder mit Hilfe von Kränen oder mittels eines sog. Float-Over-Manövers auf dem aus dem Wasser vorstehenden oberen Ende des Jackets befestigt wird. Bei einem Float-Over-Manöver ruht die Plattform zum Transport auf einem katamaranartigen Transportfahrzeug, das durch gezieltes Ballastieren und Deballastieren im Wasser abgesenkt bzw. angehoben werden kann. Derartige Jacketgründungen sind jedoch aufgrund der Anzahl der separat zu transportierenden Komponenten und Arbeitswerkzeuge (Transportfahrzeuge, Kräne, usw.) und der Art der vor Ort durchzuführenden Arbeitsschritte komplex und teuer in der Durchführung und mit hohem Zeit- und Personalaufwand verbunden.
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Als Alternative sind ferner selbstschwimmende und zumindest teilweise selbsterrichtende Plattformhüllen oder auch Rumpfkörper verwendet worden, die allgemein unter der Bezeichnung MOAB (Mobile Offshore Application Barge) bekannt geworden sind. MOABs, die für den Fall von Öl- und Gasplattformen beispielsweise in der
EP 2 204 497 A1 beschrieben sind, weisen neben dem Rumpfkörper eine gesamte, meist jacketähnliche Stützkonstruktion oder nur die Beine der Stützkonstruktion auf, wobei der Rumpfkörper entlang der Stützkonstruktion zwischen einer ersten Stellung, in der sie in der Nähe des unteren Endes der Stützkonstruktion bzw. der Beine angeordnet ist, und einer zweiten Stellung verfahren werden kann, in der sie in der Nähe des oberen Endes der Stützkonstruktion bzw. der Beine angeordnet ist. In dieser Weise kann die Stützkonstruktion bzw. können die Beine während des Transports der insgesamt schwimmfähigen Anordnung im Wesentlichen aus dem Wasser angehoben und erst am Installationsort auf den Meeresboden herabgelassen werden. In dem Fall, dass nur die Beine der späteren Stützkonstruktion an dem MOAB vorgesehen sind, können diese dabei mit einem weiteren, auf dem Meeresgrund gegründeten Stützkonstruktionsteil, z. B. einem Jacket verbunden werden.
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Während der Gründungsarbeiten befindet sich der Rumpfkörper im Allgemeinen in einer solchen Zwischenstellung zwischen der beschriebenen ersten und zweiten Stellung, dass er in der Wasserlinie schwimmt. Anschließend wird sie – beispielsweise mit Hilfe von temporär installierten Litzenhebern – an der Stützkonstruktion weiter nach oben über die Wasseroberfläche in ihre Endposition angehoben. Typische Wassertiefen für diese Art von Offshore-Bauwerken liegen im Bereich von 20 bis 70 m und damit niedriger als Wassertiefen, die mit Hilfe der zuvor beschriebenen, klassischen Jacketgründungen erreichbar sind.
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Die bisher gebauten MOABs bzw. selbsterrichtenden Plattformen sind konstruktiv so ausgelegt, dass sie nur bei ruhigem Seegang, d. h. bis zu einer signifikante Wellenhöhe von etwa einem halben Meter, maximal jedoch von einem Meter, installiert werden können. Diese Begrenzung ist dadurch gegeben, dass es beim Absetzen der Stützkonstruktion, d. h. der Stützbeine bzw. des ganzen Jacket-Rahmentragwerks zu einer Situation kommt, bei der die Stützkonstruktion den Befestigungsort, d. h. einen vorinstallierten Unterbau oder den Meeresgrund berühren, während der selbstschwimmende Rumpfkörper weiter der Wellenbewegung folgt. Diese Relativbewegung zwischen Rumpfkörper und Stützkonstruktion führt zu Stößen zwischen der Stützkonstruktion und dem Unterbau bzw. dem Meeresgrund und zu Stößen in der Verbindung der Stützkonstruktion zum Rumpfkörper.
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Bei der Verbindung der Stützkonstruktion zum Rumpfkörper werden die vertikalen Kräfte meist durch die Einrichtung zum Verfahren der Stützkonstruktion gegenüber dem Rumpfkörper, wie z. B. Litzenhebern aufgenommen. Diese Litzenheber lösen sich durch die Relativbewegung immer wieder und werden dann erneut belastet. Litzenheber sind aber nicht für solche Wechsellasten ausgelegt. Erst wenn die Litzenheber den Rumpfkörper soweit aus dem Wasser gehoben haben, dass Sie durchgehend unter Last stehen, kommt es zu einer stabilen Konfiguration, bei der die Litzenheber nicht mehr beschädigt werden.
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Da der Rumpfkörper durch die Litzenheber nur sehr langsam in diesen sicheren Zustand gehoben werden kann, ist das Risiko groß, dass während dieser Phase die Litzenheber beschädigt werden. Genauso besteht ein großes Risiko, dass es durch die Relativbewegung zwischen der Stützkonstruktion und dem Unterbau bzw. dem Meeresgrund zu Kontaktstößen kommt, welche die Struktur der Stützkonstruktion, des Unterbaus und vor allem die sich von dem Rumpfkörper aufgenommene Ausrüstung durch u. a. zu hohe Beschleunigungen zerstören können.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine selbsterrichtende Offshore-Anordnung und ein Verfahren zur Installation dieser bereitzustellen, wodurch ermöglicht wird, dass der Zeitraum für die Verbindung der Stützkonstruktion mit dem Befestigungsort und die Stabilisierung dieser Verbindung so kurz wie möglich ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Rumpfkörper an seiner Unterseite eine Vorrichtung zum Halten eines Luftvolumens aufweist, die vorgesehen ist, um im Schwimmzustand zumindest teilweise in das Wasser einzutauchen, die durch den Druck des umgebenden Wassers getrieben entlüftbar ist, und die mindestens einen Entlüftungsweg zur Entlüftung der Vorrichtung zur Atmosphäre aufweist.
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Auf diese Weise schwimmt der selbst auch schwimmfähige Rumpfkörper auf einem Luftvolumen, bzw. hält dieses Luftvolumen mit Hilfe der Vorrichtung an seiner Unterseite und befindet sich somit um eine gewisse von der Gestalt der Vorrichtung abhängige Höhe von dem Meeresgrund weg versetzt. Die Vorrichtung bzw. das von der Vorrichtung gehaltene Volumen wird durch das Gewicht der gesamten Offshore-Anordnung zumindest teilweise unter die Wasseroberfläche gedrückt und verdrängt dabei ein entsprechendes Volumen an Wasser. Der Druck des umgebenden Wassers auf das unterhalb der Wasseroberfläche befindliche Luftvolumen – also die Auftriebskraft des Wassers – ermöglicht eine sehr schnelle Entlüftung der Vorrichtung, sobald der Entlüftungsweg freigegeben wird, und folglich eine sehr schnelle Absenkung des Rumpfkörpers in Richtung Meeresgrund.
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Zur Installation der Offshore-Anwendung wird also zunächst die Stützkonstruktion gegenüber dem Rumpfkörper in eine Position verfahren, so dass ein Abstand zwischen dem Kontaktbereich der Stützkonstruktion und dem Befestigungsort entsteht, der sicherstellt, dass es bei dem herrschenden Seegang nicht zum Kontakt zwischen Stützkonstruktion und dem Befestigungsort, d. h. dem Unterbau oder dem Meeresgrund kommt. Dieser Abstand kann abhängig von dem Seegang zwischen ein bis zwei Meter, vorzugsweise ca. eineinhalb Meter betragen.
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Dann wird der Entlüftungsweg freigegeben und der Rumpfkörper zusammen mit der Stützkonstruktion senkt sich in einer bestimmten Zeitdauer auf den Befestigungsort ab, wo der Kontaktbereich der Stützkonstruktion mit dem Unterbau oder dem Meeresgrund in Kontakt kommt und diese Verbindung durch weiteres Entlüften und dadurch Erhöhen der Kontaktkraft stabilisert wird. Es verbleibt also beim ersten Kontakt noch so viel Auftrieb im Luftposter, dass durch das Ablassen der restlichen Luft eine so große abwärts gerichtete Kraft entsteht, dass die Wellen den Rumpfkörper nicht mehr anheben können. Die nach dem Absetzen erzeugte zusätzliche abwärts gerichtete Kraft ist also größer als die durch die Wellen beim maximal erwarteten Wellengang erzeugte maximale aufwärts gerichtete Kraft. Durch diesen Vorgang wird erreicht, dass die Litzenheber durchgehen unter Zugspannung stehen und Kontaktstöße, welche sich durch wiederholtes Abheben und Aufsetzen des Rumpfkörpers ergeben würden, vermieden werden.
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Aus diesem sicheren Zustand heraus kann der Rumpfkörper mit den Litzenhebern langsam in die Endposition auf Betriebshöhe angehoben werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der mindestens eine Entlüftungsweg ein Entlüftungsventil auf. Mit dem Entlüftungsventil kann der mindestens eine Entlüftungsweg freigegeben und die Entlüftung der Vorrichtung ausgelöst werden. Sind mehrere Ventile vorgesehen, so können diese auch unabhängig voneinander geöffnet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der mindestens eine Entlüftungsweg einen Strömungswiderstand auf, der eine schnelle Entlüftung der Vorrichtung ermöglicht. Eine schnelle Entlüftung verursacht eine entsprechend schnelle Absenkung des Rumpfkörpers und damit auch der Stützkonstruktion, so dass eine Verbindung zwischen der Stützkonstruktion und dem Befestigungsort hergestellt werden kann, bevor die Wellen eine Bewegung des Rumpfkörpers mit der Stützkonstruktion hervorrufen können, die zu schädlichen Stößen zwischen Stützkonstruktion und Befestigungsort führen kann. Mit anderen Worten sollte die zum Absenken auf den Befestigungsort benötigte Absenkzeit so eingestellt werden, dass sie kleiner als die durchschnittliche Zeit zwischen Wellenberg und folgendem Wellental von Wellen oberhalb einer vorgegebenen Mindestgröße. Eine Absenkzeit von maximal 20 Sekunden, vorzugsweise innerhalb von 5 bis 10 Sekunden, ist in der Praxis bevorzugt.
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Der Strömungswiderstand begrenzt den Volumenstrom an Luft durch den Entlüftungsweg und ist in erster Linie von dem Durchmesser des Entlüftungsweges abhängig, aber auch von der Länge, der Form und der Oberflächenbeschaffenheit des Entlüftungsweges ab. Die Kombination von Rohrlänge, Durchmesser, Rauigkeit und anderen den Strömungswiderstand beeinflussenden Faktoren sowie dem Entlüftungsvolumen, muss so gewählt werden, dass die angestrebte Entlüftungszeit und damit Absenkzeit erreicht wird.
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Die in der Vorrichtung erforderliche entlüftbare Luftmenge richtet sich auch nach dem am Befestigungsort erwarteten Seegang, da die Absenkstrecke insoweit vom erwarteten Wellengang abhängt, als bei höherem erwarteten Wellengang ein größerer Sicherheitsabstand zwischen Stützkonstruktion und Befestigungsort eingestellt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine starre umlaufende Seitenwandung auf, die sich von der Unterseite zum Meeresgrund hin erstreckt und die zusammen mit der Unterseite einen zum Meeresgrund offenen Hohlraum bildet. Die Seitenwandung kann in Form von seitlich abgedichteten Schürzenblechen gestaltet sein, die das durch den Wasserdruck aufwärts getriebene Luftvolumen seitlich und zusammen mit der Unterseite wie eine Haube umschließt und durch die Gewichtskraft der gesamten Offshore-Anordnung zumindest teilweise unter die Wasseroberfläche drückt. Die so gebildete Vorrichtung benötigt mindestens eine Unterteilung in Querrichtung und eine Untertailung in Längsrichtung um die Schwimmstabilität sicher zu stellen. Eine stabile Position ist erreicht, wenn die Auftriebskraft des Luftvolumens (und des Rumpfkörpers, sofern dieser auch in das Wasser eintaucht) im Gleichgewicht steht mit der Gewichtskraft der Offshore-Anordnung.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine gegenüber dem umgebenden Wasser abgeschlossene elastische Hülle auf, die mit der Unterseite verbunden ist. Eine solche Vorrichtung ist also nicht zum Meeresgrund hin geöffnet, sondern umschließt das Luftvolumen zumindest gegenüber dem die Vorrichtung umgebenden Wasser, d. h. umschließt das Luftvolumen vollständig entweder alleine, oder zusammen mit der Unterseite des Rumpfkörpers. Damit die Vorrichtung dennoch entlüftet werden kann, muss die Hülle eine elastische, zusammendrückbare Struktur aufweisen. Die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform hat also die Form eines Luftkissens mit elastischer Hülle.
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Die Vorrichtung weist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mehrere senkrecht zur Unterseite voneinander abgegrenzte Luftkammern auf, so dass das Luftvolumen in mehrere Teilvolumen unterteilt wird. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn jede der Luftkammern unabhängig voneinander entlüftet werden kann. Auf diese Weise können die Luftkammern zu unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder unterschiedlich schnell entlüftet werden z. B. um ein stabiles Absenken der Offshore-Anordnung zu gewährleisten. Außerdem ergibt sich so die Möglichkeit, gegebenenfalls nur einen Teil der Luftkammern mit Luft zu befüllen, d. h. nur eine bestimmte Anzahl von Teilvolumen bereitzustellen. Darüber hinaus wirken sich eventuelle Leckagen einzelner Luftkammern deutlich schwächer auf die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung und auf die Stabilität der Offshore-Anordnung aus.
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Dabei ist es ferner besonders bevorzugt, wenn die Luftkammern symmetrisch zueinander an der Unterseite angeordnet sind. Eine symmetrische Anordnung der Luftkammern ist vorteilhaft, um die Stabilität der Offshore-Anordnung während des Absenkens zu erhöhen.
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Die Stützkonstruktion weist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mindestens drei, vorzugsweise vier einzelne Stützbeine auf, die relativ zu dem Rumpfkörper verfahrbar an diesem angebracht sind. Drei Stützbeine sind mindestens notwendig, um einen stabilen Stand auf dem Meeresgrund zu erreichen. Vier Stützbeine jedoch gewähren eine noch höhere Stabilität und stellen die am häufigsten angewendete Bauweise der Stützkonstruktion dar. Mehr als vier Stützbeine sind ebenfalls denkbar. In der einfachsten Form sind die Stützbeine in runder rohrförmiger Bauweise mit einem Kontaktbereich an dem zu dem Meeresgrund weisenden Ende ausgeführt, wobei der Kontaktbereich für einen Kontakt mit dem Befestigungsort – z. B. einem am Meeresgrund angebrachten Unterbau in Form eines Rahmentragwerks – vorgesehen ist und eine dem Befestigungsort angepasste Gestalt aufweist.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Stützkonstruktion ein an den Stützbeinen angebrachtes umlaufendes Rahmentragwerk aufweist. Ein Rahmentragwerk – ein sogenanntes Jacket – kann alternativ zu der Anordnung am Meeresgrund im Vorhinein auch an den Stützbeinen befestigt zusammen mit der Offshore-Anordnung zu dem Befestigungsort mitgeführt und dort am Meeresgrund oder an einem weiteren Unterbau zusammen mit den Stützbeinen installiert werden.
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Dabei ist es ferner besonders bevorzugt, wenn zum Verfahren der Stützbeine relativ zu dem Rumpfkörper Litzenheber vorgesehen sind. Die Litzenheber weisen in der einfachsten Form jeweils einen Stahlseilstrang auf, der an der Stützkonstruktion befestigt ist, und einen Hydraulikantrieb, der an dem Rumpfkörper angebracht ist und der entlang dem Stahlseilstrang verfahrbar ist. Litzenheber sind geeignet für das Heben von besonders schweren Lasten, wie z. B. das Heben des Rumpfkörpers auf eine Betriebshöhe, wenn die Stützkonstruktion mit dem Befestigungsort verbunden ist, und werden daher erfindungsgemäß zum Verfahren der Stützkonstruktion relativ zu dem Rumpfkörper eingesetzt.
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In noch einer bevorzugten Ausführungsform kommt als Offshore-Anwendung eine Umspannungsanlage für Offshore-Windkraftanlagen zum Einsatz. Auf diese Weise kann die aus der Windkraft gewonnene elektrische Energie direkt auf See und in unmittelbarer Nähe der Offshore-Windkraftanlagen in eine Form umgewandelt werden, die gut geeignet ist, um über Seekabel zum Festland transportiert zu werden.
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Ein weiterer Aspekts der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Installation einer selbsterrichtenden Offshore-Anordnung mit einem schwimmfähigen Rumpfkörper, der eingerichtet ist, um mindestens eine Offshore-Anwendung aufzunehmen, und der eine Unterseite aufweist, die im Schwimmzustand in Richtung des Meeresgrundes weist, und mit einer Stützkonstruktion, die relativ zu dem Rumpfkörper verfahrbar an diesem angebracht ist, um den Rumpfkörper im installierten Zustand der Offshore-Anordnung zu tragen, wobei der Rumpfkörper an seiner Unterseite eine Vorrichtung zum Halten eines Luftvolumens aufweist, die vorgesehen ist, um im Schwimmzustand das Luftvolumen zumindest teilweise in das Wasser einzutauchen, die durch den Druck des umgebenden Wassers getrieben entlüftbar ist, und die mindestens einen Entlüftungsweg zur Entlüftung der Vorrichtung zur Atmosphäre aufweist, umfassend die folgenden Schritte:
- – Einstellen der Stützkonstruktion relativ zu dem Rumpfkörper zur Einhaltung eines vorgegebenen Sicherheitsabstands zwischen Stützkonstruktion und Befestigungsort, der so gewählt ist, dass die Stützkonstruktion bei der maximal erwarteten Wellenhöhe nicht mit dem Befestigungsort in Kontakt kommt,
- – Positionieren der an der Wasseroberfläche schwimmenden Offshore-Anordnung über dem Befestigungsort am Meeresgrund,
- – Absenken der Offshore-Anordnung und Aufsetzen der Stützkonstruktion an dem Befestigungsort durch Entlüftung der Vorrichtung über den Entlüftungsweg, und
- – weiteres Entlüften der Vorrichtung über den Entlüftungsweg, so dass eine Last in den Kontaktpunkten zwischen Stützkonstruktion und Befestigungsort entsteht, die verhindert, dass bei der maximal erwarteten Wellenhöhe die Stützkonstruktion von dem Befestigungsort abgehoben wird, und
- – Anheben des Rumpfkörpers bis auf eine Betriebshöhe durch Verfahren des Rumpfkörpers und der Stützkonstruktion relativ zueinander.
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Auf diese Weise schwimmt der selbst auch schwimmfähige Rumpfkörper auf einem Luftvolumen, bzw. hält dieses Luftvolumen mit Hilfe der Vorrichtung an seiner Unterseite und befindet sich somit um eine gewisse von der Gestalt der Vorrichtung abhängige Höhe von dem Meeresgrund weg versetzt. Die Vorrichtung bzw. das von der Vorrichtung gehaltene Volumen wird durch das Gewicht der gesamten Offshore-Anordnung zumindest teilweise unter die Wasseroberfläche gedrückt und verdrängt dabei ein entsprechendes Volumen an Wasser. Der Druck des umgebenden Wassers auf das unterhalb der Wasseroberfläche befindliche Luftvolumen – also die Auftriebskraft des Wassers – ermöglicht eine sehr schnelle Entlüftung der Vorrichtung, sobald der Entlüftungsweg freigegeben wird, und folglich eine sehr schnelle Absenkung des Rumpfkörpers in Richtung Meeresgrund.
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Zur Installation der Offshore-Anwendung wird die Stützkonstruktion in ihrer Vertikalposition gegenüber dem Rumpfkörper, in der Regel bereits auf der Werft, so eingestellt, dass ein Abstand zwischen dem Kontaktbereich der Stützkonstruktion und dem Befestigungsort gegeben ist, der sicherstellt, dass es bei dem erwarteten Seegang nicht zum Kontakt zwischen Stützkonstruktion und dem Befestigungsort, d. h. dem Unterbau oder dem Meeresgrund kommt. Dieser Abstand kann abhängig von dem Seegang zwischen ein bis zwei Meter, vorzugsweise ca. eineinhalb Meter betragen.
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Dann wird der Entlüftungsweg freigegeben und der Rumpfkörper zusammen mit der Stützkonstruktion senkt sich in einer bestimmten Zeitdauer auf den Befestigungsort ab, wo der Kontaktbereich der Stützkonstruktion mit dem Unterbau oder dem Meeresgrund in Kontakt kommt und diese Verbindung durch weiteres Absenken und dadurch Erhöhen der Kontaktkraft stabilisiert wird. Es verbleibt also noch so viel Auftrieb im Luftposter, dass durch das Ablassen der restlichen Luft eine so große abwärts gerichtete Kraft entsteht, dass die Wellen den Rumpfkörper nicht mehr anheben können. Die nach dem Absetzen erzeugte zusätzliche abwärts gerichtete Kraft ist also größer als die durch die Wellen erzeugte maximale aufwärts gerichtete Kraft. Durch diesen Vorgang wird erreicht, dass die Litzenheber durchgehen unter Zugspannung stehen und Kontaktstöße, welche sich durch wiederholtes Abheben und Aufsetzen des Rumpfkörpers ergeben würden, vermieden werden.
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Die Zeitdauer für den Absenkvorgang ist dabei derart gering, dass die Wellen keine Möglichkeit bekommen, den Rumpfkörper zu solch großen Bewegungen anzuregen, dass beide Einheiten sich wieder trennen können. Die Litzenheber können sich also weder lösen noch kann es zu wiederholten Kontaktstößen an dem Stützaufbau kommen.
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Aus diesem sicheren Zustand heraus kann der Rumpfkörper mit den Litzenhebern langsam in die Endposition auf Betriebshöhe angehoben werden.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt in
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1 eine seitliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Offshore-Anwendung mit einem Sicherheitsabstand zu einem Rahmentragwerk vor dem Aufsetzen,
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2 eine seitliche Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 beim Aufsetzen auf das Rahmentragwerk und
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3 eine seitliche Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 mit stabiler Verbindung zu dem Rahmentragwerk, wobei sich der Rumpfkörper in Betriebshöhe befindet.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen selbsterrichtenden Offshore-Anordnung 1 dargestellt. Die Offshore-Anordnung 1 weist einen Rumpfkörper 3 und eine relativ zu dem Rumpfkörper 3 verfahrbare Stützkonstruktion 5 auf. Der Rumpfkörper 3 ist vorgesehen, um mindestens eine Offshore-Anwendung (nicht gezeigt) aufzunehmen. Diese Offshore-Anwendung kann zum Beispiel eine Umspannungsanlage für Offshore-Windkraftanlagen sein.
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Der Rumpfkörper 3 weist ferner eine Unterseite 7 auf, die im Schwimmzustand des Rumpfkörpers 3 in Richtung des Meeresgrundes weist. Die Stützkonstruktion 5 ist relativ zu dem Rumpfkörper 3 im Wesentlichen senkrecht zur Unterseite 7 des Rumpfkörpers 3 verfahrbar an diesem angebracht. Auf diese Weise kann der Rumpfkörper 3 nachdem die Stützkonstruktion 5 mit einem Befestigungsort 9 verbunden ist zunächst bis auf eine Betriebshöhe angehoben und dann von der Stützkonstruktion 5 getragen werden (siehe 3).
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An seiner Unterseite 7 weist der Rumpfkörper 3 eine Vorrichtung 11 zum Halten eines Luftvolumens 13 auf. Diese Vorrichtung 11 umfasst in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine im Wesentlichen starre umlaufende Seitenwandung 15 und mindestens eine weitere Wand in Längs- und in Querrichtung auf, die sich von der Unterseite 7 zum Meeresgrund hin und im Wesentlichen senkrecht zur Unterseite 7 erstrecken.
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Zusammen mit der Unterseite 7 bildet die umlaufende Seitenwandung 15 somit einen zum Meeresgrund offenen Hohlraum 17. Dieser Hohlraum 17 kann mit einem Luftvolumen 13 befüllt werden, so dass der Rumpfkörper 3 und damit die gesamte Offshore-Anordnung 1 auf diesem Luftvolumen 13 im Wasser aufliegt (siehe 1). Der Rumpfkörper 3 wird auf diese Weise abhängig von der Höhe des Luftvolumens 13 unterhalb der Unterseite 7 in einer gegenüber dem Meeresgrund erhöhten Position im Vergleich zu dem Fall, dass die Vorrichtung 11 kein Luftvolumen 13 hält, angeordnet.
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Durch die Gewichtskraft der Offshore-Anordnung 1 wird das von der Vorrichtung 11 gehaltene Luftvolumen 13 unterhalb der Unterseite 7 zumindest teilweise unter die Wasseroberfläche gedrückt. Dabei wird ein dem unterhalb der Wasseroberfläche befindlichen Teil des Luftvolumens 13 entsprechendes Wasservolumen verdrängt. Der in der Folge auf das unterhalb der Wasseroberfläche liegende Luftvolumen 13 wirkende Wasserdruck wirkt als von dem Meeresgrund weg weisende Auftriebskraft auf das Luftvolumen 13 und ist in der Lage, bei einer Öffnung der Vorrichtung 11 zur Atmosphäre das Luftvolumen 13 in kürzester Zeit aus der Vorrichtung 11 zu drängen und somit die Vorrichtung 11 zu entlüften (siehe 2).
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Für eine solche Entlüftung der Vorrichtung 11 ist ein Entlüftungsweg 19 vorgesehen, der die Vorrichtung 11 mit der Atmosphäre verbindet. Dieser Entlüftungsweg 19 weist ferner ein Entlüftungsventil 21 auf, das geöffnet werden kann, um eine Entlüftung der Vorrichtung 11 auszulösen. Der mindestens eine Entlüftungsweg 19 weist einen Strömungswiderstand auf, der eine weitgehend ungehinderte Entlüftung der Vorrichtung 11 erlaubt. Der Entlüftungsweg 19 kann dabei so ausgelegt bzw. durch Ventile eingestellt sein, dass die Entlüftung der Luft fassenden Vorrichtung 11 innerhalb von maximal 20 Sekunden, vorzugsweise innerhalb von 5 bis 10 erfolgt.
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Als Alternative zu einer starren umlaufenden Seitenwandung 15 kann die Vorrichtung 11 auch eine gegenüber dem Wasser abgeschlossene und elastische Hülle aufweisen (nicht gezeigt), die mit der Unterseite 7 verbunden ist. Eine solche elastische Hülle hätte dann die Form eines geschlossenen Luftkissens.
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Die Vorrichtung 11 zum Halten eines Luftvolumens 13 muss ferner in sich unterteilt sein, um mehrere Teilvolumen an Luft zu halten, um ausreichende Schwimmstabilität zu erhalten und zu verhindern, dass bei Seegang bereits Wasser in das Volumen eindringt. Dazu kann die Vorrichtung 11 mehrere senkrecht zur Unterseite 7 voneinander abgegrenzte Luftkammern aufweisen. Jede dieser Luftkammern kann einen eigenen Entlüftungsweg 19 aufweisen und kann vorzugsweise unabhängig voneinander entlüftet werden. Auf diese Weise kann eine besonders schnelle Entlüftung erfolgen, die gezielt einzelne Luftkammern gegenüber anderen früher oder schneller beziehungsweise langsamer entlüftet, um ein stabiles Absenken des Rumpfkörpers 3 zu erreichen.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Stützkonstruktion 5 vier senkrecht zu der Unterseite 7 des Rumpfkörpers 3 relativ zu dem Rumpfkörper 3 verfahrbare Stützbeine 23 auf. Die Stützbeine 23 können mithilfe von Litzenhebern 25 gegenüber dem Rumpfkörper 3 verfahren werden. Das heißt, die Litzenheber 25 heben, nachdem eine stabile Verbindung besteht, den Rumpfkörper 3 bis auf eine Betriebshöhe über die Wasseroberfläche an (siehe 3). Die Stützbeine 23 weisen an ihrem zum Meeresgrund weisenden Ende einen Kontaktbereich 27 auf. Der Kontaktbereich 27 ist vorgesehen und ausgestaltet, um mit dem Befestigungsort 9 verbunden zu werden.
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Der in den 1 bis 3 zusammen mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellte Befestigungsort 9 umfasst einen Unterbau, der ein Rahmentragwerk 29 – ein sogenanntes Jacket – aufweist, das am Meeresgrund befestigt ist. Das Rahmentragwerk 29 weist Kontaktpunkte 31 auf, die vorgesehen sind, um mit den Kontaktbereichen 27 der Stützbeine 23 in Kontakt zu kommen und mit diesen stabil verbunden zu werden.
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Es ist ebenso denkbar, dass die Stützkonstruktion 5 statt oder zusätzlich zu den Stützbeinen 23 ein Rahmentragwerk 29 aufweist (nicht gezeigt). Dann kann die Stützkonstruktion 5 ohne dass ein vorinstallierter Unterbau benötigt wird, an dem Meeresgrund aufsetzen und mit diesem eine stabile Verbindung herstellen. Alternativ könnten auch die Stützbeine 23 ohne ein Rahmentragwerk 29 mit dem Meeresgrund in Verbindung kommen.
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Das Verfahren zur Installation einer selbsterrichtenden Offshore-Anordnung 1, bei der zum Beispiel eine Offshore-Anordnung 1, wie sie zuvor beschrieben ist, zum Einsatz kommt, läuft gemäß einer bevorzugten Ausführungsform folgendermaßen ab. Zunächst wird eine Offshore-Anordnung 1 mit einem schwimmfähigen Rumpfkörper 3 und vier gegenüber dem Rumpfkörper 3 mithilfe von Litzenhebern 25 verfahrbaren Stützbeinen 23 mit jeweils einem Kontaktbereich 27 und einer an der Unterseite 7 des Rumpfkörpers 3 vorgesehenen Vorrichtung 11 zum Halten eines Luftvolumens 13 zu einem Ort an der Wasseroberfläche transportiert und dort angeordnet, der über dem Befestigungsort 9 am Meeresgrund liegt. Der Befestigungsort 9 umfasst in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Unterbau in Form eines in dem Meeresgrund befestigten Rahmentragwerkes 29, das vier Kontaktpunkte 31 aufweist, die vorgesehen sind, um mit den Kontaktbereichen 27 der Stützbeine 23 der Offshore-Anordnung 1 in Verbindung zu kommen.
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Die Vorrichtung 11 zum Halten eines Luftvolumens 13 ist zum größten Teil mit einem Luftvolumen 13 befüllt, so dass der Rumpfkörper 3 um eine gewisse Höhe, die von der Form des Luftvolumens 13 abhängt, auf den Meeresboden bezogen gegenüber dem Fall, dass die Vorrichtung kein Luftvolumen 13 hält, erhöht ist. Die Entlüftungsventile 21 an den Entlüftungswegen 19 sind geschlossen, so dass die Entlüftungswege 19 nicht freigegeben sind. In dem vorliegenden Fall sind vier Entlüftungswege 19 vorgesehen, wobei zwei Entlüftungswege 19 in den 1 bis 3 gezeigt sind.
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Die Stützbeine sind so voreingestellt, dass ein gewisser Sicherheitsabstand an den Kontaktpunkten 31 des Rahmentragwerkes 29 verbleibt. Dieser Sicherheitsabstand ist abhängig von dem zu erwartenden Seegang, das heißt von der signifikanten Wellenhöhe über dem Befestigungsort 9. Der Sicherheitsabstand ist genauso groß, dass die Stützbeine 23 trotz des Seegangs und der daraus resultierenden Bewegung der gesamten Offshore-Anordnung 1 keinen ungewollten Kontakt mit dem Unterbau, d. h. hier dem Rahmentragwerk 29 herstellen können, der die Stützbeine 23 wie auch das Rahmentragwerk 29 beschädigen könnten.
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Ist ein günstiger Zeitpunkt bezüglich des Wellengangs erreicht und sind die Kontaktbereiche 27 der Stützbeine 23 gegenüber den Kontaktpunkten 31 des Rahmentragwerks 29 angeordnet, so werden die Entlüftungsventile 21 geöffnet und die Vorrichtung 11 zum Halten eines Luftvolumens 13 unterhalb der Unterseite 7 des Rumpfkörpers 3 wird durch den Druck des das Luftvolumen 13 umgebenden Wassers entlüftet (siehe 2). Diese Entlüftung kann angemessen schnell, erfolgen, da der Strömungswiderstand der Entlüftungswege 19 für eine solch schnelle Entlüftung angepasst ist.
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Durch die Entlüftung der Vorrichtung 11 senkt sich der Rumpfkörper 3 mit den daran angebrachten Stützbeinen 23 in Richtung Meeresgrund ab, bis die Kontaktbereiche 27 der Stützbeine 23 mit den Kontaktpunkten 31 des Rahmentragwerks 29 in Kontakt kommen. Zu diesem Zeitpunkt ist noch ein Rest von ca. ein Drittel des Luftvolumens 13 in der Vorrichtung 11 übrig (2). Durch das übergangslose Entlüften auch dieses letzen Drittels des Luftvolumens 13 wird eine solche Kontaktkraft zwischen den Stützbeinen 23 und dem Rahmentragwerk 29 erzeugt, dass eine stabile Verbindung zwischen diesen beiden entsteht. Eine stabile Verbindung heißt hier, dass die Kontaktkraft zwischen den Stützbeinen 23 und dem Rahmentragwerk 29 größer ist als die Kraft des Seegangs auf den Rumpfkörper 3. Die Wellen sind also nicht mehr in der Lage, den Rumpfkörper 3 derart anzuheben, dass die Verbindung zwischen den Stützbeinen 23 und dem Rahmentragwerk 29 gelöst würde.
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Ist eine solche stabile Verbindung hergestellt, dann werden die Litzenheber 25 aktiviert, so dass der Rumpfkörper 3 zusammen mit der von diesem aufgenommenen Offshore-Anwendung (hier nicht gezeigt) gegenüber den Stützbeinen 23 und gegenüber der Wasseroberfläche bis auf eine Betriebshöhe angehoben und in dieser Betriebshöhe fixiert (3).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010035024 [0002]
- EP 2204497 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Meerestechnische Konstruktionen”, Verfasser: G. Clauss, E. Lehmann, C. Östegaard, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, 1988 [0008]
