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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Gründung für Offshore-Windenergieanlagen mit dem See- oder Meeresgrund.
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Bekannt sind folgende Gründungsarten für Offshore-Windenergieanlagen:
- 1) Stahlgründungen, die mittels des Aufbringens von Rammenergie direkt in den Meeresboden getrieben werden (sog. Monopiles).
- 2) Stahlfundamente (z. B. aufgelöste Gründungsstrukturen, z. B. Jacket-Strukturen oder Tripod-Strukturen), die mittels Pfählen (im Regelfall aus Stahl, aber auch aus Beton), die durch das Aufbringen von Rammenergie in den See- oder Meeresboden getrieben werden und anschließend mit dem dem Stahlfundamten verbunden werden.
- 3) Schwerlast-Fundamente; diese werden im Regelfall aus Beton, aber auch aus Stahl hergestellt. Schwerlast-Fundamente werden auch „gravity based foundations” genannt und erreichen ihre Standsicherheit aufgrund ihres Eigengewichtes.
- 4) Stahlfundamente (z. B. aufgelöste Strukturen, sogenannte Jacket-Strukturen oder Tripod-Strukturen), die mittels Saugrohr oder auch Saugglocken (sogenannte Suction buckets, die im Regelfall aus Stahl hergestellt werden) mit dem Meeresboden verbunden werden; dabei erfolgt die Auslegung der Saugrohre, bzw. der Saugglocken dergestalt, dass die auftretenden Druck- und Zugkräfte vollständig über das Saugrohr/die Saugglocke abgetragen werden.
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Die Fundamentierungslösung zu 1) erfährt für Offshore-Windenergieanlagen der Multimegawatt-Klasse sowie für größere Wassertiefen ihre Grenzen.
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Die Fundamentierungsart zu 2) stellt die derzeit gebräuchlichste Fundamentierungsart für Offshore-Windenergieanlagen der Multimegawattklasse dar, allerdings steht diese Fundamentierungsart in der Kritik, da beim Einbringen der Rammpfähle eine erhebliche Schallbelastung für die belebte Meeresumwelt einher geht. Aufgrund der Schallemissionen kann es während einer Bauphase sogar dazu kommen, dass Genehmigungsbehörden die Installation für Zeiträume untersagen, in denen die Meeresfauna besonders sensibel ist (z. B. während der Aufzuchtzeiten für Nachkommen der Fisch-/Meeressäuger-Fauna) oder wenn eine Kumulation mit zeitgleich stattfindenden Installationen anderer Offshore-Windenergieanlagen eine Überschreitung von Schallrichtwerten befürchten lässt.
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Die Fundamentierungslösung zu 3) führt zu sehr hohen Gewichten der Fundamente, insbesondere für sehr große Wassertiefen und/oder Multimegawatt-Offshore-Windenergieanlagen. Für die Installation von Schwerlast-Fundamenten sind deshalb spezielle Offshore-Errichtungseinheiten notwendig, die, wenn überhaupt, weltweit nur in einer sehr kleinen Anzahl vorhanden sind; hierdurch können sehr hohe Kosten für die Installation entstehen, gleichzeitig steigt das Risiko, dass im Falle einer längerfristigen technischen Störung der notwendigen Errichtungseinheit der Bauablauf für Offshore-Windenergieanlagen gestört werden kann; diese Fundamentierungslösung wurde bislang nicht für Multimegawattanlagen in großen Wassertiefen angewendet.
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Die Fundamentierungslösung zu 4) wurde bislang nicht serienmäßig für Offshore-Windenergieanlagen eingesetzt, u. a., weil eine Auslegung der Saugglocken für eine vollständige Kompensation der auftretenden Betriebslasten einer Offshore-Windenergieanlage zu Dimensionen der Saugglocken führt, die keine wirtschaftliche Lösung für die Installation oder für den Betrieb von Offshore-Windenergieanlagen der Multimegawatt-Klasse in tiefen Gewässern erwarten lassen.
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Zugrundeliegende Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Verbindungslösung einer Gründungsstruktur für Offshore-Windenergieanlagen mit dem See- oder Meeresgrund anzugeben, das im Vergleich zu bekannten technischen Lösungen und Vorgehensweisen erheblich weniger Schall während der Installation emittiert und dennoch in der Lage ist, die erforderliche Standsicherheit der Offshore-Windenergieanlagen während der Errichtung und im Betrieb zu erreichen.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zum Verbinden einer Gründungsstruktur für Offshore-Windenergieanlagen mit dem See- oder Meeresgrund umfasst eine Herstellung einer nach unten offenen zylindrischen oder zylindrisch ähnlichen Konstruktion, die vorliegend als Bucket oder auch Suction Bucket bezeichnet wird, in Kombination mit einer zusätzlichen Beschwerung, die auf oder über dem Bucket angeordnet wird.
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Mit anderen Worte dient die Erfindung zum Verbinden einer insbesondere aufgelösten Gründungsstruktur für Offshore-Windenergieanlagen mit dem See- oder Meeresgrund mittels einer speziellen, um eine Beschwerungseinheit ergänzten glocken- oder topfförmigen Einheit (Bucket). Die Anordnung dient insbesondere der schallminimierten Installation von aufgelösten Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen am Meeresboden.
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Die Buckets können dabei:
- – vorab am Meeresboden eingebracht werden, um anschließend die Gründungsstruktur mit den Buckets zu verbinden, oder
- – vor dem Absenken der Gründungsstruktur mit derselben verbunden werden, um die Gesamtkonstruktion am Meeresboden abzusenken und mit dem Meeresboden zu verbinden.
- – Die Gewichte können vor oder nach dem Absenken mit der Gesamtkonstruktion verbunden werden, idealerweise geschieht dies jedoch nach Durchführung der Verbindung der Gründungsstruktur mit dem Meeresboden.
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Die Gesamtkonstruktion wird erfindungsgemäß zusätzlich mit Gewichten beschwert, um die an dem jeweiligen Installations-Standort auftretenden und auf die Gesamtkonstruktion einwirkenden Kräfte, insbesondere die durch Wind- und Wellenenergie induzierten Druck- und Zugkräfte, zu kompensieren.
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Die vorliegende Erfindung ist darin begründet, dass erstmals für die Verbindung von Offshore-Windenergieanlagen mit dem Meeresboden die Verbindungsart „Bucket” oder auch „suction bucket” kombiniert wird mit der gleichzeitigen oder nachträglichen Auf- oder Einbringung von Gewichten in oder auf den Gründungskörper, um zusätzlich den Schwerkraft-Effekt zu nutzen; hierbei werden die durch Wellen- und/oder Windkräfte induzierte Kräfte, insbesondere Zugkräfte, zusätzlich oder hauptsächlich durch den Schwerkraft-Effekt kompensiert.
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Dabei kann der Vorteil genutzt werden, dass die Buckets unter Verwendung der hier behandelten Erfindung nicht für die Summe der während der Errichtung und während des Betriebs auftretenden Kräfte ausgelegt werden müssen und somit bautechnisch im Vergleich zu reinen Saugrohrgründungen kleiner ausgelegt und hergestellt werden können; die Buckets werden erfindungsgemäß mithin mindestens dergestalt dimensioniert, dass eine Lateralbewegung oder eine Schiefstellung des Offfshore-Gesamtbauwerkes vermieden wird.
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Die Gewichte, die zur Herstellung des Schwerlast-Kompensationseffektes notwendig sind, können vorab oder nach der Offshore-Installation der Gründungsstruktur am See- oder Meeresboden installiert werden; dabei können die Gewichte auch aufgeteilt in Unter-Gewichtseinheiten oder im Ganzen installiert werden.
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Der besondere Vorteil der Erfindung liegt u. a. darin begründet, dass:
- a) Offshore-Installationseinheiten genutzt werden können, die nur für einen Teil des Gesamtgewichtes der Fundamentierungslösung ausgelegt sind; hierdurch erhöht sich die Anzahl der für die Installation zur Verfügung stehenden Offshore-Installationseinheiten, wodurch insbesondere hohe Kosten für sehr große Installationseinheiten vermieden werden können.
- b) Schallemissionen bei der Errichtung von Offshore-Fundamentierungslösungen für Offshore-Windenergieanlagen sehr stark minimiert werden; herkömmliche Offshore-Fundamentierungslösungen für Offshore-Windenergieanlagen werden mittels Tiefgründungs-Pfählen mit dem Meeresboden verbunden; die Pfähle werden in den Meeresboden gerammt, beim Rammen wird eine sehr große Schallenergie freigesetzt, die die Meeresumwelt negativ beeinträchtigen kann.
- c) Kosten während der Installation der erfindungsgemäßen Fundamentierungslösung können reduziert werden; während Pfahlgründungen nur von sogenannten Jackup-Einheiten, die ihre Beine auf dem Meeresboden abstellen, in den Meeresboden gerammt werden können, kann die erfindungsgemäße Anordnung auch von schwimmenden Einheiten am Meeresboden abgesetzt werden. Hierdurch erhöht sich die Anzahl der in diesem Spezialsegment zur Verfügung stehenden Installationseinheiten, auch können Kosten für den Einsatz von sehr großen Jackup-Einheiten eingespart werden.
- d) Aufgrund des Umstandes, dass die Buckets bereits vor dem Absetzen des Offshore-Bauwerkes auf dem Meeresgrund mit dem Offshore-Bauwerk mechanisch (durch Schraub- oder Schweißverbindungen) verbunden werden können, kann auf den kostenintensiven Einsatz von unter Wasser härtendem Verbindungsmaterial (z. B. Grout-Beton) verzichtet werden. Auf diese Weise werden Kosten für das Verbindungsmaterial, sowie Kosten, die auftreten, wenn das Verbindungsmaterial am Offshore-Standort eingebracht werden muss, eingespart werden. Zusätzlich können Vorrichtungen, die die Aufgabe haben, während des Aushärtevorgangs des Verbindungsmaterials dafür Sorge zu tragen, dass zwischen den Pfählen und dem Offshore-Bauwerk keine Relativ-Bewegung stattfindet, entfallen; auch hierdurch erfolgt eine erhebliche Kosteneinsparung (Einsparung von Gripping-Tools- oder Gripping-Vorrichtungen).
- e) Die Installation von Offshore-Bauwerken kann unter Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung auch Zeit für die Offshore-Arbeiten einsparen, da Zeiträume zum Rammen von Tiefgründungspfählen oder die anschließende zeitaufwändige Einbringung von Verbindungsmaterial entfallen kann; diese Zeiteinsparung führt zu einer erheblichen Kosteneinsparung während der Offshore-Installation.
- f) Der Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung ermöglicht zudem, Schiefstellungen des Offshore-Bauwerkes, die sich eventuell während der Installation des Offshore-Bauwerkes oder aus dem Betrieb des Offshore-Bauwerkes ergeben, nachträglich zu auszugleichen. Hierdurch kann der sehr kostenintensive Einsatz von Zusatzausrüstungen (sog. Levelling-Tools) zum Ausgleichen von eventuellen Schiefstellungen des Offshore-Bauwerkes entfallen.
- g) Der Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung ermöglicht einen kostengünstigen Rückbau des Offshore-Bauwerkes nach der Einstellung des Betriebes, da im Wesentlichen lediglich die Gewichte entfernt werden müssen, und das Offshore-Bauwerk dann angehoben und entfernt werden kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen die Figuren perspektivische Ansichten diverser Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen einer Verbindung einer aufgelösten Gründungsstruktur mit dem See- oder Meeresgrund.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine aufgelöste Gründungsstruktur 10 (z. B. Tripod oder Jacket-Foundation, hier Tripod) dargestellt. Unter der Gründungsstruktur sind Buckets 12 angebracht, über den Buckets sind Gewichte 14a/14b installiert (Gesamtkonstruktion).
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2: Die Gesamtkonstruktion 10 ist nach Abschluss der Installationsarbeiten und Einbringen der Gewichte 14a mit einem See- oder Meeresgrund 16 verbunden. Über dem See- oder Meeresgrund 16 befindet sich Wasser 18.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine aufgelöste Gründungsstruktur (z. B. Tripod oder Jacket), unter der die Buckets 12 befestigt sind; auf den Buckets sind Gewichte 14a/14b angeordnet; die Gewichte können direkt auf den Buckets (3) oder in einem Teilbereich der Gründungsstruktur (4) aufgebracht werden.
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Die Buckets können vor der Verbindung der Buckets mit der Gründungsstruktur mit dem See- oder Meeresboden verbunden werden; diese Verbindung erfolgt sinnvoller Weise unter Verwendung einer Schablone (Templante 20, 5), die die Ausrichtung der Buckets gewährleisten soll.
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Möglich ist jedoch auch die Vorabeinbringung der Buckets ohne Verwendung eines Templates: Die Gründungsstruktur 10 wird in diesem Fall nach der Verbindung der Buckets mit dem See- oder Meeresboden (6) mit den Buckets verbunden (7):
Sinnvoll ist insbesondere die Verbindung der Buckets 12 mit der Gründungsstruktur 10 vor dem Absenkvorgang auf den See- oder Meeresboden 16 (8).
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Die Gewichte 14a/14b können vor (9) oder nach (10) der Verbindung der Gesamtkonstruktion 10 + 12 mit dem See- oder Meeresboden 16 ein- oder aufgebracht werden.
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Die vorab beschriebenen Prozeduren können, wie in den vorherigen Abbildungen dargestellt, von einer schwimmenden Installationseinheit 21 aus durchgeführt werden (9), aber auch von einer Installationseinheit, die sich am See- oder Meeresboden 16 abstellt (z. B. Jackup-Plattformen 22). Eine derartige Anordnung ist in 11 dargestellt.
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Nach der Verbindung der Gründungsstruktur 10 mit dem See- oder Meeresboden 16 kann eine Windenergieanlage 23 auf der Gründungsstruktur 10 errichtet werden (12).
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Gemäß der Erfindung wird also zum Herstellen einer Verbindung einer Gründungsstruktur mit dem See- oder Meeresgrund eine technische Lösung bereit gestellt, die die offshore auftretenden Lasten aus Installation und Betrieb eines Offshore-Bauwerkes durch Ausnutzung einer Kombination von lastaufnehmenden Buckets mit gleichzeitiger Nutzung des Schwerkraft-Effektes kompensiert. Der besondere Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit, Fundamente für Offshore-Bauwerke mit einer sehr geringen Schallemission zu installieren. Darüber hinaus können Kosten während der Offshore-Installation eingespart werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gründungsstruktur
- 12
- Bucket
- 14a
- Gewicht
- 14b
- Gewicht
- 16
- See- oder Meeresgrund
- 18
- Wasser
- 20
- Template
- 21
- schwimmende Installationseinheit mit Kran
- 22
- Jackup-Plattform mit Kran
- 23
- Windenergieanlage
