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Die Erfindung betrifft ein Offshore-Fundament für einen Monopile einer Offshore-Energieanlage, insbesondere Wind- oder Wasserkraftenergieanlage, zur Sicherung des Monopiles im und am Meeresboden sowie ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Offshore-Fundamentes.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anordnungen bekannt, um Offshore-Energieanlagen auf und im Meeresboden zu sichern. Hierzu werden im Wesentlichen Monopiles, Tripods, Jackets und Schwerkraftfundamente verwendet, um die Energieanlagen-Türme mit dem Boden zu verbinden.
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Der hier beschriebene Gegenstand bezieht sich auf Monopile-Anordnungen, kann aber auch für weitere Energieanlagen-Standwerke genutzt werden.
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Eine Monopile-Konstruktion besteht aus einem zylindrischen hohlen Pfahl, meistens aus einem Metall, neuerdings aber auch aus faserverstärkten Kunststoffen. Das Monopile wird in vielen europäischen Offshore-Windparks in Küstennähe verwendet und eignet sich bisher nur für Fundamente in Wassertiefen bis zu etwa 20 Metern. Für den Einsatz leistungsfähigerer Offshore-Energieanlagen in größeren Wassertiefen sind bislang Monopile-Konstruktionen wirtschaftlich nicht geeignet. Ihr Einsatz ist bis zu Wassertiefen von etwa 20 Metern noch wirtschaftlich. Monopiles können einfach und schnell installiert werden, wobei für deren Errichtung häufig schwere Rammgeräte verwendet werden. Monopile-Konstruktionen lassen sich aufwendig gegen die Auskolkung sichern und bieten zudem einen guten Kollisionsschutz. Sie sind in steinigen Meeresböden bislang nicht einsetzbar.
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In Deutschland weisen 80% der möglichen Standorte für Offshore-Energieanlagen eine Wassertiefe von 35 bis 45 Meter auf, so dass hier die einfache Anwendung eines Monopiles in einer üblichen Ausgestaltung mit einem Durchmesser von 6 bis 7 Meter nicht mehr wirtschaftlich anwendbar ist und zudem die Stabilität nicht gewährleistet werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Offshore-Fundament für einen Monopile für eine Offshore-Energieanlage aufzuzeigen, das die Verwendung von Monopile-Strukturen in größeren Wassertiefen kostengünstig ermöglicht, gleichzeitig einen ausreichenden Kolkschutz bietet, unabhängig von einem Bauzeitplan für die Energieanlagen bzw. die Gestellung der Monopile-Strukturen und zudem ohne aufwendige Nachprofilierungsarbeiten herstellbar ist.
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Ferner ist es weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für ein Offshore-Fundament aufzuzeigen, wobei dieses Herstellungsverfahren die zuvor genannten vorrichtungsgemäßen Aufgaben kostengünstig erfüllt.
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Gelöst werden diese Aufgaben mit einem Offshore-Fundament nach Anspruch 1 sowie einem Herstellungsverfahren für ein Offshore-Fundament nach Anspruch 8.
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Dadurch, dass das Offshore-Fundament aus ungebundenen gebrochenen Steinen auf dem Meeresboden besteht und die Steine kegelförmig aufgeschüttet wurden und kegelförmig oder kegelstumpfförmig angeordnet sind, wobei die Steine auf dem Meeresboden in einem ersten Schritt punktuell am späteren Ort des Monopiles aufgebracht wurden und in einem zweiten Schritt durch deren Eigengewicht verdichtet sind, kann ein Monopile von oben in dieses Fundament eingetrieben und im Anschluss weiter in den Meeresboden eindringend eingebracht werden, wobei jedoch das Einbringen in den Meeresboden erheblich geringer ausfällt als mit bisherigen Fundamenten für Monopiles notwendig. Bisherige Monopiles müssen deutlich weiter in den Meeresboden eingebracht werden, um ausreichend Standsicherheit für die später aufgesetzte Energieanlage gewährleisten zu können. Durch das künstliche Aufschütten des Meeresbodens in Form eines Kegelstumpfes bzw. eines Kegels wird die Standsicherheit nunmehr im Wesentlichen durch das auf dem Meeresboden aufgeschüttete Fundament erbracht. Hierbei ist insbesondere die Gesteinsform von entscheidender Bedeutung, da die ungebundenen gebrochenen Steine durch das Einbringen und die Eigenverdichtung nach dem Aufbringen auf dem Meeresboden besonders gut miteinander verzahnen bzw. sich miteinander verbinden, so dass selbst starke Bewegungen und Kräfte sehr gut in das Fundament und den Meeresboden eingeleitet werden können.
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Gebrochene Steine werden ausschließlich durch Brechen hergestellt und sind 100% gebrochenes Kernbankgestein. Hierbei kommt es insbesondere auf die ungleichförmige Kornform an. Es handelt sich nicht um kubische oder gar kugelförmige geschlagene Steine, sondern ausschließlich um gebrochene Steine.
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Ein gebrochenes Korn erzeugt einen maximalen Verbund untereinander, was zu einer dauerhaften sehr guten Verzahnung miteinander führt, so dass die Langlebigkeit des Offshore-Fundamentes dauerhaft gewährleistet ist.
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Da das Gemisch aus ungebundenen gebrochenen Steinen besonders leicht verfügbar ist, da sämtliche möglichen Gesteinsarten hierzu verwendet werden können, stellt dies ein besonders leicht herzustellendes Offshore-Fundament für Monopile-Strukturen dar. Zudem kann unabhängig von der späteren Monopile-Einbringung die Offshore-Fundamentstruktur bereits frühzeitig aufgebaut werden. Bevorzugt werden Tiefengesteine, wie Granit oder auch Granodiorite verwendet.
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Es handelt sich bei den ausschließlich ungebundenen gebrochenen Steinen insbesondere um Natursteine, die mit Schiffen kostengünstig an den Einbringungs- bzw. Herstellungsort transportiert werden können und beispielsweise mittels Fallpipe-Schiffen entsprechend am Meeresgrund aufgebaut werden können.
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Ein Kolkschutz ist nicht notwendig, da das Material in Kegelform gleichzeitig erosionsstabil ist. Die Kegelform bietet hierzu selbst eine überraschend einfache Kolkschutzfunktion, so dass die Erosion im Randbereich auf ein Minimum reduziert ist.
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Ein weiterer besonderer Vorteil ist die günstige Rückbaubarkeit per Kran- oder Saugschiff und die komplette Wiederverwendbarkeit des umweltunbedenklichen Offshore-Fundamentmaterials.
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Bei den bisher bekannten Fundamenten für Offshore-Energieanlagen ist immer eine aufwendige Nacharbeitung notwendig, was in diesem Fall nicht notwendig ist und insbesondere unter Betrachtung der Kosten einen Vorteil mit sich bringt.
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Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Offshore-Fundamentes bei Einsatz von üblichen Meerestiefen geringer als 20 Meter führt die Erfindung dazu, dass deutlich weniger Material für das Monopile verwendet werden muss, so dass hier ein enormes Einsparpotenzial bei der Herstellung des Monopiles realisiert werden kann, da das Monopile nicht so tief wie bisher nötig in den Meeresboden getrieben werden muss.
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Insgesamt ist somit ein Offshore-Fundament für Monopile-Strukturen für Energieanlagen angegeben, das im Wesentlichen kostengünstig herstellbar ist und insbesondere die Möglichkeit eröffnet in tieferen Gewässern über 20 Meter Wassertiefe einfache Monopile-Konstruktionen für die Energienutzung zu verwenden.
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Das Offshore-Fundament weist im sedimentierten Zustand einen Böschungswinkel im Bereich von 1:1,5 bis 1:3 auf, was einen nahezu ideal angeströmten Unterwasserkörper unter Beachtung der Höhe, Stabilität und Belastungseigenschaften darstellt.
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Wenn die ungebundenen gebrochenen Steine eine Korngröße von 1 bis 200 mm aufweisen, erfolgt während des Einbringens bzw. der Sedimentation eine optimale Verzahnung miteinander. Hierzu wird ein Gesteinsgemisch mit optimaler Kornzusammensetzung, entsprechend der Idealsieblinie gemäß oder ähnlich der Fullerparabel auf den Meeresboden als Offshore-Fundament aufgebracht.
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Ein weiterer besonderer Vorteil ist die Materialrohdichte der ungebundenen gebrochenen Steine im Bereich von 2,3 t/m3 bis 3,8 t/m3, insbesondere 2,8 t/m3 liegt, da hier besonders gute Festigkeitswerte des Fundamentes in Testreihen festgestellt wurden. Für ein optimales Offshore-Fundament liegt die Schüttdichte der ungebundenen gebrochenen Steine im Bereich von 1,5 t/m3 bis 2,5 t/m3, insbesondere bei 1,9 t/m3. Die ungebundenen gebrochenen Steine sind erosions- und/oder filterstabil.
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Wenn das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des zu verwendenden oder verwendeten Monopiles und der Breite der Spitze des Offshore-Fundamentes nach dem Einbringen bzw. Sedimentieren im Bereich von 1:1 bis 1:2 liegt, bevorzugt 1:1,5 beträgt, werden die eingeleiteten Kräfte eines in dem Offshore-Fundament angeordneten Monopiles ausreichend und besonders effektiv in den Meeresboden abgeleitet.
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Dadurch, dass in Teilbereichen an der Oberfläche des Offshore-Fundamentes eine Abdeckung aus gebrochenen Steinen der Korngröße bis 600 mm vorgesehen ist, werden Teile des Offshore-Fundamentes besser gegen Kolkbildung und Erosion geschützt.
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Das Herstellungsverfahren für ein Offshore-Fundament für und mit einem Monopile einer Offshore-Energieanlage, insbesondere Wind- oder Wasserkraftenergieanlage, zur Sicherung des Monopiles im und am Meeresboden mit einem erfindungsgemäßen Offshore-Fundament umfasst die Schritte:
- – Aufschütten eines Gesteinsgemisches aus ungebundenen und gebrochenen Steinen auf einem Punkt des Meeresbodens bis zur Höhe h1;
- – Selbstverdichten des aufgeschütteten Gesteins zu einem Kegelstumpf;
- – Einbringen des Monopiles in das Offshore-Fundament durch Einrammen, Einbohren und/oder Einrütteln, wobei der Monopile bis in den Meeresboden eindringend eingebracht wird.
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Die Höhen h1 bzw. h2 sowie h3 und h4 des Monopiles bzw. des Offshore-Fundamentes sind entsprechend den erforderlichen statischen Berechnungen zu bestimmen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung detailliert beschrieben.
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Darin zeigt:
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1 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Offshore-Fundamentes.
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In 1 ist eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Offshore-Fundamentes 4 dargestellt.
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Das Offshore-Fundament 4 besteht aus einzelnen ungebundenen gebrochenen Natursteinen der Fraktion 1 bis 200 mm. Die Steine 41, die aus umliegenden als auch aus weit entfernten Steinbrüchen entstammen, wurden im Steinbruch bzw. an einem Bearbeitungsort gebrochen und im Anschluss beispielsweise mittels eines Fallpipe-Schiffes an den Aufstellungsort gebracht und auf den Meeresboden 2 aufgebracht.
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Durch das Aufbringen hat sich ein kegelförmiges Aufschüttungsfundament 4 mit der Höhe h1 ausgebildet, was im Anschluss eine Zeit, beispielsweise mehrere Monate oder auch Jahre, bevorzugt etwa ein Jahr, selbst verdichtet hat. Eine Wartezeit ist aber nicht zwingend erforderlich. Bei dieser Selbstverdichtung bzw. während des Einbringens verzahnen sich die einzelnen Fraktionen des aufgebrachten Gesteins 41 derart miteinander, dass ein nahezu monolithischer Block entsteht. Während der Sedimentation bzw. des Aufschüttens und der Selbstverdichtung wird die ursprünglich aufgeschüttete Basis breiter und die Höhe h1 bei Einbringung reduziert sich auf die Höhe h2. Hierbei bildet sich noch ein abgeflachter oberer Kegelstumpfbereich aus. Das Steigungsverhältnis an der Böschung beträgt etwa 1:1,5 bis 1:3.
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Im Anschluss an die Sedimentation des Gesteins 41 zu dem monolithischen Offshore-Fundament 4 wird das Monopile 1 von der Oberseite in das kegelstumpfförmige Offshore-Fundament 4 durch Einrammen eingetrieben. Hierbei erfolgt das Einrammen bis in den Meeresboden 2 hinein, wobei jedoch nur eine geringe Eindringtiefe h3 in den Meeresboden 2 von Nöten ist, da insgesamt über die Gesamtlänge h4, nämlich h3 zuzüglich h2, das Monopile 1 kraftschlüssig und sicher verankert ist, wobei sämtliche in das Monopile 1 eingeleiteten Kräfte auf den Meeresboden 2 übertragen werden. Durch das Einbringen des Monopiles wird das Offshore-Fundament an dessen Spitze durch den Rüttel-/Rammvorgang breiter.
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Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Offshore-Fundamentes bei Einsatz von üblichen Meerestiefen geringer als 20 Meter führt die Erfindung dazu, dass deutlich weniger Material für das Monopile 1 verwendet werden muss, so dass hier ein enormes Einsparpotenzial bei der Herstellung des Monopiles 1 realisiert werden kann.
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In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser des Monopiles 1 ungefähr 6 Meter. Der Kopfbereich des Offshore-Fundamentes ist hierbei derart ausgebildet, dass seitlich etwa 2 Meter Material um den Monopile 1 umlaufend vorhanden sind.
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Nachfolgend sind in einer Tabelle beispielhafte Ausführungen des Offshore-Fundamentes aufgeführt:
| Höhe h1 [m] | Höhe h2 [m] | Basisbreite Ø (Böschung 1:2)[m] | Gesteinsmenge [t] |
| 8 | 4,3 | 32 | 3.900 |
| 10 | 6,3 | 40 | 8.000 |
| 12 | 8,3 | 50 | 15.000 |
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Insgesamt lässt sich an diesem Ausführungsbeispiel gut erkennen, dass etwa die Hälfte des Monopiles 1 im Offshore-Fundament 4 und Meeresboden 2 angeordnet ist, wobei lediglich weniger als 20 % der Gesamtlänge des Monopiles 1 im Meeresboden 2 eingebracht sind.
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Mit diesem überraschend einfach ausgebildeten Offshore-Fundament 4 können damit kostengünstig tiefere Meeresregionen mit Wassertiefen zwischen 20 und 50 Metern für die Monopile-Nutzung erreicht werden, als auch bei herkömmlichen Meerestiefen unter 20 Meter die Monopile-Herstellungskosten durch die quasi Anhebung des Meeresbodens reduziert werden. Ebenso können steinige Meeresböden 2, die mit einer nutzbaren Schicht für die Eintreibung eines Monopiles 1 an der Oberfläche geeignet sind, genutzt werden, da nur ein Bruchteil der üblicherweise notwendigen Länge des Monopiles 1 in den Meeresboden 2 eingebracht werden muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Monopile
- 2
- Meeresboden
- 3
- Wasseroberfläche
- 4
- aufgeschüttetes Fundament
- 41
- gebrochener Stein
- h1
- Höhe des aufgeschütteten Fundamentes bei Einbringung des Schüttgutes
- h2
- Höhe des aufgeschütteten und im Anschluss sedimentierten Fundamentes
- h3
- Eindringtiefe des Monopiles in den Meeresboden
- h4
- Gesamtlänge der Monopile-Verankerung
