-
Einleitung
-
Die Erfindung betrifft eine schwimmende Windenergieanlage (WEA) samt zugehörigem Transport- und Installationssystem.
-
Stand der Technik
-
Es ist bekannt, dass im Interesse einer raschen Amortisation und ausreichender Rendite, Windparks mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand vorrangig dort installiert werden, wo das ganze Jahr über mit großer Wahrscheinlichkeit eine hohe Energieausbeute zu erwarten ist, wie es z. B. unter anderem auch vor Küsten und besonders auf offener See der Fall ist.
-
Gegenwärtig werden bekanntlich zur kommerziellen Offshore-Windverstromung nur fest mit dem Meeresgrund verbundene Anlagen eingesetzt, deren Installation sowie restloser Rückbau zum Nutzungsende am Einsatzort erfolgen muss. Alle damit verbundenen Arbeiten sind wetterabhängig und verlangen knappes, kostenintensives Spezialgerät wie Schlepper, Transportfahrzeuge, Schwimmkrane, Rammen, aufstelzbare Plattformen usw. mitsamt den erforderlichen Spezialisten.
-
Das „Institut für Seeverkehrswirtschaft und Logistik (ISL)” schätzt den finanziellen Logistikaufwand bei der Installation und dem Rückbau feststehender WEA daher auch auf ca. 20% der Gesamtkosten.
(https://www.isl.org/de/beratung-und-transferleistungen/offshore-windenergie-logistik)
-
Immobile WEA sind bekanntlich aus technischen und wirtschaftlichen Gründen bis maximal 50 m Wassertiefe einsetzbar. Entsprechende Einsatzgebiete befinden sich allgemein in den Hoheitsgewässern von Küstenstaaten, die auch die Flächen für Windparks ausweisen. WEA in Landnähe bergen jedoch (besonders in Deutschland) starkes Konfliktpotential mit den Küstengemeinden und dem Naturschutz, so dass künftig vermehrt auch Flächen in den Wirtschaftszonen der Küstenstaaten, außerhalb der Sichtweite von der Küste und über Tiefen von mehr als 50 m, genutzt werden müssen. Länder vor deren Küsten die Wassertiefe schnell abfällt sind ebenfalls auf Lösungen angewiesen, um Wind über Tiefen von mehr als 50 m zu verstromen.
-
Dafür kommen nur schwimmende Windenergieanlagen mit den allgemein bekannten Vorteilen gegenüber feststehenden Anlagen in Frage:
- – serienmäßige Komplettmontage im Hafen,
- – Wegfall der aufwändigen und umweltbelastenden Gründung,
- – bedeutende Verringerung des gesamten Logistikaufwands,
- – Erschließung zusätzlicher Meeresflächen über größeren Tiefen und außerhalb der Sicht von den Küsten,
- – Rückholmöglichkeit zur Generalreparatur/bei Havarien mit vertretbarem Aufwand,
- – unkomplizierter Rückbau der Anlage am Nutzungsende,
-
Voraussetzung für den Einsatz schwimmender WEA ist jedoch, dass ihre Stabilität während des gesamten Transports zwischen Hafen und Einsatzort durch Mittel gewährleistet wird, die den nautischen Bedingungen auf der gesamten Seestrecke Rechnung tragen und finanziell vertretbaren sind. Am Einsatzort wird ihre Stabilität dann durch die Verankerung unterstützt bzw. sogar gewährleistet, wie es z. B. bei ”Tension-Leg-Plattforms” (TLP) der Fall ist. Es ist jedoch auch bekannt, dass Turm, Gondel plus Rotor der Anlagen zusammen mehrere hundert Tonnen Masse aufweisen und die Höhe ihres gemeinsamen Masseschwerpunkts über dem Auftriebsschwerpunkt, den technischen und somit auch finanziellen Aufwand zum Stabilitätserhalt derselben bestimmt. Das heißt, Länge, Breite und Tiefgang des schwimmenden Anlagenfundaments und damit auch die Anforderung an das Fahrwasser, hängen von den Höhenmomenten der Anlage ab. Allgemein bekannt ist auch, dass gegenwärtige Windkraftanlagen konstruktionsbedingt nur stehend, d. h. mit horizontal ausgerichteter Rotorachse, transportiert werden dürfen, liegender Transport ist somit aus technischen Gründen unzulässig und ein teleskopartiger Turm aufgrund des hohen technischen und technologischen Aufwandes für die Praxis ungeeignet. Offensichtlich wurde das Stabilitätsproblem schwimmender WEA noch nicht zufriedenstellend gelöst, denn bisher sind nur die vier Pilotprojekte mittlerer Größe ”Hywind” – Norwegen, ”Wind-Float” – Portugal sowie die japanischen ”Fukushima” und ”Goto ocean energy” bekannt geworden, die alle Forschungszwecken dienen und somit nur bedingt ökonomischen Zwängen unterliegen.
(Wikipedia.org „Schwimmnde Windkraftanlage/Einzelnachweise")
-
Die Stabilität der erwähnten Anlagen wird durch Ballast im schwimmenden Fundament und/oder seine horizontale Ausdehnung erreicht, was mit zusätzlichen Material- und Fertigungskosten verbunden ist.
-
Aufgabenstellung
-
Dem weltweiten Boom der Windverstromung auf See, d. h. der großen Anzahl zu installierender schwimmender Windenergieanlagen Rechnung tragend, liegt demgegenüber der Erfindung die Aufgabe zugrunde, schwimmende WEA ohne Ballast und im Komplettzustand direkt vom Hafen über dessen Fahrwasser für mittelgroße Schiffe mit technisch und finanziell vertretbarem Aufwand sicher, schnell und wetterrobust zum Standort auf die offene See zu bringen und dort, ohne zusätzlichen Aufwand sowie zeitlichen Verzug, durch Mittel zu fixieren, deren Einfluss auf die Umwelt akzeptierbar ist.
-
Mittel der erfindungsgemäßen Lösung
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Masseschwerpunkt der schwimmenden WEA für den Seetransport soweit abgesenkt wird, dass sie auf einem Trägerfahrzeug stabil schwimmend über das Hafenfahrwasser zum Offshorestandort transportiert werden kann. Dazu wird die erfindungsgemäß ausgeführte Anlage im Hafen in eine untere und eine obere Einheit aufgeteilt. Während die untere Baugruppe der Anlage aus ca. 2/3 des Turms, dem zylinderförmigen, schwimmenden Fundament samt Stabilitätsarm sowie dem durch Ketten oder Trossen geeigneter Länge, die mittels einer Spreizvorrichtung untereinander auf Abstand gehalten werden, am Zylinder befestigten Schwerkraftanker besteht, bilden ca. 1/3 des Turms samt Gondel und Rotor die obere Baugruppe. Für den Umschlag und Transport werden beide Module gemeinsam in der erfindungsgemäß ausgeführten Kassette gelagert, das untere Modul liegend, das obere Modul dagegen, mit horizontal ausgerichteter Rotorachse, im beweglichen Kassettenteil stehend. Die Kassette samt WEA wird im Horizontalmschlag auf die abklapp- und ausfahrbare Mittelsektion des erfindungsgemäß ausgeführten schwimmenden Trägerfahrzeugs gebracht und mit ihm verriegelt. Erfindungsgemäß ist in der Mittelsektion ein Teleskopsystem integriert, an dessen hinterem Ende ein Auftriebskörper für das Kassettenteil mit dem Schwerkraftanker starr angedockt. Am Bestimmungsort wird die Mittelsektion des Trägerfahrzeugs durch Fluten des angedockten Auftriebskörper kontrolliert um eine feste, querschiffs angeordnete Achse soweit nach unten geklappt, bis die Langsachsen beider Turmteile ineinander übergehen, somit deren Mantelschnittflächen deckungsgleich übereinander liegen und beide daran befindliche Verbindungsflansche durch geeignete Mittel miteinander verbunden werden können. Zusätzliches Fluten lässt das teleskopartige Zubehör der Mittelsektion samt angedockten Ponton so weit absinken, bis der Schwerkraftanker fest auf dem Grund steht, die Anlage somit fixiert ist und vom Trägerfahrzeug getrennt werden kann. Während dieses Klappvorgangs sorgt erfindungsgemäß entweder ein Gestänge oder ein automatisch gesteuertes Spindelgetriebe an der Kassette dafür, dass das obere Anlagenmodul immer senkrecht steht, d. h. seine Rotorachse ihre horizontale Lage behält. Die auf der Einsatzposition abgesetzte WEA wird durch den Schwerkraftanker fixiert, der durch Ketten/Kunststofftrossen bereits im Hafen mit dem Mantel des zylinderförmigen schwimmenden Fundaments verbunden wurde, wobei diese in der Länge so bemessen sind, dass der Auftriebskörper unter Wasser gezogen und die Anlage durch den starken Auftrieb des schwimmbaren Fundaments zur ”Tension Leg Platform” (TLP) wird, d. h. ein sehr steifes System bildet. Das vom unteren Zentrum des Auftriebskörpers nach unten reichende lange, biegesteife Rohr ist mit seinem unteren Ende in der Mitte zwischen den straff gespannten Ankertrossen befestigt und wirkt somit als Stabilitätshebel den Nickbewegungen des Turms entgegen. Der Schwerkraftanker kann zusätzlich auch als Sauganker ausgelegt sowie die stehende Anlage mittels drei vom schwimmenden Fundament schräg zum Meeresboden verlaufende Trosse zusätzlich stabilisiert und verankert werden.
-
Technisch-ökonomische Auswirkung
-
Durch die erfindungsgemäße Ausführung der schwimmenden Windenergieanlage, der Kassette zur Aufnahme der Anlage sowie des schwimmenden Transportmittels wird es möglich, Windenergieanlagen bereits im Hafen in Serie komplett zu montieren und über dessen Fahrwasser wetterrobust zum Offshore-Standort zu bringen und dort zu fixieren. Die Erfindung erlaubt es auch, die komplette Anlage oder nur ihr oberes Teil, bestehend aus ca. 1/3 der Turmlänge samt Gondel mit Rotor mit vertretbarem Aufwand zur Reparatur in den Hafen zu holen. Das schwimmende Transportmittel setzt eine größere Anzahl zu installierender Windenergieanlagen voraus und lässt sich, ohne Auftriebskörper für den Schwerkraftanker und mit arretierter Mittelsektion, auch für andere Aufgaben nutzen.
-
Ausführungsbeispiel
-
Das Prinzip der Erfindung wird unter Bezugnahme nachfolgender Zeichnungen erläutert, es zeigen:
-
1: die erfindungsgemäß ausgeführte WEA in zwei Module geteilt,
-
2: die erfindungsgemäß ausgeführte Transportkassette,
-
3: das erfindungsgemäß ausgeführte Trägerfahrzeug in der Seitenansicht mit abklappbarer Mittelsektion,
-
4: das erfindungsgemäß ausgeführte Trägerfahrzeug in der Draufsicht mit abklappbarer Mittelsektion,
-
5: die Seitenansicht von Trägerfahrzeug, Transportkassette und WEA im Verschiffungsmodus,
-
6: die WEA beim Aufrichten in der 45° Stellung,
-
6.1: das Kassettenknie beim Aufrichten in der 45° Stellung,
-
7: die gestreckte WEA, d. h. in der 90° Endstellung,
-
7.1: das Kassettenknie mit dem WEA-Ober/-Unterteil in der 90° Endstellung,
-
8: die herausschwimmenende WEA,
-
9: das bewegliche Kassettenteil wird durch ein Gestänge senkrecht gehalten,
-
10: die Zusammenfassung,
-
1 zeigt die beiden Module der schwimmbaren WEA in der für ihren Transport vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Aufteilung. Während das untere Modul aus dem Turmunterteil 1 mit dem zylindrischen Auftriebskörper 2, dem Stabilitätsarm 3 mit dem Spreizring 4 und den dazwischen befindlichen Befestigungstrossen 5, dem Schwerkraftanker 6 mit Kragen 7 sowie den Ankertrossen 8 besteht, setzt sich das obere Modul aus dem Turmteil 9 samt Gondel mit Rotor sowie der mit diesem Bauteil fest verbundenen Stützmanschette 10 zusammen. An den Mantelschnittflächen der Turmteile 1 und 9 befinden sich die Verbindungsflansche 11a und 11b.
-
2 erläutert den Aufbau der erfindungsgemäß ausgeführten Kassette in der Seitenansicht. Sie besteht aus der Kassettenbasis 12, dem davon lösbaren Kassettenteil 13 für den Schwerkraftanker 6, dem senkrecht stehenden, hinten offenen U-förmigen Mantel 15, der sich zwischen den beidseitig befindlichen Leitkonsolen 14 bewegt, dem dazugehörigen Kniegelenken 16, den Gleit-/Drucklagern, bestehend aus den Kufen 17a und den Schienen 17b, den beidseitig vorhandenen Gewindespindeln 18 die über die beiden Getriebe 19 synchron gesteuert werden und so mittels den dazugehörigen Spindelmuttern 20 sowie den Mantelarmen 21 die Lage des U-förmigen Mantels 15 steuern. Die Pallungen 22a, 22b und 22c dienen zur Aufnahme und Sicherung des unteren WEA-Moduls, wobei sich die Anlage beim Aufrichten auf Pallung 22b stützt. Die Pallungen 23a und 23b, des von dem Kassettenhauptteil 12 lösbaren Kassettenteils 13, sichern während des Transports den Schwerkraftanker 6, beim Aufrichten der Anlage hakt Pallung 23a zusätzlich unter den Kragen 7 des Schwerkraftankers 6.
-
3 zeigt schematische die Seitenansicht des erfindungsgemäß ausgeführten Trägerfahrzeugs 24 mit der um die Achse 26 abklappbaren Mittelsektion 25, dem ein-/ausfahrbaren Teleskop 27, dem daran starr andockbaren Auftriebskörper 28 für den Schwerkraftanker 6 sowie die unter Deck befindlichen Winschen 29a und 29b zur Steuerung des Klappvorgangs der Mittelsektion 25 samt Anhang 27 und 28. Das Teleskop 27 und der Ponton 28 sind in mehrere Tanks unterteilt, die zum Absenken kontrolliert passiv geflutet werden. Ihr Lenzen erfolgt, wie bei U-Booten, mit Druckluft.
-
4 beschreibt in der Draufsicht schematisch das erfindungsgemäß ausgeführte Transportfahrzeugs 24 mit der um die Achse 26 abklappbaren Mittelsektion 25 und dem Teleskop 27 das mit dem Auftriebskörper 28 für den Schwerkraftanker 6 starr verbunden ist sowie die unter Deck angeordneten Winschen 29a/29b, die zur Kontrolle des Klappvorgangs dienen.
-
5 zeigt den Horizontalumschlag der WEA in der erfindungsgemäß ausgeführten Kassette.
-
5.1 stellt den Verschiffungsmodus der erfindungsgemäß ausgeführten schwimmbaren WEA zusammen mit dem zugehörigen Schwerkraftanker dar. Erkennbar ist, dass das Gewicht von Turmteil 9 über die mit ihm fest verbundene Manschette 10 auf den U-förmigen Mantel 15 abgeleitet wird und während des Transports die Teleskopeinrichtung 27 in der abklappbaren Mittelsektion 26 eingefahren bleibt.
-
6 erläutert den Aufrichtvorgang der erfindungsgemäß ausgeführten WEA. Erkennbar ist, dass die Mittelsektion 25 samt darauf befindlicher Kassettenbasis 12 über Achse 26 als Wippe wirkt. Durch das Abklappen ihres Unterwasserteils werden gleichzeitig alle Überwasserbauteile der WEA angehoben, wobei die senkrechte Lage des Turmoberteils 9 mittels Spindel 18 und Spindelmutter 20 erhalten bleibt. Die vordere Kontrollwinsch 29a reguliert dabei über die zugehörige Talje 29a den Abklappvorgang.
-
6.1 verdeutlicht das Zusammenwirken einzelner Komponenten im Bereich des Kassettenknies während des Aufrichtens der WEA. Es wird gezeigt, dass das Gewicht des kompletten Turmoberteils 9 über die an ihm befestigte Stützmanschette 10 auf den U-förmigen Kassettenmantel 15, die aus Kufen 17a und Schienen 17b bestehenden Gleitlager, die Kassettenbasis 12, auf die Mittelsektion 25 abgeleitet wird. Gewindespindel 18 wird über das Getriebe 19 bewegt und steuert über die am Mantelarm 21 drehbar befestigte Spindelmutter 20 die senkrechte Lage des Kassettenmantels 15 mit dem kompletten Turmoberteil 9. Mantelarm 21 ist über das Kniegelenk 16 mit dem Kassettenmantel 15 gegenüber der jeweils auf seiner Seite befindlichen Leitkonsole 14 drehbar verbunden.
-
7, 7.1 veranschaulichen das Verbinden von Turmunterteil 1 mit Turmoberteil 9 sowie das Absetzen des Schwerkraftankers 6 der WEA auf dem Meeresgrund. Bei senkrechter Stellung der Mittelsektion 25 gehen die Längsachsen von Turmoberteil 9 und Turmunterteil 1 ineinander über, so dass die beiden Verbindungsflansche 11a und 11b deckungsgleich übereinander liegen und miteinander verschraubt werden können. Anschließend werden durch weiteres Fluten von Ponton 28 und Teleskop 27 diese soweit abgesenkt, bis der Schwerkraftanker 6 fest auf dem Meeresgrund steht. Indem Steuerungseinrichtung 29a Lose auf die Talje gibt und Steuerungseinrichtung 29b gleichzeitig die zugehörige Talje anzieht, wird die unter Wasser befindliche Einheit aus Mittelsektion 25, Teleskop 27 sowie Ponton 28 um die Achse 26 soweit in Richtung Vorsteven bewegt, bis die Pallung 23a vom Kragen 7 des Schwerkraftankers 6 freikommt und damit die WEA frei steht. Der Auftrieb des schwimmenden Fundaments 2 bewirkt eine sehr hohe Zugspannung auf die Ankertrossen 8, so durch die Verbindung des Stabilitätsarms 3 über die Trossen 5 und den Spreizring 4 mit ihnen, ein sehr steifes System gebildet wird, d. h. die Windenergieanlage schwimmt starr im Wasser.
-
8 zeigt, dass das Fundament 2 unterhalb der Wasseroberfläche schwimmt und sich das Transportfahrzeug von der abgesetzten WEA trennt.
-
8.1 verdeutlicht die Befestigung des Stabilitätsarms 3 an den straff gespannten Ankerketten/-trossen 8 durch die Trossen 5.
-
9 erläutert den Einsatz eines Gestänges 30 als Alternative zu den Gewindespindeln 18 um das bewegliche Kassettenteil beim Klappvorgang in senkrechter Lage zu halten. Seine unteren Gelenke 31 sind mit dem Deck des Trägerfahrzeugs 24 und seine oberen Gelenke 32 mit dem U-förmigen Mantel 15 verbunden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- unteres Turmmodul
- 2
- zylindrischer Auftriebskörper, schwimmendes Anlagenfundament
- 3
- Stabilitätshebel
- 4
- Spreizvorrichtung für Ankertrossen
- 5
- Befestigungstrosse zwischen Stabilitätsring und Spreizvorrichtung
- 6
- Schwerkraftankers
- 7
- Kragen am Schwerkraftankers
- 8
- Ankertrosse/Ankerketten
- 9
- oberes Turmmodul
- 10
- mit der oberen Turmsektion fest verbundene Stützmanschette
- 11a
- Verbindungsflansch an der oberen Turmsektion
- 11b
- Verbindungsflansch an der unteren Turmsektion
- 12
- Kassettenbasis
- 13
- von der Kassettenbasis abkoppelbares Teil
- 14
- Leitkonsolen, fest mit Kassettenbasis verbundene
- 15
- U-förmiger Mantel, hinten offen
- 16
- Gelenk zwischen Kassettenbasis und U-förmigen Mantel,
- 17a
- Kufen Drucklager,
- 17b
- Schienen Drucklager
- 18
- Gewindespindel
- 19
- Getriebe für die Gewindespindel
- 20
- Mutter Gewindespindel
- 21
- Arm am U-förmigen Mantel befestigt
- 22a
- vordere Pallung
- 22b
- Stützpallung
- 22c
- hintere Pallung
- 23a
- Pallung für Schwerkraftanker, greift hinter Kragen 28
- 23b
- Pallung für Schwerkraftanker
- 24
- Trägerfahrzeug
- 25
- Achse für abklappbare Mittelsektion
- 26
- Mittelsektion
- 27
- Teleskopteil der Mittelsektion
- 28
- Auftriebskörper für Schwerkraftanker
- 29a
- vordere Kontrollwinsch
- 29b
- achtere Kontrollwinsch
- 30
- Steuergestänge
- 31
- unteres Gelenk des Steuergestänges, an Deck befestigt
- 32
- oberes Gelenk des Steuergestänges, am U-förmigen Mantel befestigt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- https://www.isl.org/de/beratung-und-transferleistungen/offshore-windenergie-logistik [0004]
- Wikipedia.org „Schwimmnde Windkraftanlage/Einzelnachweise” [0007]
