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Die Erfindung betrifft ein schwimmendes Fundament für eine schwimmende Windenergieanlage mit einem zur Aufnahme eines Windenergieanlagenturms eingerichteten Sockel und einer Mehrzahl von sich vom Sockel erstreckenden Armen, wobei die Arme aus Segmenten aufgebaut sind, die eine Mehrzahl von zur Aufnahme von Ballastwasser eingerichteten Kammern ausbilden. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine schwimmende Windenergieanlage, die das zuvor genannte Fundament aufweist.
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Neben der etablierten Windenergienutzung an Land werden auch zunehmend Offshore-Anlagen errichtet. Diese Anlagen unterliegen besonderen Anforderungen hinsichtlich Wartungsarmut, Zuverlässigkeit, Anlagengröße und Umwelteinflüssen. Zurzeit werden ausschließlich bodengebundene Offshore-Anlagen verwendet, die durch Stahlrohre mit dem Untergrund fest verbunden werden.
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Für diese Anlagen benötigt man große Transport- und Errichterschiffe, die besonders teuer im Einsatz sind. Hinzu kommt das bei den Bodengebundenen Anlagen die Wassertiefe limitiert ist und der Boden bestimmte Eigenschaften aufweisen muss.
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Üblicherweise werden die Verbindungen mit dem Meeresboden über Rammpfähle hergestellt. Dieses mit dem Installationsvorgang einhergehende Geräuschbelästigung führt oftmals zu Genehmigungsproblemen, wenn mit der Anwesenheit von Schweinswalen oder anderen Tieren zu rechnen ist.
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Seit einiger Zeit wird auch verstärkt über schwimmende Offshore-Windenergieanlagen nachgedacht, die nicht mehr oder weniger steif mit dem Meeresboden verbunden sind. Diese schwimmenden Anlagen, wie sie beispielsweise aus der
DE 10 2013 111 115 B3 und der
FR 2970 748 A1 bekannt sind, die über Kettensysteme mit dem Boden verbunden werden, haben diese Nachteile nicht und können auch bei größeren Wassertiefen eingesetzt werden. Dadurch kann der Einsatzbereich von Windenergieanlagen erheblich erweitert werden.
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Heute bereits realisieren schwimmende Windenergieanlagen verfügen meist über Schwimmer die aus Stahlblechen gefertigt werden. Dieses führt zu schweren und sehr teuren Konstruktionen die im Trockendock oder auf Slipanlagen zusammengeschweißt werden. Diese Bauteile führen zu einer sehr arbeits- und zeitaufwändigen Herstellung schwimmender Anlagen und machen die Offshore-Windenergienutzung mit schwimmenden Anlagen derzeit völlig unwirtschaftlich.
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Das eingangs genannte Fundament für eine schwimmende Windenergieanlage ist in seinen Grundzügen aus der
WO 2016/000681 A1 „Schwimmende Windenergieanlage mit einem schwimmenden Fundament und Verfahren zur Installation einer solchen Windenergieanlage“ bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es dieses Fundament weiter auszubilden und als Alternative zu herkömmlichen Konstruktionen eine schwimmende Windenergieanlage zu schaffen, die wenig arbeitsaufwändig, mit geringem Materialaufwand und mit geringen Materialkosten hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die schwimmende Windenergieanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Bei dieser Windenergieanlage ist das Fundamentteil aus einer Mehrzahl von Betonsegmenten zusammengefügt, die vorher in separaten Formen hergestellt werden. Dabei können die Einzelteile gerade oder auch vorteilhaft konisch gegossen werden. In jeden Fall müssen die Anschlussflächen der aneinander angeordneten Einzelteile den gleichen Oberflächenquerschnitt haben damit diese exakt aufeinander passen. Die einzelnen Teile habe eine Größe, das diese leicht gehandhabt und auch auf LKW transportiert werden können. Dadurch gibt es eine Gewichtbeschränkung von ca. 100 t pro Bauteil.
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Die Kontaktflächen der Einzelteile müssen eine hohe Genauigkeit hinsichtlich Planheit aufweisen, wodurch erforderlich ist, dass die einzelnen Betonfertigteile an den Stirnflächen geschliffen, plangedreht oder plangefräst werden. Wenigstens die bei der Herstellung nach oben weisende Fläche muss mechanisch derart bearbeitet werden. Hingegen kann die untere Fläche bei genügend ebener Auflagefläche unbearbeitet bleiben.
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Die Einzelteile haben eine Wandstärke, die sich noch gut fertigen lässt und ist entsprechend der statischen Anforderungen zu bemessen. Im Bereich der Mitte der Wandung sind vor dem Betonieren in den Formen Rohre eingelassen die nach dem Aushärten entsprechende Hohlräume (Kanäle) bilden. Die Rohre sind in allen Bauteilen so anzuordnen, das diese in Flucht liegen und später mit Spannelementen, die durch alle Bauteile eines Fundamentteils hindurchgehen, zusammengespannt werden können, um eine definierte Druckvorspannung in die Bauteile einzubringen.
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Das vorgeschlagene Fundament hat bevorzugt eine Y-förmige Struktur aus drei Armen und hat vorzugsweise einen elliptischen oder gerundeten Querschnitt. Es können aber auch rechteckige oder mehreckige Querschnitte Verwendung finden.
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Die Verwendung eines sechseckigen Querschnitts ist insbesondere aufgrund der einfachen Fertigung vorteilhaft, wobei auch in der Horizontalen auf der Ober- und Unterseite des Profils zueinander parallel angeordnete ebene Flächen erhalten werden. Seitlich bildet das sechseckige Profil dabei eine keilförmige Struktur aus, die nur einen geringen Widerstandsbeiwert für das Fundament anströmende Wellen aufweist.
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An einem zentralen Teil (Sockel) kommen die drei Arme zusammen und werden zu einem Bauteil verbunden. Dieses Zentralteil kann aus Beton oder Stahl hergestellt werden.
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Auf diesem als Sockel ausgebildeten Zentralteil ist der Turm angeordnet und wird dort mit dem Fundament fest verbunden. An den äußeren Enden der drei Arme sind Abschlusselemente angeordnet, die einerseits mit dem Betonfundamentteil verspannt sind und zum anderen nach oben hin das Befestigungselement für jeweils einen Schwimmer darstellen.
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Die Spannelemente, z.B. Spannlitzen aus Stahl oder Kohlefasen, sind entweder am Zentralteil befestigt und werden beispielsweise hydraulisch an den Abschlussträger jeweils außen an den Fundamentarmen mit Vorspannung versehen oder das ganze findet umgekehrt statt. Die Vorspannung wird dann mittels Klemm- oder Schraubelementen dauerhaft gehalten. Dabei kann der Hohlraum zwischen den Spannlitzen und der Wandung der Kanäle, die die Spannlitzen durchziehen, mit einem Korrosionsschutzmittel befüllt werden.
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Die Fundamenteinzelteile sind im Normalfall einfache Röhren mit elliptischem, gerundetem, rechteckigem oder mehreckigem Querschnitt. Beide Seiten sind offen. Um das Fundament gezielt abzusenken und auf die erforderliche Arbeitstiefe zu bringen, wird das Fundament mit einzelnen Kammern versehen um gezielt Ballastwasser in die Struktur einzubringen. Hierfür werden einzelne Fertigbetonteile mit einem Deckel versehen, der bevorzugt beim Gussprozess mit entsteht. Dazu verfügt die entsprechende Produktionsform über einen Deckel am inneren Teil der Form. Dieser Deckel kann an der entsprechenden Form befestigt werden oder auch weggelassen werden, je nachdem was für ein Bauteil benötigt wird. Es entstehen also beidseitig offene Röhren oder einseitig geschlossene Röhren. Die Deckel können aber auch separat gefertigt werden, wobei die Löcher für die Spannlitzen an den richtigen Positionen mit vorzusehen sind. Diese Deckel werden dann bei der Endmontage zwischen den entsprechenden Röhrenteilen angeordnet und verspannt. Der Deckel ist dabei ebenfalls mit Dichtungen zu versehen, die den Deckel gegenüber dem Hohlzylinder abdichten.
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Wenn die Einzelbauteile dann aneinander angeordnet werden, entstehen einzelne Kammern, auch unterschiedlicher Länge. Diese Kammern können gezielt über Rohrleitungen mit Wasser geflutet werden, oder durch ein Belüftungsrohr durch das Aufbringen von Druckluft wieder entleert werden können. Damit diese dauerhaft in stabilem Befüllungsstand gehalten werden können, müssen die Einzelbetonteile an den Stirnflächen mit Dichtungen versehen werden, die das Eindringen von Wasser von außen in einen Hohlraum, aber auch das Durchsickern von Wasser in den Bereich der Spannelemente verhindern soll. Diese könnten dadurch verstärkter Korrosion ausgesetzt werden.
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Um dieses zu gewährleisten, sind jeweils zwei Dichtungen innen und außen von den Spannelementen angeordnet. Hierfür werden vorzugsweise zwei Ringnuten in einen der beiden aneinanderlegenden Einzelbauteile eingefräst oder geschliffen, in die eine geeignete Dichtung eingelegt wird. Durch das Verspannen der Betoneinzelbauteile werden die Dichtungen angepresst und verschließen den Spalt gegen das Eindringen von Wasser sowohl von außen als auch von innen.
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Über an der Stirnseite angeordnete Zentriermittel wird der zentrierte Zusammenbau der einzelnen Segmente gewährleistet. Dieses kann beispielsweise durch eine in der Stirnfläche des einen Segments eingefräste Nut und eine in der Stirnfläche des anderen Segments komplementär ausgebildete Feder bewerkstelligt werden.
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Nach Fertigstellung der einzelnen Bauteile werden diese auf einem Montageplatz, z.B. einem Trockendock, Splipanlage o.ä. in Vorrichtungen zueinander positioniert. Die Spannelemente werden dann durch entsprechenden Löcher in den Betoneinzelteilen geführt, auf einer Seite, z.B. am Zentralteil befestigt und dann auf der anderen Seite der Abschlussteile mit Spannmitteln, z.B. Hydraulikspanner, auf die vorgesehene Vorspannung verspannt. Dieser Prozess wird in mehreren Schritten vollzogen bis die Endspannung erreicht wird.
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Das bevorzugte Y-Fundament verfügt über zwei gleich lange Arme und einem nach Luv gerichteten längeren Arm. Dabei bei ist vorteilhaft vorzusehen, dass die Bauteile oder ein Teil der Bauteile der kürzeren Arme auch für den äußeren Teil des längeren Armes verwendet werden können. Das spart Investitionskosten für die Formherstellung und vereinfacht den Herstellungsprozess.
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Zur Befüllung und Entleerung der einzelnen Kammern in den drei Armen, werden die Befüllungsrohre und die Entleerungsdruckleitungen zum Zentralteil (Sockel) oder dem Turm geführt. Dort wird ein System aus Ventilen und Pumpen von einer Steuerung geregelt, um eine möglichst horizontale Absenkung ohne Schiefstellung zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß ist also ein schwimmendes Fundament für eine schwimmende Windenergieanlage vorgesehen, mit einem zur Aufnahme eines Windenergieanlagenturms eingerichteten Sockel und einer Mehrzahl von sich vom Sockel erstreckenden Armen, wobei die Arme aus Segmenten aufgebaut sind, die eine Mehrzahl von zur Aufnahme von Ballastwasser eingerichteten Kammern ausbilden und wobei die Segmente aus Beton gefertigt, als Hohlzylinder mit rundem, elliptischem, rechteckigem oder mehreckigem Querschnitt ausgebildet und miteinander mittels durch die Wandungen der Segmente axial verlaufenden Spannelementen in Längsrichtung miteinander verspannt sind.
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Die Fertigung der Segmente aus Beton hat den Vorteil, dass dieser Werkstoff leicht zu verarbeiten ist und sich für eine Serienproduktion entsprechend ausgestalteter Segmente eignet.
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Die Anzahl der Kammern eines Arms unterscheidet sich von der Anzahl der Segmente und ist bevorzugt geringer als die Anzahl der Segmente des Arms.
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Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Arm des Fundaments länger als die anderen Arme ausgebildet ist.
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Dabei wird eine besonders bevorzugte Ausgestaltung erreicht, wenn eine Teilmenge der Segmente des längeren Arms identisch zu wenigstens einer Teilmenge der Segmente der kürzeren Arme ausgebildet ist. Trotz unterschiedlicher Ausgestaltung der Arme des Fundaments ermöglicht dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel den Aufbau eines Fundaments aus nur wenigen Segmentelementen, sodass ein derartiges Fundament einfach und nur mit relativ geringem Arbeitsaufwand hergestellt werden kann.
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Bevorzugt weisen die Segmente eine in Längsrichtung der Arme ausgebildete konische Form auf.
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Wenigstens ein Segment eines Arms weist bevorzugt - unter Ausbildung einer Mehrzahl von den Arm unterteilenden Kammern - eine das Segment einseitig verschließende Wandung auf.
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Für die Trimmung des schwimmenden Fundaments ist eine im Sockel angeordnete, Pumpen und Ventile aufweisende Trimmeinrichtung vorgesehen, die mit den Kammern der Arme über Leitungen zum Befüllen und Entleeren der Kammern mit Ballastwasser verbunden ist.
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Um die als Hohlkörper ausgebildeten Arme gegen das Eindringen (oder Entweichen von Ballst-) Wasser zu schützen, weist wenigstens eines von zwei benachbart angeordneten Segmenten eine an der dem anderen Segment zugewandten Stirnseite angeordnete Dichtung auf. Die Dichtung ist so vorzusehen, dass Wasser von außerhalb nicht in das Fundament eindringen und insbesondere die in der Wandung verlaufenden Spannelemente angreifen kann.
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Besonders bevorzugt sind jedoch zwei jeweils an einer Stirnseite eines Segments angeordnete Ringdichtungen vorgesehen, wobei die eine Ringdichtung in radialer Richtung außerhalb der Spannelemente und die andere Ringdichtung in radialer Richtung innerhalb der Spannelemente angeordnet ist. Dadurch wird einerseits ein Eindringen von Wasser von außerhalb des Fundaments in die Kammern und andererseits ein Auslaufen von Wasser aus den Kammern in die Umgebung verhindert. Aufgrund der beidseits der Spannelemente verlaufenden Dichtungen bleiben die Spannelemente vor Korrosion geschützt.
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Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeweils ein gegenüber dem Sockel angeordnetes, die Segmente jeweils eines Arms einseitig abschließendes Abschlusselement vorgesehen. Dieses Abschlusselement, wie auch gegebenenfalls der Sockel, sind bevorzugt aus Stahl gebildet.
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Dabei ist speziell vorgesehen, dass die Abschlusselemente mit dem Sockel verspannt sind. Insbesondere sind die Spannelemente an jeweils einem Abschlusselement und dem Sockel gelagert und durchlaufen die Wandungen der Segmente zwischen dem jeweiligen Abschlusselement und dem Sockel. Dabei kann im Sockel und/oder im Abschlusselement eine Spannvorrichtung vorgesehen sein, die ein Spannen oder Nachspannen der Spannelemente erlaubt.
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Schließlich wird auch eine schwimmende Windenergieanlage mit einem schwimmenden Fundament wie zuvor beschrieben beansprucht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Gesamtansicht einer schwimmenden Windenergieanlage mit einem bevorzugt ausgebildeten schwimmenden Fundament nach der Erfindung;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines besonders bevorzugt ausgestalteten schwimmenden Fundaments nach der Erfindung;
- 3 eine Detailansicht des längsten Arms des schwimmenden Fundaments aus 2;
- 4 eine Explosionszeichnung des längsten Armes mit den darin vorgesehenen Spannelementen;
- 5 eine perspektivische Ansicht von zwei bevorzugt ausgestalteten Segmenten;
- 6 eine Darstellung der Stirnflächen der Segmente mit deren Dichtungsflächen.
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1 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht einer erfindungsgemäß ausgestalteten schwimmenden Windenergieanlage.
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Die Windenergieanlage WEA ähnelt in ihrem Aufbau der aus der
WO 2016/000681 A1 bekannten schwimmenden Windenergieanlage, weist jedoch hinsichtlich des schwimmenden Fundaments 100 Unterschiede auf, die im Folgenden näher erläutert werden.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines besonders bevorzugt ausgestalteten schwimmenden Fundaments nach der Erfindung.
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Das schwimmende Fundament 100 ist - wie bekannt - als schwimmendes Y-Fundament ausgebildet. Es weist einen Sockel 10 auf, der zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Turms einer Windenergieanlage eingerichtet ist, von dem aus sich drei Arme 20a, 20b, 20c erstrecken. Wie ebenfalls bekannt ist einer der Arme 20a länger als die beiden anderen Arme 20b, 20c ausgebildet, sodass sich die charakteristische Y-Form ergibt.
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Die Arme 20a, 20b, 20c weisen insgesamt einen in Richtung des Sockels 10 sich vergrößernden Außenumriss auf, der im gezeigten Beispiel elliptisch ausgebildet ist, wobei sich die Konizität der Arme 20a, 20b, 20c in den Segmenten a, b, c, d, e, f, g, h, i wiederfindet, aus denen die Arme 20a, 20b, 20c gebildet sind.
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Speziell ist vorgesehen, dass die Segmente a-i den langen Arm 20a aufbauen, wobei dieselben Segmente a-g zum Aufbau der kurzen Arme 20b, 20c verwendet werden. Zum einen hat dieses den Vorteil, dass nur eine begrenzte Anzahl von Formen bereitgestellt werden muss, um Segmente für die drei verschiedenen Arme 20a, 20b, 20c zu produzieren. Zum andern besteht der Vorteil dieser Ausgestaltung darin, dass die Anbindung des jeweils gegenüber dem Sockel 10 angeordneten Segment a an ein identisch ausgebildetes Abschlusselement 30a, 30b, 30c erfolgen kann und nicht unterschiedlich dimensionierte Abschlusselemente 30a, 30b, 30c bereitgestellt werden müssen.
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Allein der Sockel 10 muss an die unterschiedlichen Querschnitte der Segmente i des langen Arms 20c bzw. g der kurzen Arme 20b, 20c angepasst sein.
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3 zeigt eine Detailansicht des längsten Arms des schwimmenden Fundaments aus 2.
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Der Arm 20a besteht im gezeigten Beispiel aus insgesamt neun Segmenten a-i, wobei unabhängig von der Segmentanzahl drei Kammern K1, K2, K3 vorgesehen sind, die mit Ballastwasser gefüllt werden können. So sind drei Segmente a, b, c zu einer ersten Kammer K1, darauf folgend vier Segmente d, e, f, g zu einer zweiten Kammer K2 und schließlich proximal zwei Segmente h, i zu einer dritten Kammer K3 zusammengefasst.
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Die Kammern K1, K2, K3 werden dadurch gebildet, dass einige der Segmente mit einer den Hohlraum des jeweiligen Segments einseitig abschließenden Wandung 40 versehen sind. Die sich aus dieser Ausgestaltung ergebende Flexibilität erlaubt das Vorsehen von Kammern unterschiedlicher Anzahl und Größe, wobei die maximal einrichtbare Anzahl an Kammern der Gesamtzahl an Segmenten entspricht.
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Insbesondere kann die Kammeranzahl und -größe in Abhängigkeit von der jeweils vom Fundament zu tragenden Last ausgelegt werden, sodass eine einfache und schnelle Zusammenstellung der Komponenten des modular aufgebauten Fundaments für eine jeweils zu fertigende Windenergieanlage erfolgen kann. Ferner kann dadurch die Eintauchtiefe unter der Wasseroberfläche eingestellt werden.
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In die Kammern K1, K2, K3 mündet jeweils eine Leitung 50 zum Befüllen der Kammer mit Ballastwasser und eine weitere Leitung 50 zum Entleeren der Kammer durch Einleiten von Druckluft. Die Leitungen 50 sind mit einer in dem Sockel 10 angeordneten Trimmeinrichtung (nicht dargestellt) verbunden, die eine entsprechend geeignete Steuerung, Pumpen und Ventile aufweist.
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4 zeigt eine Explosionszeichnung des längsten Armes 20a des besonders bevorzugt ausgestalteten Fundaments 100 mit den darin vorgesehenen Spannelementen 60.
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Die Spannelemente 60 verlaufen axial durch die Wandung der Segmente a-i, wobei in den Wandungen entlang des Umfangs der Segmente a-i Kanäle vorgesehen sind, die eine axiale Bewegung der Spannelemente 60 erlauben. Die Spannelemente 60 sind am Abschlusselement 30a und dem Sockel 10 beispielsweise mittels Schrauben verspannt, wobei die zwischen dem Sockel 10 und den Abschlusselementen in das Fundament 100 eingebrachte Spannung durch geeignete Mittel auf einen definierten Wert eingestellt wird. Dieser Wert ist so einzustellen, dass das Fundament 100 eine definierte Vorspannung erreicht und eine ausreichende Dichtigkeit zwischen den Segmenten a-i erreicht wird, ohne dass die aus Beton hergestellten Segmente a-i beschädigt werden.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht von zwei bevorzugt ausgestalteten Segmenten f, g.
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Beide Segmente f, g sind als Hohlkörper ausgebildet und weisen einen elliptischen Querschnitt auf, wobei in der Wandung eine Mehrzahl von Kanälen angeordnet sind, durch die die zuvor genannten Spannelemente 60 verlaufen.
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Während das in 5A gezeigte Segment g eine den Hohlraum des Segments g in axialer Richtung einseitig abschließende Wandung W aufweist, ist der Hohlraum des in 5B gezeigten Segments f in axialer Richtung beidseits offen ausgebildet. Das Segment g wird also zur Ausbildung der Begrenzung einer Kammer verwendet, wobei das Segment f zur Ausbildung größerer Kammer verwendet werden kann.
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Alternativ kann auch mittels des Segments f ein eine Kammer abschließendes Element ausgebildet werden. Hierfür bedarf es lediglich eines Deckels, dessen Grundfläche der Grundfläche der zu verschließenden Seite des Segments f entspricht. Der Deckel weist in diesem Fall ebenfalls Dichtungen zur Abdichtung von Deckel und Segment f und Kanäle zur Aufnahme der Spannelemente auf.
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Schließlich zeigt 6 eine Darstellung der Stirnflächen der Segmente g, h mit deren Dichtungsflächen.
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Das Segment g weist an seiner einen Stirnseite zwei Ringdichtungen 70a, 70b auf, wobei die eine Ringdichtung 70a in radialer Richtung außerhalb der Spannelemente 60 bzw. der diese aufnehmenden Kanäle 80 und die andere Ringdichtung 70b in radialer Richtung innerhalb der Spannelemente 60 bzw. der diese aufnehmenden Kanäle 80 angeordnet ist. Die Dichtungen 70a, 70b sind dabei teilweise in einer Vertiefung der Stirnfläche des Segments g aufgenommen, und dichten gegen die Stirnfläche des Segments h ab. In die Kanäle 80, die die Spannelemente aufnehmen, kann daher weder von außen noch von innen Feuchtigkeit eindringen.
