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Die Erfindung betrifft ein Schwimmtragwerk für eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Zudem betrifft die Erfindung eine Windkraftanlage mit einem solchen Schwimmtragwerk mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.
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Schwimmtragwerke für eine Windkraftanlage sind aus dem Stand der Technik bekannt, bspw. aus
DE 10 2009 054 608 A1 oder aus
DE 10 2013 222 081 A1 . Derartige Tragwerke erlauben die Montage einer Windkraftanlage auf See, wobei die eigentliche Windkraftanlage (Turm und Gondel mit Rotor) am Tragwerk befestigt wird und das Tragwerk im Wasser schwimmt und bspw. mittels entsprechender Leinen am Meeresboden verankert wird. Dadurch können Windkraftanlagen ohne mit dem Meeresboden verbundenes Fundament auch an Orten mit großen Wassertiefen befestigt werden.
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Allerdings ist dabei problematisch, dass derartige Tragstrukturen äußerst massiv gebaut sind, um hohen Extremlasten standhalten zu können. Daher sind Material- und Fertigungsaufwand recht hoch, was einen wirtschaftlichen Einsatz derartiger Lösungen erheblich erschwert. Große Tiefgänge sind zudem eine Herausforderung für Fertigung und Montage im Hafen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Fertigungs- und Materialaufwand bei Schwimmtragwerken für Windkraftanlagen zu reduzieren. Dabei ist ein modularisierter Aufbau wünschenswert.
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Die Erfindung löst die voranstehende Aufgabe durch ein Schwimmtragwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach zeichnet sich das Schwimmtragwerk aus durch einen zentralen Hauptauftriebskörper und mehrere vorzugsweise regelmäßig um den Hauptauftriebskörper herum angeordnete Nebenauftriebskörper. Die Nebenauftriebskörper liegen (mit ihren Mittellängsachsen) auf Eckpunkten eines Polygons, wobei die Nebenauftriebskörper jeweils mittels einer sich vom Nebenauftriebskörper zum Hauptauftriebskörper insbesondere geradlinig erstreckenden Strebe (Druckstrebe) mit dem Hauptauftriebskörper verbunden sind. Die Nebenauftriebskörper sind mittels eines (ersten) Abspannmittels (bspw. einem Zugseil), das zueinander benachbarte Nebenauftriebskörper jeweils miteinander verbindet, derart miteinander gekoppelt, dass die Nebenauftriebskörper über die Streben gegen den Hauptauftriebskörper gespannt sind.
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Mit dem vorgeschlagenen Schwimmtragwerk ist eine Seiltragwerk-Konstruktion mit flexiblen Streben zwischen den Nebenauftriebskörpern und dem Hauptauftriebskörper geschaffen, wobei die Streben lediglich Druckspannungen aufnehmen (Druckstreben). Durch die gezielte Anordnung der Komponenten Streben (Druckstreben) und Abspannmittel (bspw. Zugseile) können beide Komponenten so ausgelegt werden, dass jeweils nur eine Belastungsart (Druck bzw. Zug) vorherrscht, wodurch Extremlasten reduziert und Material eingespart werden kann. Dadurch kann eine Kostenreduktion erreicht werden. Durch die Nebenauftriebskörper sind eine modulare Fertigung sowie Standardverfahren zur Lastenberechnung und konstruktiven Auslegung ermöglicht. Hiermit lassen sich Skalierungseffekte für eine Serienproduktion erzielen.
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Durch den zentralen Hauptauftriebskörper, der sich bei montierter Windkraftanlage unterhalb des Turms der Windkraftanlage befindet, kann auf angestellte Querstreben („Tripods“ oder „Tripile“), die eine aufwändige und teure Stahlkonstruktion erfordern, verzichtet werden. Die Stabilisierung zum Ausgleich der Windkräfte erfolgt hauptsächlich durch den Auftrieb (Waterplane Area) der Nebenauftriebskörper, die mittels der Streben vom Hauptauftriebskörper beabstandet sind und somit einen entsprechend großen Abstand zum Hauptauftriebskörper aufweisen. Zusätzlich kann Ballast im Kiel des Hauptauftriebskörpers vorgesehen sein (Ballastabschnitt), der ein rückstellendes Moment erhöht. Der Tiefgang von Hauptauftriebskörper und Nebenauftriebskörpern und/oder der Abstand der Nebenauftriebskörper zum Hauptauftriebskörper können an gegebene Bedingungen angepasst werden. Durch den modularen Aufbau mit einfachen, insbesondere zylinderförmigen, Strukturen verfügt das Schwimmtragwerk über gute Eigenschaften zur Auslegung an den gegebenen Standort sowie Fertigungs- und Montagebedingungen. Eine Anwendung des Schwimmtragwerks in einem großen Bereich von Wassertiefen ist ermöglicht.
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Bei korrekter Anordnung der Nebenauftriebskörper können Wellenkräfte je nach Standortbedingungen in Nickrichtung erheblich reduziert werden, was durch Änderung der Generatordrehzahl hervorgerufene Schwankungen in der Energieerzeugung verringert. Diese Reduzierung der Wellenkräfte (sog. „wave cancellation effect“) wird (nur) durch eine räumliche Distanz der Auftriebskörper zur Turmlängsachse erreicht. Eine derartige Beabstandung ist beim vorgeschlagenen Konzept durch die Streben (Druckstreben) gegeben. Dieser Effekt lässt sich bspw. bei Plattformen mit einem einzigen Zylinder (SPAR) nicht erreichen.
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Das Schwimmtragwerk dient zum Tragen einer Windkraftanlage auf See (Offshore-Windkraftanlage), wobei das Schwimmtragwerk im Wasser schwimmt. Insoweit kann das Schwimmtragwerk auch als „schwimmendes Fundament“ bezeichnet werden.
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Bei den Nebenauftriebskörpern handelt es sich um - bezogen auf das Schwimmtragwerk - außenliegende oder exzentrische Auftriebskörper, die insbesondere eine geringere Größe und/oder einen geringeren Tiefgang als der Hauptauftriebskörper aufweisen. Dieses Schwimmtragwerk weist aufgrund seiner geringen Bauhöhe ideale Möglichkeiten zum kostengünstigen Bau in einem Hafen oder einer Werft auf. Das Schwimmtragwerk weist mindestens drei, vorzugsweise mehrere, Nebenauftriebskörper auf, insbesondere vier bis acht Nebenauftriebskörper, bspw. sechs Nebenauftriebskörper. Bei Verwendung von mehr als vier Nebenauftriebskörpern kann eine gewisse Redundanz („damage stability“) erreicht werden.
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Wie zuvor bereits angedeutet, sind die (horizontalen) Streben auf Grund der Verspannung mit den Abspannmitteln in erster Linie auf Druck belastet (Druckstreben). Die Nebenauftriebskörper sind durch das Abspannmittel verspannt, wobei das Abspannmittel durch oder um alle Nebenauftriebskörper geführt ist. Dabei bilden die Abschnitte des Abspannmittels, die benachbarte Nebenauftriebskörper miteinander verbinden, die Seiten (Kanten) eines Polygons. Mit anderen Worten umspannt das Abspannmittel die Nebenauftriebskörper (Verspannung erfolgt am Polygonumfang). Als Abspannmittel kann ein Seil, bspw. ein Stahlseil, eine Kette oder ein Stahlrohr eingesetzt werden.
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Unabhängig davon ist denkbar, dass die Vorspannung der Abspannmittel (bspw. Zugseile) veränderbar bzw. einstellbar ist. Dadurch kann die Steifigkeit des Schwimmtragwerks und dessen Verhalten bei bspw. durch Wind und/oder Wellengang entstehenden Schwingungen beeinflusst werden. Zu diesem Zweck kann den Abspannmitteln jeweils eine Vorspanneinrichtung zugeordnet sein, bspw. eine Seilwinde, ein Hydraulikzylinder oder dergleichen. Die Vorspanneinrichtung kann jeweils an dem Hauptauftriebskörper oder an einem Nebenauftriebskörper angeordnet und/oder befestigt sein. Auch eine Anordnung der Vorspanneinrichtung zwischen zwei Abschnitten eines Abspannmittels, so dass die Vorspanneinrichtung quasi selbst einen Abschnitt eines Abspannmittels bildet, ist denkbar.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung können die Mittellängsachsen der Streben (Druckstreben) in einer (ersten) Ebene liegen. Alternativ oder ergänzend können die Mittellängsachsen von die benachbarten Nebenauftriebskörper miteinander verbindenden Abschnitten des Abspannmittels ebenfalls in einer (zweiten) Ebene (Polygonebene) liegen. Die erste Ebene und die zweite Ebene können zueinander parallel oder kongruent sein. Dies trägt zu einer stabilen Ausgestaltung des Schwimmtragwerks bei, wobei die Kräfte infolge der Verspannung über die Streben möglichst direkt in den Hauptauftriebskörper eingeleitet werden können.
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In vorteilhafter Weise können die Nebenauftriebskörper jeweils mittels eines sich vom Nebenauftriebskörper zu einem Abschnitt am unteren Ende des Hauptauftriebskörpers erstreckenden zweiten Abspannmittels mit dem Hauptauftriebskörper verspannt sein. Zudem können die Nebenauftriebskörper jeweils mittels eines sich vom Nebenauftriebskörper zu einem Abschnitt am oberen Ende des Hauptauftriebskörpers erstreckenden dritten Abspannmittels mit dem Hauptauftriebskörper verspannt sein. Hiermit kann eine verbesserte Abstützung der Nebenauftriebskörper zum Hauptauftriebskörper erfolgen.
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Zudem erlaubt eine Schrägverspannung zwischen den Neben- und Hauptauftriebskörpern eine Verspannung gegen Torsion. Somit sind Schwenkbewegungen des Hauptauftriebskörpers relativ zu den Nebenauftriebskörpern reduziert, da Kräfte und Momente in den Hauptauftriebskörper respektive in die Nebenauftriebskörper eingeleitet werden können. Hiermit erhält das Schwimmtragwerk eine insgesamt stabilere Struktur und die auf die Streben wirkenden Biegelasten sind reduziert.
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In zweckmäßiger Weise kann der Hauptauftriebskörper derart ausgebildet und/oder angeordnet sein, dass sich dieser bei montierter Windkraftanlage an den Turm der Windkraftanlage anschließt, wobei die Mittellängsachse des Hauptauftriebskörpers den Turm der Windkraftanlage schneidet, insbesondere dessen Mittellängsachse fortsetzt. Dadurch kann eine konstruktiv günstige Ankopplung der Windkraftanlage an das Schwimmtragwerk erfolgen, da der Turm der Windkraftanlage direkt an den Hauptauftriebskörper angekoppelt wird. Auf zusätzliche Komponenten zur Übertragung von Kräften oder Momenten kann somit verzichtet werden. Dies trägt zu einer Einsparung von Material- und Fertigungsaufwand bei.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Hauptauftriebskörper an seinem (im schwimmenden Zustand) oberen Ende eine Bootsanlegestelle mit Zugang zum Turmfuß („Transition Piece“) einer (Offshore-)Windkraftanlage aufweisen. Neben einer konstruktiv günstigen Ankopplung und einer einfachen Montage ist hiermit auch eine gute Zugänglichkeit des Schwimmtragwerks und damit der Windkraftanlage am Einsatzort ermöglicht.
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In vorteilhafter Weise kann der Hauptauftriebskörper einen größeren Tiefgang aufweisen als die Nebenauftriebskörper. Hiermit kann bereits der Hauptauftriebskörper einen wesentlichen Anteil zur Stabilisierung zum Ausgleich der Windkräfte und/oder Wellenkräfte beitragen.
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Im Konkreten können die Streben (Druckstreben) aus Beton, Stahl, Stahlbeton oder Spannbeton ausgebildet sein und/oder das oder die Abspannmittel können als Stahlseile, Stahlrohre (Zugstreben) oder Ketten ausgebildet sein. Hiermit lassen sich Streben mit hinreichend hoher Druckfestigkeit und Abspannmittel mit hinreichend hoher Zugfestigkeit bereitstellen.
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In zweckmäßiger Weise können die Mittellängsachse des Hauptauftriebskörpers und die Mittellängsachsen der Nebenauftriebskörper zueinander parallel sein und/oder die Mittellängsachse des Hauptauftriebskörpers kann orthogonal zu der Ebene orientiert sein, in der die Mittellängsachsen der Streben (Druckstreben) liegen. Die parallele Orientierung der Mittellängsachsen begünstigt auf Grund der sich hieraus ergebenden Anordnung Fertigung und Montage des Schwimmtragwerks. Die orthogonale Orientierung von Mittellängsachse des Hauptauftriebskörpers und der Ebene der Mittellängsachsen der Streben trägt zu einem gleichmäßigen Verhalten des Schwimmtragwerks und der Windkraftanlage auch bei Wind- und Wellenanregung aus unterschiedlichen Richtungen bei.
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Unabhängig von den voranstehenden Ausgestaltungen ist denkbar, dass der Hauptauftriebskörper zylindrisch ausgebildet ist, bspw. in einer rotationssymmetrischen Ausgestaltung. Zudem kann der Hauptauftriebskörper am unteren Ende einen Ballastabschnitt aufweisen. Dies verbessert die Stabilisierung des Schwimmtragwerks und der Windkraftanlage insgesamt. Hierzu kann ein Abschnitt (Rohrabschnitt; endseitig verschlossen) des Hauptauftriebskörpers mit Schüttgut gefüllt sein, bspw. mit Sand und/oder Kies.
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Die Nebenauftriebskörper können zylindrisch ausgebildet sein und bspw. als hohler Stahlkörper ausgeführt sein. Unabhängig davon können die Nebenauftriebskörper am unteren Ende einen radial erweiterten Abschnitt aufweisen (Tauchplatte). Dadurch lässt sich der Auftrieb der Nebenauftriebskörper erhöhen. Dies trägt zu einer deutlichen Reduktion der Anregung durch Wellenkräfte bei.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch eine Windkraftanlage (Offshore-Windkraftanlage) mit einem Schwimmtragwerk wie voranstehend beschrieben gelöst. Hinsichtlich der Vorteile wird auf die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Schwimmtragwerk verwiesen.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung können die Nebenauftriebskörper jeweils mittels eines sich vom Nebenauftriebskörper zu einem Abschnitt am Turm der Windkraftanlage erstreckenden weiteren Abspannmittels mit dem Turm verspannt sein. Hierdurch wird die Abstützung der Windkraftanlage gegenüber dem Schwimmtragwerk verbessert, indem der Turm und die Nebenauftriebskörper miteinander verspannt werden. Sofern die Nebenauftriebskörper über ein zweites Abspannmittel mit dem Hauptauftriebskörper verspannt sind wie oben beschrieben, ergibt sich im Seiltragwerk eine Art „Doppelkegelstruktur“. Hieraus ergeben sich eine besonders stabile Seiltragwerkstruktur und damit eine besonders stabiler Aufbau von Schwimmtragwerk und Windkraftanlage.
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Eine weitere Ausführungsform erlaubt die Ausbildung zweier bzw. mehrerer übereinander liegender Strebensysteme/-kreuze, welche den Hauptauftriebskörper mit den Nebenauftriebskörpern verbinden. Dies ermöglicht eine optimierte Druckbelastung der Streben aufgrund der von dem Abspannmittel erzeugten Kräfte auf die Druckstreben.
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Zur weiteren Ausgestaltung der Windkraftanlage können die im Zusammenhang mit dem Schwimmtragwerk beschriebenen Maßnahmen dienen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, wobei gleiche oder funktional gleiche Elemente ggf. lediglich einmal mit Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform eines Schwimmtragwerks sowie einer Windkraftanlage in einer perspektivischen Ansicht;
- 2 das Schwimmtragwerk aus 1 in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht;
- 3 das Schwimmtragwerk aus 1 in einer Seitenansicht gemäß Pfeil III in 2; und
- 4 das Schwimmtragwerk aus 1 in einer Draufsicht gemäß Pfeil IV in 3.
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1 zeigt ein Schwimmtragwerk 10 für eine Offshore-Windkraftanlage 100 sowie eine Offshore-Windkraftanlage 100 mit einem solchen Schwimmtragwerk 10.
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Die Windkraftanlage 100 weist neben dem Schwimmtragwerk 10, welches nachfolgend beschrieben wird, einen sich vom Schwimmtragwerk 10 entlang einer Mastachse (ohne Bezugszeichen) weg erstreckenden Mast 102 auf, an dessen freiem Ende eine Gondel 104 befestigt ist. In der Gondel 104 ist ein Generator (ohne Bezugszeichen) der Windkraftanlage 100 angeordnet, der, ggf. mittels eines Getriebes, mit einem Rotor 106 gekoppelt ist, der bspw. drei Rotorblätter 108 aufweist.
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Die Windkraftanlage 100 ist am unteren Ende des Mastes 102 mit dem Schwimmtragwerk 10 gekoppelt. Der Mast 102 der Windkraftanlage 100 kann zusätzlich mittels (weiterer) Abspannmittel mit dem Schwimmtragwerk 10 verspannt sein, bspw. jeweils mit Nebenauftriebskörpern 14 des Schwimmtragwerks 10 (nicht dargestellt).
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Nachfolgend wird das Schwimmtragwerk 10 näher beschrieben. Das Schwimmtragwerk 10 weist einen zentralen Hauptauftriebskörper 12 und mehrere, vorliegend sechs, regelmäßig um den Hauptauftriebskörper 12 herum angeordnete Nebenauftriebskörper 14 auf. Die Nebenauftriebskörper 14 liegen auf Eckpunkten eines Polygons (siehe 2 und 4). Anders ausgedrückt schneiden die Mittellängsachsen 16 der Nebenauftriebskörper 14 jeweils den Eckpunkt eines Polygons, bei dem es sich vorliegend um ein Sechseck handelt. Die Mittellängsachse des Hauptauftriebskörpers 12 trägt das Bezugszeichen 15.
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Die Nebenauftriebskörper 14 sind jeweils mittels einer sich vom Nebenauftriebskörper 14 zum Hauptauftriebskörper 12 geradlinig erstreckenden Strebe 18 (Druckstrebe 18) mit dem Hauptauftriebskörper 12 verbunden. Weiter sind die Nebenauftriebskörper 14 mittels eines ersten Abspannmittels 20, welches die Nebenauftriebskörper 14 umspannt und zueinander benachbarte Nebenauftriebskörper 14 jeweils miteinander verbindet, derart miteinander gekoppelt, dass die Nebenauftriebskörper 14 über die Streben 18 gegen den Hauptauftriebskörper 12 gespannt sind. Damit ergibt sich eine Art Seiltragwerk-Konstruktion mit flexiblen Streben 18 zwischen den Auftriebskörpern 14 wie oben beschrieben.
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Die Mittellängsachsen (ohne Bezugszeichen) der Streben 18 liegen in einer ersten Ebene (ohne Bezugszeichen). Die Mittellängsachsen (ebenfalls ohne Bezugszeichen) von die benachbarte Nebenauftriebskörper 14 miteinander verbindenden Abschnitten 20' des Abspannmittels 20 liegen in einer zweiten Ebene 22 (Polygonebene 22). Die erste Ebene und die zweite Ebene 22 sind zueinander parallel.
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Die Nebenauftriebskörper 14 sind jeweils mittels eines sich vom Nebenauftriebskörper 14 zu einem Abschnitt 12' am unteren Ende des Hauptauftriebskörpers 12 erstreckenden zweiten Abspannmittels 24 mit dem Hauptauftriebskörper 12 verspannt. Hieraus ergibt sich eine weitere Stabilisierung des Hauptauftriebskörpers 12 gegenüber den Nebenauftriebskörpern 14 wie oben beschrieben.
Zudem sind die Nebenauftriebskörper 14 jeweils mittels eines sich vom Nebenauftriebskörper 14 zu einem Abschnitt am oberen Ende des Hauptauftriebskörpers 12 erstreckenden dritten Abspannmittels 26 mit dem Hauptauftriebskörper 12 verspannt sein. Diese Schrägverspannung (Abspannmittel 24 und 26) zwischen den Nebenauftriebskörpern 14 und Hauptauftriebskörper 12 erlaubt eine Verspannung gegen Torsion.
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Der Hauptauftriebskörper 12 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass sich dieser bei montierter Windkraftanlage 100 an das untere Ende des Turms 102 der Windkraftanlage 100 anschließt, wobei die Mittellängsachse 15 des Hauptauftriebskörpers 12 den Turm 102 der Windkraftanlage 100 schneidet, insbesondere die Mittellängsachse des Turms 102 fortsetzt.
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Der Hauptauftriebskörper 12 weist am oberen Ende eine Bootsanlegestelle mit Zugang zum Turmfuß (nicht dargestellt) der Windkraftanlage 100 auf.
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Der Hauptauftriebskörper 12 weist einen größeren Tiefgang auf als die Nebenauftriebskörper 14. Die Streben 18 (Druckstreben 18) können aus Beton, Stahl, Stahlbeton oder bevorzugt aus Spannbeton ausgebildet sein. Das oder die Abspannmittel 20, 24, 110 kann bzw. können als Stahlrohre (Zugstreben), Ketten oder bevorzugt als Stahlseile ausgebildet sein.
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Die Mittellängsachse 15 des Hauptauftriebskörpers 12 und die Mittellängsachsen 16 der Nebenauftriebskörper 14 sind zueinander parallel orientiert. Die Mittellängsachse 15 des Hauptauftriebskörpers 12 ist orthogonal zu der Ebene 22, in der die Mittellängsachsen der Streben 18 (Druckstreben 18) liegen.
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Der Hauptauftriebskörper 12 weist an seinem unteren Ende (unterer Abschnitt 12') einen Ballastabschnitt 28 auf, der als (endseitig geschlossener) Rohrabschnitt ausgebildet und mit Schüttgut gefüllt ist, bspw. mit Sand oder Kies. Die Nebenauftriebskörper 14 sind zylindrisch ausgebildet und als hohler Stahlkörper ausgeführt. Am unteren Ende weisen die Nebenauftriebskörper 14 einen radial erweiterten Abschnitt 30 auf (Tauchplatte 30). Hierdurch kann der Auftrieb der Nebenauftriebskörper 14 verbessert werden, wie oben beschrieben.
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Wie voranstehend ausgeführt, sind die Nebenauftriebskörper 14 jeweils mittels einer geradlinigen Strebe 18 mit dem Hauptauftriebskörper 12 gekoppelt. Ein erstes Abspannmittel 20 umspannt die Nebenauftriebskörper 14, wobei dieses benachbarte Nebenauftriebskörper 14 miteinander verbindet und die Nebenauftriebskörper 14 gegen den Hauptauftriebskörper 12 verspannt. Zudem sind die Nebenauftriebskörper 14 über ein zweites Abspannmittel 24 und über ein drittes Abspannmittel 26 mit dem Hauptauftriebskörper 12 verspannt. Über ein weiteres Abspannmittel (nicht dargestellt) können die Nebenauftriebskörper 14 auch direkt mit dem Mast 102 der Windkraftanlage 100 verspannt werden.
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Zur Veränderung bzw. Einstellung der Vorspannung kann den Abspannmitteln 20, 24, 26 jeweils eine Vorspanneinrichtung zugeordnet sein, wie oben beschrieben.
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Auf diese Weise ist eine besonders stabile Seiltragwerk-Konstruktion geschaffen, und zwar auf Grund der sich durch die Abspannmittel 20, 24, 26 ergebenden Doppelkegelstruktur. Hieraus ergibt sich ein besonders stabiler Aufbau des Schwimmtragwerks 10 sowie der Windkraftanlage 100.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009054608 A1 [0002]
- DE 102013222081 A1 [0002]