DE10206585A1 - Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen - Google Patents

Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen

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Hannemann Erik 14197 Berlin De
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Winter Lothar 12623 Berlin De
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Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Turmfundament für Offshore-Windkraftanlagen mit Angaben zur Konstruktion, der Montage, den Seetransport und die Aufrichtung sowie Verankerung des Turmfundamentes im Meeresboden und den umweltgerechten Abbau des Turmfundamentes nach der Beendigung der Nutzungszeit der Windkraftanlage. DOLLAR A Das Turmfundament für Offshore-Windkraftanlagen besteht aus einer Betonröhre mit einem Durchmesser von mehreren Metern und einer Länge, die sich nach der Wassertiefe am Einsatzort, der Tiefe der Verankerung im Meeresgrund und dem Anteil des Turmfundamentes, welches über die Wasserfläche zur Aufnahme des Sockels der Windkraftanlage ragt, richtet.

Description

  • Die Erfindung beinhaltet eine technische Lösung für die Errichtung von Turmfundamenten für Offshore-Windkraftanlagen in Seegewässern des Schelfs.
  • Für die Errichtung von Offshore-Windkraftantagen sind Fundamente auf offenem Meer eine wesentliche Voraussetzung für die Nutzung der Windenergie auf dem offenen Meer beziehungsweise in flachen Gewässern, z. B. der Ost und Nordsee.
  • Bisherige technische Lösungen gingen von Öl- oder Gasplattformen aus.
  • Weitere Lösungsvorschläge bezogen sich auf schwimmende Plattformen. Diese schwimmenden Plattformen werden in ihren unterschiedlichen Ausführungen in den Deutschen Auslegeschriften 31 07 252, 32 24 976, 197 27 174, 197 44 174, 198 46 796 beschrieben. Als Nachteil solcher Lösungen für Offshore-Windkraftanlagen mit den geplanten installierten Leistungen bis 5 MW wird die Schwierigkeit gesehen, derart hohe Türme, wie für diese Leistungsklasse notwendig, auf Schiffen, Katamaranen oder Pontons zu montieren. Auf Grund der Bewegung dieser schwimmenden Plattformen bei rauher See und den damit verbundenen Schwankungen des Turmes mit den Drehflügeln sind diese für derartige Windkraftanlagen nicht eignen.
  • Die bekannten Plattformen für Öl- und Gasschürfungen scheinen schon eher geeignet, nur sind die Kosten für diese Plattformen, auf denen nur eine oder zwei Windkraftanlagen installiert werden können, viel zu hoch und damit für die vorgesehenen Offshore- Windparks mit bis zu 70 Windkraftanlagen in einem Offshore-Windkraftfeld nicht geeignet. Solche Offshore-Plattformen sind in den USP 5 931 602, USP 5 791 819 beschrieben. In den GB 2 256 889 wird eine Lösung vorgeschlagen, die eine große auf dem Seegrund liegende Fundamentplatte mit einem darauf montierten turmähnlichen Fundament für die Montage des Turmes der Windkraftanlage vorsieht, und im GB 2 300 211 wird eine Offshore-Plattform vorgeschlagen, die ein turmähnliches Fundament mit einer dreiseitigen abgespannten Verankerung auf dem Seegrund zum Inhalt hat. Beide vorgeschlagenen Lösungen berücksichtigen grundsätzlich die Anforderungen an ein Turmfundament für eine Offshore-Windkraftanlage, wie dies für die Planungen in der Nord- und Ostsee vorgesehen ist. Die Nachteile bzw. Probleme bei beiden Lösungen werden in den erheblichen Aufwendungen für die Fundamente auf dem Seegrund gesehen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine technische Lösung für die Errichtung von Turmfundamenten für Offshore-Windkraftanlagen vorzuschlagen, die die Konstruktion des Turmfundamentes, seine Montage, den Seetransport und die Aufrichtung sowie Verankerung im Meeresboden und den umweltgerechten Abbau des Turmfundamentes nach der Beendigung der Nutzungszeit der Windkraftanlage betreffen.
  • Die technische Lösung wurde mit einem Turmfundament für Offshore-Windkraftanlagen gefunden, welches aus einer Betonröhre mit einem Durchmesser von mehreren Metern und einer Länge, die sich nach der Wassertiefe am Einsatzort, der Tiefe der Verankerung im Meeresgrund und dem Anteil des Turmfundamentes, welches über die Wasserfläche zur Aufnahme des Sockels der Windkraftanlage ragt, richtet (Abb. 1).
  • Die technische Lösung beinhaltet weiter die konstruktive Gestaltung und die technologischen Anforderungen für die Herstellung (Montage) des Turmfundamentes (Abb. 5) sowie technische und logistische Lösungen für den Transport des Turmfundamentes zu seinem Einsatzort (Abb. 6).
  • Eine weitere technische Lösung der Erfindung beinhaltet die Errichtung des Turmfundamentes am Einsatzort und die Verankerung im Seegrund sowie Möglichkeiten seines umweltgerechten Abbaues nach Beendigung der Nutzungszeit der Windkraftanlage.
  • Nachfolgend wird die Fundamentkonstruktion des Turmfundamentes für Offshore- Windanlagen beschrieben.
  • Das Turmfundament besteht aus rohrförmigen Stahlbetonsegmenten (1), die in hermetischen Sektionen gegliedert das fertige Turmfundament schwimmfähig machen.
  • Die Segmente sind baugleich und enthalten die Kanäle für die Spannglieder (5) und zum Fluten (6) der einzelnen Segmente sowie für die Aufnahme der Stromkabel und Versorgungsleitungen (7) für die Windkraftanlage.
  • Dieses Konstruktionsprinzip ermöglicht ein Variieren der Fundamenthöhen im Rahmen der Segmentgrößen und der Segmentanzahl. Diese Konstruktion gestattet eine stationäre, vertikale industrielle Fertigung in wiederverwendbaren Formen. Damit ist jederzeit eine hohe Qualität der Segmente hinsichtlich Betongüte und Maßhaltigkeit gewährleistet.
  • Der Fundamentfuß (3) und Fundamentkopf (4) und die Schotts (2) zur Gliederung des Turmfundamentes in wasserdichte Sektionen als Betonscheiben sind Sonderbauteile und bestehen ebenfalls aus Stahlbeton.
  • Das Turmfundament soll im Meeresgrund eingespühlt werden, dazu erhält der Fundamentfuß spezielle Aufnahmevorrichtungen zum Anbringen der Spüldüsen- und Absaugvorrichtungen (9) (10).
  • Fundementfuß (3) und Fundamentkopf (4) sind für die Aufnahme der Lager der Spannglieder konstruktiv gestaltet.
  • Der Fundamentkopf (4) hat hauptsächlich die Einspannkräfte des Fußes der Windkraftanlage (8) aufzunehmen und in das Turmfundament aufzunehmen. Im Fundamentkopf (4) enden auch die Spannkanäle(5) und die Kanäle für die Seekabel (7) und des hydraulischen Händlings (6) zur Flutung der Segmente des Turmfundamentes. Je nach Notwendigkeit enthält der Fundamentkopf Versatzteile zur Montage von technologischen Bauteilen.
  • Die Schotts (2) als Betonscheiben zur Gliederung des Turmfundamentes sollen das Turmfundament in hermetische Sektionen teilen und somit schwimmfähig machen. Sie haben weiter die Aufgabe, die Schwimmfähigkeit und das Absinken und Aufrichten des Turmfundaments am Einsatzort durch eine dosierte Flutung der Sektionen über die Kanäle zur Flutung zu ermöglichen (Abb. 6). Diese Elemente können als kompakte Scheibe mit oder ohne Revisionsöffnung ausgebildet sein.
  • An allen Segmenten sind die Kontaktflächen profiliert und haben Konturen zur Übertragung von Querkräften. Die Kanäle für Spannglieder (5), Seekabel (7) und hydraulisches Händling (6) sind nach einem festen Raster über alte Segmente an gleicher Position angeordnet.
  • Nachfolgend wird die Montage des Turmfundament für Offshore-Windanlagen beschrieben.
  • Die vorgefertigten Segmente werden auf einer Helling zum Turmfundament montiert. Die Helling kann eine Quer- oder Längshelling, ein Schwimmdock, Trockendock oder eine beliebige andere Absetzvorrichtung sein (Abb. 5).
  • Die Segmente werden auf der Montagevorrichtung unter Verwendung von Kontaktmittel zu Turmfundamenten aneinandergefügt. Die Profilierung der Kontaktflächen garantiert dabei ein paßgenaues Fluchten der Kanäle. Die Kontaktmittel dienen der Abdichtung und können mineralischer oder synthetischer Art sein.
  • Am Fundamentkopf (4) und Fundamentfuß (3) der Montagevorrichtung sind Vorrichtungen zum Einführen und Verspannen der Segmente und Verfüllen der Spannkanäle angeordnet. Die Spannglieder sind die Haupttragglieder des Turmfundamentes, daher ist das Verspannen der Segmente (1) ein wesentlicher Teil der Montage und erfolgt nach einem fest vorgegebenen Schema. Zum Schutz der Spannglieder ist ein Verfüllen der Spannkanäle (5) mit seefestem Material zwingend notwendig. Zur Kontrolle einer vollständigen Verfüllung sind in regelmäßigen Abständen an den Spannkanälen Kontrollöffnungen angeordnet.
  • Vor dem Wassern des Turmfundamentes erfolgt eine Prüfung auf Dichtheit des Bauwerkes und seiner Kanäle. Infolge der hermetischen Ausbildung der einzelnen Kammern ist eine pneumatische Druckprüfung möglich. Die Profilierung der Kontaktflächen gestattet das unmittelbare Wassern des Turmfundamentes nach dem Verspannen. Das fertige Turmfundament ist schwimmfähig und kann somit im Hafenbereich zwischengelagert und bei Bedarf mit einem Schlepper der Schubschiff zum Einsatzort bugsiert werden (Abb. 5 und Abb. 6).
  • Nachfolgend wird die Aufrichtung und das Verankem des Turmfundamentes für Offshore- Windanlagen im Meeresgrund beschrieben.
    • 1. Einspülvorrichtung
  • Am Fuß des Turmfundamentes wird ein spezieller Kopf aus Stahl angeordnet, der mit Strahldüsen (9) versehen ist und mittels zugeführtem Druckwasser einen Vortrieb des Fundamentes ermöglicht. Die zu verdrängenden Erdmassen werden kontrolliert über Rohrleitungen abgeführt. Der Sinn dieser Vorrichtung ist, nur die Erdmassen zu entfernen, die für den Vortrieb notwendig sind. Diese Verfahrensweise ermöglicht einen paßgenauen Sitz des Fundamentes im Untergrund und erspart unnötige Erdbewegungen.
  • Die Vorrichtung (9) (10) incl. der außen am Turmfundament angebrachten Rohrleitungen für das Spühlwasser und den Erdmassentransport verbleiben als verlorene Bauteile nach beendeter Montage im Meeresgrund. Da diese Vorrichtung und die Rohrleitungen keine statische Funktion für das Turmfundament haben, können sie aus Baustahl ohne besondere Anforderung bestehen.
    • 2. Verfahren zum Aufrichten und Verankern im Meeresgrund
  • Über ein Versorgungsschiff werden Druckschlauchverbindungen zum Turmfundament hergestellt. Auf dem Versorgungsschiff sind Pumpen und Ventile zur kontrollierten Dosierung der Luft- oder Wassermenge in den jeweiligen hermetischen Kammern des Turmfundamentes vorhanden. Über die kontrollierte Flutung wird das selbsttätige Aufrichten des Turmfundamentes erreicht. In Verbindung mit entsprechend positionierten Schleppern wird das Turmfundament in seiner Bestimmungsposition ausgerichtet und über die am Fuß des Turmfundamentes angeordneten Strahldüsen (9) im Meeresgrund eingespühlt und abgesenkt.
  • Zur Gewährleistung der Standsicherheit des Turmfundamentes können im Unterwasserbereich zusätzliche Spühl- und Sicherungsarbeiten notwendig werden.
  • Für eine mögliche spätere Demontage des Turmfundamentes ist durch Leerpumpen der hermetischen Kammern verbunden mit dem Freispülen des im Meeresgrund verankerten Turmfundamentes die Entfernung des Turmfundaments vom bisherigen Einsatzort möglich. Bezugszeichen 1 Segmente
    2 Schott
    3 Turmfundamentfuß
    4 Turmfundamentkopf
    5 Kanäle für Spannglieder
    6 Kanäle zum Fluten der Kammern
    7 Kanäle für Stromkabel und Versorgungsleitungen
    8 Anker für die Windkraftanlage
    9 Düsen zum Einspülen
    10 Leitrippen
    Abb. 1 Turmfundament - Ansicht
    Abb. 2 Schnitt Segment
    Abb. 3 Turmfundamentkopf
    Abb. 4 Turmfundamentfuß
    Abb. 5 Montage Turmfundament
    Abb. 6 Transport und Aufrichten Turmfundament

Claims (9)

1. Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen bestehend aus einer Betonröhre mit einem Durchmesser von mehreren Metern und einer Länge, die sich nach der Wassertiefe am Einsatzart, der Tiefe der Verankerung im Meeresgrund und dem Anteil des Turmfundamentes über die Wasserfläche zur Aufnahme des Sockels der Windkraftanlage richtet.
2. Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Betonröhre als Turmfundament aus einzelnen gleichartigen Segmenten (1) besteht, die mittels Schotts (2) (Betonscheiben) in wasserdichte Kammern (Sektionen) unterteilt, und mit Kanälen (6) in der Wand der Segmente und Schotts mit dem Kopf des Turmfundamentes zum Fluten der Kammern verbunden sind sowie weitere Kanäle (7) zur Aufnahme der Stromkabel und Versorgungsleitungen für die Windkraftanlage enthält.
3. Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente der Betonröhre als Turmfundament mit Spanngliedern in der Wand der Segmente (5) auf dem Montageplatz mit den Betonscheiben über dem Turmfundamentfuß (3) und dem Turmfundamentkopf (4) zum kompletten Turmfundament verspannt werden.
4. Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß als Montageplatz eine Helling (Abb. 5) mit der Möglichkeit des Wassern des Turmfundamentes, ein Trockendock oder Schwimmdock geeignet ist.
5. Transport der Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen zum Einsatzort dadurch gekennzeichnet, daß das Turmfundament vom Montageplatz nach Anspruch 4 ins offene Wasser der See mit seinen wasserdichten Kammern (Sektionen) als Schwimmkörper zu Wasser gelassen und mit Schleppern zum Einsatzort oder Bereitschaftsraum (Abb. 6) bugsiert wird.
6. Aufrichten und Verankern der Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen am Einsatzort dadurch gekennzeichnet, daß die als Schwimmkörper zum Einsatzort bugsierten Turmfundamente durch eine gesteuerte Flutung der Kammern (Sektionen) am Einsatzort abgesenkt und durch Fixierung des Turmfundamentes über Trossen (Abb. 6) aufgerichtet werden.
7. Versenken und Verankern der Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen am Einsatzort in den Meeresboden dadurch gekennzeichnet, daß am Fundamentfuß Wasserstrahldüsen angebracht und von Versorgungsschiffen aus zum Einspülen des Turmfundamentes betrieben und gesteuert werden und über eine gleichzeitig betriebene Absaugvorrichtung das über die Strahldüsen eingestrahlte Wasser mit dem Meeresboden (Sand, Kies, Schlamm u. a.) abgesaugt wird, und so ein dem Turmfundament angepaßtes Bohrloch im Meeresboden entsteht.
8. Abbau der Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen am Einsatzort dadurch gekennzeichnet, daß im Fall des Abbaues der Turmfundamentes des Wasser in die gefluteten Kammern des Turmfundamentes abgepumpt wird, damit ein starker Auftrieb des Turmfundamentes im Wasser entsteht und über das Freispülen des im Meeresboden versenkten Teiles des Turmfundamentes das Turmfundament zum Aufschwimmen gebracht wird und damit ein Wegbugsieren vom bisherigen Einsatzort möglich wird.
9. Weitere Einsatzmöglichkeiten der Turmfundamente für Offshore-Windkraftanlagen nach den vorherigen Ansprüchen ergeben sich als Einzelfundamente oder mit drei und mehr Fundamenten als Verankerung im Meeresgrund für großflächige Plattformen im Meer als Offshore-Anlagen zur Öl- und Gasgewinnung, Windkraftanlagen, nautische Anlagen, Brückenfundamente und andere im Meer zu errichtende Bauwerke.
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