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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum bodenschonenden Absetzen von Flach- oder Schwerkraftgründungen von Windenergieanlagen, aber auch Strömungsenergieanlagen, auf dem Meeresboden.
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Stand der Technik
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Übliche offshore-Windenergieanlagen weisen eine Gründung, einen Mast und eine Gondel mit Rotor auf. Auch Strömungskraftwerke auf dem Meeresboden weisen eine, wenn auch weniger große Gründung auf.
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Offshore-Windenergieanlagen müssen in der Lage sein, Extremwetterereignisse zu überstehen. Vor allem Offshore werden hohe Anforderungen an die Anlagen gestellt, wobei dort vor allem das bewegte Wasser die Hauptkräfte ausübt.
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Für Offshore-Gründungen sind als Stand der Technik unterschiedliche Typen bekannt, z.B. der Monopile, die Jacketgründung, der Tripod, das Schwerkraftfundament oder die Flachgründung und Kombinationen aus denselben. Flach- und Schwerkraftgründungen haben den Vorteil, keine aufwendigen Bohr- oder Rammarbeiten zu erfordern und prinzipiell versetzbar oder rückbaubar zu sein.
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Das Aufstellen auf dem Meeresboden erfordert dafür ein aufwendiges Vorbereiten des Bodens unter der Gründung, um das dauerhafte ebenmäßige Stehen der Gründung und damit der darüber befindlichen Anlage zu gewährleisten. Um den aufwendig vorbereiteten Boden nicht zu verändern, darf darüber hinaus die Gründung nur sehr langsam abgesenkt werden, damit keine Wirbel entstehen, die den zuvor aufwendig vorbereiteten Boden unter dem Fundament wieder ausspülen. Auch könnte ein zu schnelles und dadurch hartes Aufsetzen des Fundamentes auf dem Meeresboden zu einer Schädigung der Gesamtstruktur der Windenergieanlage oder des Strömungskraftwerkes führen.
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Um ein langsames gleichmäßiges Aufsetzen der schweren Gründungen auf dem Meeresboden auch bei deutlichem Seegang (2 Meter Wellenhöhe) zu gewährleisten, werden Schiffe mit sehr aufwendigen Steuer- und Regelmechanismen geplant oder gebaut. Dies macht die Schiffe extrem teuer! Gleichzeitig führt die aufwendige präzise Steuerung und Regelung aufgrund der enormen Größe der Anlagen dazu, daß diese Schiffe nicht an einen weiten Bereich von Arten und Größen von Windenergie- oder Strömungsenergieanlagen anpaßbar sind.
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Auch das genaue Vorbereiten des Meeresbodens erfordert außer Zeit zusätzlich speziell hierfür konzipierte teure Maschinen.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, Flach- oder Schwerkraftgründungen von Wind- oder Strömungsenergieanlagen präzise und kostengünstig auf dem Meeresboden absetzen zu können.
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Weiterhin soll die Erfindung optional auch die Möglichkeit einer einfachen späteren Nachjustierung der Gründung bieten, falls diese durch Extremereignisse (Tsunami, Stürme) oder Unterspülungen ihre Sollage verlassen haben sollte oder falls der Meeresboden ungenau oder gar nicht vorbereitet sein sollte.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Der Absetzvorgang wird erfindungsgemäß in (mindestens) zwei getrennt ablaufende Schritte unterteilt:
Hierzu sieht die Erfindung vor, die Gründung nicht direkt auf dem Meeresboden abzusetzen, sondern zuerst auf eine zwischen der eigentlichen Gründung und dem (vorzugsweise vorbereiteten) Meeresboden befindliche, bevorzugt elastisch nachgebende, in Bodenkontakt stehende Vorrichtung abzusenken.
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Dies erlaubt ein relativ rasches Absenken ohne aufwendige Regelung und Steuerung! Dieses Absenken kann von sehr einfachen Schiffen (auch unbemannten Schleppkähnen) aus erfolgen.
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Das eigentliche Absetzen der Gründung erfolgt dann, abgekoppelt vom Schiff, durch einfache mechanische Hilfsmittel wie Motoren, Stellwerke, Hydraulik, Pneumatik, Hebel, Gewinde oder andere Methoden, wie sie als Stand der Technik für das langsame Absenken von schweren Gewichten bekannt sind. Diese einfachen mechanischen Hilfsmittel senken dann die Gründung unabhängig und weitgehend unbeeinflußt von Wellenbewegungen des Meeres auf der vorgesehenen Gründungsfläche auf dem Meeresboden ab.
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Allgemein: Die Gründung wird nicht in einem Vorgang bis auf den Meeresboden abgesenkt wird, sondern der Vorgang erfolgt in mindestens zwei Schritten, wobei der frühere Schritt ein Absenken bis auf eine Zwischenhöhe oberhalb des Meeresboden vorsieht und der spätere Schritt ein Absenken der Gründung durch auf dem Meeresboden abgestützte Vorrichtungen, die Teil der Gründung oder lösbar an der Gründung befestigt sind.
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Die Vorrichtungen, die die Gründung nach dem ersten Schritt des Absetzens der Gründung in einer Zwischenhöhe über dem Meeresboden vorübergehend tragen und diese dann schonend auf dem Meeresboden absetzen, werden im folgenden als Bodenabsetzvorrichtungen bezeichnet.
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Die Bodenabsetzvorrichtungen können eingebauter Teil der Gründung selbst sein und in dieser nach dem Absetzvorgang verbleiben oder sie können so gestaltet sein, daß sie nur während des Absetzvorganges mit der Gründung verbunden sind und nachher von dieser abgetrennt und wiederverwendet werden können. Das Absetzen selbst erfolgt durch einen Teil der Absetzvorrichtung, den Absetzmechanismus.
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Je niedriger die Zwischenhöhe ist, auf der die Gründung nach dem ersten Schritt des Absetzverfahrens durch die Bodenabsetzvorrichtungen gehalten wird, um so schwächer und dadurch wesentlich billiger können diese ausgeführt sein!
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Von daher ist es von Vorteil, die Gründung so weit wie möglich in Bodennähe auf den Bodenabsetzvorrichtungen abzusetzen.
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(Dennoch ist natürlich auch eine Absenkung der Gründung mit Hilfe von Bodenabsetzvorrichtungen von oberhalb des Meeresspiegels aus möglich.) Um ein relativ schnelles Absenken möglichst weit bis in Bodennähe zu ermöglichen, ohne turbulente Strömungen zu erzeugen, die den Boden aufwirbeln würden, ist es von Vorteil, wenn die Gründung trotz ihres großen Volumens strömungsgünstig geformt ist. Die Form der Gründung sollte hierzu also einen niedrigen CW-Wert in der Bewegungsrichtung des Absetzens aufweisen.
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Die Zwischenhöhe beträgt mindestens 0,5 Meter. Sie ist auch abhängig vom Wellengang! Hoher Wellengang von z.B. 2 Meter von Wellenberg zu Wellental führt ja zu ständigen periodischen Anhebungen und Senkungen der Gründung um etwa 2 Meter während des ersten Schrittes des Absetzvorganges. Bei solch hohem Wellengang bestimmt sich somit z.B. die Mindesthöhe aus diesen 2 Metern plus einem Sicherheitsspielraum sowie der Höhe, die mindestens vorhanden sein muß, damit der Meeresboden durch die Wirbel beim Absetzvorgang nicht übermäßig aufgewirbelt wird.
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Als sichere Zwischenhöhe sind daher in vielen Fällen mindestens 3 Meter über dem Meeresboden anzusetzen. Für solche und auch noch größere Zwischenhöhen lassen sich Bodenabsetzvorrichtungen für die oft mehrere tausend Tonnen schweren Gründungen noch sehr kostengünstig stabil bauen. Dies gilt vor allem für solche, die ständig wiederverwendet werden.
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(Die Wellenhöhe bestimmt natürlich nicht genau die vertikale Auslenkung der Gündung beim ersten Absenken. Die Wellenhöhe ist auch nicht identisch mit der vertikalen Auslenkung des Schiffs. Die vertikale Auslenkung ist nämlich stark abhängig von der Größe des Schiffes und damit also meistens deutlich kleiner als die Wellenhöhe! Damit fällt auch die Vertikalbewegung der Gründung über dem Meeresboden deutlich geringer aus!)
- 1.) Bodenabsetzvorrichtungen, die dauerhafter Bestandteil der Gründung sind:
Diese haben den Vorteil, daß sie es gestatten, an der Gründung jederzeit Nachjustierungen vornehmen zu können, z.B. auch nach Schiefstellungen derselben durch Extremereignisse wie Tsunamis, Orkanen oder Kollisionen mit Schiffen. Solche Bodenabsetzvorrichtungen haben weiterhin den Vorteil, auch Absetzungen auf wenig oder sogar unpräpariertem Meeresboden vornehmen zu können, da Unebenheiten über einen sehr weiten Bereich ausgeglichen werden können. Die Absetzvorrichtungen weisen an ihrer Unterseite hierzu besonders große Bodenaufstandsflächen (Pratzen) auf, die das Gewicht der Gesamtanlage dauerhaft tragen. Für den Fall, daß nur eine temporäre Abstützung nötig ist, können die Aufstandsflächen/Füße hingegen deutlich kleiner ausgeführt werden, weil nach Beendigung des zweiten Verfahrensschrittes, des Absetzvorganges auf dem Meeresboden, die Last von dafür vorgesehenen Flächen an der Unterseite der Gründung übernommen wird.
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Die Bodenabsetzvorrichtungen können sich seitlich angesetzt an der Gründung befinden, bevorzugt befinden sie sich aber in ihrem Inneren und möglichst weit vom Zentrum der Gründung entfernt (Randbereich).
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Eine möglich Ausführung sind röhrenförmige Stempel, die sich in abgedichteten Zylindern als Führungsrohr/-kanal bewegen. Die Stempel stellen die Beine (oder Teile der Beine) der Absetzvorrichtung dar, auf die die Gründung im Verfahrensschritt 1 abgesetzt wird. Der Zylinder enthält (mindestens) ein Fluid, welches zum Absenken der Gründung im Verfahrensschritt 2 dann langsam aus dem Zylinder in ein Vorratsgefäß oder das Meerwasser entlassen wird.
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Eine mögliche Ausgestaltung dieser Ausführung weist im Inneren des Zylinders ein Gas (bevorzugt Luft) auf (u.U. zusammen mit Wasser wobei die Luft ein Luftpolster über dem Wasser bildet). Die Luft wirkt beim Aufsetzen der Absetzvorrichtung auf dem Meeresboden als Gasfeder, die die Stempel den Bodenkontakt wahren läßt, während die Gründung noch weiter bis zur Zwischenhöhe abgesenkt wird. Auf diese Weise kommt es zu keinem plötzlichen Aufsetzen der Gründung und damit nicht zu starken Stößen auf die Gründung und die ganze Anlage.
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Die Zylinder können auch nur mit Meerwasser gefüllt sein und offen sein, so lange die Gründung noch am Schiff befestigt ist. Im Moment des Abkoppelns wird der Zylinderraum dann geschlossen und das darin befindliche praktisch inkompressible Wasser versteift den Zylinder, so daß er die vom Schiff abgekoppelte Gründung abstützt.
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Statt Wasser ist eine Flüssigkeit höherer Viskosität vorteilhaft, weil dadurch die Anforderung an die Qualität der Dichtung deutlich geringer ist! Vorzugsweise wird hierzu Wasser mit einem wasserlöslichen Verdickungsmittel versetzt. Das Verdickungsmittel ist bevorzugt biologisch abbaubar, so daß die Flüssigkeit beim Absenken der Gründung auf den Meeresboden einfach ins Wasser entlassen werden kann.
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Stempel und Zylinder müssen im Querschnitt nicht rund sein. Der Querschnitt kann auch eckig sein (z.B. Rechteck).
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Die Stempel und Zylinder weisen für viele Anwendungsfälle eine Höhe von 2 bis 10 Meter auf.
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Ein Abkoppeln der Gründung vom Schiff erfolgt vorteilhafterweise im Moment (bzw. zeitnah) der höchsten Anhebung der Gründung über dem Meeresboden, wenn sie um ihre Zwischenhöhe herum „pendelt“.
- 2. Bodenabsetzvorrichtungen, die nur vorübergehend Bestandteil der Gründung sind:
Diese Bodenabsetzvorrichtungen werden nach Beendigung des Absetzvorganges von der Gründung gelöst und können dann für das Absenken weiterer Gründungen verwendet werden.
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Bevorzugt befinden sich solche Absetzvorrichtungen seitlich neben der Gründung, weil sie von dort leicht entfernt werden können. Bevorzugt greifen sie an seitlich an der Gründung befindlichen Haltevorrichtungen an.
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Es ist aber auch möglich, daß von der Absetzvorrichtung z.B. Balken/Traversen unter die Gründung greifen und nach Beendigung des Absetzvorganges wieder herausgezogen werden.
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Eine mögliche Ausführung einer solchen Absetzvorrichtung für den Fall einer Flachgründung in Form eines Kreuzes (
EP 1 691 073 A2 ) sieht z.B. Gitterstrukturen/Gittertürme vor, die lösbar an den Enden des Kreuzes angebracht sind.
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Die Gitterstrukturen verfügen an ihrer Unterseite über eine Standfläche außerhalb der späteren Standfläche der Gründung. An der Seite des Gitterstrukturen befindet sich der Absetzmechanismus, der das Absenken der Gründung im zweiten Verfahrensschritt von der Zwischenhöhe auf den Meeresboden herab bewerkstelligt.
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Für viele Anwendungsfälle sind diese Gitterstrukturen zwischen 2 und 10 Meter hoch.
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Anstelle von seitlich angebrachten Gitterstrukturen sind in einer anderen Ausführung der Erfindung auch seitlich lösbar an der Gründung angebrachte Stempel und Zylinder denkbar.
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Ein Abkoppeln der Gründung vom Schiff erfolgt auch in diesem Falle vorteilhafterweise im Moment (bzw. zeitnah) der höchsten Anhebung der Gründung über dem Meeresboden, wenn sie um ihre Zwischenhöhe herum „pendelt“.
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Der Verfahrensschritt 2, das Absetzen auf dem Meeresboden, kann erfolgen, während das Schiff noch vor Ort ist. Vorzugsweise entfernt sich das Schiff aber von der abzusetzenden Gründung bis auf eine sichere Distanz und der Verfahrensschritt 2 wird von dort aus gesteuert (Kabel- oder drahtlose Steuerung). Bei drahtloser Steuerung kann sich das Schiff sogar schon auf den Weg nach Hause oder zum nächsten Absetzort machen, falls mehrere Gründungen an Bord sind.
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Das Absetzen auf dem Meeresboden muß nicht durch die gleichen Mechanismen bewerkstelligt werden, die auch der Abfederung dienten! Es sind getrennte, auch andersartig als hydraulisch arbeitende, Absetzmechanismen einsetzbar (z.B. Schrauben in Gewinde).
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Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Mittel dazu sind nicht auf Gründungen beschränkt, die mit dem Schiff an den Absenkort gebracht werden, sondern sind auch für Gründungen anwendbar, die selbstschwimmend vor Ort gebracht und dort abgesenkt werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Absetzvorrichtung aus parallel arbeitenden kleineren Einheiten besteht, so daß der Ausfall einer Einheit noch nicht zum Versagen und vor allem nicht zu Sicherheitsproblemen führt. Mehrere kleinere Einheiten (z.B. Stempel und Zylinder) lassen sich zudem häufig kostengünstiger und dabei gleichzeitig stabiler bauen als eine große!
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Nicht immer herrschen Wellenverhältnisse vor, die ein Absenken mittels der beschrieben Absenkvorrichtungen erfordern. Sinnvoll ist es daher, immer Gründungen unterschiedlicher Art zur Auswahl zu haben:
- – solche ohne Absetzvorrichtungen, die eingesetzt werden, wenn kein oder kaum Wellengang besteht;
- – solche mit relativ kleinen Absenkvorrichtungen, die bei geringen Wellenhöhen eingesetzt werden;
- – solche mit größeren Absenkvorrichtungen, die bei starkem Wellengang eingesetzt werden.
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Aus dem gleichen Grunde ist es auch sinnvoll, wiederverwendbare Bodenabsetzvorrichtungen unterschiedlicher Größe vorzuhalten.
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Die Figuren zeigen skizzenhaft beispielhafte Ausführungen:
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1 zeigt von der Seite her betrachtet eine Flachgründung nach Stand der Technik der
EP 1 691 073 A2 , die für die Anwendung der Erfindung geeignet ist. Andere Formen der Gründung, in oder an denen die Bodenabsetzvorrichtungen angebracht werden können, sind aber selbstverständlich auch durch die Erfindung auf dem Meeresboden absetzbar!
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2 zeigt denselben Stand der Technik, aber in Aufsicht. Es handelt sich hierbei um eine kreuzförmige Flachgründung mit Pratzen, die auf dem Meeresboden aufsitzen.
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3 zeigt den Fall einer solchen kreuzförmigen Flachgründung, bei der in den Enden des Kreuzes stempelförmige Absetzmechanismen 10 enthalten sind. Diese Flachgründungen sind dadurch leicht nachjustierbar.
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4 zeigt den Fall von 3 von der Seite betrachtet.
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Die in den Kreuzenden enthaltenen Absetzmechanismen 10 setzen sich dabei zusammen aus einem Stempel 10b bzw. 10c und einem Führungskanal/-rohr 10a für den Stempel 10b bzw. 10c.
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Im Inneren des Führungsrohres 10a befindet sich eine Flüssigkeit oder ein Gas oder beides. Vermittels dieses Fluides läßt sich Druck auf den Stempel ausüben und dadurch der Stempel im Führungsrohr verschieben oder beim Aufsetzen auf den Meeresboden abfedern.
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Für die Stempel sind in der 4 zwei Varianten angegeben: Stempel 10b ist oben geschlossen, Stempel 10c hingegen ist hohl und enthält damit ebenfalls Fluid, welches z.B. stoßdämpfend wirken kann. Stempel c wirkt daher beim Aufsetzen der Gründung auf den Meeresboden weicher abfedernd.
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5 zeigt von oben den Fall einer kreuzförmigen Flachgründung mit mehreren Varianten außerhalb des Kreuzes 5 angebrachter Absetzmechanismen 11.
- – Am linken Kreuzende ist eine Variante dargestellt, bei der sich zwei Absetzmechanismen 11 unter einer Traverse 13 befinden, die sich oberhalb des Kreuzes 5 befindet und von seitlich am Kreuz 5 lösbar angebrachten Haltestrukturen 12 an Ort und Stelle gehalten wird. Die Absetzmechanismen 11 (bzw. beinartige Fortsetzung derselben nach unten) reichen bis zum Meeresboden hinab und weisen daher dort vorzugsweise einen (nicht dargestellten) flächigen Fuß auf, der das Einsinken vermindert.
Nach Beenden des Absetzvorganges werden die Haltestrukturen 12 vom Kreuz 5 gelöst und die Gesamtstruktur 11 + 12 + 13 kann nach oben abgehoben werden und für eine nächste Gründung wiederverwendet werden.
- – Am rechten Kreuzende ist eine Variante dargestellt, bei der sich zwei Absetzmechanismen 11 unter einer Traverse 13 befinden, die sich oberhalb des Kreuzes 5 befindet. Unter dem Kreuzende 5 (aber nicht unter der Pratze 7) befindet sich eine weitere Traverse 15. Die Traverse 13 und die Traverse 15 werden durch Verbindungsstrukturen 16 verbunden, so daß das Kreuz 5, auf der Traverse 15 ruhend, auf dem Meeresboden abgesetzt werden kann. Die Absetzvorrichtungen 11 (bzw. beinartige Fortsetzung derselben nach unten) reichen bis zum Meeresboden hinab und weisen daher dort vorzugsweise einen (nicht dargestellten) flächigen Fuß auf, der das Einsinken vermindert. Nach Beenden des Absetzvorganges wird die Traverse 15 von den Verbindungsstrukturen 16 gelöst und verbleibt am Ort (und kann dann für spätere Anhebevorgänge wiederverwendet werden) oder wird seitlich unter dem Kreuz 5 herausgezogen/herausgeklappt und die Gesamtstruktur 11 + 12 + 16, bzw. 11 + 13 + 16 + 15 kann nach oben abgehoben werden und für eine nächste Gründung wiederverwendet werden.
- – Zwischen oberem und unterem Kreuzende ist eine Variante dargestellt, bei der eine Gittermaststruktur 14 mit Längs- und Querstreben das (in diesem Falle gesamte) Gründungskreuz 5 seitlich und oberhalb einfaßt, wodurch eine steife Tragestruktur entsteht, an der das Gründungskreuz über Haltestrukturen 12 lösbar befestigt ist. Nach dem Absetzen der Gründung auf dem Meeresboden wird das Kreuz 5 von den Haltestrukturen 12 gelöst und die Gesamtstruktur 14 + 13 + 12 + 11 wird vom Gründungskreuz entfernt. Dies geschieht entweder durch Abheben über den höchsten Punkt 8 der Gründung hinaus oder die Gittermaststruktur ist, anders als in der Figur, seitlich offen oder zu öffnen und kann dann mit den daranhängenden Teilen 13, 12 und 11 seitlich abgezogen werden.
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Auch in diesem Fall ist, wie am Beispiel des rechten Kreuzendes dargestellt, prinzipiell ein Abstützen der Gründung auf Traversen 15 möglich, die nach dem Absetzen auf dem Meeresboden von der Gitterstruktur 14 oder einer Verbindungssruktur 16 abgekoppelt werden und am Ort verbleiben, oder aber unter dem Gründungskreuz 5 seitlich herausgezogen bzw. herausgeklappt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Meeresspiegel
- 2
- Meeresboden
- 3
- Mast der Windenergieanlage
- 4
- Gründung der Windenergieanlage
- 5
- Betonkreuz
- 6
- Hohlraum im Betonkreuz
- 7
- Pratze/Fuß der Gründung
- 8
- Übergang Gründung/Mast
- 9
- Mastförmiger Teil der Gründung
- 10
- Absetzmechanismus (z.B. fluidgefüllter Zylinder) innerhalb der Gründung
- 10a
- Führungsrohr oder Führungskanal
- 10b
- Oben geschlossener Stempel
- 10c
- Oben offener, rohrförmiger Stempel
- 11
- Absetzmechanismus (z.B. fluidgefüllter Zylinder) außerhalb der Gründung
- 12
- Haltestruktur zur Befestigung der Traverse 13 am Kreuz 5
- 13
- Traverse, die als Stütze des Absetzmechanismus 11 dient
- 14
- Versteifende Gittermaststruktur
- 15
- Stützende Traverse unter dem Kreuz 5 (alternativ: eingegossen in Kreuz 5)
- 16
- Verbindungsstruktur zwischen Traverse 13 und Traverse 15
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1691073 A2 [0033, 0045]