Offshore
Offshore-Windenergie für die europäische Energiewende
Die Europäische Kommission hat Ende 2019 ihren europäischen Green Deal vorgestellt, um Europa bis 2050 zum ersten klimaneutralen Kontinent zu machen. Der Erfolg dieses ehrgeizigen Ziels ist vom Ausbau der Offshore-Windenergie in der Nordsee abhängig. Geplant ist, dass bis 2050 die Offshore-Windenergie mit über 20 % den größten Anteil an der Stromproduktion in Europa leisten soll.
Während der vergangenen drei Jahrzehnte zeigte sich ein nahezu ungebremstes Größenwachstum von Windenergieanlagen (WEA), da mit größeren Anlagen neben einer effizienteren Stromerzeugung und kontinuierlicheren Stromeinspeisung auch ein geringerer Platzbedarf verbunden ist. Bezogen auf die Leistung haben Großanlagen kürzere Installationszeiten und die Logistik und der Netzanschluss sind kostengünstiger und weniger zeitaufwendig. Zudem ist die Wartung einiger großer Anlagen effizienter und wirtschaftlicher als für eine Vielzahl kleinerer Anlagen. Diese Vorteile machen Großanlagen besonders wertvoll für den Erfolg der Energiewende und auch für Investoren.
ForWind ist in mehreren Projekten und Forschungsinitiativen mit Schwerpunkt Offshore-Windenergie beteiligt.
Sonderforschungsbereich 1463 „Integrierte Entwurfs- und Betriebsmethodik für Offshore-Megastrukturen“
Für den Betrieb zukünftiger Windparks sind für jede einzelne Anlage während der gesamten Lebensdauer präzise Informationen über den Zustand und das dynamische Verhalten der Tragstruktur und der Rotorblätter sowie Kenntnisse über die Auswirkungen sich ändernder Umgebungs- und Betriebsbedingungen erforderlich. Klassische Simulationsmodelle sind in der Regel identisch für alle Anlagen in einem Windpark und fokussieren vor allem auf die Tragfähigkeit. Aspekte wie Fertigung, Installation sowie Betrieb und Rückbau werden hingegen nachrangig berücksichtigt.
Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs entwickeln die Forschenden daher mit dem digitalen Zwilling eine Methode, die alle diese Details integriert. Der digitale Zwilling ist ein gekoppeltes Gesamtmodell einer konkreten Windenergieanlage, das mit Hilfe von Messdaten an den aktuellen Zustand der realen Struktur (des realen Zwillings) angepasst wird. So ergeben sich Simulationsmodelle, die einzelne, reale Anlagen über die gesamte Lebensdauer beschreiben und immer an den aktuellen Zustand angepasst werden können.
Es haben sich für den SFB 1463 „Integrierte Entwurfs- und Betriebsmethodik für Offshore-Megastrukturen“ vier Forschungseinrichtungen unter der Leitung der Leibniz Universität Hannover (LUH) zusammengeschlossen: Neben der LUH sind die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und die Technische Universität Dresden beteiligt. An der Leibniz Universität sind insgesamt zehn Institute der Fakultäten für Bauingenieurwesen und Geodäsie, für Maschinenbau, für Mathematik und Physik und für Elektrotechnik und Informatik involviert. Ein Großteil der beteiligten Institute der Leibniz Universität Hannover und der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg sind bereits im Forschungsverbund ForWind vernetzt.
Teilprojekt: Berechnungsmodelle für die Einsatzplanung von Arbeitsschiffen
Offshore-Arbeitseinsätze (Installation, Wartung, etc.) sollten so geplant werden, dass hohe Standards an die Sicherheit der Techniker*innen eingehalten werden und die Kosten für Installation und Instandhaltung minimiert werden. Hierzu müssen genaue Kenntnisse über die Wetterbedingungen (Windgeschwindigkeit und -Richtung, Wellenhöhe, -periode und -richtung) sowie die daraus resultierenden Bewegungen der Arbeitsschiffe vorhanden sein.
Üblicherweise werden diese Planungen anhand von linearen Übertragungsfunktionen und einfachen Grenzwerten für die Wetterbedingungen durchgeführt. Hierdurch werden zum einen sehr konservative Einsatzplanungen erstellt und zum anderen mögliche nicht-lineare Effekte (z.B. Frequenz-Kopplung von Kranlast und schwimmendem Kranschiff) in der Bewegungsantwort der Schiffe vernachlässigt, deren Berücksichtigung die Sicherheit der Techniker*innen während des Einsatzes noch erhöhen könnte.
Im Rahmen von mehreren Forschungsprojekten im SFB 1463 werden in numerischen und experimentellen Studien die Einsatzgrenzen von Offshore-Arbeitsschiffen bei der Installation und Wartung von Offshore-Windenergieanlagen untersucht. Hierbei werden sowohl schwimmende Kranschiffe als zukunftsweisende Installationsmethode sowie Personentransportschiffe (Crew Transfer Vessel, CTV) in Hinblick auf die Arbeitsfähigkeit der Techniker*innen nach dem Transfer vom Hafen zum Windpark untersucht.
In einem weiteren Forschungsvorhaben werden die flächige Interpolationsmethoden für die Bestimmung von Wetterdaten zwischen verschiedenen Messstandorten (z.B. FINO-Plattformen) entwickelt, deren Ergebnisse wiederum in die Optimierung der Einsatzplanung der Arbeitsschiffe eingehen können.
RAVE: Research at alpha ventus
Die Forschungsinitiative RAVE führt Forschungs- und Entwicklungsarbeiten am Offshore Testfeld alpha ventus durch. Forschung und Entwicklung an Deutschlands erstem Offshore Windpark generieren Erfahrung und Wissen, die den Aufbau und die weitere Entwicklung der Offshore Windenergie voranbringen. RAVE wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert und vom Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) koordiniert.
In insgesamt über 35 Forschungsprojekten haben mehr als 60 Partner aus Wissenschaft und Industrie seit 2008 ein breites Spektrum an Forschungsfragen bearbeitet. Die Themen reichen von ökologischen Fragen über die Weiterentwicklung der Anlagen und Fundamente bis hin zur Optimierung des Betriebs.
