Sonderforschungsbereich 1463 Offshore-Megastrukturen

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.

Forschungsprogramm:

Zentrale Forschungsfragen bei Offshore-Megastrukturen resultieren aus neuen und sich über die Lebensdauer verändernden Einwirkungs- und Nutzungsszenarien, beispielsweise infolge neuer Blatttypen und Regelungskonzepte. Weitere Ursachen für veränderliche Einwirkungen über die Lebensdauer sind nachträgliche Repowering- oder Ertüchtigungsmaßnahmen sowie sich ändernde Umwelteinwirkungen (zunehmend extreme Wetterereignisse und daraus resultierende, bisher unberücksichtigte Einwirkungen auf Tragwerke). Einen starken und bislang unzureichend erforschten Einfluss auf das dynamische Verhalten der Struktur haben die diskontinuierliche Degradation der Struktur, Veränderungen des Bodens, neue Regelungskonzepte (z. B. leistungs- oder lebensdaueroptimierte Anlagenregelung) und adaptive Bestandteile der Struktur (z. B. (semi-) aktive Dämpfungssysteme). Im Vergleich zu herkömmlichen Bauwerken haben Installations-, Betriebs- und Rückbaukonzepte bei Megastrukturen eine höhere Bedeutung und beeinflussen maßgeblich die wirtschaftliche Realisierbarkeit.

• Zukünftige sehr große OWEA sind bisher kaum bekannten Einwirkungen und Einwirkungskombinationen ausgesetzt. Beispiele hierfür sind Windbedingungen in der Ekman-Schicht und im Übergang von der Prandtl- zur Ekman-Schicht, Aeroelastik an zunehmend flexiblen sehr großen Rotorblättern und hydro- dynamische Einwirkungen sowie Kolkeffekte an neuartigen Gründungsstrukturen.

• Die stark anwachsenden Tragstrukturen und Systembestandteile weisen ein äußerst komplexes Trag- und Verformungsverhalten auf, das neue ganzheitliche Modellansätze für die Beschreibung als interagierendes System erfordert. Hierzu sind einerseits nichtlineare gekoppelte Gesamtmodelle unerlässlich, die beispielsweise auch geometrische Nichtlinearitäten präzise abbilden können, die bei den zu erwartenden großen Verformungen ultraschlanker Rotorblätter relevant werden. Anderseits sollen diese Gesamtmodelle nahezu echtzeitfähig sein, um eine Prognosefähigkeit im Betrieb sowie modellbasierte Regelung und Strukturüberwachung zu ermöglichen und eine Vielzahl von Entwurfsvarianten in einem wirtschaftlichen Zeitrahmen testen zu können.

• Der exponierte Standort und die großen Abmessungen und Massen von Bau- und Anlagenteilen führen zu einer zunehmenden Bedeutung von aufeinander abgestimmten Installations-, Betriebs- und Wartungskonzepten, die idealerweise bereits im Entwurf berücksichtigt werden. Dazu ist eine mathematisch beschreibbare Methodik für einen integrierten Entwurfsprozess erforderlich, die relevante Lebensphasen wie Fertigung, Installation, Betrieb und Rückbau im initialen Tragwerksentwurf in relevanter Detailtiefe berücksichtigt.

• Durch das hohe planerische und wirtschaftliche Risiko sowie die hohen Investitions- und Instandhaltungskosten von Offshore-Megastrukturen werden besondere Anforderungen an die Prognosefähigkeit der Modelle gestellt. Prognosemodelle für sich ändernde Umgebungsbedingungen und Regelungskonzepte wie auch prädiktive Instandhaltungskonzepte werden existenziell für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb. Hierzu sind sowohl physikalisch motivierte Modelle zur realistischen Beschreibung von veränderlichen Auslegungsrandbedingungen als auch ein gekoppeltes Gesamtmodell zum virtuellen Planen, Testen und Verifizieren neuer Betriebskonzepte und Belastungsszenarien zu erforschen.

• Neue Strukturkonzepte bei Offshore-Megastrukturen erfordern den Einsatz neuer Materialien. Des Weiteren spielen diskontinuierliche Degradationseffekte der Struktur und bei bestimmten Materialien (z. B. Faserverbundwerkstoffen) auch kontinuierliche Degradationseffekte eine verstärkte Rolle hinsichtlich des dynamischen Verhaltens von OWEA, sodass neue Materialmodelle erforderlich sein können. Wie zuvor erläutert, sollen diese in der ersten Förderperiode des geplanten Sonderforschungsbereichs bewusst nicht adressiert werden, da entsprechende neue Strukturkonzepte erst ein Ergebnis der ersten Förderperiode sein sollen. So soll der Fokus zunächst auf der Entwicklung von Entwurfs- und Betriebsmethoden liegen.