Offshore-Wind-Fundamente

Lautlos in die Tiefe

Um den Lärm beim Bau der Fundamente von Offshore-Windrädern zu verringern, setzt die Branche auf ausgeklügelte Schallschutzverfahren und leisere Gründungsvarianten. Eine Übersicht.

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    Die älteste Methode, um die Fundamente von Offshore-WIndrädern zu verankern, ist das sogenannte Impulsrammen.

    Die erprobteste Methode: Impulsrammen

    Monopiles, die Standard-Fundamente für Offshore-Windkraftanlagen mit nur einem Rohr als Fuß, werden mit Impulsrammen in den Meeresboden getrieben. Das Prinzip ist simpel: Ähnlich wie ein Hammer den Nagel im Brett versenkt, schlägt beim Rammen ein Gewicht auf das obere Ende des Monopiles. Dabei wird seine Impulsenergie auf das Stahlrohr („Impulsrammen“) übertragen, wodurch es sich Schlag für Schlag bis zu 30 Meter tief in den Untergrund gräbt. Das Problem dabei: Ohne Schallschutzmaßnahmen leidet die Meeresfauna, insbesondere Schweinswale: Noch in 750 Meter Entfernung werden 190 bis 200 Dezibel (dB) erreicht – erlaubt sind 160 dB.

    Beim Setzen der Fundamente von Offshore-Windrädern kann ein Blasenschleier die Ausbreitung des Schalls verhindern.

    Lärmschutz aus Luft: Blasenschleier

    Leiser laufen die Ramm-Arbeiten hinter einem sogenannten Blasenschleier ab. „Dabei macht man sich zunutze, dass Luft den Schall schlechter leitet als Wasser“, sagt Alexander Schenk, Abteilungsleiter Tragstrukturen am Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES. In einen ringförmig um die einzelnen Fundamente verlegten perforierten Schlauch, leiten Kompressoren an Bord der Errichterschiffe Druckluft ein: Sie perlt aus den Löchern und bildet eine zylinderförmige Wand aus Luftblasen. Obwohl ein Schleier rund 15 dB Dämpfung (~80 Prozent Lärmreduktion) bringt, erfüllen selbst zwei Blasenwände hintereinander nur unter bestimmten Bedingungen den 160-dB-Grenzwert. Daher wird die Methode oftmals in Kombination mit einem Schallschutzrohr eingesetzt.

    Offshore-Wind-Fundament: Ein kombinierter Lärmschutz aus einem Stahlrohr und einem Blasenschleier verhindert die Ausbreitung des Schalls.

    Lärmschutz aus Stahl: Schallschutzrohr

    Zusätzlich zu einem einfachen Blasenschleier setzt die Offshore-Windindustrie auf ein Schallschutzrohr, das den Gründungspfeiler komplett einkapselt. Die Methode wurde von Ørsted erstmals für den Windpark Borkum Riffgrund 1 eingesetzt und anschließend für den Bau von Gode Wind verbessert. Doppelwandig aufgebaut und mit speziellem schalldämmenden Material gefüllt, beruht der Dämpfungseffekt bei dem Rohr vor allem auf Reflektionseffekten an den Phasenübergängen (Wasser-Stahl-Dämmmaterial) – und nicht wie beim Blasenschleier auf schlechterer Schallleitung. Mit der Kombination aus Rohr und Schleier liegen die Schallwerte deutlich unterhalb der erlaubten Obergrenze.

    Suction Buckets sind eine effektive Methode, um den Lärm beim Setzen von Offshore-Windrad-Fundamenten zu minimieren.

    Mit Unterdruck in den Boden: Suction Buckets

    Saugfundamente, besser bekannt unter der englischen Bezeichnung Suction Buckets, sind schon lange für schwere marine Infrastruktur wie Ölplattformen oder Verteilerstationen im Einsatz. „Für Windkraftanlagen auf See sind sie nun auch stark im Kommen“, sagt IWES-Experte Schenk. Man könne sie sich wie einen umgestülpten Eimer aus Stahl vorstellen, der auf den Meeresboden gestellt wird. Pumpt man nun das Wasser aus dem Eimer, entsteht ein Unterdruck – dieser zieht den Stahlzylinder in den Grund. Der große Vorteil der Methode, so Schenk, der aktuell am IWES untersucht, wie sich Suction Buckets im starken Wellengang verhalten: Sie ist geräuschlos. Allerdings ist der Installationsprozess für jede einzelne Position ein hoch komplexer Vorgang in Planung und Ausführung. Diese Komplexität erfordert einen weiteren Erfahrungsaufbau und die Weiterentwicklung dieses Konzepts.

    Auch schwimmende Windräder müssen am Meeresboden verankert werden.

    Mit Seilen verankert: Schwimmende Windräder

    Bei hohen Wassertiefen ab ungefähr 120 Metern kommen nur noch schwimmende Gründungen für Offshore-Windräder in Frage. Sie bestehen aus einem Auftriebskörper aus Stahl und Beton, der wie ein Eisberg bis zu 80 Meter tief ins Wasser ragt und mit Stahlseilen in Position gehalten wird. „Die Windkraftanlagen dürfen nicht zu sehr schwanken, sonst leidet die Technik“, sagt IWES-Forscher Schenk. Wie viel Lärm die Offshore-Variante erzeugt, entscheidet sich durch die Technik der Verankerung der Stahlseile im Meeresgrund: Hier können Stahlrohre, kleinere Suction Buckets oder auf dem Boden freiliegende schwere Anker verwendet werden.

    Das Schaubild zeigt das Verankern eines Offshore-Windrads mithilfe des sogenannten Vibrationsrammens.

    Geschüttelt, nicht gehämmert: Vibrationsrammen

    Eigentlich wird beim Vibrationsrammen nicht gerammt, sondern vielmehr geschüttelt und gerüttelt: Auf dem Monopile aufliegende rotierende Gewichte, regen das Stahlrohr zu hochfrequenten vertikalen Schwingungen im Bereich um 20 bis 30 Hertz an. So wie am Strand, wenn man auf dem nassen Sand auftritt, verflüssigt sich an der Unterkante des Monopiles der Meeresboden. Dadurch und aufgrund seines großen Eigengewichtes rutscht das Rohr langsam immer weiter in den Boden. „Das Vibrationsrammen ist sehr gefragt“, so IWES-Forscher Alexander Schenk. „Die Methode hat mit 140 bis 145 dB deutlich weniger Schallemissionen als das normale Rammen.“ Allerdings ist noch einige Entwicklungsarbeit nötig um die Schädigung des Bodens durch diese Installationsmethode zu verstehen und um die Standfestigkeit der Anlagen im Betrieb garantieren zu können.

    Windkraftanlagen mit Schwerkraftgründungen werden durch das bloße Gewicht des Fundamentes am Meeresboden fixiert.

    Mithilfe der Erdanziehung: Schwerkraftgründungen

    Windkraftanlagen mit Schwerkraftgründungen werden durch das bloße Gewicht des Fundamentes am Meeresboden fixiert. Sie bestehen aus großen Stahlbetonstrukturen. Bevor sie mit sehr teuren Installationsschiffen in den Windpark gebracht und dort mithilfe von großen Kränen ins Wasser gelassen werden oder als selbstschwimmende Variante in den Windpark geschleppt und dort aufwendig ballastiert werden, muss der Meeresboden präpariert werden: Die Struktur darf nicht zu einer Seite einsinken oder auf einem Stein aufsetzen. Vorteil dieser Methode: Sie ist leise und auch bei Eisgang extrem stabil. Ihr Nachteil: Großer Platzbedarf während der Bauphase und große Seebodenflächennutzung. Da sie dazu teurer als ein Monopile ist, fristet sie ein Exotendasein.

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