Offshore-XL-Monopile

Der Ausbau der Windenergie auf See stellt einen wichtigen Baustein zum Erreichen der Energiewende in Deutschland dar. Die Etablierung sicherer und ökonomischer Gründungsvarianten für die Offshore-Anlagen ist Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt der beteiligten Antragsteller aus Bremen.

Seit jüngster Zeit erlaubt eine Monopfahl-Gründung für Offshore-Windenergie-Anlagen (OWEA) von beträchtlichen Ausmaßen mit Durchmessern größer als 5 m und mehr als 100 t Stahlmenge, der sogenannte XL- Monopile, den ökonomischen Bau größerer und effizienterer Anlagen in Wassertiefen von mehr als 30 m. Zur Bemessung der Gründung werden Bodenuntersuchungen vor dem Baubeginn herangezogen. Während der Ramm- oder Vibrationsarbeiten wird der Baugrund jedoch entscheidend verändert. Diese installationsbedingten Änderungen können bei der Bemessung nicht berücksichtigt werden und sind aktueller Forschungsschwerpunkt unseres gemeinsamen, laufenden BMWi Verbundvorhabens „Vibro-CPTu“. Die Bodenveränderung um einen XL-Monopfahl ist jedoch nicht mit der Installation abgeschlossen. Meist verstärkt sich die Pfahl-Boden-Kopplung nach der Installation und der Pfahl kann im Endeffekt deutlich höhere Lasten tragen: Eine Verdopplung der Pfahltragfähigkeit ist möglich. Weder die zeitliche Tragfähigkeitszunahme noch physikalische Ursache und Antrieb dieses Pfahl-Anwachseffektes (engl. Set-Up) sind ausreichend verstanden, um den Tragfähigkeitszuwachs schon bei der Bemessung zu berücksichtigen.
Im Rahmen des international geförderten und industriefinanzierten Projektes „Restrike Operation“ werden unter der Leitung der INNOGY SE (vormals RWE INNOGY) drei einvibrierte und drei gerammte Versuchspfähle vom Typ XL-Monopile aus dem „Vibro Projekt“ auf einem Testgelände südlich von Cuxhaven durch Rammschläge im Zuge von dynamischen Pfahlprobebelastungen (engl. Restrikes) reaktiviert. Dies dient der Erforschung des vergangenen Anwachseffektes, der maßgeblich das tatsächliche Tragverhalten der Gründungsvariante XL-Monopile bestimmt. Dieses industriefinanzierte Vorhaben bietet unserem Antragsverbund die einmalige Chance innovative Begleitmessungen durchzuführen.

Die GEO-ENGINEERING.ORG GMBH hat vor im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojektes „Set-Up XL-Monopile Restrike Monitoring“:
- Ein erweitertes Pfahlmonitoring Konzept zur Erfassung der Bodenveränderungen während des Rammens und des kurz- und mittelfristigen physikalischen Antriebs des Pfahlanwachsens zu entwickeln.
- Das innovative neu entwickelte Konzept am Beispiel XL-Monopiles begleitend zum industrie-finanzierten Projekt „Restrike Operation“ am Testfeld Altenwalde einzusetzen.
- Die Daten vor, während und nach der Rammung aufzuzeichnen und zu sichten.
- Mittelfristig die Bremer Dienstleistungen „XL-Monopile Anwachs Prognose“ zu entwickeln (Abbildung 1).

Für dieses Projekt hat sich die GEO-ENGINEERING.ORG GMBH mit den starken, forschenden Mit-antragstellern FRAUNHOFER-IWES und MARUM/Uni-Bremen im Verbund aufgestellt. Das vorgestellte Projekt:
- ist hoch innovativ, jedoch risikobehaftet und trägt zum sparsame Einsatz von Materialien und Energie und die Vermeidung von Emissionen durch eine Stärkung der Offshore Wind Industrie bei;
- reiht sich in eine langjährige innovative Dienstleistungsentwicklungskette um die Offshore-Windenergie des Unternehmens und seiner Forschungspartner, ein Beispiel für gelebten Tech-nologietransfer;
- stützt sich auf fünf erfolgreich abgeschossenen föderal- und bundesgeförderte Forschungs- und Entwicklungsvorhaben im Bereich der Offshore Windenergie der letzten 10 Jahre.

Wissenschaftlich-technische Arbeitsziele

Ziel des Vorhabens ist es, mechanische Größen des Pfahl-Boden-Systems im Zusammenhang mit einer dynamischen Pfahlprobebelastung zu messen, um als Fernziel eine Prognosemethode für den Anwachseffekt von Pfählen zu entwickeln. Das Anwachsen führt zu mechanischen Änderungen von Spannungen und Verformungen am Pfahl und im Boden (Gavin 2015). Der Boden selbst ändert sich durch Alterung und all diese Änderungen bewirken Änderungen im dynamischen Verhalten des Pfahls. In dem beantragten Projekt sollen diese mechanischen Größen an kritischen Punkten vor, während und nach der dynamischen Pfahlprobebelastung bestimmt werden, um in Folge in dem BMWI Projekt „Restrike XL“ die physikalischen Mechanismen des Anwachsens zu erforschen.
Zunächst wird in dem Projekt ein Messkonzept erarbeitet, das die Details der Testfläche, der Projekthistorie und der Messwertgeber berücksichtigt. Der dreidimensionale Spannungszustand im Boden soll zumindest in der Tiefe des Pfahlfußes und in mindestens zwei verschiedenen Abständen bestimmt werden. Die Spannungszustände im Pfahlbereich und deren Änderung nach den Rammschlägen über die ersten Monate richtig vorherzusagen, ist ein herausfordernder Test für jedes Bodenmodell. Spannungsänderungen gehen immer mit Verformungen einher; wie stark der Pfahl selbst daran beteiligt ist, soll durch Tachymetermessungen und hochgenaue Schlauchwaagensysteme bestimmt werden. Diese Messungen könnten direkte Hinweise auf verschiedene Antriebe des Festwachseffekts, wie Erdgezeiten oder Tagesgang der Temperatur geben. Auch die Verformung der Bodenoberfläche um den Pfahl soll während des Rammschlags und danach vermessen werden. Die dynamische Verformung sowie die Oberflächenwellendämpfung soll mit 3-Komponenten-Geophonketten bestimmt werden, die Materialdämpfung mit 1-Komponenten-Geophonen in der Tiefe des Pfahlfußes. Die absolute Verformung wird mit Tachymetern aufgenommen. Die Bodenverformung während des Rammschlags erlaubt die dynamische Pfahl-Bodeninteraktion genauer zu beschreiben, die andauernde Bodenverformung ist entscheidend für die langfristigen Bodenveränderungen. Die langfristigen Bodenveränderungen selbst soll mit zwei Methoden bestimmt werden, einmal wie schon im Vibro Projekt mit Drucksondierungen, aller-dings in reduziertem Umfang. Zusätzlich ist geplant Oberflächenwellenseismik (english: Multichannel Analysis of Surface Waves, MASW) zu nutzen, die zerstörungsfrei Änderungen im Boden misst (Kayen et al. 2013). Es ist geplant die Ergebnisse der Oberflächenwellenseismik mit den invasiven Verfahren der Drucksondierung zu kalibrieren. „Low-strain“ Messungen sollen zur Bestimmung der Pfahleigenfrequenz genutzt werden, und die Änderung der Eigenfrequenz vor und nach dem Restrike ist zu bestimmen. Änderungen an der Pfahl-Boden-Kopplung sind zu mes-sen, da sie eng mit dem Anwachsen verbunden ist.
Die gemessenen Daten werden im Projekt aufbereitet und mit den vorhandenen Daten aus dem Industrie Projekt „Restrike Operation“ und den anderen damit verbundenen Projekten ausgewer-tet. Mit diesem Datenschatz und weiteren Labor- und Feldmessungen werden dann die physikalischen Mechanismen des Anwachsens erforscht, um später ein kommerziell verwertbares Prognoseverfahren für den Anwachseffekt zu entwickeln.

Projektkoordination

Geo-Engineering.org GmbH (GEO-ENG)
Projektleitung: Dr. Majid Goodarzi; Dr. Janis Thal
Adresse: Tucholskystr. 7, 28239 Bremen
Telefon: 0421 - 69697789
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Verbundpartner

MARUM – Forschungszentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Projektleitung: Prof. Dr. Tobias Mörz
Adresse: Leobener Str. MARUM, 28359 Bremen
Telefon: 0421- 218 65840
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Hansastr. 27 c, 80686 München
für Leistungen ihres
Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES, Bremerhaven, Arbeitsgruppe Offshore Standortbewertung Bremen