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BAW seit sechs Jahren auch 'offshore' aktiv - Die Sicherheit der Windenergieanlagen auf dem Meer muss gewährleistet sein

Da beim Bau von Offshore-Windenergieanlagen großenteils technisches Neuland betreten wird, gilt es, dafür den 'Stand der Technik' zu entwickeln und in Standards und Normen festzuhalten. Den Anteil der erneuerbaren Energien zu steigern, ist ein wichtiges energiepolitisches Ziel der Bundesregierung. Dabei soll die Windenergie auf dem Meer einen wesentlichen Teil der zukünftigen Energieversorgung sicherstellen. Im Vergleich zu den Bedingungen an Land (onshore) treten auf dem Meer (offshore) hohe stetige Windgeschwindigkeiten auf, sodass hohe Erträge zu erwarten sind. Offshore-Windparks sollen von der Küste und den Inseln aus nicht sichtbar sein, und sie sollen außerhalb der Küsten-Nationalparks Wattenmeer und Boddengewässer liegen. Deshalb werden Windpark-Projekte vorwiegend in großer Entfernung zur Küste und in großen Wassertiefen geplant. Sie liegen damit in der sogenannten 'ausschließlichen Wirtschaftszone' (AWZ) der Bundesrepublik Deutschland. Dies ist das Gebiet außerhalb der 12-Seemeilen-Zone bis zu einer Entfernung von 200 Seemeilen. Die Windenergieanlagen müssen dort in Wassertiefen bis zu 50 m errichtet werden. Aufgrund der anspruchsvollen Bedingungen - große Wassertiefen, starke Wind- und Wellenbelastungen, weite Entfernungen von der Küste - ist die in Deutschland geplante und begonnene Errichtung von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) weltweit einmalig. Diese schwierigen Randbedingungen machen eine sorgfältige Planung notwendig. Das zuständige Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) hat bisher 28 Windparks unter der Auflage genehmigt, dass die Antragsteller planungsbegleitend bis zur Baufreigabe die Einhaltung des Standes der Technik nachweisen müssen. Da hier aber großenteils technisches Neuland betreten wird, musste und muss ein solcher Stand der Technik überhaupt erst geschaffen werden. Das BSH gibt Standards als technische Regelwerke für Offshore-Windenergieanlagen heraus, die unter Mitwirkung von Expertengruppen erarbeitet und weiterentwickelt werden. In diesen Standardisierungsprozess bringt die BAW ihr vorhandenes wasserbauliches und geotechnisches Expertenwissen ein und berät das BSH bei den technischen Fragen während des Genehmigungsprozesses. So sind im Rahmen der Freigabeprozesse umfangreiche technische Unterlagen der Antragsteller zu bearbeiten. Dabei werden immer wieder wesentliche fachliche Risiken für die Errichtung und den sicheren Betrieb deutlich, die in aufwändigen Fachgesprächen und Fachbeiträgen behoben werden müssen. Sie resultieren aus der Komplexität der Aufgabenstellung und der Randbedingungen, die nachfolgend beispielhaft betrachtet werden.

Bau- und bauwerksbedingte Emissionen / Immission in Wasser, Boden und Luft

Veranlassung Für umweltverträgliches und nachhaltiges Bauen ist die Kenntnis der Freisetzung von (Schad-)Stoffen über den gesamten Lebenszyklus der Bauwerke von besonderer Bedeutung. Bisher ist allerdings nicht ausreichend bekannt, welche Substanzen beim Einbau, Rückbau und während der Nutzung der Bauwerke freigesetzt werden und inwieweit diese Stoffe die Qualität von Wasser, Boden oder Luft negativ beeinflussen. Zur Untersuchung der Umweltverträglichkeit werden deshalb in diesem Vorhaben systematische Auslaugversuche mit verschiedenen Bauprodukten durchgeführt. Die freigesetzten Stoffe werden durch eine Kombination von chemischen und biologischen Analysen detektiert, identifiziert und hinsichtlich ihrer ökotoxikologischen Effekte untersucht. Auf der Basis dieser Ergebnisse werden unter Berücksichtigung von Expositionsszenarien zudem praxisfähige Prüf- und Bewertungsverfahren für Bauprodukte entwickelt. Ziele - Analyse und ökotoxikologische Bewertung stofflicher Emissionen aus Materialien wie Beton, Geokunststoffe, Elastomere und Korrosionsschutzanwendungen im Stahlbau in Wasser und Boden - Untersuchung des Einflusses verschiedener Witterungseinflüsse auf die Bildung von Transformationsprodukten und die Stofffreisetzung - Aufstellen von Freisetzungsszenarien für Stoffe aus Bauprodukten - Entwicklung von Konzepten für die Bewertung der Umweltverträglichkeit von Bauprodukten - Aufbau einer Rechercheplattform für die Auswahl umweltfreundlicher Baustoffe/Baumaterialien Für die Errichtung von Verkehrsbauwerken wie z.B. Brücken, Schleusentore, Ufersicherungen oder Offshore-Windenergieanlagen werden verschiedenste Baustoffe verwendet. Dabei handelt es sich meist um komplexe, teils reaktive Formulierungen mit Zusatzmitteln und Prozesschemikalien. Für alle Verkehrsträger (Straße, Schiene und Wasserstraße) gilt, dass viele Substanzen beim Bau, Ausbau, Betrieb und Rückbau in die Umwelt gelangen können. Die genaue chemische Zusammensetzung der Baustoffe ist allerdings oftmals nicht bekannt. Durch Verwitterungsprozesse (UV, Regen) können zudem auch unbekannte Transformationsprodukte gebildet und freigesetzt werden. Das Schwerpunktthema 204 des BMDV-Expertennetzwerks entwickelt Konzepte zur Untersuchung und Bewertung der Umweltverträglichkeit von Baustoffen hinsichtlich der Freisetzung von Substanzen und deren ökotoxikologischer Relevanz.

Optimierung der Produktivität bei der Herstellung von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen durch die Implementierung des Laserstrahlschweißens im Vakuum

Damit die Klimaziele der Bundesregierung erreicht werden, muss in den kommenden Jahren intensiv in die Erschließung und den Aufbau neuer Offshore-Windparks investiert werden. Um diese möglichst schnell und kostengünstig aufbauen zu können, bedarf es hochproduktiver Fertigungsprozesse. Die Schweißtechnik ist nach einer Studie des deutschen Verbandes für Schweißtechnik und verwandte Verfahren (DVS) aktuell der Flaschenhals bei der Herstellung von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA). Da die maximale Produktivität konventioneller Schweißverfahren wie dem Unterpulverschweißen erreicht ist, kann eine nennenswerte Produktivitätssteigerung nur durch echte Innovationen wie der Substitution der konventionellen Verfahren durch Hochleistungsverfahren wie dem Laserstrahlschweißen im Vakuum (LaVa) erreicht werden. Ziel des Vorhabens ist ein ganzheitlicher Anlagenentwurf zur Implementierung des Verfahrens in der Herstellung von OWEA, konkret am Beispiel von Monopiles. Um LaVa in der Fertigung von Monopiles einsetzen zu können, müssen diverse Herausforderungen bewältigt werden.

Optimierung der Produktivität bei der Herstellung von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen durch die Implementierung des Laserstrahlschweißens im Vakuum, Teilvorhaben: Integration in Produktionsumgebung

Damit die Klimaziele der Bundesregierung erreicht werden, muss in den kommenden Jahren intensiv in die Erschließung und den Aufbau neuer Offshore-Windparks investiert werden. Um diese möglichst schnell und kostengünstig aufbauen zu können, bedarf es hochproduktiver Fertigungsprozesse. Die Schweißtechnik ist nach einer Studie des deutschen Verbandes für Schweißtechnik und verwandte Verfahren (DVS) aktuell der Flaschenhals bei der Herstellung von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA). Da die maximale Produktivität konventioneller Schweißverfahren wie dem Unterpulverschweißen erreicht ist, kann eine nennenswerte Produktivitätssteigerung nur durch echte Innovationen wie der Substitution der konventionellen Verfahren durch Hochleistungsverfahren wie dem Laserstrahlschweißen im Vakuum (LaVa) erreicht werden. Ziel des Vorhabens ist ein ganzheitlicher Anlagenentwurf zur Implementierung des Verfahrens in der Herstellung von OWEA, konkret am Beispiel von Monopiles. Um LaVa in der Fertigung von Monopiles einsetzen zu können, müssen diverse Herausforderungen bewältigt werden.

Optimierung der Produktivität bei der Herstellung von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen durch die Implementierung des Laserstrahlschweißens im Vakuum, Teilvorhaben: Anlagenentwicklung für das Laserstrahlschweißen mit lokalem Vakuum

Damit die Klimaziele der Bundesregierung erreicht werden, muss in den kommenden Jahren intensiv in die Erschließung und den Aufbau neuer Offshore-Windparks investiert werden. Um diese möglichst schnell und kostengünstig aufbauen zu können, bedarf es hochproduktiver Fertigungsprozesse. Die Schweißtechnik ist nach einer Studie des deutschen Verbandes für Schweißtechnik und verwandte Verfahren (DVS) aktuell der Flaschenhals bei der Herstellung von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA). Da die maximale Produktivität konventioneller Schweißverfahren wie dem Unterpulverschweißen erreicht ist, kann eine nennenswerte Produktivitätssteigerung nur durch echte Innovationen wie der Substitution der konventionellen Verfahren durch Hochleistungsverfahren wie dem Laserstrahlschweißen im Vakuum (LaVa) erreicht werden. Ziel des Vorhabens ist ein ganzheitlicher Anlagenentwurf zur Implementierung des Verfahrens in der Herstellung von OWEA, konkret am Beispiel von Monopiles. Um LaVa in der Fertigung von Monopiles einsetzen zu können, müssen diverse Herausforderungen bewältigt werden.

Planungswerkzeuge für die energetische Stadtplanung

Im Projekt 'Planungswerkzeuge für die energetische Stadtplanung sind erste Ansätze zur energetischen Stadtplanung auf Basis des Energiemodells URBS entwickelt worden. Die Analyse erlaubt eine Einteilung der Stadt in Vorranggebiete bezüglich der Wärmeversorgung. Die Arbeit basiert auf verschiedenen Analysemodulen. Der erste Schritt besteht in der Erstellung einer Gebäudedatenbank. Alle Gebäude der Stadt sollen hinsichtlich ihrer Geometrie, des Gebäudealters, der Bauweise, des aktuellen Energieverbrauches usw. enthalten sein. Diese Informationen werden dann genutzt, um den gegenwärtigen und zukünftigen Wärmeverbrauch zu bestimmen. Der zukünftige Gebrauch wird unter der Annahme verschiedener Sanierungsmaßnahmen bestimmt. Der erste Schwerpunkt der Arbeit liegt auf einer Analyse der Verdichtung und Ausweitung des bestehenden Fernwärmenetzes. Mit Hilfe der Gebäudedatenbank wird analysiert wo und zu welchen Kosten die Fernwärme ausgebaut werden könnte. Die Erhebungen aus dieser Analyse werden dann im nächsten Schritt an das Optimierungsmodell IJRBS übergeben. Im nächsten Schritt werden verschiedene Wärmeversorgungsmöglichkeiten hinsichtlich der technischen Realisierbarkeit und der wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit untersucht. Der zweite Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf Wärmepumpen. Hierfür wurde ein eigenes Bodenmodell entworfen. Mit dem Modell kann bestimmt werden, wo welche Menge an Energie aus dem Boden entzogen werden kann, ohne bestimmte Nachhaltigkeitskriterien zu verletzten. All diese Informationen werden in das Energiemodell URBS-Augsburg eingepflegt. Neben der Warme- wird auch die Stromversorgung im Modell abgebildet. Anhand des Modells kann dann untersucht werden welche Technologien und Maßnahmen eingesetzt werden sollten um gesetzte Klimaschutzziele zu erreichen. Ein entscheidendes Ergebnis des Modells zeigt die starke Abhängigkeit der lokalen Entwicklung in Augsburg von der allgemeinen Entwicklung der Stromerzeugung in Deutschland. Wenn eine überregionale Lösung beispielsweise mit viel off-shore Wind und Ansätzen wie Desertec realisiert wird, dann wird in Augsburg durch die Optimierung wenig eigner Strom erzeugt, Kraft- Wärme-Kopplung und Fernwärme werden nicht ausgebaut. Städtische Klimaschutzziele sollten in diesem Fall durch Einsparungsmaßnahmen im Gebäude-Wärmebereich vorangetrieben werden. Ist die Entwicklung hin zu klimaneutralem Strom in Deutschland schleppend, dann muss in Augsburg viel mehr 'grüner ' Strom erzeugt werden. Hier kann dann der Kraft-Wärme-Kopplung eine zentrale Rolle zukommen. Die Ausweitung dieses Ergebnisses ist dringend notwendig, da sie für die aktuelle politische Diskussion von zentraler Bedeutung sind.

Optimierung der Produktivität bei der Herstellung von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen durch die Implementierung des Laserstrahlschweißens im Vakuum, Teilvorhaben: Prozessentwicklung und Vorrichtungsentwicklung für das Laserstrahlschweißen mit mobilem Vakuum

Damit die Klimaziele der Bundesregierung erreicht werden, muss in den kommenden Jahren intensiv in die Erschließung und den Aufbau neuer Offshore-Windparks investiert werden. Um diese möglichst schnell und kostengünstig aufbauen zu können, bedarf es hochproduktiver Fertigungsprozesse. Die Schweißtechnik ist nach einer Studie des deutschen Verbandes für Schweißtechnik und verwandte Verfahren (DVS) aktuell der Flaschenhals bei der Herstellung von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA). Da die maximale Produktivität konventioneller Schweißverfahren wie dem Unterpulverschweißen erreicht ist, kann eine nennenswerte Produktivitätssteigerung nur durch echte Innovationen wie der Substitution der konventionellen Verfahren durch Hochleistungsverfahren wie dem Laserstrahlschweißen im Vakuum (LaVa) erreicht werden. Ziel des Vorhabens ist ein ganzheitlicher Anlagenentwurf zur Implementierung des LaVa-Verfahrens in der Herstellung von OWEA, konkret am Beispiel von Monopiles, um so nennenswerte Produktivitätssteigerungen zu ermöglichen.

Thermografische Strömungszustandserfassung an Rotorblättern von Offshore-WEA im laufenden Betrieb mit Hilfe eines automatisierten und störrobusten Flugsystems, Teilvorhaben: Robuste Regelung des Fluggeräts und der Messroutine

Das Institut für Regelungstechnik (IRT) der RWTH Aachen University entwickelt und implementiert in diesem Vorhaben echtzeitfähige Algorithmen zur Automatisierung sowie zur hochgenauen Positions- und Lagebestimmung eines Fluggeräts zur thermografischen Strömungszustandserfassung an Rotorblättern von Offshore-WEA. Kernstück stellt hierbei die Entwicklung eines neuartigen hochgradig störrobusten Verfahrens zur Flugregelung dar, welches dem Kopter das Halten von Position und Lage auch bei plötzlich auftretenden starken Windböen ermöglicht, wie sie im Offshore-Bereich zu erwarten sind. Hierzu wird ein Simulationsframework aufgebaut, in dem die Flugdynamik des Kopters, physikalische Störgrößen wie Wind sowie alle relevante Sensorik modelliert werden. Auf dieser Basis wird ein entsprechender Regler ausgelegt und anhand von Messdaten vorparametriert. Die simulativ gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend auf die Zielhardware überführt und in Feldversuchen in Bremen und im Zielgebiet vor Helgoland praktisch validiert. Ergänzt wird das Flugregelungsverfahren durch eine zweite separate Regelung eines Gimbals, dass die Bewegung des Fluggeräts ausgleicht und die genaue Ausrichtung der Thermografiekamera während des Messvorgangs sicherstellt. Zur Erkennung und Identifikation des Messobjektes wird eine optische Geometrieerfassung implementiert. Ferner werden diverse Sicherheitsfunktionen entwickelt, die Kollisionsvermeidung, Start- und Landeroutinen umfassen.

Mikrobielle Fe-Korrosion und mögliche Korrosionsschutzmaßnahmen im Monopile von Offshore-Windenergieanlagen, Teilvorhaben: Numerische Begleitung von Experimenten zum Korrosionsverhalten für die Ermittlung der Restlebensdauer von Offshore-Strukturen

Im maritimen Industriesektor ist die Eisenkorrosion ein weit verbreitetes und bekanntes Problem. Ziel des Vorhabens ist, wirtschaftliche Lösungsansätze zur Reduzierung der mikrobiell induzierten Korrosion im Inneren eines Monopiles von Offshore-Windkraftanlagen zu finden und damit deren Lebensdauer zu verlängern. Dazu werden durch Partner aus den Bereichen der Material-, der Mikrobiologieforschung und des Korrosionsschutzes Proben im Innern eines Forschungsmonopiles ausgelagert und hinsichtlich der Wirksamkeit von Korrosionsschutzmaßnahmen analysiert. Durch die Expertise von JBO kann der Einfluss der Korrosionsschutzmaßnahmen auf die Verlängerung der Lebensdauer abgeschätzt werden. JBO ermittelt die Restlebensdauer infolge von lokalen Korrosionsschäden auf bruchmechanischem Niveau und bringt zudem Praxiserfahrung aus der Bemessung und dem Betrieb von Offshore-Tragstrukturen ein. Am Ende des interdisziplinären Projekts steht die Synthese der Ergebnisse in einem integrierten Korrosionsmodell.

Material- und Reparaturinnovationen für Offshore Leading Edge Protection Systeme, Teilvorhaben: Entwicklung eines dauerfesten metallischen Erosionsschutzsystem inklusive Integration in das Blitzschutzsystem von Rotorblättern von Windenergieanlagen

Eine der häufigsten Gründe für Ertragsverluste und hohen Instandhaltungskosten von Rotorblättern von Windenergieanlagen ist die Beschädigung von Oberflächenbeschichtungen der Rotorblätter. Nach aktuellem Kenntnisstand entstehen diese durch Bewitterung in Kombination mit Partikel- und Regenerosion. Zunächst kommt es zu leichten Aufrauhungen an der Blattvorderkante, die zu Ertragsverlusten der Anlagen führen. Mit fortschreitender Schädigung der Blattvorderkanten erreichen die Ertragsverluste einstellige Prozentwerte. Aufgrund des bereits hohen Bestands an Anlagen, dem politisch geplanten starken Ausbau der offshore Windenergie und der hohen wirtschaftlichen Relevanz einer stabilen Beschichtung ist es erforderlich, neue Vorderkantenschutzlösungen mit innovativen Ansätzen zu erarbeiten. Dieses Teilvorhaben des Verbundvorhabens MARiLEP wird sich mit der Entwicklung von metallischen Vorderkanten beschäftigen und eine Lösung für die Integration in das bestehende Blitzschutzkonzept von Rotorblätter sowie ein einfaches Applikationskonzept erarbeiten. Das Vorhaben wird damit einen Beitrag zur Sicherung des Ertrags der Bestandsanlagen und der Verbesserung der Leistungsfähigkeit zukünftiger Anlagen leisten.

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