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Lösungsansätze zur Vermeidung von Kabelschäden im Nahbereich von Offshore-Gründungsstrukturen unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Boden Interaktion, Teilvorhaben: Partikelbasierte Analyse von Sedimentumlagerungen und ihres Einflusses auf die Kabeldynamik

Das Verbundvorhaben 'Lösungsansätze zur Vermeidung von Kabelschäden im Nahbereich von Offshore-Gründungsstrukturen unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Boden Interaktion (CableProtect)' widmet sich den komplexen Wechselwirkungen zwischen Stromkabel, Struktur, Kolkschutz und Meeresboden im Anschlussbereich des Kabels an die Tragstruktur. Anlass dafür waren Schäden in signifikanter Größenordnung insbesondere am Schutzsystem der Unterwasserverkabelung. Derartige Schäden sind zurückzuführen auf hydrodynamische Prozesse im Umfeld der Gründungsstrukturen. Wellen und Strömungen verursachen dort Bewegungen des frei hängenden Kabels, welche sich auch auf den Teil des Kabels auswirken, der auf dem Kolkschutz bzw. Meeresboden aufliegt. Außerhalb des Kolkschutzes kommt es zu Sedimentumlagerungen und zur Bildung von Randkolken, welche einen wechselseitigen Einfluss auf die Kabelbewegungen nehmen und zu Lageinstabilitäten führen. Das Teilvorhaben 'Partikelbasierte Analyse von Sedimentumlagerungen und ihres Einflusses auf die Kabeldynamik (CableProtect)' widmet sich im Rahmen dieses Verbundvorhabens hydrodynamisch induzierten Sedimentumlagerungen im Auflagerbereich des Kabels. Mit einer gekoppelten CFD-DEM Modellierung wird ein innovativer Ansatz verwendet, um Erosionsprozesse auf der Mikro-Ebene der Körner zu betrachten und so neue Einblicke in deren Wirkmechanismen zu erhalten. Durch Kopplung mit den Fluid-Struktur Modellen der Verbundpartner können die Einflüsse aus dem oszillierenden Stromkabel sowie aus Gründungsstruktur und Kolkschutz unter realitätsnahen Randbedingungen abgebildet werden. Ziel dieses Teilvorhabens ist es, auf der Grundlage eines verbesserten Verständnisses der Sedimentumlagerungsprozesse wissenschaftlich abgesicherte und praxistaugliche Bemessungsregeln für die geomechanischen Aspekte der Kabelanbindung zu erarbeiten und so zu einer höheren Zuverlässigkeit von Offshore-Windenergieanlagen beizutragen.

Asset-minimale Systemführung mit integrierten Multi-Terminal DC-Netzen: Bestimmung des Systemzustands

Ein DC-Overlay-Netz als Ergänzung zum Drehstromnetz bietet eine vielversprechende Lösung, um Windparks im Norden und über das Land verteilte Solarparks in das Gesamtsystem der elektrischen Energieversorgung aufzunehmen. Neben Funktionen des Stromtransports können die DC-Leitungen dank der vorhandenen Umrichter auch weiterführenden Funktionen der Systemführung dienlich sein. Weitgehend Unklarheit besteht jedoch hinsichtlich deren konkreter Ausgestaltung im Systemkontext. Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von innovativen Funktionen zur Ermittlung und Bewertung des Systemzustands eines integrierten AC-DC-Übertragungsnetzes mit hohem Anteil an erneuerbarer Energieerzeugung. Die Zustandsschätzung ist ein essentieller Schritt, um einen sicheren und gleichzeitig effizienten Netzbetrieb zu ermöglichen. Durch den Ausbau von DC Leitungen und den zugehörigen Umrichtern steigt die Komplexität des Systems, was den Prozess der Zustandsschätzung zunehmend erschwert. Diese Herausforderung liegt im Kern des beabsichtigten Verfahrens. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die Integration von Offshore Windkraftanlagen sowie auf die Schnittstellen zwischen dem Übertragungsnetz und dem Verteilungsnetz gelegt. Um die begrenzte Verfügbarkeit von Daten außerhalb der eigenen Regelzone zu berücksichtigen, wird als Lösungsansatz die Anwendung von verteilter Optimierung vorgeschlagen. Ergänzend zu der Zustandsschätzung wird eine Sicherheitsanalyse um den ermittelten Betriebspunkt durchgeführt. Insbesondere wird die transiente Stabilität im Falle eines Fehlers in der Nähe der HGÜ-Umrichterstationen untersucht. Das Ziel davon ist die Auslegung einer robusten Regelstrategie, damit auch die nicht direkt vom Fehlerfall betroffenen HGU-Umrichterstationen zu einer erhöhten Stabilität des Gesamtsystems beitragen können.

Reduzierung der Fertigungs- und Wartungskosten von Offshore Windenergieanlagen mittels Inline-Inspektion und maschineller Lernverfahren, Vorhaben: Entwicklung eines innovativen Ansatzes zur Inline-Inspektion und Analyse von Schweißverbindungen von Offshore Windenergieanlagen

DeMiR - Decommissioning - Minimization of Risks, Teilvorhaben: Entwicklung eines Softwaretools für die Rückbauplanung von Offshore-Windparks unter Berücksichtigung verschiedener Risiken

Material- und Reparaturinnovationen für Offshore Leading Edge Protection Systeme

Eine der häufigsten Gründe für Ertragsverluste und für Reparaturen an Rotorblättern (RB) von Windenergieanlagen (WEA) sind die Degradation und die Beschädigung von Beschichtungen. Insbesondere werden im Betrieb von offshore Anlagen häufiger und signifikantere Schäden beobachtet als an onshore Standorten. Ursachen werden u.a. in den höheren Blattspitzengeschwindigkeiten, der höheren Anzahl an Volllaststunden und den anspruchsvolleren Witterungsbedingungen gesehen. Innerhalb des MARiLEP Vorhabens werden Ursachen für verstärkte Erosionserscheinungen an offshore Anlagen untersucht, Materialinnovationen entwickelt und Verfahren zur effizienten Vorortreparatur von offshore Anlagen erprobt. Mit klassischen Beschichtungssystemen auf Polymerbasis und mit zusätzlichen Selbstheilungseigenschaften, polymeren Halbzeugen und metallischen Schutzsystemen werden drei unterschiedliche Technologien verfolgt. Dabei wird ein besonderer Fokus auf der Erosionsbeständigkeit nach Bewitterung und einer hohen Reparaturfähigkeit gelegt, da heute verfügbare Systeme oft nur unter idealen Bedingungen gute Erosionsbeständigkeiten zeigen. Innerhalb des Verbundvorhabens MARiLEP arbeiten international anerkannte Partner aus dem Anlagenbetrieb, der Materialentwicklung und der Forschung eng zusammen um technische Lösungen für die Offshore Windindustrie zu entwickeln.

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.

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.

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.

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