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Arbeitsgruppe Windenergie

Für das Bauwesen stellt die Aufstellung von Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) ein vergleichsweise junges Betätigungsfeld dar. Zwar bestehen bereits Erfahrungen mit Bauausführungen auf hoher See durch die Errichtung von ortsfesten Bohrplattformen der Öl- und Gasindustrie, jedoch unterscheidet sich Konstruktion und Tragverhalten dieser Bauwerke fundamental von dem einer OWEA. Während sich Öl- und Gasplattformen in der Regel durch hohe Eigengewichtslasten und Verankerungstiefen bis weit über 100 m auszeichnen, sind OWEA vergleichsweise leichte und schlanke Konstruktionen.

Konstante Windbedingungen offshore mit verhältnismäßig hohen Windgeschwindigkeiten und Rotordurchmesser von bis zu 120 m machen diesen Wind für die „saubere“ Energiegewinnung nutzbar. Im Hinblick auf die Strukturdynamik der Windenergieanlage bedeutet dies, dass hohe dynamische Horizontallasten am Kopfpunkt der Tragstruktur einwirken. Zusätzlich führen die Wellenbeanspruchung sowie der Anlagenbetrieb selbst zu dynamischen Einwirkungen, die durch die Tragstruktur sicher bis in den Meeresgrund übertragen werden müssen.

Die notwendigen Gründungselemente stellen den Startpunkt der Forschung am Institut für Baustoffe (IfB) der Leibniz Universität Hannover im Bereich der Windenergie dar. Die Verbindung zwischen Rammpfahl und aufgehender Tragstruktur wird in der Regel durch sogenannte Grouted Joints hergestellt, wobei hochfeste, mineralisch gebundene Vergussmaterialien verwendet werden.

Rückblick

Mit zunehmendem politischem Interesse an der Erweiterung der Nutzung erneuerbarer Energien wurden auch die Forschungsaktivitäten am IfB im Bereich der Offshore-Windenergie gesteigert. Erste grundlegende Erkenntnisse zum Trag- und Ermüdungsverhalten sind in der Dissertation zum Tragverhalten von Grouted Joints von Prof. Dr.-Ing. Steffen Anders aus dem Jahr 2007 dokumentiert. Die Steigerung der Tragfähigkeit der Verbindung durch Änderung der Mischungszusammensetzung sowie die Auswirkungen einer Faserzugabe wurden hier u.a. näher untersucht.

Des Weiteren wurden am IfB die Verfüllprozesse untersucht, mit einem Laborprüfstand, der eigens für Füllversuche entwickelt worden ist. Mittlerweile ist im Rahmen des Verbundforschungsprojekts GROWup mit dem Institut für Stahlbau am IfB ein einzigartiger Großprüfstand entwickelt worden, der die realen Bedingungen derzeit bestmöglich abbilden kann und durch seine transparente Frontseite die Beobachtung des Verfüllprozesses ermöglicht. Die visuellen Beobachtungen werden durch ein umfangreiches Messkonzept aus Temperatur- und Drucksensoren sowie thermografischen Aufnahmen unterstützt. Der Großprüfstand schafft weiterhin eine einzigartige Prüfmöglichkeit für die Bauindustrie. Spezifische konstruktionsbedingte Problematiken können vor dem eigentlichen Projektbeginn experimentell abgesichert werden. Zudem können Störszenarien und deren Auswirkungen auf den Verfüllvorgang simuliert werden, mit der Zielsetzung Strategien zur Fehlervermeidung zu entwickeln. Die Ergebnisse dieser Verfüllversuche wurden bereits dazu verwendet, empfohlene Ausführungsregeln zu bestätigen und neue Phänomene aufzuzeigen.

Am IfB ist zudem eine mobile Messeinheit entwickelt worden, die es ermöglicht, relative Verschiebungen zwischen Pile und Sleeve eines Grouted Joint 20 m unterhalb des Meeresspiegels zu erfassen. Somit bestand erstmals die Möglichkeit das Strukturverhalten einer erhärteten realen Grout-Verbindung unter offshore Bedingungen langfristig zu untersuchen. Eine bestehende Korrelation zwischen den aufgezeichneten relativen Verschiebungen und den strukturmechanischen Beanspruchungen verdeutlicht die erfolgreiche Umsetzung der messtechnischen Aufgabe. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse der Pilotmessung konnten erstmalig Größenordnungen realer Relativverschiebungen angegeben werden.

Neben den drei hier vorgestellten inhaltlichen Schwerpunkten befasst sich das IfB mit weiteren Schwerpunkten im Themenfeld der Windenergie. Aufbauend auf gesammelten Erfahrungen im Bereich der Offshore-Windenergie, werden betontechnische Konzepte für großformatige Suction Buckets in Spann- oder Stahlbetonbauweise erarbeitet. Des Weiteren werden Entwicklungen des IfB, wie beispielsweise Hybridrohrkonstruktionen mit ultrahochfesten Betonen, als Bauteile für OWEA der kommenden Generation adaptiert. Zudem beschäftigt sich das IfB mit der Ausführungssicherheit bei der Herstellung von Grouted Joints für typische Tragstrukturen. Eine Abschätzung von materialabhängigen, ausführungsbedingten und umweltbedingten Risiken soll in ein probabilistisches Sicherheitskonzept einfließen. Des Weiteren werden die derzeitigen Konzepte zur Überwachung des Ausführungsprozesses evaluiert und Verbesserungsmöglichkeiten vorgeschlagen. Ein weiteres Forschungsbebiet liegt in der Entwicklung eines innovativen mineralischen Korrosionsschutzsystems im Bereich der Wasserwechselzone der Gründungsstruktur einer OWEA.

Die Windenergieforschung hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Bestandteil des IfB entwickelt. Der umfangreiche Erfahrungsschatz ermöglicht dabei, ein schnelles Reagieren auf neue Konstruktionsideen der Bauindustrie. Die Windenergieforschung am Institut zeichnet sich zudem durch eine enge Vernetzung mit Überwachung und gutachterlichen Tätigkeiten aus. Die Forschungsergebnisse finden dadurch einen besonders schnellen Weg in die Baupraxis und tragen so direkt zur Energiewende bei.

Forschungsthemen im Bereich Windenergie

  • Betontechnische Konzepte für großformatige Suction Buckets in Spann- oder Stahlbetonbauweise
  • Adaption von Hybridrohrkonstruktionen mit ultrahochfesten Betonen, als Bauteile für OWEA der kommenden Generation
  • Entwicklung einer Messbox zur Bestimmung relativer Verschiebungen an Grouted Joints
  • Verbundstörungen, Eigenspannungszustände und Lastabtrag des Vergussmaterials innerhalb der Vergussfuge bei Onshore-Windenergieanlagen
  • Mineralisches Korrosionsschutzsystem im Bereich der Wasserwechselzone des Stahlturms einer OWEA