Mehrkanalseismische Vermessung des Offshore-Baugrunds

Zur Planung und Entwicklung von Offshore-Windparks ist die Bewertung geologischer Untergrundbedingungen unerlässlich. Sie ist der Schlüssel zur Bestimmung geotechnischer Entwurfsparameter für die Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen. Für ihre Installation können Findlinge und andere geologische Merkmale Risiken darstellen. Das Fraunhofer IWES hat verschiedene mehrkanal-seismische Messverfahren speziell für den Flachwassereinsatz in der Offshore-Windindustrie entwickelt. Es führt u. a. umfangreiche Forschungs- und Industrieprojekte im Bereich der ultrahochauflösenden Seismik und der geologischen Modellierung durch. Zudem betreibt es ein flexibles 2D/3D-UHR-Mehrkanalseismiksystem zur effizienten Erstellung von hochauflösenden Bodenmodellen. Eine weitere innovative Technologieentwicklung ist das neuartige Manta-Ray-G1-Messsystem, welches eine gezielte Risikobewertung von Offshore-Baugründen erlaubt.

Das Fraunhofer IWES hat verschiedene mehrkanal-seismische Messverfahren speziell für den Flachwasser-Einsatz in der Offshore-Windindustrie entwickelt. Der Einsatz dieser Verfahren wurde in zahlreichen Offshore-Windparkprojekten in der Nord- und Ostsee beauftragt und hat erfolgreich verlässliche Ergebnisse geliefert. Das IWES strebt hier nach kontinuierlichen Weiterentwicklungen im Sinne der Optimierung und Effizienzsteigerung für technische Realisierungen der seismischen Datenerhebung und Datenverarbeitung.

Ein gutes Beispiel der Technologieentwicklungen ist diesbezüglich das neuartige Manta-Ray-G1-Messsystem, welches  ­neue Möglichkeiten in der Risikobewertung von Offshore-Baugründen eröffnet. Das Manta-Ray-G1 System kann zusammen mit einer speziell zugeschnittenen Datenauswertung lokalisierte Objekte, wie z. B. Findlinge, in marinen Sedimenten bis zur vollen tiefe von typischen OWEA-Fundamenten kartieren. Das System basiert auf mehrkanalseismischen Prinzipien mit einem eigens neu entworfenen Hydrophonarrays zur Datenaufnahme und einer passenden hochfrequenten Signalquelle. Während herkömmliche seismische Verfahren Reflektionen an Schichtgrenzen im Untergrund auswerten, wird bei diesem System die schwache aber hochauflösende Diffraktionsrückstreuung ausgenutzt, welche von kleinräumigen Objekten im Untergrund verursacht wird. Objekte können dadurch bis zu einer Tiefe von ~100 m unterhalb des Meeresbodens in den Flachwassergebieten der Nord- und Ostsee lokalisiert werden.

Das IWES führt umfangreiche Forschungs- und Industrieprojekte im Bereich der ultrahochauflösenden (UHR/UUHR) Seismik und der geologischen Modellierung durch. Es betreibt ein flexibles 2D/3D-UHR-Mehrkanalseismiksystem, das speziell für die Vermessung von Offshore-Windparkstandorten entwickelt wurde, um eine optimale Datenerfassung, -verarbeitung und -interpretation als Grundlage für die Erstellung von Bodenmodellen zu ermöglichen. Das System besteht aus einem für UHR-seismische Messungen optimierten Ein-Hydrophon-Streamer-System mit Sparker-Signalquellen, einer hochpräzisen GNSS-Positionierungslösung sowie eigenen Workflows für Datenhandling, -verarbeitung und -auswertung. Das IWES bietet flexible Vermessungslösungen an und arbeitet kontinuierlich an der Verbesserung seismischer Vermessungstechniken zum Nutzen der erneuerbaren Energien im Offshore-Bereich.

Beim Bau von Offshore-Infrastrukturen, wie z. B. Offshore-Windenergieanlagen, können Gesteinsbrocken und andere geologische Strukturen (flache Gasansammlungen, bindige Schichten) Risiken für die Installation darstellen. Insbesondere Felsbrocken im Sediment können bei der Installation der Stützstrukturen Schäden an den Rammpfählen verursachen. Ein möglicher Abbruch der Installation und längere Verzögerungen können zu hohen Kosten für die Windparkentwickler führen. Die genaue Kenntnis der Geologie des Untergrunds (z. B. die Position der Felsblöcke im Untergrund) ermöglicht eine effiziente, kleinräumige Mikrofundamentierung und minimiert so die Installationsrisiken. Parallel dazu befasst sich die aktuelle Forschung auch mit den Aspekten der Kabeldetektion (DoB) und der UxO-Detektion.

Manta Ray G1 ist ein neuartiges Datenerfassungssystem, das vom IWES und der Universität Bremen speziell für den Zweck der Diffraktionsabbildung und der Lokalisierung von Punktstreuern (z. B. Felsbrocken) in marinen Sedimenten entwickelt wurde. Die speziell konzipierte Aufnahmegeometrie des Manta Ray in Verbindung mit der Verarbeitung synthetischer Aperturen ermöglicht eine flächendeckende Durchschallung des Untersuchungsgebiets, was zu einer exzellenten Gesamtdatenabdeckung sowie zu einem zeit- und kosteneffizienten Messbetrieb führt.

Die Bewertung der geologischen Untergrundbedingungen ist für die Planung und Entwicklung von Offshore-Windparks unerlässlich. Die Ergebnisse der geophysikalischen Untersuchungen und der geotechnischen Kampagnen müssen zusammengefasst und integriert werden, um ein umfassendes Verständnis des Untergrunds zu erhalten. Dieses Wissen ist der Schlüssel zur Bestimmung geotechnischer Entwurfsparameter für die Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen.

Seit 2019 ist das IWES einer der weltweit führenden Anbieter von Standortgutachten für Offshore-Windparks. Im Auftrag des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie hat das IWES alle Windpark-Cluster in deutschen Gewässern geophysikalisch voruntersucht. In dieser Zeit hat das IWES in dem Bestreben, die Kosten für die Industrie zu minimieren, einzigartige Arbeitsabläufe für die Integration von geophysikalischen und geotechnischen Daten für die Bodenmodellierung entwickelt. Die Integration von seismischen UHR-Datensätzen einschließlich der Bewertung seismischer Attribute mit qualitativ hochwertigen geotechnischen Daten ermöglicht die Ableitung optimaler planungsrelevanter Parameter. Der IWES-Workflow schöpft das volle Potenzial dieser integrierten Bodenmodelle aus. Auf Basis dieses Modells stehen für jeden möglichen Standort von Windenergieanlagen im Planungsgebiet die für die Pfahlbemessung wesentlichen geotechnischen Parameter zur Verfügung und ermöglichen so eine möglichst flexible Anpassung der Entwürfe an sich verändernde Windparklayouts.