Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme
Optimal erstellte Baugrundmodelle führen zu weniger Risiken bei der Installation von Offshore-Windenergieanlagen.
Baugrunderkundung: Effiziente Baugrunderkundung für Offshore-Windparkprojekte
Die Planung und Installation von Fundamenten für Offshore-Windenergieanlagen (WEA) verursachen einen signifikanten Anteil der Gesamtkosten von Windparks. Das detaillierte Verständnis des Baugrundes auf See ist Basis für die Wahl von Fundamenttyp, Design und Installationsplanung der Fundamente.
Die optimale Abbildung der geologischen Strukturen in den obersten 100-200 m unter dem Meeresboden durch geophysikalische Methoden steht dabei an erster Stelle. Mittels geotechnischer Beprobung der Schichten wird anschließend ein integriertes Baugrundmodell durch die Verknüpfung seismischer und geotechnischer Daten erstellt. Für die Installation ist zudem die Ausweisung der Installationsrisiken entscheidend, etwa durch Findlinge in glazialen Ablagerungen.
Das Fraunhofer IWES ist das weltweit führende Institut in der Entwicklung und Durchführung von höchstauflösenden seismischen Vermessungen für Windfarmprojekte sowie der Datenbearbeitung und -interpretation bis hin zur Erstellung von Baugrundmodellen.
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Mehrkanalseismische Vermessungen als Basis der Baugrunderkundung
Die Erstellung eines Baugrundmodells beginnt mit der detaillierten Abbildung des Baugrundes mittels geophysikalischer Methoden. Basis dafür ist eine erstklassige Vermessungskampagne mit mehrkanalseismischen Methoden.
Das IWES verfügt über ein spezialisiertes Vermessungssystem für die ultra-hochauflösende (UHR) seismische Datenakquisition. Es beinhaltet angepasste und modulare seismische Streamersysteme, hochfrequente seismische Signalquellen (Sparker) und hochgenaue Positionierungslösungen.
Am IWES werden seismische Technologie und Vermessungstechnik kontinuierlich optimiert. Daten verarbeiten wir mit z. T. speziell für die UHR-Seismik entwickelten Algorithmen. Wachsende Rechenkapazitäten erlauben bessere Datenbearbeitungsroutinen und höhere Abbildungsqualität. Ein Fokus liegt auf hochauflösenden seismischen Datensätzen aus Flachmeergebieten: hochgenaue Rekonstruktion der Aufnahmegeometrie, Kompensation der Wellenbewegungen, optimierte Signalcharakteristika, Unterdrückung von Mehrfachreflektionen. Am Ende entsteht ein initiales Untergrundmodell der Windparkflächen.
Nachweisbar ist der Erfolg von System und Datenprodukten bei der Abstimmung auf die Bedürfnisse der Offshore-Windindustrie mittels kommerzieller Vermessungen von Windparkflächen in der deutschen Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ).
Mit Daten und Modellen die Baugrundkomplexität darstellen
Aus dem initialen Untergrundmodell wird mittels Integration lokaler geotechnischer in-situ Daten ein geologisches Baugrundmodell (engl. GGM). Zur lateralen Kartierung geologischer Strukturen werden profilhafte seismische Daten mit geotechnischen Daten (z. B. Cone-Penetration-Testing CPT) kombiniert. Ergebnis: die anschauliche Darstellung der Untergrundverhältnisse sowie detaillierte Charakterisierung der Baugrundeigenschaften.
Diese Modelle sind wichtige Planungstools für die Entwicklung von Offshore-Windparks. In einem integrierten Baugrundmodell können lokale geotechnische Parameter flächendeckend modelliert werden. Demgegenüber erlauben Methoden der Inversion die Ableitung geotechnischer Parameter direkt aus den geophysikalischen Datensätzen.
Zur Planung und technischen Designanwendung werden synthetische CPT-Profile erzeugt. Geotechnische Laborergebnisse können überdies mittels sog. standortspezifischer Korrelationsfunktionen in das Modell integriert werden. So lassen sich weitere designrelevante geotechnische Parameter erzeugen. Die Offshore-Windindustrie erhält dadurch zuverlässige geotechnische Baugrundeigenschaften für das technische Design der WEA-Fundamente. Die Erstellung synthetischer CPT-Profile zur Unterstützung der Verschiebung von WTG-Standorten wurde kommerziell durchgeführt und von der Zertifizierungsstelle akzeptiert.
Findlingsdetektion: Minimierung von Installationsrisiken im Baugrund
Geologische Risiken zur Installation von Fundamenten treten in vielfältigen Formen auf. Große Steine aus glazialen Ablagerungen sind ein signifikantes Installationshindernis. Zur zuverlässigen Kartierung solcher Findlinge im Baugrund hat das Fraunhofer IWES das Manta Ray System entwickelt. Das neuartige Vermessungssystem nutzt mehrkanalseismische Methoden zur Lokalisierung von Objekten durch die Abbildung von Diffraktionsenergie.
Die identifizierten und lokalisierten Objekte werden in ein lokales Baugrundmodell eingebunden und für eine Risikokartierung im Nahbereich (~100 m) mittels Micrositing dokumentiert. IWES hat Vermessungen dieser Art erfolgreich in kommerziellen Projekten in der Ostsee durchgeführt. Die Kartierung von Findlingen im Meeresboden erfolgt mittels Manta Ray passgenau entsprechend der jeweiligen Projektanforderungen, z. B. zur Vermessung von Kabelkorridoren.
