Technische Innovationen

Das Konzept der Wahl

Als zugspannungsverankerte Plattform (Tension-Leg-Platform, TLP) hat das GICON®-SOF enorme Vorteile gegenüber anderen schwimmenden Unterstrukturen wie dem Halbtaucher (Semi-Submersible, Semi-Sub) oder dem Spar-Konzept. Der Halbtaucher ist eine sehr ausladende Struktur mit mehreren Auftriebskörpern, welche relativ weit entfernt vom Mittelpunkt der Struktur, auf Höhe der Wasseroberfläche positioniert sind. Wirkt ein Kippmoment auf das System, etwa durch den hohen Schub auf den Rotor der Windkraftanlage, sorgt der lange Hebelarm zwischen den Auftriebskörpern und dem Mittelpunkt der Struktur für ein aufrichtendes Gegenmoment. Das heißt, je breiter die Struktur, desto stabiler wird sie. Um eine 6 bis 10 MW Turbine zu tragen ist ein, dem Konzept entsprechend, enorm großer Halbtaucher nötig. Dies schränkt die Anzahl an möglichen Produktions- / Bauorten extrem ein. Zudem macht es das Konzept, durch den großen Materialaufwand, sehr teuer.

Ein Spar stellt einen sehr schlanken aber langen Stahlpfahl dar, welcher vertikal im Wasser schwimmt. Eine Schwimmblase, welche im Spar unterhalb der Wasseroberfläche positioniert ist, sorgt für den Auftrieb. Durch zusätzliche Ballastierung am unteren Ende des Spars sitzt sein Schwerpunkt sehr tief. Die Positionen von Massenschwerpunkt und Auftriebsschwerpunkt sorgen für ein rückstellendes und stabilisierendes Moment. Ein Spar der eine 6 MW Turbine trägt hat dadurch einen sehr großen Tiefgang von rund 100 Metern. Dies macht die Produktion, sowie den Transport und die Installation eines solchen Spars sehr aufwändig, schwierig und teuer. 

Im Gegensatz zu Halbtauchern und Spars bei denen schlaffe Ankerseile verwendet werden, werden beim TLP vorgespannte Ankerseile verwendet. Das TLP hat, durch die großen Schwimmkörper, einen großen Auftriebsüberschuss, welcher eine nach oben gerichtete Kraft bewirkt. Die straff gespannten Ankerseile ziehen das TLP unter Wasser und sorgen somit für eine sehr steife Verspannung der Struktur. Selbst in widrigsten Witterungsbedingungen bleibt das System stabil und es treten nur sehr kleine Bewegungen und Beschleunigungen auf. Durch die, dem TLP innewohnende Stabilität kann es wesentlich schlanker als ein Halbtaucher oder Spar gebaut werden.

Die Entwicklung des GICON®-SOF durch GICON® und seine Forschungspartner reicht bis ins Jahr 2009 zurück. Durch stetige Weiterentwicklung und Einführung von Neuerungen war es möglich, die Bau- und Installationskosten und somit letzten Endes die Stromgestehungskosten deutlich zu reduzieren. Die drei wichtigesten Technologien und Strategien bei der Produktion und bei der Installation, die zu einer kosteneffizienten Lösung führen, werden im Folgenden kurz vorgestellt.

Semi-Submersible | Spar-Buoy | Tension-Leg-Platform | Source: Daniel Walia, Endowed Chair for Windenergy Technology, University of Rostock

1. Effizienter Bau

Werft- und Trockendockmiete stellen entscheidende Kostenfaktoren dar. Durch die Vorfertigung von Einzelkomponenten einer Unterstruktur außerhalb der Werft können die Bauzeit und damit die Mieten stark gesenkt werden. Neben der beschleunigten Bauzeit bringt die Vorfertigung auch eine große Flexibiltät in der Lieferkette mit sich, was weitere Möglichkeiten zur Reduzierung der Kosten eröffnet. Durch die Einführung der Vorfertigung wird zudem der Bauprozess für das ausführende Unternehmen entschieden vereinfacht. Die Modularität  des GICON®-SOF ermöglicht weiterhin auch eine große Flexibilität mit Bezug auf den Ort des Zusammenbaus. Ein Trockendock ist nicht zwingend erforderlich, da ein Zusammenbau auch auf einem Schwimmponton möglich ist.

2. Neue Materialien

99% der derzeitigen Offshore-Strukturen werden konventionell, das heißt aus Stahl, hergestellt. Allerdings sind Schweißarbeiten aufwändig und teuer. Um eine einzelne schwimmende Unterstruktur für eine 6 MW Turbine auf diese Art und Weise zu bauen, würden allein die Schweißarbeiten mindestens vier Monate dauern. Berücksichtigt man alle Mannstunden, die Miete für das Trockendock und die Kosten für das Rohmaterial, würde diese schwimmende Unterstruktur 2500 - 3000 € pro Tonne kosten.

Für das GICON®-SOF hingegen, werden vorgespannte Rohre aus ultra-hochfestem Beton (UHPC) verwendet. Hochfeste Betone haben eine sehr hohe Druckfestigkeit. Dadurch kann das GICON®-SOF wesentlich schlanker und effizienter gebaut werden, was zu einer leichteren und günstigeren Struktur führt. Das Vorspannen von Betonbauteilen ist eine vielbewährte Methode aus dem Brückenbau. Hierfür wird der Spannstahl innerhalb des Bauteils vorgespannt, was zu einer Kompression innerhalb der Betonmatrix führt. Durch die Methode wird sicher gestellt, dass der Beton während der gesamten Lebensdauer des Bauteils keine Zugkräfte erfährt. Da Beton zwar hohe Druck-, aber nur geringe Zugkräfte aufnehmen kann, ist das Vorspannen eine großartige Methode um die Tragfähigkeit und die Lebensdauer eines Bauteils signifikant zu erhöhen. Die vorgefertigten Bauteile aus Ultrahochfestem Beton kosten etwa 450 - 500 € pro Tonne und sind damit wesentlich kostengünstiger als Stahl.

Die Auftriebskörper, welche an den vier Ecken des GICON®-SOF positioniert sind, werden aus Beton-Tübbing-Elementen gebaut. Tübbinge sind eine bewährte Technologie aus dem Tunnelbau, wo sie für eine Lebensdauer von mindestens 100 Jahren ausgelegt werden. Dies umfasst auch die Abdichtung der Elemente miteinander, welche dauerhaft Bergwasserdrücke von über 1*10⁶Pa widerstehen können. 

Hochleistungs-Spannbeton und die Tübbing-Technologie sind hervorragend für die Anwendung am GICON®-SOF geeignet um selbst den härtesten Offshore-Bedingungen während seiner gesamten Lebensdauer zu widerstehen.

Laboratory test of a prestressed UHPC pipe | Source: Daniel Walia, Endowed Chair for Windenergy Technology, University of Rostock

3. Vereinfachter Installationsprozess

Ein entscheidender Nachteil konventioneller TLP's ist, dass sie erst dann stabil sind, wenn sie fest mit dem Meeresboden verbunden sind. Ein einfaches Ausschleppen der Struktur, wie es bei den Halbtauchern gemacht wird, ist bei TLP's nicht möglich. Daher werden spezielle Errichterschiffe für den Transport und die Installation benötigt, was zu hohen Kosten führt. Weiterhin sind TLP's in Bezug auf die Seebettanker sehr anspruchsvoll, da durch den großen Auftriebsüberschuss hohe vertikal gerichtete Kräfte über die Anker abgetragen und vom Meeresboden aufgenommen werden müssen. Dies erschwert und verteuert die Installation eines konventionellen TLP's weiter.

Diese Probleme wurden beim GICON®-SOF durch die Entwicklung und Integration eines absenkbaren Schwergewichtsankers, welcher bei der Installation ballastiert wird, beseitigt. Während des Schleppvorgangs vom Hafen zum Installationsort, dient der Anker dem SOF als Schwimmplattform. Dadurch wird der Transport enorm vereinfacht und es sind lediglich gewöhnliche Schleppschiffe, statt teurer Spezialschiffe nötig. Sobald das SOF am Installationsort angekommen ist, wird der Anker ballastiert und auf den Meeresboden abgesenkt. Daraufhin werden die Ankerseile gespannnt und das SOF wird auf die Sollhöhe herunter gezogen um die Installation zu vervollständigen. 

Neben den genannten Vorteilen werden durch den Einsatz des Schwergewichtsanker vorbereitende Maßnahmen zur Installation gewöhnlicher Anker wie das Bohren oder Rammen überflüssig. Das GICON®-SOF kombiniert damit erfolgreich die Vorteile eines Halbtauchers (selbststabilisierend und einfacher Transport) mit denen einer TLP (kleine Außenabmaße, kleine Bewegungen und hohe Stabilität).

Installation Steps | Source: Daniel Walia, Endowed Chair for Windenergy Technology, University of Rostock