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Development of screw anchors for floating Marine Renewable Energy system arrays incorporating anchor sharing

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Schraubanker könnten schwimmende Windkraftanlagen auf hoher See ermöglichen

Ein Wissenschaftsteam in der EU verbessert das Verständnis davon, wie Schraubanker sich im sandigen Meeresboden verhalten. Sie könnten als Teil eines Verankerungssystems dazu beitragen, dass Windkraft- und Wellenenergieanlagen auf hoher See installiert werden können, und so Europa dabei helfen, seine Ziele zur Verwendung erneuerbarer Energien über Installationen mit geringen Auswirkungen auf die Umwelt zu erreichen.

Energie

Als Bauingenieure an der Universität Dundee in Schottland damit anfingen, zu überprüfen, ob Offshore-Windkraftanlagen sich Verankerungen teilen könnten, erwarteten sie, ihre Zeit mit dem Studium der Anordnung verschiedener Vorrichtungen zu verbringen – wie man am besten sich im Winde und auf den Wellen wiegende Schwärme riesiger Windräder auf See anordnet. Im Verlauf des Projekts SAFS kehrten ihre Forschungsbemühungen allerdings zu den Grundlagen zurück, indem der Fokus auf bessere Möglichkeiten gelegt wurde, einen Schraubanker zu installieren, sowie darauf, wie dieser dem Auftrieb widersteht. „Die große Frage ist, wie Schraubanker sich im Sand verhalten“, so Jonathan Knappett, Professor für Bauingenieurwesen an der Universität Dundee und Koordinator von SAFS. „Wenn wir die ehrgeizigen Ziele für erneuerbare Energien erreichen sollen, müssen wir in wesentlich tiefere Gewässer vordringen, wo bestehende Lösungen mit Fundamenten nicht kosteneffektiv sind – wir brauchen Lösungen, die schwimmen.“ Wenn Windkraftanlagen tiefer in die See vordringen, wird die Frage des physikalischen Fundaments immer komplizierter und kostspieliger. Das SAFS-Team sieht in Schraubankern – Stahlschäfte mit einer Spirale an einem Ende, die zur Verankerung von treibenden Windturbinen verwendet werden könnten – einen Teil der Lösung. „Einer der Hauptvorteile dieser Anker ist, dass sie bei geringer Geräusch- und Vibrationsbelastung installiert werden können, im Gegensatz zu Rammpfählen“, so der leitende Forscher bei SAFS Benjamin Cerfontaine, der die Forschung mit Unterstützung des Marie-Skłodowska-Curie-Programms durchführte.

Walfreundliche Installationen

Schraubanker sind nicht nur für Meerestiere besser, die Spirale sorgt auch für eine hohe Zugtragfähigkeit bzw. Haltekraft, sodass das Gewicht des Ankers im Vergleich zu Rammpfählen potenziell um 35-50 % reduziert werden kann. Es gibt allerdings keine weithin anerkannten Gestaltungsmethoden, die deren Verhalten während der Installation und im Laufe ihrer Lebensspanne vorhersagen können. SAFS hat ein numerisches Verfahren entwickelt und anhand von experimentellen Tests validiert, das die genauere Berechnung des Verhältnisses von Belastung zur Verlagerung ermöglicht. „Auf diese Weise können wir nicht nur die Tragfähigkeit, sondern auch die Steifigkeit bewerten, was für die dynamische Leistung einer schwimmenden Turbine wichtig ist“, so Cerfontaine.

Die Arbeit unter Einschränkungen

Das Team entwickelte außerdem eine vereinfachte Methode zur Optimierung der Gestaltung der Anker unter technischen und strukturellen Einschränkungen, wie einer Installationsmaschine begrenzter Größe. „Wir können nur eine beschränkte Anzahl an Experimenten durchführen, aber in der Praxis werden die Ingenieurinnen und Ingenieure für viele verschiedene Bedingungen Lösungen entwickeln müssen“, so Knappett. „Wir bieten ihnen einen Ausgangspunkt, nämlich die Größe und Gestalt des Ankers, der in den Boden gebracht werden sollte, der unter Verwendung des numerischen Verfahrens weiter ausgreift werden kann.“ Das Team installierte kleinmaßstäbige Schraubankermodelle im Sand in einer geotechnischen Zentrifuge, um das Verhalten auf See nachzustellen. Diese Tests tragen zur Optimierung des Designs bei, legen aber auch Änderungen nahe, um den Installationsvorgang zu verbessern. Die technischen Anforderungen, um große Schraubanker auf hoher See zu installieren, überschreiten derzeit die Fähigkeiten herkömmlicher Ausrüstung, daher müssen diese unbedingt gesenkt werden. SAFS ist zwar bereits zu Ende gegangen, das Forschungsteam in Dundee hat sich jedoch dank seiner Ergebnisse weitere Finanzierung aus der Industrie sichern können, um diese Forschungsrichtung weiter zu verfolgen. „Wir überlegen derzeit, den Installationsvorgang zu ändern, damit wir die Anker unter geringerem Kraftaufwand installieren können“, so Knappett, der überzeugt ist, dass Modellierungswerkzeuge zur Prognose solcher Vorhaben letztendlich zu den innovativsten Ergebnissen von SAFS zählen könnten.

Schlüsselbegriffe

SAFS, Schraubanker, Gestaltungsoptimierung, Offshore, Windkraftanlage, Windturbine, Wellenenergie, erneuerbare Energie

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4 Dezember 2020