Strom- und Seegangs-Lasten

Ermittlung kombinierter Strom- und Seegangs-Lasten brechender Wellen auf Monopile-Offshore-Strukturen großer Durchmesser mittels Strömungssimulation (BWLS)

Forschungs- und Entwicklungszentrum Fachhochschule Kiel GmbH
Prof. Dr.-Ing. Kai Graf

Die jüngere Entwicklung bei Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) zeigt einen Trend hin zu Monopiles (MPs) mit stetig wachsenden Durchmessern. MPs sind kostengünstiger in Bau und Errichtung als die herkömmlichen Tripod- und Jacket-Strukturen, allerdings gelingt es erst in allerjüngster Zeit, große MP-Durchmesser zu rammen. Während die im Jahr 2009 errichtete FINO3-Plattform einen Pfahldurchmesser von etwa 3 Metern hat, werden heute Windenergieanlagen mit Pfahldurchmessern von 8 Metern errichtet und es ist erkennbar, dass zukünftig Anlagen mit Pfahldurchmessern von 12 Metern und mehr errichtet werden, um dem Streben nach immer größeren OWEA gerecht zu werden.

Für die Ermittlung der Belastungen dieser großen MPs durch Seegang werden bislang die gleichen Ansätze herangezogen wie für MPs kleinerer Durchmesser. Diese Ansätze sind bewährt, ihre Validierung für große Durchmesser steht allerdings noch aus.

Das Ministerium für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt, Natur und Digitalisierung des Landes Schleswig-Holstein fördert das Vorhaben mit Landesmitteln nach Maßgabe der Richtlinie für die Gewährung von Zuwendungen zur Förderung von Forschung, Entwicklung und Technologietransfer (FIT-Richtlinie) in Höhe von 398.441,00 EUR. Die Zuwendung gilt für den Zeitraum vom 01.12.2018 bis 31.12.2022.

Das hier beschriebene Vorhaben hat zum Ziel, Seegangs-Lasten auf Monopiles großer Durchmesser mittels Strömungssimulation zu ermitteln. Diese Strömungssimulationen werden systematisch für steigende Monopile-Durchmesser und für unterschiedliche Wellenhöhen und Wellensteilheit durchgeführt. Hinsichtlich der Auslegungswelle und der zu erwartenden Seegangs-Spektren greift diese Studie auf vorhandene jüngere FuE-Ergebnisse zurück.

Die eigentliche Leistung der Studie ist die Ermittlung der Seegangs-Last mit einem Simulationsverfahren für reibungsbehaftete Strömungen mit freien Oberflächen. Auf diesem Gebiet wurden in jüngster Zeit erhebliche Fortschritte erzielt und das Institut für Schiffbau der Fachhochschule Kiel hat an diesen Fortschritten partizipiert und dazu beigetragen. Das Verfahren beruht auf der Lösung der zeitgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS-Gleichungen) unter Berücksichtigung freier Oberflächen mit einem Volume of Fluid - Verfahren.

Als Ergebnis des Projektes wird eine erhebliche Verbesserung der Prognosegenauigkeit der Seegangs-Lasten großer Monopile-Strukturen erwartet. Dies wird letztlich dazu führen, dass die Strukturen festigkeitsmäßig gezielter und meist leichter ausgelegt werden können, was zu Kostenreduzierungen führen wird.