Optimal am Wind: Pitchsysteme - GL Group

Der GL Wind-Newsletter für Kunden und Geschäftsfreunde Ausgabe 2/2007
EWEC
07.05. – 10.05.2007
Germanischer Lloyd
Stand C041
VORTRÄGE AUF DER EWEC:
„Load Assumptions for the design of
electro mechanic pitch systems“
Andreas Manjock
Technical Track / Session Code: CT4
Mittwoch, 9. Mai 2007
16:00 – 17:30 Uhr
Inhalt
Aufbruch in Amerika 3
USA: langfristiges Wachstum in Sicht 5
Auf den Hammer gekommen 7
News 8
„A comparison campaign of the
zephir wind lidar and classical cup
wind speed measurements on- and
offshore“
Detlef Kindler
Technical Track / Session Code: DT2
Donnerstag, 10. Mai 2007
11:00 – 12:30 Uhr
Windpower USA 2007
03.06 – 06.06.2007
Los Angeles, USA
Stand 2015
Antriebstechnik
Optimal am Wind: Pitchsysteme
Auf den idealen Einstellwinkel für Stark- und Schwachwinde kommt es an.
Elektrische
Rotorblattverstellungen Leistungsregelung während des gesamten
sind inzwischen feste Bestandteile Betriebs der Windenergieanlagen: Die verstellbaren
Rotorblätter stehen bei schwa-
moderner Windenergieanlagen, da sie gegenüber
fest montierten Systemen (Stall- chem Wind in voller Breite zur Strömung,
Anlagen) erhebliche Vorteile aufweisen. während sich bei zunehmendem Wind
So garantieren Pitchsysteme eine optimale der Einstellwinkel reduzieren lässt. Dank
dieser Verstellmöglichkeit existiert sowohl
für Stark- als auch für Schwachwinde
ein optimaler Betriebswinkel. Außerdem
dient das Pitchsystem zur Durchführung
von Manövern wie etwa Start- und Stoppvorgängen
und regelt darüber hinaus ▶
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stromversorgung funktionieren müssen.
Nur so kann das System unabhängig von
der äußeren Stromversorgung im Notfall
die Blätter aus dem Wind drehen und den
Rotor abbremsen.
Beschädigte Innenverzahnung eines Pitch-Lagers.
Antriebsmotor
Betriebsführung
Motorregelung
Getriebe
Blattlager
Rotorblatt
Die vier Hauptkomponenten
eines Pitchsystems: Antriebsmotor,
Getriebe, Blattlager
und Motorregelung. Diese
empfängt Signale der Betriebsführung
und regelt den
Antriebsmotor des Systems.
Die mechanische Abtriebsleistung
des Antriebsmotors wird
in Drehmoment und Drehzahl
durch das Getriebe gewandelt
und über eine Verzahnung
auf den drehbaren Ring des
Blattlagers übertragen. Eine
Schraubverbindung wiederum
verknüpft das Blattlager mit
dem Rotorblatt.
Was passieren kann, wenn eine Windenergieanlage
im Notfall nicht rechtzeitig abgebremst
werden kann, beschreibt Andreas
Manjock, Experte für Lastannahmen beim
Germanischen Lloyd, so: „Gerät der Rotor
durch Versagen des Systems in Überdrehzahl,
kann es bei einfallender Rotorbremse
zur Überhitzung kommen und dies schnell
zu einem brennenden Maschinenhaus
führen. Oder aber die Rotorblätter werden
durch die hohen Drehzahlen derart
beansprucht, dass sie abbrechen oder abreißen.
All diese Fälle sind in der Vergangenheit
schon eingetreten, ebenso ist es
vorgekommen, dass bei einem Ausfall des
Pitchsystems die Rotorblätter durch die zunehmenden
Kräfte so stark durchgebogen
wurden, dass sie gegen den Turm schlugen
und zerbrachen.“
Durch die rasant wachsende Größe der
Windenergieanlagen und den Einsatz immer
komplexerer Regelungssysteme sind
die Anforderungen an die Auslegung und
Dimensionierung von Pitchsystemen in
den letzten Jahren stetig gestiegen. „Es
liegen uns einige Schadensmeldungen
zu den Pitchsystemen vor. Besonders deren
Getriebe und Motor wurden häufiger
in Mitleidenschaft gezogen“, erklärt Jan-
Bernd Franke, Sachverständiger für Maschinenbau
beim Germanischen Lloyd, die
Situation. Freilich bestünden Unklarheiten
darüber, wie und warum diese Schäden
überhaupt entstanden seien.
durch unabhängiges Verdrehen der Rotorblätter
die Bremsfähigkeit der Anlage. Die
Wirkungsweise einer solchen „aerodynamischen
Bremse“ ist viel effektiver als ein
mechanisches Bremssystem. So entfällt
eine kostenintensive Investition in verschleißanfällige
Rotorbremsen.
Als entscheidendes Leistungsbegrenzungs-
sowie Bremssystem steht die Rotorblattverstellung
im Fokus aller Überwachungs-
und Sicherheitssysteme einer
Windenergieanlage. Pitchsysteme sollten
zertifiziert werden, da sie beispielsweise
bei einem Störfall mit einer eigenen Not-
Um die auf eine Windenergieanlage einwirkenden
Belastungen zu berechnen,
werden mit Hilfe von Computerprogrammen
detaillierte Simulationsberechnungen
durchgeführt. Diese sollen zeigen, wie
sich die wichtigen Komponenten einer
Windenergieanlage, also beispielsweise ▶
Das Pitchsystem einer Windenergieanlage
setzt sich prinzipiell aus vier Hauptkomponenten
zusammen – einem Blattlager, einem
Getriebe, einem Antriebsmotor und
einer Motorregelung. Letztere empfängt
Signale der Betriebsführung und regelt den
Antriebsmotor des Systems. Die mechanische
Abtriebsleistung des Antriebsmotors
wird in Drehmoment und Drehzahl durch
das Getriebe gewandelt und über eine
Verzahnung auf den drehbaren Ring des
Blattlagers übertragen. Verbunden ist das
Rotorblatt mit dem Blattlager über eine
Schraubverbindung.
JUBILÄUM
10 Jahre MEASNET
Auf der diesjährigen EWEC feiert das internationale Netzwerk Measuring Network of Wind
Energy Institute (MEASNET) sein 10-jähriges Jubiläum. Die Organisation wurde 1997 durch
sieben Windenergieforschungsinstitute gegründet. Verbesserte Qualität von Messungen und
einheitliche Auslegung von Normen und Empfehlungen sowie die Austauschfähigkeit von
Ergebnissen im Windenergiebereich sind die Ziele des MEASNET. Heute bieten 16 Mitglieder
aus sechs Staaten ihre Dienstleistungspalette für Kunden auf der ganzen Welt an. MEASNET
ist einer der Sponsoren des Ausstellungsempfangs der EWEC und feiert das zehnjährige Jubiläum
am Dienstag, dem 8. Mai ,von 17:30 bis 19:00 Uhr im EWEC-Ausstellungsbereich in Halle
5 und Halle B. www.measnet.com ■
2 beaufort 6 2/2007

Rotorblätter und Turm, elastisch verformen
und miteinander interagieren. Eine
wesentliche Schwäche aller bisherigen
Modelle aber ist, dass dabei das Pitchsystem
nicht vollständig abgebildet wird.
Einer Arbeitsgruppe um Franke und Manjock
ist es gelungen, eine verfeinerte Simulation
durchzuführen. Konzentriert hat
man sich dabei besonders auf die Verzahnungen
zwischen dem Pitchsystem und
dem Rotorblatt bzw. dem Antriebssystem
für das Rotorblatt. „Dabei haben wir festgestellt“,
so Manjock, „dass beim Einbeziehen
des Pitchgetriebes und des Elektromotors
in die Simulation die tatsächlichen
Belastungen wesentlich höher sind als
bisher angenommen.“ Außerdem wurde
die im Kugellager und Motor auftretende
mechanische Reibung einer eingehenden
Analyse unterworfen. Da auch diese
Reibung zusätzliche Belastungen verursacht,
galt sie als möglicher Auslöser zusätzlicher
Bauteilschädigung. Aber, so
Manjock, dem sei nicht so: „Wir haben herausgefunden,
dass die Reibung nicht der
maßgebende schädigende Einfluss sein
kann.“
Alles in allem prognostiziert Manjock, dass
Germanischer Lloyd die Ansprüche an die
Berechnungen von Pitchsystemen erhöhen
wird. Nicht sofort, aber eine Revision
der Anforderungen an diese Systeme sei
mittelfristig geplant.
■
Weitere Informationen:
Andreas Manjock
Abteilung Lastannahmen
Telefon: +49 40 36149-188
andreas.manjock@gl-group.com
WEITERFÜHRENDE LITERATUR
• „Richtlinie für die Zertifizierung von
Windenergieanlagen“ des Germanischen
Lloyd, Ausgabe 2003 mit
Ergänzung 2004; hier insbesondere
Kapitel 7 über „Maschinenbauliche
Komponenten“.
• „GH Bladed, Version 3.72”,
Garrad Hassan and Partners
• „Lastannahmen für die Auslegung
elektromechanischer Pitchsysteme
von Windenergieanlagen“ von Jan-
Bernd Franke, Andreas Manjock, Herbert
Hemker und Henry G. Osterholz.
Potential
Aufbruch in Amerika
Die Erneuerbaren Energien hatten bislang keine Konjunktur in den USA.
Diese gute Nachricht hat die Windenergiewirtschaft
in den USA beflügelt.
Steigende Erdgaspreise, Gesetze über
saubere Luft und Sorgen um die globale
Erwärmung fördern den aktuellen Boom
der Windenergie in den Vereinigten Staaten.
Mindestens 22 Staaten wollen die Luftverschmutzung
bekämpfen, die Erderwärmung
eindämmen und Elektrizitätskosten
senken. Sie haben Gesetze über Maßstäbe
zum Einsatz der erneuerbaren Energie erlassen,
die die Versorgungsunternehmen
verpflichten, Energien wie Wind, Sonne,
Wasser oder Biomasse verstärkt zu verwenden.
Auf der Konferenz „Windpower 2006“ hat
das US-Energieministerium einen Aktionsplan
angekündigt, der bis zu 20 Prozent
des Bedarfs an Elektrizität durch saubere
und erneuerbare Windenergie decken
soll. Dies entspricht den Vorstellungen der
Energieinitiative, die von der Regierung im
Februar 2006 ins Leben gerufen wurde. Die
Initiative koordiniert die Vorschläge von
Umweltgruppen, Versorgungsunternehmen,
Politikern, Investoren, Akademikern,
Gemeinden und anderen Beteiligten. Auf
der Konferenz „Windpower 2007“ in Los
Angeles soll im Juni 2007 ein entsprechender
Aktionsplan vorgestellt werden. ▶
Veraltete Windenergieanlagen gehören bald der
Vergangenheit an.
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Foto: © Vesta
Umdenken: USA wollen mehr in die Entwicklung erneuerbarer Energien investieren.
Die Windenergie ist dabei, sich als alternative
Energiequelle in den USA zu etablieren.
Laut Informationen des amerikanischen
Windenergieverbandes hat sich die
Windenergiekapazität in den Vereinigten
Staaten 2006 um 27 Prozent vergrößert.
Für 2007 wird eine gleiche Wachstumsrate
prognostiziert. Über vier Milliarden Dollar
wurden 2006 in den Windsektor investiert.
Dies ist die zweitgrößte Investitionsrate
hinter dem Erdgassektor.
Fortschritte bei der Entwicklung der Windenergieturbinen
haben die Kosten für
Windenergie auf 4 bis 5 Cent pro Kilowattstunde
gesenkt. 1980 kostete die Kilowattstunde
noch 80 Cent. Sollte der Kongress
die Steuervergünstigungen für die Windenergie
2007 verlängern, könnte die Windenergiewirtschaft
bis 2010 etwa 6.000 Megawatt
pro Jahr erzeugen. Nach Angaben
des amerikanischen Windenergieverbandes
könnte bald eine Gesamtleistung von
über 9.200 Megawatt erzielt werden. Dies
würde ausreichen, um etwa 2,4 Millionen
Haushalte zu versorgen.
Die Windenergie hat sich besonders erfolgreich
in Texas entwickelt, wo 2005 fast
2.000 Megawatt produziert wurden. Nach
Kalifornien hat Texas inzwischen die zweitgrößte
Windenergiekapazität in den USA.
Texas eignet sich besonders für Offshore-
Windfarmen: Im Golf von Mexiko bläst der
Wind beständig. Auch hier hat der hohe
Erdgaspreis zum Aufstieg der Windenergie
beigetragen, die dafür sorgt, dass neue Arbeitsplätze
auf den ehemaligen Ölfeldern
von Texas entstehen.
Die Windenergie steht jedoch auch vor
Herausforderungen: Der Wind bläst meist
EXPERTENRUNDE USA
unbeständig und ist besonders dann
schwach, wenn Elektrizität am meisten
gebraucht wird. In einem Großteil der
Vereinigten Staaten ist der Energiebedarf
besonders im Sommer sehr hoch, wenn
die Klimaanlagen viel Strom verbrauchen.
Heiße Tage sind jedoch oft auch windstille
Tage. Die Nutzung der Windenergie erfordert
obendrein neue Formen der Wettervorhersage,
die minutiöse Voraussagen in
möglichst kleinen Regionen ermöglichen.
Trotz dieser Herausforderungen ist es der
Windenergiewirtschaft gelungen, ein unvergleichlich
starkes Wachstum zu erreichen.
■
Trafen sich zum Informationsaustausch in Milwaukee:
Kongressabgeordneter Jim Sensenbrenner (vorn), Hans-Peter Link, Dr. Rainer Mengel und
Bodo Helm (v. l.) sprachen über die Windenergienutzung in den USA.
Amerikas Windenergiewirtschaft ist im
Aufbruch: Neue Produktionsanlagen zur
Herstellung von Windenergieturbinen haben
2006 in Iowa, Minnesota und Pennsylvania
ihre Tore geöffnet. Horizon Wind Energy,
ein Unternehmen aus Houston, lässt
Hunderte von Megawatt-Windenergieanlagen
im ganzen Land aufstellen. Andere
Hersteller von Windenergieturbinen wie
Gamesa, Suzlon und Clipper Wind Power
sind ebenfalls stark auf dem Markt vertreten.
4 beaufort 6 2/2007

Interview
USA: langfristiges Wachstum in Sicht
Der Germanische Lloyd expandiert und eröffnet ein Büro in den USA. Wir sprachen mit dessen
Leiter, Dr. Rainer Mengel, über die künftigen Aufgaben seines Teams.
beaufort 6: Welche Erfahrungen hat der Germanische
Lloyd im Bereich Windenergie bisher
auf dem nordamerikanischen Markt gesammelt?
Dr. Mengel: Wir haben bei einer Reihe von
geplanten Standorten für Windparks,
beispielsweise in Texas, die Windpotenziale
erfasst. Außerdem wurden an den Anlagen
bestehender Parks Lastmessungen,
Leistungsmessungen oder Geräuschmessungen
durchgeführt. Neben Windparkprojekten
waren wir unter anderem auch in
den Bereichen Inspektion oder Betriebszulassung
tätig. In letzter Zeit traten immer
mehr Kunden mit dem Wunsch an uns heran,
wir mögen doch direkt vor Ort anwesend
sein. Dies lässt sich natürlich gut
nachvollziehen: Durch ein Büro in den USA
erhöhen sich Kundennähe und Erreichbarkeit.
beaufort 6: Und welche konkreten Aufgaben
kommen jetzt auf die Mitarbeiter des neuen
Büros in Wisconsin zu?
Dr. Mengel: Wir können den persönlichen
Kontakt zu unseren Kunden intensivieren
und schneller auf Anfragen reagieren. Das
Büro in New Berlin ist Ansprechpartner für
bestehende und potenzielle Kunden auf
dem amerikanischen Markt. Die von uns
angebotenen Services umfassen das komplette
Programm des Germanischen Lloyd
im Bereich Windenergie. Aktuell erwarten
wir Aufträge für diverse Messungen bzw.
deren Begleitung vor Ort.
beaufort 6: In Nordamerika boomt die Windenergie.
Präsident George W. Bush erklärte
kürzlich, dass die USA „bis zu 20 Prozent ihrer
Elektrizität durch Windenergie herstellen“
können. Ist dies realistisch?
Dr. Mengel: Die Amerikaner bekommen
derzeit vermehrt zu spüren, dass Energie
ein wertvolles Gut ist. Auch hier steigen die
Energiepreise, gleichzeitig verbrauchen die
Amerikaner sehr viel Energie. Die Windenergie
ist eine der Energieformen, die
im Land verfügbar ist und zur Gewinnung
elektrischer Energie genutzt wird, was
wiederum zu einer verminderten Abhängigkeit
führt. Gefördert wurde die Windenergie
auch durch steuerliche Anreize.
Fallen diese Anreize weg, so zeigte die Vergangenheit,
kann auch ein Boom schnell
enden. Wir rechnen aber inzwischen mit
einem längerfristigen Wachstum.
beaufort 6: Das Engagement der einzelnen US-
Bundesstaaten ist ja doch recht unterschiedlich
– auch gerade wegen der unterschiedlichen
bundesstaatlichen Förderungen?
Dr. Mengel: Ja, es existiert eine staatliche
Förderung von Washington ausgehend
und zusätzlich eine, die von den einzelnen
Bundesstaaten individuell bestimmt
wird. Die US-Bundesstaaten verfügen über
sehr unterschiedliche Voraussetzungen
für Windparks: Texas beispielsweise besitzt
große, dünn oder gar nicht besiedelte
Flächen. Das sind natürlich optimale
Bedingungen für die Errichtung großer
Windparks. Mit dichterer Besiedlung gehen
auch all jene Einschränkungen einher, die
wir inzwischen von Europa kennen. Dieser
Umstand macht sich auch bei den bundesstaatlichen
Anforderungen bemerkbar.
beaufort 6: In Deutschland scheint es eine Tendenz
hin zu immer größeren Anlagen zu geben.
Ist dies in den USA ähnlich?
Dr. Mengel: In Europa sind die 1,5- bis 2,5-
MW-Anlagen Standard, in den USA, je
nach Region, liegt man noch unter diesen
Werten. Aber dies wird sich mit der Zeit
ändern. Es sind inzwischen vermehrt Parks
in Planung, die mit großen MW-Anlagen
bestückt werden sollen.
beaufort 6: Welche Besonderheiten weisen in
den USA Zertifizierungsnormen auf? Lassen
sich diese überhaupt mit Deutschland vergleichen?
Dr. Mengel: Die Anlagenzertifizierung hat
in den USA nicht den Stellenwert wie in
Europa oder speziell in Deutschland. Aber
GERMANISCHER LLOYD IN USA
Angeboten wird das komplette
Spektrum an Dienstleistungen:
• Zertifizierung von Windenergieprodukten
und -projekten onshore
und offshore
• Messungen von Lasten, Leistung,
Schall und Netzanschlussverhalten
• Standortbegutachtungen
Weitere Informationen:
Dr. Rainer Mengel
Germanischer Lloyd
Industrial Services USA LLC
2345 South Commerce Drive
New Berlin, WI 53151 USA
Telefon: +1 262 754 9470
glis-usa@gl-group.com
die internationale Ausrichtung der Hersteller,
wie der Branche mittlerweile allgemein,
führt zu einer höheren Nachfrage bei der
Zertifizierung. Sicherlich werden auch
die Finanzierer und Versicherer immer
größerer und teurerer Windparks vermehrt
sicherere Ertragsprognosen, Messungen
und abgesicherte Aussagen einfordern. So
werden auch unsere Services in den USA
immer mehr nachgefragt. Irgendwann
wird mit Sicherheit die Frage nach einem
allgemeinen technischen Standard gestellt
werden, der von den amerikanischen Behörden
wie auch den Finanzierern und
Käufern erfüllt werden muss.
beaufort 6: Was erstaunt einen deutschen Ingenieur
auf den ersten Blick, wenn er mit der
Windenergieszene in den USA konfrontiert
wird?
Dr. Mengel: Imposant ist wirklich die Größe
einiger Parks, die bedingt durch die großen,
dünn besiedelten Flächen in diesem weiten
Land entstanden sind. Parklandschaften
mit 100 bis über 300 Windenergieanlagen
sind in Deutschland nicht zu finden.
beaufort 6: Im Juni wird die „Windpower 2007“
in Los Angeles einen konzentrierten Überblick
über die Situation der nordamerikanischen Industrie
abgeben. Ist der Germanische Lloyd auf
dieser Messe vertreten?
Dr. Mengel: Wir werden auf dieser wichtigen
Messe Flagge zeigen. Wir sind dort
mit einem eigenen Stand vertreten, um
das Portofolio des Germanischen Lloyd
in seiner ganzen Bandbreite zu präsentieren.
■
beaufort 6 2/2007 5

Bei den Produkten wie beim Projektmanagement: Auf die Qualität kommt es an.
„Project Mediation plus“
Effektives Projektmanagement
bei Windparks
Multi-Vertragsmanagement im Offshore-Geschäft,
aktuelle Schritte in
Richtung neuer Verträge und die Herausforderungen
des Schnittstellenmanagements
waren die Themen bei der Präsentation
des Mediationskonzepts „Project
Mediation plus“ am 1. März. Unter den
Teilnehmern waren Vertreter von Banken,
Investoren, Herstellern, Ingenieurbüros
und Versicherungsgesellschaften wie KfW,
PwC, Dexia Bank, Commerzbank, Hypovereinsbank,
GE, Vestas, BARD, e.on, F+Z,
Marsh und Allianz.
„Project Mediation plus“ ist ein Konzept
für das gemeinsame Beziehungs- und
Projektrisikomanagement bei Windparks.
Dieser Service der Germanischer Lloyd Industrial
Services GmbH, Geschäftsbereich
Windenergie, und des Centre for Effective
Dispute Resolution (CEDR Solve, London)
bietet einen Weg, projektbedrohende Konflikte
zwischen allen Beteiligten in der
Frühphase zu erkennen und tragbare Lösungen
zu finden.
WINDMESSE.DE SYMPOSIUM
Die Teilnehmer erörterten Nutzen und
Möglichkeiten der Mediation und der Projektmediation
in der industriellen Planung
und Konstruktion. Im Zentrum der Debatte
standen insbesondere Fragen wie Multi-Vertragsmanagement
im Offshore-Geschäft,
aktuelle Schritte in Richtung neuer
Verträge und Absprachen und die Herausforderung,
vor die das Schnittstellenmanagement
die Entwickler stellt. Da die Zeit
einen entscheidenden kritischen Faktor
darstellt, ist ein verbessertes Beziehungsmanagement
hinsichtlich der technischen
Schnittstellen, Konstruktionsabläufe und
Konstruktionsrisiken notwendig.
Im Laufe der Diskussion wurde die Funktion
des Projektmediationskonzepts mit
einem Zustandsüberwachungssystem
(CMS) verglichen – eine Lösung, die wie
geschaffen dafür ist, herauszufinden, wo
etwas schiefgehen kann, bevor es zwischen
den verschiedenen Vertragsparteien
zu einem wirklichen Streit kommt.
Der neutralen Vermittlung zwischen den
Vertragspartnern wurde die rigidere Methode,
alle Seiten durch finanziellen Druck
zur Einhaltung ihrer Verträge zu bewegen,
gegenübergestellt. Die Teilnehmer stimmten
im Allgemeinen darin überein, dass es
beim Vertragsmanagement in den letzten
Jahren wesentliche Fortschritte gab. Es bedarf
jedoch nach wie vor einer klaren und
korrekten Definition der Schnittstellen
zwischen den Partnern und transparenter,
fairer Verträge. Die beste Garantie für stabile
Beziehungen ist immer noch die Erfolgsbilanz
eines erfahrenen Projektmanagementteams
und erfahrener Auftragnehmer.
In dieser Hinsicht wird das Konzept der
Projektmediation in Kombination mit der
technischen Kompetenz einer Zertifizierungsgesellschaft
von Nutzen sein. ■
Weitere Informationen:
Peter Dalhoff
Leiter Abteilung Projekte
Telefon: +49 40 36149-117
peter.dalhoff@gl-group.com
Informationsaustausch in Hamburg
Mehr als 100 Experten trafen sich zum Informationsaustausch beim windmesse.de-Technik-
Symposium in Hamburg. Die Redner zeigten den Teilnehmern ein weites Wissensspektrum
auf: Neben den neuesten elektrischen Anforderungen an Windenergienanlagen wurde auch
die Projektplanung inklusive Gutachten, Kaufverträgen und Sanierung vorgestellt. In weiteren
Vorträgen wurden Ansprüche an Komponenten, insbesondere an Getriebe, erläutert.
Andreas Anders, stellvertretender Leiter Vertrieb und Projekte beim Germanischen Lloyd,
präsentierte Neues zur Standortklassifizierung unter Berücksichtigung der aktuellen Normung
und zeigte, wie wichtig die Aspekte Wind-, Netzanschluss und Umweltbedingungen sowie
Bodeneigenschaften bei der Standortklassifizierung sind. Die Klassifizierung findet nach
der „Richtlinie für die Zertifizierung von Windenergienanlagen“ des Germanischen Lloyd
statt: Zunächst werden die Standortbedingungen mit den Auslegungsbedingungen verglichen,
dann die standortspezifischen Lasten ermittelt und wenn nötig Restsicherheiten aufgezeigt.
Zusätzlich können für die Standortbedingungen optimierte Komponenten nachgewiesen
werden.
■
Weitere Informationen:
Andreas Anders, stellvertretender Leiter Abteilung Projekte
Telefon: +49 40 36149-118, andreas.anders@gl-group.com
Foto: © Vesta
6 beaufort 6 2/2007

Foto: © IHC Hydrohammer
Offshore
Auf den Hammer gekommen
Rund 14.000 technische Anlagen sind weltweit im Meer installiert – die meisten
in der Gas- und Ölförderung. Die Offshore-Industrie verfügt über jahrzehntelange
Erfahrung. Dennoch steht die Offshore-Windenergie vor neuen Herausforderungen.
Installation eines Monopiles.
Einen Moment lang herrscht Stille,
nur das Summen diverser Aggregate
und das leise Rauschen des Meeres ist
zu hören. Dann kracht es. Ein 115 Tonnen
schweres Schlaggewicht schlägt auf einem
senkrecht stehenden Stahlrohr auf. Dieser
„Monopile“ genannte Pfahl hat einen
Durchmesser von über fünf Metern und
wiegt mehrere hundert Tonnen.
Die Kraft des Hammers ist enorm: Der
Schlag beschleunigt den Monopile auf
das 1.500fache der Erdbeschleunigung
– jedenfalls während der Millisekunden, in
denen die Stoßwelle durch den Stahl läuft.
Zunächst geht alles sehr schnell: Die ersten
Stöße rammen den Monopile jeweils mehrere
Meter tief in den weichen Meeresboden
der Nordsee. Mit zunehmender Tiefe
und dichter werdendem Boden verringert
sich der Vortrieb des Monopiles, für eine
Rammtiefe von 30 Metern setzt man daher
etwa zwei Stunden an. Dabei erfährt der
Monopile rund 2.000 Schläge.
Dynamische Kräfte
Bei etwa einem halben Dutzend Windparks
vor der Küste Dänemarks, Irlands
und Großbritanniens wurde diese Technik
bereits eingesetzt. Damit ruhen die meisten
bislang gebauten Offshore-Windenergieanlagen
auf Monopile-Gründungen.
Das Rammen solcher Großrohre in den
Meeresboden stellt grundsätzlich keine
Herausforderung dar – fast Routine für
Offshore-Spezialisten. Bei der Installation
einer Windenergieanlage helfen ihre Erfahrungen
aber nur bedingt weiter. Eine
Windenergieanlage mit Monopile-Gründung
steht nicht wie andere Offshore-Installationen
auf vier oder mehr Beinen,
sondern nur auf einem. Ungünstige Lastverhältnisse
sind die Folge. Der Monopile
muss nach dem Rammen so fest stehen,
dass er nicht nur die Jahrhundertwelle
ertragen kann, sondern insbesondere
auch den dynamischen Belastungen von
Wind und Wellen jahrzehntelang widersteht.
„Die extremen Lasten sind beim
derzeitigen Stand der Vorschriften selten
dimensionierend“, betonen die Experten
vom Germanischen Lloyd. „Die Lasten
aus Wind und Wellen dagegen, die jeden
Tag einwirken, also den Monopile ständig
hin- und herbewegen, können für die Auslegung
der Gründung kritischer sein.“ Es
handele sich zwar um äußerst kleine Amplituden,
aber die Vielzahl der Lastwechsel
– durchschnittlich 100 Millionen über
die Lebensdauer des Monopiles – könne
zu Bodenverformungen führen, die eine
Schiefstellung der ganzen Anlage zur Folge
haben. Windschiefe Türme produzieren
keinen Strom.
BEGEHRTE HÄMMER
Für das Rammen großvolumiger Stahlrohre
verwenden Offshore-Unternehmen doppelt
wirkende Hämmer. Das Prinzip dieser
Hämmer ist einfach: Hydraulik hebt das
Schlaggewicht bis zur vorprogrammierten
Hubhöhe, dann schalten die Ventile auf
den Schlaghub um. Es gibt zwei Bauarten:
Bei den IHC-Hämmern der S-Serie wirkt
ein Gaspuffer am Kopf des Hammergehäuses
wie eine Feder und beschleunigt das
Schlaggewicht abwärts zusätzlich zur wirkenden
Schwerkraftbeschleunigung. Beim
MHU-Hammer (Menck Hydaulik Hammer
Underwater) wird hingegen in der obersten
Hubphase der Kolben des Schlaggewichts
mit hydraulischem Druck beaufschlagt und
dadurch zusätzlich beschleunigt. Erreicht
der Monopile nach den ersten Sedimentschichten
felsigen Grund muss der Rammvorgang
unterbrochen werden. Dann muss
eine Bohr-Ramm-Kombination angewendet
werden: Ein Bohrer arbeitet sich innerhalb
des Stahlrohres weiter vor. Der stehenbleibende
Felsrand außerhalb der Kernbohrung
wird schließlich mit weiteren Hammerschlägen
auf das Stahlrohr weggesprengt.
Keine triviale Angelegenheit ist die Kontrolle
des Rammvorgangs, denn selbstverständlich
muss der Monopile nach dem Rammen
gerade stehen. Unter einem halben Grad
Abweichung von der Vertikalen. Bei den bisherigen
Monopile-Gründungen haben sich
die Ingenieure deshalb meistens mit einem
„Transitionpiece“ oder Übergangsstück beholfen,
um den Aufwand beim Rammen so
gering wie möglich zu halten. Das Transitionpiece
wird wie ein umgekehrtes Trinkglas
über das Ende des Monopiles gestülpt, genau
ausgerichtet, dann mit einem Spezialbeton
ausgefüllt und fest mit dem Monopile
verbunden.
■
Wenig Erfahrungen –
schwierige Berechnungen
Das Bemessungskonzept für einen Monopile
verlangt also neben dem Nachweis für
das Extremereignis auch den Nachweis
über das Betriebsverhalten der gesamten
Anlage für die Lebensdauer von 20 Jahren
– inbegriffen ist die beschriebene mögliche
Veränderung der Monopile-Bettung.
Genau darin liegt eine große Herausforderung,
da es an geeigneten Nachweisverfahren
fehlt. Die üblichen Normen helfen
bislang nicht weiter. Sie werden für die üblichen
Fälle des Ingenieurbaus entwickelt,
bauen auf jahrzehntelange Erfahrung auf.
Beanspruchungen wie bei den Monopiles
sind dagegen ganz neu, die Erfahrungen
damit dementsprechend gering, und eine
Theorie ist noch nicht entwickelt. Versuche
im Maßstab 1:1 sind sehr teuer und zeitaufwendig,
schließlich ist eine Prognose
für 20 Jahre gefragt. In Kooperation mit
Hochschulinstituten entwickelt der Germanische
Lloyd derzeit entsprechende
Richtlinien. Dabei dienen Grundbauforschungen
im Zuge der Hochgeschwindigkeitsstrecken
der Deutschen Bahn als
Basis. Bis die Ergebnisse der Zusammenarbeit
vorliegen, müssen Abschätzungen auf
empirischer Grundlage, wie etwa der entsprechende
Passus der GL-Offshore-Richtlinie
aus dem Jahre 2005, zur Auslegung
herangezogen werden. Diese Regel lässt
die Betriebssicherheit über die gesamte
Lebensdauer erwarten. Bisher hat sich
der Einsatz von Monopiles in Offshore-
Windparks auf Wassertiefen von maximal
20 Metern beschränkt. In den flachen
Gewässern vor der skandinavischen ▶
beaufort 6 2/2007 7

Küste ruhen die Windräder beispielsweise
auf Schwerkraftfundamenten aus Beton.
Diese wuchtigen Klötze bieten einige Vorteile:
Beton ist sehr viel billiger als Stahl
und teure Rammarbeiten entfallen. Für
Windenergieanlagen der Multimegawattklasse
in tiefen Gewässern würden solche
Schwerkraftfundamente allerdings riesige
Ausmaße annehmen. Schon jetzt sind die
Fundamente für die 2-MW-Anlagen des
dänischen Windparks Middelgrunden fast
2.000 Tonnen schwer – pro Windrad.
Die Diskussion um die wirtschaftliche
Gründung von Windenergieanlagen im offenen
Meer hält weiter an. Technisch vorstellbar
sind auch folgende Lösungen: ein
Bucket, dass wie ein umgedrehter Eimer
in den Boden gedrückt wird, ein Tripod
als dreibeiniges Stativ oder eine Jackett genannte
Fachwerkkonstruktion. Als bereits
vielfach erprobte Technik hat die Monopile-Gründung
momentan die Spitzenposition
eingenommen. Bisher sind sie nur
auf Wassertiefen bis zu 20 oder 25 Metern
zu finden. Rein technisch gesehen sind
Monopile-Gründungen auch in viel größeren
Wassertiefen machbar.
■
TERMINE
07.05. – 10.05.2007
EWEC, Mailand, Italien
03.06. – 06.06.2007
Windpower 2007, Los Angeles, USA
05.06. – 06.06.2007
Tagung: Produkt- und Systemzertifizierung,
Hamburg
13.06. – 15.06.2007
OGA 2007, Kuala Lumpur, Malaysia
04.09. – 07.09.2007
Offshore Europe, Aberdeen, Schottland
18.09. – 22.09.2007
Husum Wind, Husum
Weitere Informationen:
Torsten Muuß
Abteilung Projekte
Telefon: +49 40 36149-7727
torsten.muuss@gl-group.com
CWPC
Sino-deutscher Wissensaustausch
Bundesverband Windenergie e. V.
Neuer Vorsitzender des
Sachverständigenbeirats
v. l. n. r.:
Andreas Dubois (GTZ),
Qin Shiyao (CEPRI),
Roy Rodwald (E.ON
Hanse), Jochen Möller
(WINDTEST), Andreas
Kirsch (Dewetron GmbH),
Li Qing (CEPRI)
Im Rahmen des Wind Power Research
& Training Projects @ China Wind
Power Centre (CWPC), einer sino-deutschen
technischen Kooperation, fand
im Frühjahr 2007 ein zweiwöchiges
Training für die Durchführung von Power-Quality-Messungen
bei WINDTEST
Kaiser-Wilhelm-Koog statt. Li Qing und
Qin Shiyao vom China Electrical Power
Research Institute (CEPRI) informierten
sich bei ihrem Besuch über den Aufbau
von Netzverträglichkeitsmessungen,
Standards wie z. B. IEC und MEASNET,
Fehleranalysen und Sicherheitsregularien.
Auf dem Lehrplan standen zudem
theoretische und praktische Themen wie
Flicker, Schalthandlungen, Oberschwingungen
und Leistungsbestimmung beim
Betrieb von Windenergieanlagen. Weiterhin
wurden Netzverträglichkeitsmessungen
an verschiedenen WEA in Kooperation
mit E.ON Hanse AG und dem
Windenergiepark Westküste gemeinsam
installiert und betreut, so dass ebenfalls
der praktische Teil von Netzverträglichkeitsmessungen
vermittelt werden
konnte. Das Wind Power Research &
Training Project ist von der chinesischen
Regierung ins Leben gerufen worden,
um qualifizierte Fachkräfte im Bereich
der Windenergie auszubilden, und wird
bis Januar 2010 vom Bundesministerium
für wirtschaftliche Zusammenarbeit und
Entwicklung (BMZ) gefördert. ■
Torsten Muuß vom Geschäftsbereich
Windenergie des Germanischen Lloyd
ist zum neuen Vorsitzenden
des Sachverständigenbeirats
des Bundesverbands Windenergie
e. V. (BWE) gewählt
worden. Der studierte Maschinenbauingenieur
ist GL-
Sachverständiger für Windenergieanlagen
und Condition
Moni-toring Systeme. Er und
die stellvertretenden Vorsitzenden
Hubert Gregorius, Ingenieurbüro
Hubert Gregorius – ib24, und Marcus
Wrobel, Wrotech Sachverständigenbüro
für Windenergieanlagen, wurden auf der
Sitzung des BWE-Sachverständigenbeirats
am 2. März gewählt. Im Sachverständigenbeirat
werden u. a. Richtlinien und Verfahrensanweisungen
für die technischen
Überprüfungen von Windenergieanlagen
diskutiert und entwickelt.
■
Weitere Informationen zum BWE unter
www.wind-energie.de
IMPRESSUM
OD700 · 2007-05-04
beaufort 6, Ausgabe Nr. 2/2007, Mai 2007 Erscheinungsweise Vier Ausgaben pro Jahr in deutscher und englischer Sprache von Germanischer Lloyd Aktiengesellschaft, Hamburg Chefredaktion
Dr. Olaf Mager, Presse und Information Textchefin Steffi Gößling Autoren Christian Göldenboog, Jörn Iken, Dr. Friederich Mielke, Stefanie Normann Gestaltung und Produktion
grafyx: visuelle kommunikation gmbh, Donnerstraße 20, 22763 Hamburg Nachdruck © Germanischer Lloyd Aktiengesellschaft 2007. Nachdruck erlaubt – Belegexemplar erbeten. Alle
Angaben erfolgen nach bestem Wissen und Gewissen, aber ohne Gewähr. Beiträge externer Autoren geben nicht unbedingt die Meinung der Redaktion oder des Germanischen Lloyd wieder.
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8 beaufort 6 2/2007