Suction Buckets: Großmaßstäbliche Tests zeigen erhöhte Zugtragfähigkeit bei Stürmen

Das Fraunhofer IWES hat im Frühjahr 2018 zwei großmaßstäbliche Suction Buckets im Maßstab 1:5 getestet. Die Großmodellversuche im Testzentrum für Tragstrukturen Hannover (TTH) sind in dieser Größenordnung in Deutschland einmalig. Dabei bestätigte sich das enorme Potenzial dieses Gründungskonzepts für einen zuverlässigen und wirtschaftlichen Einsatz für Offshore-Windparks. Die IWES-Forscher konnten eine kurzzeitige, effektive Erhöhung der Zugtragfähigkeit bei Stürmen messen. Für Hersteller bedeutet das: Sie können Material in der Gesamtkonstruktion einsparen –  bei gleichbleibender Standsicherheit.

Die Öl- und Gasindustrie setzt die sogenannten Suction Buckets bereits erfolgreich ein. In der Offshore-Windenergie wird erst dieses Jahr der erste kommerzielle Windpark errichtet, in dem die Unterstrukturen aus Multi-Buckets bestehen. Noch sind zahlreiche Fragen in Bezug auf die Dimensionierung und das Betriebsverhalten der Bucket-Fundamente offen. Das Fraunhofer IWES hat deshalb in einem Forschungs-Demo-Projekt die Optimierungspotenziale für die Offshore-Windenergie untersucht.

Im Testzentrum für Tragstrukturen Hannover, einer Einrichtung der Leibniz Universität Hannover, wurde das Verhalten der Bucket-Gründung bei der Installation getestet sowie das axiale Verhalten bei extremen Wellenlasten überprüft. Da Jacket-Tragstrukturen für Offshore-Anlagen heftigen Wetterbedingungen standhalten müssen, lag ein Schwerpunkt auf Zugbelastungstests, bei denen die Einwirkung extremer Wellen auf die Struktur nachgestellt wurde. Dabei gelang den IWES-Forschern der Nachweis, dass sich der Zugwiderstand der Suction Buckets bei Extremereignissen kurzzeitig erhöht. Auslöser hierfür ist der Unterdruck, der sich im Bucket bildet, wenn das Fundament von einer besonders starken Welle getroffen wird. In der Folge wächst die Tragfähigkeit der Gründung erheblich.

„Wir konnten nachweisen, dass bei einem durchschnittlichen Sturm eine kurzzeitige Erhöhung der Zugtragfähigkeit des Fundaments im zweistelligen Prozentbereich eintritt", sagt IWES-Projektleiter Tulio Quiroz. „Bei einem starken Sturm kann die Tragfähigkeitszunahme sogar noch größer sein.“

Heutige Offshore-Fundamente sind sehr konservativ ausgelegt. Einer der Gründe hierfür ist, dass das Verhalten der Fundamente unter zyklischer Belastung nicht ausreichend bekannt ist. Die realistische Einschätzung des Fundamentverhaltens kann deutliche Einsparungen bei Material und Logistik zur Folge haben – ohne die Standsicherzeit zu beeinträchtigen. Dieser Quantifizierung sind die IWES-Forscher ein Stück nähergekommen. Das erhöht die Wirtschaftlichkeit dieser innovativen Anwendung, die ohnehin viele Vorteile für Umwelt und Betreiber bietet. Dazu gehört zum Beispiel die Installation und vollständige Rückbaubarkeit von Substruktur und Fundament in einem Arbeitsschritt sowie eine schallarme Installation.

Die Bucket-Gründungen bestehen aus einem nach unten geöffneten Stahlzylinder, der einem Eimer ähnelt (bucket= engl. für Eimer). Per Kran wird der Zylinder auf dem Meeresboden abgesetzt und anschließend leergepumpt. Im Zylinder entsteht dadurch ein Unterdruck, und der oben auflastende hydrostatische Druck presst das Fundament in den Boden.

Für Offshore-Jackets haben Buckets häufig einen Durchmesser von 6 bis 9 Metern. In ihren Tests verwendeten die IWES-Wissenschaftler einen für eine Jacket-Tragstruktur ausgelegten Bucket mit einem Durchmesser von 1,4 Meter. Der einzigartige Versuchsaufbau gewährleistete homogene und realistische Testbedingungen: Die Grundbauversuchsgrube des TTH ist 14 Meter lang, neun Meter breit, zehn Meter tief und war für die Tests mit einem für die Nordsee typischen sandigen Grund befüllt.

„Die Suction Bucket-Gründung hat viel Potenzial für einen noch zuverlässigeren und wirtschaftlicheren Einsatz in der Nordsee. Die Installation erfordert jedoch viel Know-how und validierte Prognosemodelle“, so Tulio Quiroz.

Um die Forschungen in diesem Bereich weiter voranzutreiben, plant das Fraunhofer IWES die Bildung eines Forschungsclusters aus Industriepartnern, Forschungseinrichtungen und Zulassungsstellen.

Testzentrum Tragstrukturen

 

Für einen aussagekräftigen Test ist entscheidend, dass der Stahlzylinder absolut gerade eingebracht wird.
© Pascal Hancz

Für einen aussagekräftigen Test ist entscheidend, dass der Stahlzylinder absolut gerade eingebracht wird.

© Fraunhofer IWES

Grafische Darstellung der Bucket-Gründungen