Messung von Umweltbedingungen

Die Fraunhofer IWES Wind-Lidar-Boje ist ein schwimmendes Lidar-System, für das ein Lidar-Windmessgerät in einer angepassten Seeboje integriert wurde. Das kompakte Design, ein robustes autonomes Stromversorgungssystem sowie eine effiziente Datenverarbeitung und -kommunikation gewährleisten zuverlässige und flexible Offshore-Windmesskampagnen bei minimalen Kosten.

Der vom Fraunhofer IWES entwickelte Korrekturalgorithmus, der die Bewegungen der Boje herausrechnet, garantiert eine hohe Messgenauigkeit - vergleichbar mit Offshore-Mastmessungen. Ihr Offshore-Windprojekt kann von der Wind-Lidar-Boje aufgrund der zuverlässigen Messdaten in allen relevanten Projektphasen - einschließlich Planung, Installation und Betrieb - profitieren.

Broschüre "Validated LiDAR system for flexible offshore site assessment" (english)

Video "Better together: Offshore-Messkampagne mit LiDAR-Boje"

DIENSTLEISTUNGEN

• Windgeschwindigkeitsmessungen auf mehreren Messhöhen gleichzeitig von 10 bis 200+ Meter
• Messung zusätzlicher Parameter wie Wellen, Strömungen, Temperatur etc.
• Kompletter Dienstleistungsvertrag inklusive Genehmigungen, Ausbringung, Service, Datenübertragung, Qualitätskontrolle etc.
• Windpotentialbestimmung auf der Basis der gemessenen Daten
• Messkampagnen von einer Woche bis zu einem Jahr möglich

Schiffsbasierte LiDAR-Messung

Während Messungen von festen Plattformen und von verankerten Bojen sich vor allem für den längerfristigen Einsatz eignen, bietet sich eine Messung von einem Schiff aus vor allem dann an, wenn das Schiff ohnehin am Standort im Einsatz ist oder wenn nur für einen relativ kurzen Zeitraum gemessen werden muss. Messungen können sehr gezielt durchgeführt werden und benötigen deutlich weniger Zeit für Planung und Vorbereitung. Voraussetzung für eine präzise Messung von einem sich bewegenden Schiff aus ist die Korrektur der Messwerte für die auftretenden Bewegungen. Ein wesentlicher Teil des entwickelten Schiffs-LiDAR-Systems ist daher die integrierte Bewegungsmessung. Daten für die bis zu sechs Freiheitsgrade des auf dem Schiff platzierten Systems werden hochaufgelöst aufgenommen, aufbereitet und für eine Bewegungskorrektur der gleichzeitig aufgenommen LiDAR-Messdaten verwendet.

Für die Planung und Entwicklung von Offshore-Windparks ist die genaue Kenntnis der örtlichen Baugrundverhältnisse eine wichtige Voraussetzung. Auf dieser Grundlage lassen sich die Tragstrukturen von Windenergieanlagen auswählen und optimal dimensionieren. Da die Gründungsarbeiten einen vergleichsweise großen Anteil an den Gesamtkosten einer Offshore-Windenergieanlage haben, liegt in diesem Bereich ein großes Potential zur Kostenoptimierung.

Gängige Untersuchungsmethoden wie geologische Bohrungen und Drucksondierungen liefern wichtige baugrundrelevante Informationen, allerdings stets beschränkt auf den jeweiligen Beprobungsstandort. Auf dieser Basis sind Aussagen über die Baugrundverhältnisse der näheren Umgebung nur bedingt möglich; dies kann insbesondere bei aufgelösten Strukturen wie z.B. Jackets oder Tripods unzureichend sein.

Im Unterschied dazu geben geophysikalische Methoden einen vergleichsweise schnellen und kostengünstigen flächigen Überblick über die Baugrundbedingungen, lassen jedoch keine direkten Aussagen hinsichtlich der Bodeneigenschaften zu. Es ist ein Ziel der Gruppe "Offshore-Standortbewertung Boden", das Thema Baugrundbewertung ganzheitlich zu betrachten und die unterschiedlichen Methoden sinnvoll und effizient miteinander in Beziehung zu setzen.

Weitverbreitete Probleme herkömmlicher Messverfahren wie unzureichende Signaleindringung und eine schlechte Abbildbarkeit komplexerer Strukturen schränken die Ausagefähigkeit der Untersuchungen erheblich ein. Ein speziell für den Offshore-Einsatz entwickeltes mehrkanalseismisches Messverfahren, hat diese Mankos nicht. Bisherige Feldversuche in Offshore Windparks in Nord- und Ostsee verliefen überaus erfolgreich.

Bezüglich der geotechnischen Dimensionierung von Offshore-Gründungstrukturen bietet die Arbeitsgruppe In-situ-Erkundungsmethoden (CPT) sowie geotechnische sowohl monotone als auch zyklische Laborversuche zur Charakterisierung von Meeresbodenproben an. Die gewonnenen Parameter stellen die Grundlage für die Bemessung und den Dimensionierungsprozess der Gründungskonstruktion dar. Die Bemessung erfolgt in Übereinstimmung mit dem BSH-Standard, umfasst zyklische Belastungen und wird, nach Anforderung und Kundenwunsch, durch die Anwendung von FE-Verfahren unterstützt und abgesichert.

Datenblatt "Ultra High Resolution Seismic System - Fraunhofer IWES Subsurface Investigation"

DIENSTLEISTUNGEN

• Dynamische Triaxialversuche
• Zyklische Simple Shear Versuche, zyklische Rahmenscherversuche
• Consulting und Beratung zur Verwendung der Versuchsergebnisse im technischen Design
• Consulting und Beratung zu Planung und Entwicklung

Im „Standard Baugrunderkundung“ für Offshore-Windenergie-Anlagen (OWEA), Offshore-Plattformen und Stromkabel des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrografie (BSH) ist ausgeführt: „Der Entwurf der Gründungskonstruktionen erfordert ausreichend detaillierte Kenntnisse des Baugrunds, seiner geotechnischen Eigenschaften usw. […] Eine geotechnische Standorterkundung und -beurteilung durch qualifizierte Sachverständige ist deshalb zwingend geboten.“

Zur Erreichung der 1. Freigabe in Planung und Entwicklung eines Offshore-Windparks ist u.a. ein Baugrund- und Gründungsgutachten (der Entwicklungsphase) in geprüfter Form vorzulegen, das Ergebnisse aus Laborversuchen im Rahmen der Vorerkundung beinhaltet. Für die 2. Freigabe bildet der Baugrundhauptuntersuchungsbericht zusammen mit dem Baugrund- und Gründungsgutachten (der Konstruktionsphase) das sogenannte Basic Design. Ein Baugrunduntersuchungsbericht im Verfahren entspricht dem geotechnischen Untersuchungsbericht nach DIN EN1997-2 und DIN 4020 und umfasst u. a. die Ergebnisse der Labortests. Spätestens hierfür muss an jedem Anlagenstandort mindestens ein Baugrundaufschluss ausgeführt werden, an den sich entsprechende Laborversuche anschließen. Die Resultate gehen in die genannten Unterlagen ein und werden im technischen Design der Anlagen verwendet.

Datenblatt "Geotechnische Laboruntersuchungen"

Für das Design von Offshore-Windenergieanlagen und Meeresenergieanlagen ist die detaillierte Charakterisierung der Strömungs- und Wellenverhältnisse ausschlaggebend. Für Projektplaner und Investoren vermindert eine Standortbewertung technische und finanzielle Risiken. Die Strömungsverhältnisse um die Fundamente von Offshore-Windenergieanlagen bestimmen nicht nur Lasten auf die Struktur, sie verursachen auch Sedimenttransporte im Nahbereich der Struktur, die zu Auskolkungen führen können.

Die genauere Analyse von Strömungsdaten zeigt ihre komplexe räumliche und zeitliche Variabilität - Ursache ist der Einfluss von Turbulenz, Wellen und Wind auf die mittlere Strömung. Die Analyse des Strömungsfeldes wird durch die zu geringe räumliche und zeitliche Auflösung von Messtechnik mit ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) begrenzt. Abhilfe schafft hier der Einsatz akustischer Geräte zur Strömungsmessung. Die Messung in unmittelbarer Nähe eines Fundaments ermöglicht die detaillierte Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Struktur und Strömung und der dadurch hervorgerufenen Sedimenttransporte.

Das neue Fraunhofer IWES Manta Ray System – kosteneffiziente seismische Diffraktionsabbildung zur Findlingslokalisierung unterhalb des Meeresbodens im Rahmen der Risikominimierung bei Bauvorhaben auf See

Glaziale Findlinge stellen eine ernsthafte Herausforderung für den Bau von Windparks auf See dar

Der Bau von Offshore Windparks birgt große Herausforderungen durch die Größe der Offshore Windenergieanlagen (OWEA) sowie die Umweltbedingungen auf See. Schwierige geologische Gegebenheiten für die Installation der OWEA-Fundamente herrschen vor allem in den glazial geprägten Regionen vor, z.B. in Nordeuropa, wo die Identifikation von weitverbreiteten glazialen Sedimente mit Findlingen einen wichtigen Teil der Bodenvorerkundung für Windparks darstellt. Solche glazialen Findlinge können Größen von <1 m bis >5 m aufweisen und in verschiedenen geologischen Einheiten angetroffen werden. Große Gesteinsbrocken können auch in Gegenden angetroffen werden, die nicht glazial geprägt wurden, z.B. in Konglomeratlagen, vulkanischen Ablagerungen oder abgesenkten Strandabfolgen.

Werden solche Findlinge während der Installation von OWEA-Fundamenten, z.B. Monopiles, angetroffen, kann es zu Schäden an den Fundamenten oder sogar zu einem Komplettversagen der Fundamentinstallation kommen, was zu hohen Folgekosten führt. Die Zusatzkosten für bereitgestellte Hilfsschiffe und Ersatzfundamente erhöhen zusätzlich die Gesamtkosten zur Minimierung der Risiken im Zusammenhang mit Findlingsvorkommen.

Herkömmliche geophysikalische Methoden, z.B. Sedimentecholote, Einkanalseismik oder magnetische Methoden, können Findlinge im Untergrund nicht zuverlässig detektieren und lokalisieren. Deshalb besteht auch nach großflächigen, nach Stand der Technik ausgeführten geophysikalischen Vorerkundungen ein beträchtliches Restrisiko für nichterkannte Findlinge im Vermessungsgebiet. Solche Findlinge können ohne eine entsprechende Kartierung erhebliche Verzögerungen in der Fundamentinstallation und damit in der Gesamtplanung eines Offshore Windparks verursachen.

Um diese Lücke in der verfügbaren Technologie für die Bodenvorerkundung auf See zu schließen, hat das Fraunhofer IWES, zusammen mit der Universität Bremen, das Manta Ray System entwickelt, ein neues geophysikalisches Messsystem für die Findlingsdetektion in marinen Sedimenten.

Das Fraunhofer IWES Manta Ray System

Das neuartige Manta Ray Messsystem kann zusammen mit einer spezialisierten Datenauswertung Objekte, z.B. Findlinge, in marinen Sedimenten bis zur vollen tiefe von typischen OWEA-Fundamenten kartieren. Das System basiert auf mehrkanalseismischen Prinzipien mit einem eigens neu entworfenen Hydrophonarrays zur Datenaufnahme und einer passenden hochfrequenten Signalquelle. Im Gegensatz zu herkömmlicher Reflexionsseismik, wobei Strukturen im Untergrund durch Reflexionsenergie abgebildet werden, wird hier Diffraktionsenergie abgebildet, welche von Objekten im Untergrund verursacht wird. Objekte können dadurch bis zu einer Tiefe von ~100 m unterhalb des Meeresbodens in den Flachwassergebieten der Nord- und Ostsee lokalisiert werden.

Parallel zur Aufnahme von Diffraktionsenergie kann das Manta Ray System ultra-hochauflösende (UHR) 2D reflexionsseismische Daten aufnehmen, die für eine detaillierte geologische Interpretation des Untergrundes genutzt werden können. Die Integration von hochgenauen Positionierungssystemen, einer angepassten Vermessungsstrategie sowie einer effektiven Datenbearbeitung, basierend auf proprietären Algorithmen, ermöglicht die Erstellung von hochauflösenden seismischen Diffraktionsdatensätzen sowie UHR Reflexionsdaten für eine angeschlossene Dateninterpretation. Die Interpretation beinhaltet eine statistische Analyse der seismischen Diffraktionsdaten zusammen mit einer stratigraphischen Interpretation der geologischen Einheiten im Arbeitsgebiet mit Hilfe der Reflexionsdaten. Als Ergebnis können die Positionen und Tiefenlagen von identifizierten Objekten einschließlich einer Fehlerbetrachtung der Positionierungsgenauigkeit geliefert werden. Zusätzlich werden die identifizierten Objekte innerhalb der kartierten geologischen Einheiten verortet und interpretiert. Diese Resultate können genutzt werden um Flächen mit einem hohen Findlingsaufkommen für Bauvorhaben zu vermeiden und durch eine genaue Planung der Installationspositionen das Risiko für das Antreffen von Findlingen zu minimieren.

Das Manta Ray Messsystem wurde bei mehreren Seetests in der Nord- und Ostsee erprobt. Anschließend konnte eine erste kommerzielle Vermessung 2019 erfolgreich abgeschlossen werden.

Eine typische Vermessung mit dem Manta Ray System fokussiert sich auf begrenzte Flächen um geplante OWEA-Installationspositionen (z.B. 100 x 100 m), wobei zwischen sechs und zwölf Stunden Vermessungszeit pro OWEA benötigt werden, abhängig von der Planung der Gesamtvermessung, der Schiffsmobilisierung und anderen Variablen. Die Vermessung ganzer Windparks ist durch die hohe erreichbare Vermessungsgeschwindigkeit von ~5 Knoten sowie der fächerhaften Vermessungsgeometrie auch möglich. Die Datenauswertung und –interpretation wird in enger Abstimmung mit dem Kunden durchgeführt und beansprucht mehrere Wochen zur sorgfältigen Auswertung und Interpretation der gesammelten Datensätze. Die Endergebnisse erlauben es dem Kunden Offshore-Infrastrukturprojekte sicher sowie zeit- und kosteneffizient durchzuführen. Das System kann dabei einfach an die zu erwartenden Objektgrößen sowie die Zieltiefen angepasst werden und so für viele unterschiedliche Aufgabenfelder eingesetzt werden.

Das Manta Ray System ermöglicht eine Findlingslokalisierung für Offshore-Bauvorhaben wie z.B.:

• OWEA-Fundamente
• Hochseeplattformen
• Kabelkorridore
• Baggervorhaben

Vorteile des Manta Ray System für Findlingsvermessungen:

• Zuverlässige Objektdetektion in marinen Sedimenten durch die Abbildung von Punktdiffraktionen
• Detektion von Objekten (0.5-5 m) in Sedimenten bis zu einer Tiefe von ~100 mbsf
• Effiziente Kartierung durch eine fächerhafte Datenaufnahme
• Hohe Lokalisierungsgenauigkeit durch Datenauswertung mit synthetischer Apertur
• Angepasste Risikobestimmung für Offshore-Bauvorhaben
• Sekundäre UHR 2D/3D seismische Datensätze

Datenblatt "Manta Ray G1 - Sub-seafloor object detection"