Luftaufnahme einer Offshore-Windenergieanlage

Auf hoher See ist die Windausbeute besonders ertragreich.

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Die Offshore-Windkraftanlagen der nächsten Generation sind Giganten der Meere: Von der Wasseroberfläche bis zur Rotorspitze messen die Riesentürme 260 Meter und überragen damit den Kölner Dom um mehr als 100 Meter. Die Rotorblätter besitzen eine größere Spannweite als ein Airbus-380-Großraumjet. Bis zu zwölf Megawatt erzeugen die neuen Anlagen und können damit 19000 Haushalte mit Strom versorgen.

Mit den neuen gigantischen Anlagen stellen sich noch einmal ganz andere technische Herausforderungen. Die BAM forscht seit fast zwei Jahrzehnten zur Sicherheit von Offshore-Windkraftanlagen und unterstützt damit den Umstieg auf erneuerbare Energien. Im Fokus stehen dabei vor allem die mechanisch besonders beanspruchten Teile: Gründungspfähle, Tragstrukturen und Rotorblätter. „Gewaltige Kräfte wirken auf die Bauwerke ein“, sagt BAM-Ingenieur Matthias Baeßler. „Auf offener See müssen die Türme starken Strömungen, Wellengang und tosenden Stürmen standhalten. Für die neuen Riesentürme gilt das in besonderer Weise.“

Getragen von einem einzigen Pfahl aus Stahl

Umso erstaunlicher, dass die gigantischen Offshore-Windkraftanlagen von einem einzigen stählernen Pfahl, einem sogenannten Monopile getragen werden, der tief in den Meeresboden gerammt ist.

Natürlich sind bei den Offshore-Anlagen der neuesten Generation auch diese Monopiles gigantisch: 40 Meter messen die Stahlröhren in der Länge, ihr Durchmesser beträgt neun Meter. „Liegen die Röhren von der Montage auf dem Boden, könnte man problemlos ein Einfamilienhaus in sie hineinschieben“, so Matthias Baeßler

40 Meter messen die Stahlröhren in der Länge, ihr Durchmesser beträgt neun Meter

Bis zu 40 Meter messen die Monopiles, die die Anlagen tragen.

© Steelwind Nordenham GmbH, 2020

20 Meter lange Schweißnähte

Noch an Land werden die Röhren aus einzelnen Stahlblechen zusammengeschweißt. „Diese Schweißnähte sind mehrere Meter lang, manchmal bis zu 20 Meter“, erklärt Thomas Kannengießer, der an der BAM Experte für sichere Schweißverbindungen ist.

Heute wird zumeist ein High-Tech-Stahl verwendet, der fester ist als herkömmlicher Stahl. Thomas Kannengießer erforscht, wie sich die komplexen Legierungen optimal verbinden lassen. Vor allem kommt es darauf an, beim Schweißen Risse zu vermeiden, die durch die große Hitze entstehen können. Die BAM testet, wie man den Stahl vorwärmen kann, um eine ideale Schweißnaht zu erhalten.

Sind die Stahlbleche zu den 40 Meter langen Röhren zusammengeschweißt, werden sie auf See mit einem Rammhammer in den Meeresgrund getrieben, um auf ihnen später die Tragstruktur der Windkraftanlage sicher zu fixieren.

40 Meter messen die Stahlröhren in der Länge, ihr Durchmesser beträgt neun Meter

Wie vermeidet man „Pfahlfußbeulen“?

Durch die großen Kräfte, die dabei auftreten, und den Widerstand des Bodens können am Fußende der Pfähle große Verformungen entstehen. „Das darf jedoch auf keinen Fall geschehen, weil dadurch die Tragsicherheit der gesamten Struktur beeinträchtigt wird“, erklärt Matthias Baeßler.

Daher entwickelt sein Kollege Pablo Cuéllar am Computer Modelle, die die Interaktion der Pfähle mit dem Meeresgrund beschreiben. Sie sollen klären helfen, wie man sie am besten in den Boden treibt, ohne dass es zu den Verformungen kommt. Und wie mächtig die Stahlbleche sein müssen, damit sie einen Riesenturm von 260 Metern Höhe an Ort und Stelle verankern.

Feldversuche mit verschiedenen Böden

Dazu werden die BAM-Wissenschaftler ihre Modelle demnächst in Feldversuchen überprüfen – natürlich an Land. Zusammen mit der TU Berlin werden sie Pfähle verschiedener Mächtigkeit in Böden unterschiedlicher Beschaffenheit treiben und dabei beobachten, ob sich am Fuß Verformungen bilden.

Dabei genügen ihnen schon Pfähle von rund einem Meter Durchmesser und 10 Metern Länge. „Das ist völlig ausreichend, um zu klären, ob unser Computermodell belastbare Aussagen liefert“, so Matthias Baeßler.

Nach den Versuchen werden die BAM-Wissenschaftler sagen können, wie genau die Pfähle dimensioniert sein müssen, um die neuen Offshore-Windkraftanlagen sicher zu befestigen. Riesentürme, die höher in den Himmel ragen als größten gotischen Kathedralen der Welt.

Weitere Informationen zu unserer Forschung zu erneuerbaren Energien finden Sie unter www.bam.de/erneuerbare-energien