Alternative Montagevorrichtung für Offshore-Windenergieanlagen

  • Ansprechperson:

    Dr. Wolfgang Burger

  • Förderung:

    AIF

  • Projektbeteiligte:

    Berg - idl

  • Starttermin:

    01.03.2010

  • Endtermin:

    31.10.2011

Ausgangslage:

Seit November 2009 sind die 12 Windenergieanlagen, die zusammen Deutschlands erste Offshore-Stromfabrik „Alpha Ventus“ bilden, montiert und bereit für den Probebetrieb. Alpha Ventus ist der erste Windpark weltweit, der Anlagen der 5-Megawatt-Klasse in tiefen Gewässern und weit weg von der Küste betreibt. Er befindet sich 45 km nordwestlich von Borkum, die Wassertiefe beträgt je nach Tide ca. 30 Meter.

Die eingesetzten Windenergieanlagen (WEA) vom Typ „Multibrid M5000“ (Hersteller: Areva Multibrid GmbH) bzw. „REpower 5M“ (Hersteller: REpower Systems) bestehen jeweils aus einem ca. 90 Meter hohen Turm und einer hausgroßen, mehrere hundert Tonnen schweren Maschinengondel. Die Rotordurchmesser liegen im Bereich von 120 Metern, jedes der jeweils 3 Rotorblätter allein wiegt über 16 Tonnen.

Die Montage derart großer Anlagen stellt eine große Herausforderung dar, zumal bis dato so gut wie keine Erfahrungswerte für das Errichten von Windrädern in derart tiefen Gewässern vorlagen. Zwar sind bereits sehr viele Windräder insbesondere vor der Küste Dänemarks in Betrieb, diese stehen jedoch fast alle küstennah im seichten Wasser. Während es sich dabei nur um zwei Megawatt-Anlagen handelt, werden bei Alpha Ventus mit jeweils fünf Megawatt auch hinsichtlich der Leistung neue Größenordnungen erreicht (und damit auch hinsichtlich Größe und Gewicht des Windrads sowie der anderen Aggregate).

Da in großen Wassertiefen die Gründungsstruktur einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten der Anlage darstellt, sind insbesondere große Anlagen (Nennleistung 5 MW) rentabel, denn die Kosten der Gründungsstruktur sind nur relativ gering durch die Größe der darauf montierten WEA beeinflusst.

Solche Anlagen werden in den nächsten Jahren zahlreich aus Nord- und Ostsee wachsen.

Alpha Ventus hat gezeigt, dass es erhebliche Montageprobleme gibt:

Bisher erfolgt die Montage von WEA durch große Krane.

Speziell im Offshore Bereich, wo der Kran auf einem Schiff montiert ist, ergibt sich eine extreme Wetterabhängigkeit (im Fall Alpha Ventus gab es immer wieder zehn Meter hohe Brecher!) und sehr lange Montagezeiten. Dadurch ergibt sich nur ein minimales Zeitfenster für die Durchführung der Montage- oder Wartungsarbeiten.

Wenn es stürmt, kann kaum gearbeitet werden. Wenn alles funktioniert, kann die WEA Alpha Ventus bis zu 120.000 Euro täglich einspielen. Wird der Baufortschritt also vom Wetter diktiert, kommt das teuer zu stehen – der Preis für die Energie vom Meer ließe sich mit besserer Logistik (und wetterunabhängigeren Montagesystemen) erheblich senken.

Entwicklungsziel:

Erstmalig wollen die Partner BERG-idl und IPEK ein Montagesystem für WEA entwickeln, dass gleichermaßen zu Land und zu Wasser einsetzbar ist und die Wetterabhängigkeit insbesondere bei den zukünftig entstehenden Offshore-Anlagen erheblich reduziert.

Die zugrundeliegende Idee ist ein kranloses Montagesystem nach dem Prinzip eines Zahnstangen-Aufzugs:

Mit Hilfe eines modularen, bereits vor der Endmontage an den einzelnen Komponenten der WEA angebrachten Hilfsgerüsts soll bei jedem Wetter der Bau oder die Wartung ermöglicht werden.

Abbildung 2 zeigt eine erste Computermodellierung, die den geplanten Montageablauf verdeutlichen soll.

 

Zu montieren sind im Falle der REpower 5M folgende Komponenten

  • 3 Mastsegmente:
    je 6m Durchmesser, 30m hoch, 150to, 24mm Wandstärke
  • 1 Maschinengondel:
    6m breit, 6m hoch, 18m tief, 500to
  • 3 Rotorblätter:
    je 61,5m lang, 18to

 

Die Komponenten werden auf einer gegründeten Plattform neben dem im Meer stehenden Fundament (typ. Gründungshöhe über Meeresspiegel: ca. 15 bis 20 Meter) bereitgestellt. Das kann mit Hilfe „normaler“ Transportschiffe geschehen, da die einzelnen Komponenten aufgrund ihrer Größe und Masse relativ problemlos zu handhaben sind.

Die Mastsegmente sind bereits jeweils mit Hilfsgerüst-Modulen versehen, die auch Zahnstangen beinhalten, welche für den späteren Vertikaltransport der Fahrgondel gebraucht werden. Das erste Mastsegment wird von einem (kleinen) Kran mitsamt der Aufzugseinheit auf das Fundament gehievt und dort fixiert.

Die Fahrgondel dient nun zum Transport der weiteren Mastsegmente an die Turmspitze, wo diese jeweils fixiert werden.

Zuletzt wird die Maschinengondel inklusive zwei der drei Rotorblätter nach oben transportiert und montiert. Die Montage des dritten Rotorblatts stellt den letzten Montageschritt dar. Nach Abschluss der Montage kann das Hilfsgerüst segmentweise wieder demontiert werden. Auch dafür soll die Fahrgondel verwendet werden.

 

Das System wird also sowohl beim Neubau als auch bei Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten von WEA kostengünstig einsetzbar sein und fundamentale Nachteile der existierenden Technik beseitigen.

Während BERG-idl die Entwicklung, Konstruktion und Herstellung der mechanischen Elemente durchführt, konzentriert sich IPEK auf Dimensionierungsaufgaben, die Entwicklung und Realisierung der steuerungs- und regelungstechnischen Fragestellungen als auch auf Berechnungen, Modellierungen, Simulationen und Risikobewertungen.