Offshore-Windenergieanlage, Bild: Messe Düsseldorf
Unter Wasser geht es weiter: 29 Meter Wassertiefe sind für deutsche Anlagen Standard. Bild: Messe Düsseldorf

Damit einhergehend wächst die Nennleistung der Windkraftanlagen. Laut IWES ist die durchschnittliche Nennleistung der neu installierten OWEA weltweit von 1,9 Megawatt in 2000 auf 3,6 Megawatt im Jahr 2014 gestiegen. Die Nabenhöhe stieg im gleichen Zeitraum von etwa 60 auf durchschnittlich 85 Meter. Vor allem aber legten die Rotorblattlängen der Offshore-Anlagen kontinuierlich zu. So betrug der mittlere Rotordurchmesser einer OWEA 115 Meter in 2014 – im Jahr 2000 waren es etwa 75 Meter. Neue Modelle der sechs-Megawatt-Klasse haben 150 Meter Durchmesser und mehr. Die nächste Generation, die derzeit entwickelt wird, hat Rotordurchmesser von über 160 Meter bei einer Nennleistung von sechs bis sieben Megawatt.

Neben dem Trend zu größeren Anlagendimensionen hat die Wassertiefe am Installationsort wesentlichen Einfluss auf das Fundament einer OWEA. Wurden die ersten Windparks noch in relativ geringer Küstenentfernung und eher flachem Wasser errichtet, steht die durchschnittliche OWEA heute im Schnitt in 21,5 Kilometer Küstenentfernung und 15,5 Meter Wassertiefe. In 2014 wurden OWEA in durchschnittlich 21,1 Kilometer Küstenentfernung und 32,3 Meter Wassertiefe gebaut. Deutsche Offshore-Anlagen stehen, so das IWES, durchschnittlich in einer Küstenentfernung von 65 Kilometer und einer Wassertiefe von etwa 29 Meter und damit im weltweiten Vergleich am weitesten von der Küste entfernt.

Bauweisen im Fundament

Wegen der unterschiedlichen Rahmenbedingungen entwickelten die Unternehmen für die Fundamente, die sogenannten Gründungsstrukturen, ganz unterschiedliche Lösungen. Den mengenmäßig größten Anteil haben die von Beginn an eingesetzten Einzelpfähle (Monopiles) und Schwerkraftfundamente. Weitere Bauweisen sind neben den in Asien verwendeten High-Rise-Pile-Caps vor allem Fachwerk-Tragstrukturen (Jackets), dreigliedrige Gründungsfundamente (Tripiles und Tripods) sowie schwimmende Fundamente.

Vereinfacht gesagt, bestimmt der Standort die verwendete Konstruktion. Schwerkraftfundamente, High-Rise-Pile-Caps und Monopiles stehen vorwiegend in küstennahen und flachen Gewässern. Die Gründungsfundamente Tripod und Tripile eignen sich vor allem für größere Küstenentfernungen und Wassertiefen. Freilich sind die Grenzen fließend und sie verschieben sich ständig, was vor allem bei den Monopiles zu beobachten ist.

Hohe Belastungen für OWEA

OWEA müssen insgesamt stabiler und robuster konzipiert werden als Onshore-Windkraftanlagen, weil sie größeren und zusätzlichen Kräften ausgesetzt sind. Neben dem Eigengewicht und den hohen Windgeschwindigkeiten sind als weitere Anlagenbelastungen besonders Wellen, Strömungen (auch Ebbe und Flut) und Eisgang zu nennen. Die Gründungsstrukturen müssen so konzipiert und bemessen sein, dass sie über Jahrzehnte allen ausgesetzten Kräften trotzen, ohne sich zur Seite zu neigen.

Als einfachste Form der Verankerung für Offshore-Windräder im Meeresgrund gelten Monopiles: lange zylindrische Rohre, die in der Regel von einem Errichterschiff in den Meeresboden gerammt werden. Monopiles können in kurzer Zeit, das heißt in wenigen Stunden, und damit kostengünstig errichtet werden. Dabei gilt als grobe Richtlinie, dass etwa die Hälfte des Pfahls im Meeresboden versenkt werden muss, um eine ausreichende Standfestigkeit zu gewährleisten.

Das Einrammen verursacht enormen Lärm (teilweise über 160 Dezibel). Zum Schutz der Meerestiere wurden als Alternativen zum Schlagrammen neue Verfahren wie das Einspülen oder das Vibrationsrammen entwickelt. Dies verringert nicht nur den Lärm, sondern belastet das Gründungsrohr auch mechanisch weniger.

Um das enorme Gewicht der Aufbauten zu tragen, sind dickwandige Rohre mit einem großen Durchmesser von mehreren Metern nötig. Bei einer fünf-Megawatt-Anlage beispielsweise wiegt allein die Gondel mit Rotor und Nabe bis über 400 Tonnen. Dazu kommen weitere Hunderte von Tonnen für das Transition Piece (Verbindungsstück zwischen Fundament und Turm) und den Windturm.

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