Offshore Foundation nach dem Verfahren ELiSE (OFE)

Die Auslegung von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) basiert im Wesentlichen auf Algorithmen, die teilweise aus den Anfängen der Offshore-Öl- und Gasindustrie stammen und daher bei der Übertragung auf die Windenergienutzung anzupassen sind. Hinzu kommt, dass es bisher mit OWEA quasi keine Erfahrungen bzgl. der realen Belastungssituation gibt und die Dimensionierung unter Anwendung von entsprechenden Sicherheitszuschlägen aus Onshore-Anlagen abgeleitet wird. Die bei der Fertigung einer Gründungsstruktur zu verarbeitenden Stahlbleche weisen daher Dicken bis zu 100 mm auf und bedürfen bei der Anwendung konventioneller Schweißprozesse einer besonderen Qualitätssicherung bzw. Qualifikation der Schweißer. Das führt dazu, dass allein in einer Gründungsstruktur bis zu 1200 Tonnen Stahl verbaut werden -ohne Gründungspfähle, Turm, Gondel und Rotorblätter-.

Die Fertigung von Gründungsstrukturen für OWEA stellt sowohl einen ressourcenintensiven als auch energieintensiven Produktionsprozess dar, der durch die Optimierung der Strukturen infolge bionischer Adaption signifikant verbessert werden kann.

Viele aktuelle Forschungs- und Entwicklungsprojekte befassen sich zwar mit der Optimierung der Strukturen, allerdings ohne dabei explizit auf Leichtbau bzw. Materialeinsparung zu setzen, geschweige denn bionische Ansätze zu berücksichtigen.

Ziel des OFE Projektes ist es, durch die Nutzung bionischer Prinzipien eine mögliche Struktur beispielhaft für eine 5-MW-Anlage zu entwickeln, die gegenüber den bisher genutzten Bauten eine signifikante Optimierung insbesondere bezüglich Materialeinsatz, aber auch hinsichtlich Fertigung und Montage bei mindestens gleicher Tragfähigkeit aufweist.

Alle Versuche eine neue Geometrie mittels aktueller Optimierungstools zu finden endeten in nur teuer produzierbaren Gitterstrukturen. Genetische Optimierungsalgorithmen konnten durch Variation der Rohrdurchmesser und parametrische Geometieänderung des original Tripods dessen Gewicht nur unwesentlich verringern.

Es wurden verschiedenste biologische Vorbilder (Radiolarien) ausgewählt. Da diese nicht dafür ausgelegt sind, Windenergieanlagen zu tragen, wurden alle Modelle mittels FE-Berechnungen untersucht. Hierfür wurden alle Modelle in CAD Programmen modelliert und hinsichtlich der Ergebnisse der FE-Berechnungen und den technischen Lastfällen der Windkraftanlage abstrahiert.

Das biologische Vorbild Clatrocorys stellte sich als der beste Kandidat für eine weiterführende Optimierung dar. Durch die Optimierung der Struktur und der relevanten Produktions-Anpassungen konnte die Offshore-Gründung komplett neu konzipiert werden. Der neue Ansatz benötigt lediglich Standardrohre, welche kostengünstig erhältlich sind. Das Gesamtgewicht konnte auf ca. 400t verringert werden. Das neuartige Design ist absolut einzigartig und kann nicht mit aktuellen Engineering-Design-Tools gefunden werden.