Planung und Optimierung von Windkraftanlagenfundamenten

Planung und Optimierung von Windkraftanlagenfundamenten im Kontext der Rentabilität von Investitionen in Windparks.

08/03/2021

Nie zuvor war das Thema der Optimierung von Fundamenten für Windparks so aktuell wie heute im Zusammenhang mit der Suche nach dem besten Finanzierungsmodell und der größtmöglichen Rentabilität von Investitionen in Windparks. Bei der Entscheidung für ein solches Projekt müssen Investoren die erwartete Rendite und den Zeitrahmen der Investition im Voraus festlegen. In den meisten Fällen basiert die Finanzierung auf Einspeisungsvergütungen (FiT), Einspeisungsprämien (FiP), Ausschreibungen, handelbaren grünen Zertifikaten (TGS), Energiekaufverträgen oder Differenzverträgen (CFDs).

In den letzten Jahren hören wir immer häufiger von Investitionen ohne Subventionen, die nur auf einem festen Preis für die erzeugte Energie beruhen, der sogenannten “Schwarzen Energie”.

Unabhängig davon, welches Modell für die Rentabilität eines Windparks am besten geeignet ist, besteht das Interesse jedes Investors darin, die Projektdurchführungskosten zu optimieren. Je besser das Windparkprojekt vorbereitet, durchdacht und geplant ist, desto mehr Geld kann im Endeffekt gespart werden. Die größten Einsparungen bei den Investitionskosten können in der Phase der Umsetzung des Windprojekts erzielt werden, in der wiederum eine der wichtigsten Ausgaben die Kosten für den Bau der Fundamente selbst sind.

Die Optimierung des Fundaments für den Turm der Windkraftanlage sollte zunächst rational erfolgen, basierend auf Wissen und Erfahrung, da das grundlegende Ziel, die ausfallfreie Konstruktion sein muss. Es ist unter keinen Umständen zu akzeptieren, wenn der wirtschaftliche Druck, möglichst viele Aufträge zu gewinnen zu einem Balanceakt wird, indem die Sicherheit den „Kürzeren“ zieht.

Das Entwerfen von Windkraftanlagenfundamenten ist eine der komplexesten Ingenieurleistungen.  Diese können ausschließlich von Spezialisten mit jahrelanger  Erfahrung auf  diesem engen Fachgebiet und mit  entsprechenden Kenntnissen in Bezug auf das Einwirken von Wind, dynamisch variablen Lasten und Materialermüdung entworfen werden. Es ist dabei notwendig, internationale Richtlinien, Empfehlungen und Anforderungen der Turbinenhersteller sowie nationale Vorschriften, lokale Bedingungen und Konstruktionsstandards gekonnt zu kombinieren und anzupassen.

Der Investor steht jedes Mal vor einem Dilemma, wie die für die Investition in der Projektphase zugewiesenen Mittel richtig bilanziert werden können. Man sollte sich dabei dessen bewusst sein, dass im Zusammenhang mit der Optimierung der Fundamente von Windparks, ein fundiertes Wissen über die vorherrschenden  Bodenverhältnisse, einen großen Einfluss auf die Suche nach der kostengünstigsten und technisch vertretbaren Lösung hat.

Entwurf und Optimierung von Windkraftanlagen Schritt 1: Bodenuntersuchung

Windparks sind Energieobjekte und ihre Bodenuntersuchung sollte auf besondere Weise behandelt werden. Für solche Objekte sollten detaillierte geotechnische Untersuchungen und ein geologischer Gutachten mit Expertenempfehlungen durchgeführt werden. Der auf der Baustelle anwesende Geologe hat das beste, wirkliche Bild der örtlichen Bodenverhältnisse. Es wird empfohlen, Feldversuche bis zu einer Tiefe von ungefähr dem 1,5-fachen des Fundamentdurchmessers durchzuführen, wobei die häufigste Bohrtiefe ungefähr 20 bis 25 m beträgt. Bei der Durchführung von Bodenuntersuchungen ist es erforderlich, die Schwierigkeit der Interaktion zwischen dem  Fundament und dem Boden zu berücksichtigen.

Es wird empfohlen, die folgenden geotechnischen Parameter auf der Grundlage von Feld- und Labortests zu bestimmen:

• Art des Bodens, unterteilt in lithologische Schichten,

• maximaler Grundwasserspiegel,

• Parameter, welche die physikalischen Eigenschaften des Bodens beschreiben,

• effektive Festigkeitsparameter des Bodens,

• Module für statische und dynamische Verformungen,

• Poisson-Verhältnis.

Es ist eine bewährte Praxis, sich nicht auf einen bestimmten Test zu beschränken, insbesondere wenn es um die dynamischen Parameter des Bodens geht. Die Erfahrung zeigt, dass die Untersuchungsergebnisse erheblich voneinander abweichen können, was ein inkonsistentes Bild des tatsächlichen Bodenprofils ergibt. Bauunternehmer und Investoren von Windparks, die bereits in der Bauplanungsphase Bodentests in Auftrag geben, haben häufig ein begrenztes Budget für diesen Zweck. Der Kostenunterschied zwischen einer detaillierten und einer einfachen Bodenuntersuchungen macht wahrscheinlich nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtinvestition aus. Das Projekt in Gänze , wenn nicht an falschen Stellen gespart wird,  kann hingegen  in der Endabrechnung  sogar 10% bis 15% an Ersparnis bringen. Darüber hinaus sollte beachtet werden, dass wenn die Zuverlässigkeit von Bodenmessungen zu gering ist, diese in der nächsten Phase wiederholt und erneut finanziert werden müssen. Einsparungen in der Phase der Bodenuntersuchung können letztendlich zu einer Erhöhung der Kosten für den Bau von Fundamenten führen. Parameter, die nicht den tatsächlichen Bedingungen entsprechen, führen selbst in Fällen, in denen solche Lösungen eigentlich vermieden werden könnten, zur Auslegung der Bodenbewehrung oder der Pfahlgründung.

Entwurf und Optimierung von Windkraftanlagen, Schritt 2: Projekte

Gemäß ICE 61400-1 beträgt die Lebensdauer einer Windkraftanlage 20 Jahre. Manchmal kann diese Zeit auf Wunsch des Investors auf bis zu 30 Jahren verlängert werden. Während dieses Zeitraums können  folgende Bauvarianten auftreten: Montage, Demontage, Inbetriebnahme, Energieerzeugung, extremer Wind (etwa fünfmal pro 231 Millionen Zyklen), Ausfall und andere. Auf der Grundlage dieser Varianten werden auf den Untergrund übertragene Stöße in Form der Vertikalkraft Fz, der Horizontalkraft Fxy und der Momente bestimmt: Drehmoment von Mr und Kippmoment von Mxy.

Abb.1  Auf die Bodenoberfläche übertragene Stöße

Es gibt drei Hauptberechnungsfälle:

• extremer Wind (50 Jahre Böe),

• Notlasten, ungewöhnliche Inbetriebnahme, Defekte oder Zerstörungen der Turbine,

• Dauerbelastung, wobei ein Ablösen des Fundaments nicht zulässig ist, für das Schwerkraftfundament – häufig als „kein Spalt“ bezeichnet; oder keine Zugkräfte in den Pfählen.

Alle diese drei Fälle in den entsprechenden Berechnungskombinationen können dimensioniert sein und sich auf die Größe und den Typ des Fundaments und seiner Bewehrung auswirken. Darüber hinaus haben Ermüdungsbelastungen einen erheblichen Einfluss auf die Menge und Form der Bewehrung. Für den permanenten Lastfall werden auch die statische und dynamische Rotationssteifigkeit überprüft. Diese Analyse soll die Möglichkeit eines Resonanzeffekts ausschließen.

Der Geotechniker sollte über umfassende Kenntnisse über die Interaktion des Bodens mit dem dazugehörigen Fundament verfügen. Es sind die durch geotechnische Tests ermittelten Bodenverhältnisse, die sich hauptsächlich auf die Kosten der Bodenbewehrung oder gegebenenfalls der Pfahlgründung auswirken.

Eine korrekte geotechnische Analyse ist entscheidend für die Planung und Optimierung von Windkraftanlagenfundamenten. Aufgrund des nicht standardmäßigen Betriebs dieser Konstruktionen, welche den zyklisch wechselnden dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, unterscheidet sich die Interpretation der Bodenbedingungen von einer Standardanalyse.

Neben dem dynamischen Aspekt ist das Vorhandensein oder das  Fehlen von Auftrieb ein äußerst wichtiger Parameter, der das Projekt beeinflusst. Die Fundamente können sich aufgrund ihres Auftriebs volumenmäßig um bis zu> 35% voneinander unterscheiden. Da dies für die Investitionskosten wichtig ist, ist es ratsam, den Wasserdruck, z. B. jeweils mit Piezometern, sorgfältig zu prüfen. Darüber hinaus kann auf Archivdokumente  des konkreten Standortes verwiesen werden.

Die Variabilität der Wassersituation über einen Zeitraum von 20 Jahren kann sich als recht groß herausstellen. In diesem Zusammenhang ist es auch hilfreich, die Situation und die Höhe des Areals  zu analysieren sowie mögliche Wasserläufe oder das Risiko eines Wasserstaus zu identifizieren. Häufig kann das Problem des Wasserauftriebs durch Anheben des Fundaments ausgeglichen werden. In einem solchen Fall müssen natürlich eine Reihe multidisziplinärer Überlegungen berücksichtigt werden, wie z. B. die Umweltentscheidung, der lokale Raumentwicklungsplan, die Entscheidung der zivilen und militärischen Luftfahrt, die Richtlinien des Turbinenherstellers und andere lokale Bedingungen. Sie sollten sich bewusst sein, dass sich die vom Turbinenlieferanten angegebenen Windlasten auf eine bestimmte Höhe beziehen und eine Änderung durch Anheben des Fundaments den Wert dieser Lasten beeinflussen kann.

In einer Situation, in der der Untergrund keine ausreichende Tragfähigkeit aufweist, muss er entsprechend modifiziert werden, um die erforderlichen Parameter zu erreichen. Zum Beispiel: durch Austausch des Bodens (rentabel bis zu einer Tiefe von etwa 1,5 Metern),  Pfahlgründung oder Flachgründung auf einem intensivverdichteten Untergrund. Bei weichen Böden bis zu einer Tiefe von etwa 8 bis 12 Metern unter dem Bodengrund, ist es normalerweise wirtschaftlicher, den Untergrund zu verdichten. Bei größeren Tiefen wird die Pfahlgründung am häufigsten bevorzugt. Dabei ist es auch eine gängige Praxis, die Erwartungen des Investors zu berücksichtigen und eine aktive Marktforschung durchzuführen, um die technisch, zeitlich und wirtschaftlich beste Alternative zu finden.

Fundamente auf einem mit Säulen verdichteten Boden und  Pfahlgründungen unterscheiden sich voneinander. Beide Fälle führen zu völlig unterschiedlichen Projektansätzen, Änderungen von Annahmen und Berechnungsprüfungen. Im ersten Fall sind Säulen und Fundament Teil der sogenannten Übertragungsschicht, wodurch diese beiden Strukturen unabhängig voneinander arbeiten [Abb. 5]. Im zweiten Fall  werden Pfähle mit dem Fundament durch eine Verankerungsverstärkung verbunden, was in einem einheitlichen und zusammenwirkenden System resultiert.

Entwurf und Optimierung von Windkraftanlagen: Zusammenfassung

In den meisten Fällen führt das Fehlen ausreichender Kenntnisse des Projektanten zu einer erheblichen Überdimensionierung der Konstruktion, was wiederum in einem bemerkbaren Anstieg der Investitionskosten endet. Die optimale Bemessung  von Fundamenten für Windkraftanlagen ist ein komplexes  Sachverhalt und erfordert bei schwierigen Bodenverhältnissen eine enge sektorübergreifende Zusammenarbeit. Aufgrund der Komplexität von statischen und dynamischen Komplikationen der oben genannten Konstruktion, besteht die Aufgabe von Projektanten und Geotechnikern darin, die Investoren auf eventuelle Gegebenheiten  im Zusammenhang mit dem Bodengutachten aufmerksam zu machen, welche wiederum der Ausganspunkt für die Planung von Windenergieanlagen sind. Das korrekte Design garantiert eine wirtschaftliche Lösung und kann bei einer größeren Investition Einsparungen von bis zu mehreren Millionen Euro bedeuten.

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