Stativ (fundament)
Stativet är en typ av fundament för vindkraftverk till havs . Stativet är generellt sett dyrare än andra typer av foundation. För stora turbiner och högre vattendjup kan dock kostnadsnackdelen kompenseras när även hållbarhet beaktas.
Historia
Start av vindkraftsindustrin till havs
Utforskningen av havsbaserad vindenergi började med introduktionen av monopile-fundament för vindkraftverk i ett intervall från 1 upp till 3MW på ett vattendjup på cirka 10 till 20m under 1990-talet. Tyskland har stått inför vattendjup på upp till 40 meter när det anslöt sig till detta nya område för förnybar energi . Samtidigt dök 5MW turbinklassen upp. En representant för denna nya turbingeneration var Multibrid M5000 med en rotordiameter på 116m, senare 135m under beteckningarna Areva och Adwen . Den första prototypen av denna maskin byggdes i Bremerhaven 2004 på land. Redan i detta skede hade Bremerhaven stött utvecklingen på uppdrag av BIS Bremerhavener Gesellschaft für Investitionsförderung und Stadtentwicklung mbH.
Utveckling av stativfundamentet
Sedan det nya seklet har man letat efter en genomförbar grund för de kommande stora turbinerna och större vattendjup, i ljuset av tillgängliga geotekniska bedömningsmetoder, tillverkningsprocesser, pålningsutrustning samt logistik- och installationsutrustning . Ett resultat var Tripod-fundamentet. Den första designen ritades av OWT – Offshore Wind Technology i Leer (Tyskland) 2005. Stativet designades integrerat med tornet från denna tidiga början. Den trebenta strukturen sträcker sig från havsbottnen upp till typiskt 20m över havsvattennivån, vilket håller den bultade flänsen ovanpå säkert borta från vågtoppen. Denna sektion gör det möjligt att utrusta på land med alla funktioner som behövs när det gäller båtlandning, kabelföring och sist men inte minst korrosionsskyddssystem. Centralpelaren är utformad som ett öppet system som tillåter ett obegränsat vattenutbyte i varje tidvattencykel . Denna omständighet är fördelaktig när korrosionsskyddssystemet måste utformas för de inre ytorna.
Stativet är fixerat med medelstora stifthögar vid havsbotten. Pålarna kan vara förpålade eller efterpålade. En sugskopfundament designades också. Den första tornsektionen, kallad S3, är planerad att monteras offshore ovanpå stativet med en bultad flänsanslutning. Denna sektion innehåller den yttre serviceplattformen och entrédörren. Detta avsnitt är oberoende tillgängligt för elektrisk utrustning och kall driftsättning. Dessutom ger den helt enkelt höjd, vad som kan sparas på stativsidan. Höjden på ett stativ uppgår redan till ca 60m för 40m vattendjup.
2006 designades en stativ onshore demonstrator av OWT för Multibrid GmbH, tillverkad och uppförd i Bremerhaven, Tyskland, av WeserWind GmbH Offshore Construction Georgsmarienhütte. Detta var början på ett långvarigt samarbete mellan turbinutvecklaren och tillverkaren Multibrid, grundkonstruktören OWT och tillverkaren WeserWind. Samtidigt täcker konstruktionen kraven på en offshore-turbinfundament i tillräcklig utsträckning, tillverkningen var till och med utmanande vad gäller storlek och form på strukturen. Den gången fick WeserWind stöd i form av tillverkning och montering av sitt systerföretag IAG Industrieanlagenbau Georgsmarienhütte GmbH, en medlem av Georgsmarienhütte-gruppen också. Den första driften av turbinen åtföljdes av forskningsprojektet IMO-Wind. De första stegen i tillståndsövervakningen har genomförts inklusive bestämning av spänningskurvor , den så kallade "Hot spot"-undersökningen, för att möjliggöra jämförelse med beräkningsmodeller.
Storskaliga utbyggnader
2008 byggdes stativ som en underkonstruktion för sex Multibrid M5000 havsvindkraftverk i Alpha Ventus- projektet. Alpha Ventus planerades som ett första testfält för utforskning av havsbaserad vindenergi i tyska vatten. Projektorganisationen har varit Deutsche Offshore-Testfeld und Infrastruktur GmbH & Co. KG, DOTI. Det grundades 2006 av EWE AG (47,5%), E.ON Climate & Renewables Central Europe GmbH och Vattenfall Europe Windkraft GmbH (vardera 26,25%) med hjälp av Stiftung Offshore Windenergie. Det tyska federala miljöministeriet BMU stödde ett antal forskningsprojekt, som sammanfattades i RAVE-initiativet (Research at Alpha Ventus). En bred erfarenhet och kunskap har vunnits för konstruktion, driftsättning och drift för framtida vindkraftsparker till havs . Stativen tillverkades av Aker Kvaerner i Verdal, Norge. En horisontell montering av stativen realiserades i enlighet med varvets lokala tillverkningserfarenhet, från tillverkning av stora olje- och gasjackor, med efterföljande uppskjutning och naturligtvis upprätt segling från Norge till offshoreterminalen i Eemshaven. Transporten av stativen till platsen gjordes av Taklift 4 från Boskalis en efter en.
År 2010 markerade nästa milstolpe i utbyggnaden av M5000-turbinen med stativfundament. De två projekten Borkum West II och Global Tech I bestämde sig för att uppföra sina gårdar med hjälp av denna teknikplattform. 40 stativ beställdes av varje projekt i första hand nästan samtidigt. Förutse denna efterfrågan WeserWind har utvecklat en serieproduktionsmetod för stativ under åren innan, tillsammans med Dr. Möller GmbH / IMS Nord, Bremerhaven. Nyckelparametrarna för detta tillvägagångssätt är det upprättstående monteringskonceptet, uppbyggnaden av en monteringslinje med upp till nio arbetsstationer, transporten av de växande strukturerna på uppdrag av tunga rälsbärare längs löpande bandet och den integrerade lastningsoperationen till en skräddarsydd ponton. Baserat på detta koncept släppte Georgsmarienhütte investeringsprogrammet för att bygga denna monteringsbutik med två parallella linjer i Lunedeich, Bremerhaven. Byggnaden var i drift i början av 2011 och i juni färdigställdes det första Borkum-West II-stativet.
I december 2011 döptes pontonen och offshoreterminalen ABC-Peninsula togs i drift av BLG Logistics Solutions GmbH & Co. KG efter nödvändig uppgradering. Äntligen har 100 stativ byggts på denna plats under åren från 2011 till 2013. Cykeltiden för hela anläggningen nåddes med ner till fem kalenderdagar per struktur. Utladdningscykeln uppnåddes till fyra timmar. Även SIAG Emden och konsortiet Iemants NV med Eiffage Construction Métallique SAS i Vlissingen producerade totalt 20 stativ under den tiden i upprätt läge. Offshore-transporttekniken har utvecklats avsevärt sedan Alpha Ventus. Offshore Construction Jack Up "Innovation" av HGO InfraSea Solutions GmbH & Co. KG togs i bruk 2012 och gjorde sitt första jobb för Global Tech 1 med tre stativ och luggset per segel. Kranfartygen "Stanislaw Yudin" och "Oleg Strassnow" av SHL Seaway Heavy Lifting var i drift för Borkum West II.
Specifika tekniska egenskaper
Lämplighet och användningsförhållanden
Det speciella med Tripod är kombinationen av ovanvattensstrukturen som en Monopile-lösning med liten exponerad yta, robust prestanda i riskscenarier och enkel övergång till torndelen med den stödjande effekten och prestandan hos en gallerstruktur. Hot spots undviks i den aggressiva miljön i stänkzonen genom att designen tillåter en fri bedömning av korrosionsutmattning .
I vindenergin är koordinationen av strukturens dynamik, som kännetecknas av de frekvenser den huvudsakligen svänger, av särskild betydelse på grund av exciteringen av turbinrotorn. Stativbeteendet är mellan Monopile, som tenderar att vara mjukare och Jacket, som i sin tur är styvare.
Användningsområdet när det gäller vattendjup förutspåddes initialt till minst 25 meters vattendjup upp till 50m. Den imponerande växande Monopile-teknologin under de senaste åren flyttade deras användningsområde långt till 40m nuförtiden. Därför försvann stativet från platsen. Förutom den högre tillverkningsansträngningen för stativ, kan transport- och installationsinsatser bli ännu mer jämförbara ju mer strukturerna växer. Slutligen kommer stativets dedikerade lämplighet för korrosionsskyddssystem att förbli en betydande skillnad mot Monopile. Strukturernas prestanda under livslängden och due diligence-bedömningar av tillgångarna i senare livscykelstadier kan ge anledning till avstämning av argumenten.
Jämfört med andra gallerstrukturer som Jackets, är stativet fixerat med pålar i havsbotten. Antalet tre ben resulterar i tillräcklig stabilitet i den ostaplade eller odlade situationen, vilket kommer tillbaka med ett pålitligt väderfönster för installation. Designparametrarna för pålarna kan väljas oberoende av själva stativet och speglar de geotekniska behoven explicit. Det finns inget behov av att använda skurskydd .
Anslutningen till pålen görs vanligtvis med en injekterad anslutning. Detta är en teknik där specialbetong gjuts i fogspalten mellan pål och pålhylsa. På grund av den resulterande kompositeffekten överförs lasterna från hylsan till pålen och därmed ner i marken. En nedsänkt injekteringsprocess kräver hög kompetens inom design, planering och utförande av processerna. Den stabila måttliga temperaturen under vatten stöder den temperaturkänsliga härdningsprocessen.
Strukturella bakgrunder
Stödverkan är baserad på avböjningen av tornets böjmoment till pålarna, som då i huvudsak bara dras eller skjuts. Detta kräver en kombination av övre och nedre ben som bygger upp hävstångseffekten. Alternativt kan en sugskopa användas istället för högen. Som jämförelse fördelar monopilen sina laster genom att stabilisera sig i sidled i marken.
Rörformade noder är det karakteristiska designelementet i gitterstrukturer, där rör korsar varandra. Det är föredraget att inkommande rör, stubbarna, förblir i ett visst förhållande mellan diametrarna (0,8) till det kontinuerliga röret, kordan, för att uppnå effektiva lastbärande effekter. Denna effekt avgör de slutliga dimensionsförhållandena.
Plåttjocklekarna inom offshorefundament är väl anpassade till de lokala belastningssituationerna. Ett balanserat materialutnyttjande kan uppnås genom design eftersom dimensionen på en offshore-fundament är stor jämfört med dimensionen på varmvalsade plåtar . Stativ och monopilar är skalstrukturer . Deras väggtjocklek är relativt liten jämfört med diametern. Därför måste de bevisas när det gäller skalknäckning . Tornet, det centrala röret och benen är sammansatta av cylindriska eller koniska sektioner, burkar, med en individuell längd på 2 till 4m. Väggtjocklekarna är i intervallet 40 till 60 mm i mittpelaren, några burkar i områden med hög belastning upp till 90 mm. Väggtjocklekarna på de koniska benen sträcker sig från 20 till 30 mm.
Livslängden är ett centralt krav för designen. I den klassiska olje- och gasindustrin vågbelastningar till havs redan tagits i beaktande. Driften av vindturbingeneratorer orsakar ytterligare höga dynamiska driftbelastningar. Detta observerades imponerande med Growian-projektet, det som var en tvåbladig 3MW landturbin, som misslyckades 1983 av denna anledning.
Beräkningsmetoder
För bedömningarna används främst FEM -metoder. Endast dessa mer omfattande verktyg gör det möjligt att spegla spänningskurvorna i detalj och ge noggrannhet som krävs för designen. Beräkningstiderna har reducerats avsevärt genom skriptad modellering och ökade beräkningshastigheter, vilket ökade iterationshastigheterna och därmed förbättrade optimeringsresultaten.
Sammanfattning och utsikter
Tripod-fundamentet för havsbaserade vindkraftverk representerar ett anmärkningsvärt bidrag till början av det industriella utnyttjandet av havsbaserad vindkraft i tyska vatten. Det föddes inom ett kreativt nötskal av tyska vindkraftspionjärer till havs och utökade sin potential genom att få ytterligare partners till ett stort tvärvetenskapligt team som förverkligade visionen. Det faktum att 126 turbiner som grundats ovanpå Tripods är i drift nuförtiden är resultatet av ett långvarigt tillförlitligt samarbete mellan ett antal intressenter.
En skrivbordsstudie har genomförts under 2014 för att bedöma genomförbarheten av fundamentkonceptet till nästa turbingeneration med 8MW och rotordiameter över 160m. Det var viktigt att demonstrera den begränsade viktökningen som bär de ännu högre lasterna och därmed godkänna alla befintliga tillverknings- och installationsprocesser från tidigare projekt.
Idag är den ökade kunskapen inom offshore-teknik från Tripod-decenniet en sorts immateriell tillgång som kan sättas in i nya projekt med Monopile, Jacket eller varför inte Tripod-koncept, som utforskar den senaste tekniken för att sänka energikostnaderna.