Akustiksimulation der Rammarbeiten bei Offshore-Windparks

Lärmentwicklung bei der Rammung von Pfählen für Offshore-Windparks

Noch immer ist die Übertragung von umweltverträglichen Energietechnologien aus der Theorie in die Praxis eine Herausforderung. Gerade dann, wenn eine für sich allein beherrschbare Technologie auf die realen Randbedingungen der jeweiligen Umgebung trifft.

Einer solchen Herausforderung müssen sich in der jetzigen Umsetzungsphase der Offshore-Windenergie vor allem die projektierenden Firmen stellen. Durch die Anforderungen aus dem maritimen Tierschutz an die maximalen Rammgeräusche bei der Pfahlrammung für die Offshore-Windkraftplattformen wird die Einführung der Offshore-Windenergie ausgebremst. Novicos unterstützt die Entwicklung neuer technischer Lösungen zur Schallminderung beim Rammen von Fundamenten der Offshore–Windparks (OWP). Hierbei werden überwiegend Simulationstechniken eingesetzt.

Schallminderungsmaßnahmen während der Rammarbeiten bei Offshore-Windparks

Die vom Umweltbundesamt (UBA) geforderten Richtwerte (160 dB re 1 μ Pa für den Einzelereignis-Schalldruckpegel, 190 dB re 1 μ Pa für den Spitzenpegel) werden bis heute in der Regel erheblich überschritten. In der Nordsee wurden bei der Rammung von Stahlmonopiles im Windpark Horns Reef Schalldruckpegel an der Quelle (Ramme) von 235 dB gemessen.

Aufwendigere Prozesse und daraus folgende Kosten

Die bestehenden Konzepte zum Schallschutz beeinflussen direkt auch die Abwicklungsprozesse während der Installation der Fundamente und sind ebenso an Wetterrestriktionen gebunden. Dies kann zu deutlichen zeitlichen Verzögerungen bei den Bauarbeiten und somit zu verlängerten Mietzeiten von Offshore-Großgeräten und -Logistik führen.
Die kostenmäßigen Auswirkungen derartiger Bauzeitverlängerungen sind immens und können die gesamte bauliche Umsetzung eines OWP gefährden.

Der aktuelle Status aus Simulationssicht:
Es stehen Rechenmodelle zur Verfügung, die eine Prognose der Minderungswirkung in der Planungsphase zulassen.
Die Aussagefähigkeit solcher Modelle sollte einen Frequenzbereich von 10 Hz bis 10 kHz abdecken. Diskretisierungsmethoden bei ausgedehnten Untersuchungsgebieten kommen hier jedoch schnell an ihre Grenzen hinsichtlich der Größe der resultierenden Gleichungssysteme. Die sich hieraus ergebenden Probleme sind größtenteils ungelöst und stellen neben der Modellierung des Blasenschleiers den großen Showstopper in der Simulation dar.

Welchen Beitrag können wir leisten

In unserem Haus bestehen langjährige Erfahrungen mit der Modellbildung für gekoppelte vibro-akustische Systeme, Ausbreitungsrechnungen in (halb-)unendlichen Gebieten
und große Modelle mit mehreren hunderttausend Freiheitsgraden, so dass wir einer Lösung der gesamten Problematik positiv entgegensehen.

Durch unsere langjährige Erfahrung in der Strömungssimulation und der Partikelverdriftung im Meer hoffen wir, einen entscheidenden Beitrag bei der Blasenverdriftung unter Strömungseinfluss leisten zu können.

Ebenso können wir für die Erstellung einer FE-basierten Pfahlmodellierung auf umfangreiche Erfahrungen verwandter technologischer Betrachtungen zurückgreifen und diese adaptieren. Mit einem solchen Pfahlmodell ist es möglich, die akustisch relevanten Größen, wie bspw. die Oberflächenschnellen und den Porenwasserdruck an den Grenzflächen zwischen Wasser und Pfahl bzw. Meeresboden, zu ermitteln. Mit diesen Eingangsgrößen kann ein Akustikmodell arbeiten, das die Vorhersage der akustischen Kenngrößen im Nah- und Fernfeld des Pfahles erlaubt und welches effizient an veränderte Parameter anpassbar ist.

Hierbei wird das Fernfeld bei der Abbildung der Schallausbreitung von Pfahl und Meeresboden in das Meerwasser als unendlich ausgedehntes Gebiet betrachtet.
Für die akustischen Simulationen im Fernfeld können die Boundary-Elemente-Methode (BEM), die Perfectly-Matched-Layer-Technologie oder auch das Ray-Tracing-Verfahren in Betracht gezogen werden. Welche Methode am sinnvollsten anzuwenden ist, muss dann in der Phase der ersten Simulationsdurchläufe iterativ analysiert und angepasst werden. Hierzu stehen wir derzeit auch in einem Forschungsantragsverfahren mit projektierenden Firmen und Hochschulen.