Windkraft im Wellenkanal

In Bremerhaven haben BLG und Eurogate ihre Kompetenzen gebündelt und arbeiten bei Projekten rund um Windenergiekomponenten für Onshore- wie für Offshore-Projekte jetzt unter der Marke „Eco Power Port“ zusammen. Parallel baut die BLG im Neustädter Hafen ihr etabliertes Geschäft rund um den Umschlag von Anlagen für die Onshore-Windenergie weiter aus.

Fotos: FZK, Claudia Behrend

Das Rauschen der Wellen kommt und ebbt wieder ab. Schließt man die Augen, wähnt man sich am Meer. Öffnet man sie, fällt der Blick auf einen 300 Meter langen, fünf Meter breiten und sieben Meter tiefen Wellenkanal. Statt des Windes, der durch Reibung an der Wasseroberfläche Energie ins Wasser überträgt und so die Wasserbewegungen erzeugt, arbeitet hier eine riesige rot lackierte Wellenmaschine, bei der allein das Wellenblatt 30 Tonnen wiegt. Sie kann bis zu dreieinhalb Meter hohe Wellen produzieren und wird seit der 2023 abgeschlossenen Modernisierung des Kanals von einer Strömungsanlage und einem modularen Tiefteil ergänzt, das beispielsweise die realistische Einbettung von Offshore-Strukturen in den Meeresboden erlaubt.

Weltweit gibt es zwar etwa ein halbes Dutzend – der Forschergemeinschaft zugängliche – Wellenkanäle dieser Größenordnung, darunter in den Niederlanden, den USA, Taiwan und China. Doch dass Wellen und Strömung gleichzeitig erzeugt werden können, ist in dieser Größenordnung einzigartig. Dadurch ist es möglich, neben dem Einfluss von Wellen, Strömung und Gezeiten auch Fragestellungen, etwa zu verschiedenen Gründungstypen von Windenergieanlagen, zu beantworten. Außerdem lässt sich der Einfluss von Gezeitenströmungen untersuchen.

„Auf dem Grundstück nebenan befindet sich zudem ein dreidimensionales Wellenströmungsbecken“, berichtet Alexander Schendel, der seit 2024 Betriebsleiter ist. Der Unterschied: „Im Kanal können wir sehr große Wellen in eine Richtung produzieren – und im Becken mit geringerer Wassertiefe kleinere Wellen aus verschiedenen Richtungen, sodass sich das sehr gut ergänzt.“

Portraitfoto von Jannik Meyer und Alexander Schendel.

(v. l. ) Jannik Meyer, Doktorand im SFB, und Betriebsleiter Alexander Schendel

Immer komplexere Fragestellungen

Geforscht wird vor allem rund um die Offshore-Windenergie, die auch zu den Schwerpunkten der Leibniz Universität Hannover zählt. Konkret geht es um Offshore-Gründungsstrukturen für Windkraftanlagen, und zwar insbesondere um Monopiles – große Stahlpfähle, die in den Meeresboden gerammt werden – und Jackets, fachwerkartige Gitterstrukturen aus Stahlrohren. Beteiligt sind Wissenschaftler unterschiedlicher Disziplinen. „Es wird aufgrund der zunehmend komplexeren Fragestellungen immer interdisziplinärer“, beobachtet der promovierte Küsteningenieur Schendel.

Der Grund dafür liege darin, dass infolge des schnellen Ausbaus und des begrenzten Platzes die Anlagen immer größer werden. Im Sonderforschungsbereich (SFB) „Offshore-Megastrukturen werden daher neue Konzepte für Offshore-Windenergieanlagen von morgen mit einer Gesamthöhe von weit mehr als 300 Metern und einer Leistung von 20 bis 25 Megawatt untersucht, also deutlich größer und stärker als die aktuellen Modelle mit bis 200 Meter Gesamthöhe und zehn Megawatt Nennleistung.

Damit unterliegen die Anlagen kaum bekannten Einwirkungen, beispielsweise durch Windbedingungen in Höhen von über hundert Metern. Aufgrund ihrer Dimensionen und der dafür nötigen filigraneren Bauweise werden Umgebungseinflüsse, aber auch Interaktionen einzelner Bauteile untereinander, immer relevanter. Etablierte Methoden für Entwurf und Betrieb von Windenergieanlagen sind für Bauwerke dieser Größe nicht mehr anwendbar.

Untersuchungen zum Kolkschutz an einer Gründungsstruktur einer Offshore-Windenergieanlage. Die Versuchszeit erstreckt sich in der Regel über sechs bis acht Wochen, der Rückbau dauert zwei bis drei Wochen.

Simulationen mithilfe eines digitalen Zwillings

Ziel des SFB mit seinen derzeit 17 Unterprojekten, an denen etwa 50 Wissenschaftler arbeiten, ist daher die Erforschung physikalischer und methodischer Grundlagen, die auf dem Konzept eines digitalen Zwillings basieren. Entwickelt werden Simulationsmodelle, die einzelne Anlagen über die gesamte Lebensdauer beschreiben, also von der Planung über die Herstellung, den Transport und den Aufbau bis zum Betrieb, zur Wartung und zum Abbau. Die einzelnen Modelle werden in den digitalen Zwilling integriert, der mithilfe von tatsächlichen Messdaten immer an den aktuellen Zustand angepasst werden kann.

Bei allen Unterprojekten innerhalb des SFB geht es laut Schendel vorrangig um Grundlagen- und weniger um Anwendungsforschung. Dennoch sei es das Ziel, am Ende ein Ergebnis mit konkreter Relevanz für die Anwendung zu erhalten. Ein Beispiel dafür ist die Berechnung der Lasten von Wellen und Strömung, ein anderes die Auskolkung – das bedeutet das Abtragen von Boden rund um Unterwasserbauwerke wie hier bei Offshore-Windenergieanlagen. Das Ziel ist die Entwicklung analytischer und numerischer Modelle, deren Ansätze in den digitalen Zwilling integriert werden.
Der SFB wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bereits von 2021 bis 2024 mit rund 8,5 Millionen Euro gefördert. „In dieser Zeit haben wir einen digitalen Zwilling entwickelt, der die komplexen Belastungen von Megastrukturen im Meer realitätsnah abbildet“, berichtet Schendel. Außerdem wurde an der frühzeitigen Schadensdetektion durch maschinelles Lernen gearbeitet und ein Konzept für ultraschlanke Rotorblätter zu einer effizienteren Energiegewinnung bei geringen Windgeschwindigkeiten entwickelt.

Da in der ersten Förderperiode wesentliche Fortschritte erzielt wurden, läuft seit dem 1. Januar dieses Jahres bis zum 31. Dezember 2028 die zweite Förderperiode seitens der DFG. Eine weitere Verlängerung bis 2032 ist möglich. Nun wollen die Forscher im Wellenströmungskanal vor allem ihre zuvor entwickelten Methoden validieren und verifizieren. „Wir schauen uns im großen Maßstab an, ob die komplexen Wechselwirkungen zwischen Struktur, Boden und Wellenbelastung bereits durch die entwickelten Modelle abgebildet werden können oder diese erweitert werden müssen“, berichtet Schendel.

Modell einer Gründungskonstruktion im Wellenströmungskanal

Ein vom Sonderforschungsbereich im Maßstab 1 : 14 entwickeltes Modell einer Jacketstruktur, wie sie als Gründungskonstruktion an einer Offshore-Windenergieanlage mit über 300 Metern Gesamthöhe vorkommt.

Messungen in On- und Offshore-Windparks

Zudem finden Messungen am neuen Onshore-Forschungspark Windenergie „Wivaldi“ (Akronym für Wind-Validation) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) am Standort Braunschweig und im Rahmen des Projekts „Reallabor 70 GW Offshore Wind“ statt. „Die Messdaten des realen Zwillings bieten eine einzigartige Gelegenheit, die Simulationsmodelle und Überwachungsmethoden zu validieren und die Plausibilität des Konzepts eines digitalen Zwillings zu testen“, erläutert Schendel.

Während vor etwa 30 Jahren zum Teil in Frage gestellt wurde, ob Computer einen solchen Wellenkanal künftig obsolet machen könnten, ist heute unstrittig, dass er weiterhin unverzichtbar ist: „Auch KI-Modelle brauchen Daten“, unterstreicht Schendel. „Außerdem sind die physikalischen Prozesse trotz der hohen Leistungsfähigkeit moderner Computer und Algorithmen so komplex, dass diese virtuell in absehbarer Zeit nicht simuliert werden können.“ Das erklärt auch, warum der Wellenströmungskanal sowohl von Wissenschaftlern als auch von Unternehmen sehr stark ausgebucht ist. Darüber hinaus sind die öffentlichen Führungen gefragt, die zwei- bis dreimal pro Jahr angeboten werden. (cb)

Fakten

Wellenkanal

Bau: 1979 bis 1983, umfassend modernisiert zwischen 2021 und 2023
Standort: Hannover-Marienwerder
Maße: 300 Meter lang, 5 Meter breit und 7 Meter tief
Strömung: +- 1 Meter pro Sekunde bei 4 Meter Wasserstand
Max. Durchfluss: 20 Kubikmeter pro Sekunde
Mittlere Strömungsgeschwindigkeit: 0,8 Meter pro Sekunde (bei 5 Meter Wassertiefe)

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