Offshore-Technologie Meeresströmungskraftwerke

Die langfristige Zielsetzung einer auf erneuerbaren Energieträgern aufbauenden Weltwirtschaft hat in den vergangenen Jahren zu einer Fülle von Innovationen und neuen Technologien im Bereich erneuerbarer Energien geführt. Im Rahmen dieser Entwicklung wurden die enormen Energiepotentiale der Meere als mögliche Ergänzung zu den bisher hauptsächlich landzentrierten Ansätzen erkannt. Meeresströmungskraftwerke sind hierbei eine sehr vielversprechende Technologie, die in naher Zukunft die Umwandlung kinetischer Energie aus dem Meer in Elektrizität in großem Maße ermöglichen soll. Vor allem die Witterungsunabhängigkeit der Stromgewinnung sowie die präzise Kalkulierbarkeit der Gezeitenströmungen verleihen dieser Technologie einen besonderen Stellenwert unter den erneuerbaren Energieträgern.

Die Umsetzung der Anlagen beschränkt sich derzeit auf nur wenige Prototypen, an Hand derer jedoch gezeigt werden konnte, dass Meeresströmungskraftwerke einen erheblichen Beitrag zur Stromversorgung leisten können. Aufbauend auf diesen Erfahrungen sind die Bestrebungen groß, das Gesamtkonzept der Anlagen weiter zu optimieren, um eine kommerzielle Umsetzung der Technologie in Form von ökologisch und ökonomisch leistungsfähigen Großprojekten zu ermöglichen. Besonders im Bereich der Strömungsturbinen konnten hier bereits erhebliche Fortschritte gemacht werden. Darüber hinaus erfordern die speziellen Umgebungsbedingungen und rauen Umwelteinflüsse, die sowohl bei der Montage als auch während des Betriebs von Meeresströmungskraftwerken auftreten können, innovative und neuartige Lösungen für das Gründungskonzept der Anlagen. Mit Hilfe von modernen computerunterstützten Methoden ist es möglich, das volle Optimierungspotential im Bereich der Gründung auszuschöpfen, wodurch ein maßgeblicher Beitrag zur Effizienzsteigerung der Gesamtstruktur geleistet wird. Die damit verbundende Herausforderung besteht darin, neuartige und kreative Lösungsvorschläge für die komplexen Fragestellungen in den Bereichen Offshore-Technologie, Strömungssimulation und Strukturoptimierung zu finden.
 

Bei diesem Projekt werden moderne CFD Simulationsmethoden verwendet, um das komplexe und hochturbulente Strömungsverhalten im Bereich der Gründungsstrukturen realitätsnah abzubilden und dessen Auswirkungen auf die Struktur detailliert zu analysieren. Dabei werden die inkompressiblen Navier-Stokes Gleichungen auf Basis einer Finiten-Volumen-Diskretisierung gelöst. Auf Grund der numerisch bedingten großen Einlass- und Ausflussabstände, entsteht für das numerische Modell ein relativ großer Definitionsbereich. Des Weiteren erfordern die turbulenten Fluideigenschaften der Strömung, mit Reynoldszahlen in der Größenordnung von ca. 10 Mio., eine hohe Netzauflösung. Dies ist insbesondere in den wandnahen Bereichen der Fundamentstruktur von hoher Bedeutung. Die daraus resultierenden extrem hohen Rechenzeiten werden durch die Verwendung eines Reynolds Averaged Navier Stokes Ansatzes (RANS) auf einen praktikablen Umfang reduziert. Die Randbedingungen für das Geschwindigkeitsfeld und die Turbulenzparameter im numerischen Strömungskanal basieren auf den lokal gemessenen Gegebenheiten des Kraftwerkstandortes.
 

Um die physikalischen Gegebenheiten an Offshore-Standorten realitätsnah im numerischen Modell zu erfassen ist es notwendig, neben den lokalen Strömungsverhältnissen auch die Welleneinwirkung auf die Struktur zu berücksichtigen. Selbst wenn bedacht wird, dass die Kraftwerksstruktur sich auch während der Nipptide mehrere Meter unter der Wasseroberfläche befindet, ist der Einfluss der Wellen auf die Fundamentstruktur erfahrungsgemäß nicht vernachlässigbar. Dies resultiert unter anderem aus den ellipsenförmigen Fluidteilchenbahnen, die durch die Welle in der darunter befindlichen Wassersäule erzeugt werden. Die auftretenden Orbitale sind mit hohen Geschwindigkeits-Gradienten verbunden, die große Kräfte auf die Struktur verursachen. In dem numerischen Modell wird die Wellenkinematik durch einen Wellengenerator am Einlass erzeugt mit dem basierend auf einem Stromlinienansatz ein nichtlineares Wellenprofil erzeugt wird. Die aus der Welle resultierende variierende freie Oberfläche wird im Wellenkanal durch ein Mehrphasenmodell realisiert, basierend auf der Volume of Fluid Methode. Als Eingangsparameter werden die standortspezifische Wellenhöhen, Wellenperioden und die lokale Wassertiefe angesetzt.