PASCHO - Passive Schallreduktion bei Offshore-Aktivitäten

Schallschutz wird Teil der Gründungsstruktur

Offshore-Windenergieanlagen werden größer. Damit wachsen auch die Gründungsstrukturen, die als sogenannte Monopiles in den Meeresboden eingebracht werden. Beim dabei überwiegend eingesetzten Impulsrammen entstehen Schwingungen (Rammschall), die sich über den Pfahl in das Wasser und den Meeresboden ausbreiten. 

Zum Schutz der Meeresfauna müssen definierte Grenzwerte für den Unterwasserschall eingehalten werden. Dafür werden heute unter anderem Blasenschleier, Hydro-Sound-Dämpfer oder Schallschutzmäntel eingesetzt. Diese Systeme sind mit erheblichem technischem und logistischem Aufwand verbunden. Teilweise benötigen sie zusätzliche Hilfsenergie, weitere Schiffe und eine projektspezifische Anpassung an Wassertiefe, Strömung und Baustellenbedingungen.

PASCHO verfolgt einen anderen Ansatz: Der Schallschutz soll unmittelbar an der Quelle wirken und bereits in den Monopile integriert werden. Die vorgesehenen Maßnahmen benötigen im Betrieb keine zusätzliche Energie und können größtenteils an Land vorbereitet werden. Dadurch sollen Offshore-Arbeiten technisch robuster sowie perspektivisch zeit- und kosteneffizienter werden.

Zwei innovative Ansätze zur Schallminderung

Im Projekt werden zwei sich ergänzende Technologien untersucht:

Vibroakustische Metamaterialien

Vibroakustische Metamaterialien, kurz VAMM, bestehen aus gezielt ausgelegten Resonatorstrukturen. Werden diese Strukturen auf einem Bauteil angebracht oder in das Bauteil integriert, können sie die Ausbreitung elastischer Wellen in bestimmten Frequenzbereichen unterdrücken. Diese Bereiche werden als Stoppbänder bezeichnet.

Für PASCHO wird untersucht, wie sich VAMM auf große, wasserumgebene Stahlstrukturen übertragen lassen und wie Resonatoren gestaltet, gefertigt und am Monopile integriert werden müssen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf dem Einfluss der Wechselwirkung zwischen Wasser und Struktur.

Akustische schwarze Löcher

Akustische schwarze Löcher, kurz ABH, sind gezielt gestaltete Querschnittsverjüngungen innerhalb einer Struktur. Sie verlangsamen bestimmte Wellen, konzentrieren deren Energie lokal und ermöglichen es, diese mit einer kleinen Menge Dämpfungsmaterial abzubauen.

Während VAMM für ausgewählte Frequenzbereiche ausgelegt werden, können akustische schwarze Löcher oberhalb einer definierten Einsatzfrequenz breitbandig wirken. Im Projekt wird deshalb auch untersucht, wie sich beide Ansätze sinnvoll kombinieren lassen.

Vom Labormaßstab bis zur Offshore-Forschungsplattform

Die neuartigen Schallschutzmaßnahmen werden schrittweise entwickelt und erprobt. Numerische Simulationen und experimentelle Untersuchungen werden miteinander verbunden, um die Schallabstrahlung, die strukturelle Integrität und die Skalierbarkeit der Konzepte abzusichern.

Das Projekt umfasst drei aufeinander aufbauende Erprobungsebenen:

• Laborversuche am Fraunhofer LBF: Entwicklung und Bewertung unterschiedlicher VAMM- und ABH-Konzepte an verkleinerten Stahlstrukturen.
• Grundbauversuchsgrube in Hannover: Untersuchung ausgewählter Konzepte unter prozessnahen Bedingungen beim maßstäblich verkleinerten Impulsrammen.
• Offshore-Forschungsplattform FINO 2: Erprobung der Schallschutzmaßnahmen an einer Struktur im Meer und Untersuchung der Schallabstrahlung in das umgebende Wasser.

Auf Basis der Ergebnisse wird anschließend ein Umsetzungskonzept für die Integration des passiven Schallschutzes in einen realen Monopile entstehen. Die prototypische Erprobung an einer realen Offshore-Gründungsstruktur ist als mögliche zweite Projektphase vorgesehen.

Strukturdynamik, Vibroakustik, numerischer Simulation und experimenteller Validierung

Das Fraunhofer LBF koordiniert das Verbundprojekt und bringt seine Expertise in Strukturdynamik, Vibroakustik, numerischer Simulation und experimenteller Validierung ein.

Unsere Arbeitsschwerpunkte sind:

• Entwicklung von Methoden und Modellen zur Auslegung pfahlintegrierter Schallschutzmaßnahmen
• Analyse der Schwingungs- und Schallentstehung beim Impulsrammen
• Konzeption und numerische Bewertung von VAMM- und ABH-Lösungen
• Entwicklung von Skalierungsansätzen vom Labormodell bis zur realen Gründungsstruktur
• Aufbau und Durchführung von Laborversuchen
• Auslegung und Bewertung der Demonstratoren für die Grundbauversuchsgrube und FINO 2
• Abgleich von Simulationen und experimentellen Messdaten
• Ableitung eines optimierten Konzeptes für die reale Offshore-Einsatzumgebung

Das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES ist insbesondere an der Erprobung der entwickelten Maßnahmen in der Grundbauversuchsgrube beteiligt.

Ziel: weniger Aufwand auf See

PASCHO soll die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für einen Schallschutz schaffen, der bereits während der Fertigung in Offshore-Gründungsstrukturen integriert wird.

Damit verbindet das Projekt mehrere Zielsetzungen:

• Unterwasserschall direkt an seiner Entstehungsquelle reduzieren
• zusätzliche aktive Schallschutzsysteme perspektivisch ergänzen oder teilweise ersetzen
• Hilfsenergie und zusätzliches Equipment auf See verringern
• wetterabhängige Installationsschritte reduzieren
• große Offshore-Gründungsstrukturen mit mehr als zehn Metern Durchmesser schallschutztechnisch beherrschen
• Fertigungs-, Transport- und Installationsanforderungen frühzeitig berücksichtigen

Die entwickelten Auslegungsmethoden sollen sich perspektivisch auch auf weitere Anwendungen übertragen lassen, beispielsweise auf Gründungsarbeiten an Land, den Schiffbau oder andere dynamisch belastete Strukturen mit hohen Anforderungen an die Schwingungs- und Geräuschminderung.

Förderung und Partner

Förderung

Das Verbundprojekt PASCHO wird im Rahmen des 8. Energieforschungsprogramms zur angewandten Energieforschung gefördert. Das LBF-Teilvorhaben trägt das Förderkennzeichen 03EE2081A.

Projektkoordination

• Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Verbundpartner

• Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES
• EEW Special Pipe Constructions GmbH
• Jörss-Blunck-Ordemann GmbH
• Schiffahrtsinstitut Warnemünde e. V.

Assoziierte Partner

• Omexom Renewable Energies Offshore GmbH
• Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie