Offshore-Technologie Meeresströmungskraftwerke


Projektpartner

Die Forschungsgruppe Offshore-Technologie am Lehrstuhl für Statik wird von folgenden Projektpartner unterstützt:


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.
 


Projektbeschreibung

Der Lehrstuhl für Statik widmet sich in Zusammenarbeit mit dem Technologiezentrum Erneuerbarer Energien (Ed. Züblin AG) der Erforschung und Entwicklung moderner Fundamentstrukturen von Meeresströmungskraftwerken. Diese Arbeit beinhaltet insbesondere die Analyse eines bereits verwirklichten Prototyps, sowie die Weiterentwicklung und Optimierung der Struktur, um den Einsatz der Kraftwerke in großskaligen Offshore-Parks in naher Zukunft zu ermöglichen. Von zentraler Bedeutung sind dabei die hydrodynamischen Einwirkungen auf das Bauwerk. Diese werden mit Hilfe von modernen numerischen Methoden aus dem Bereich Computational Fluid Dynamics (CFD) modelliert und bilden die Basis der Strukturanalyse. Dafür werden standortabhängige Daten analysiert, die mit Hilfe von Modellierungsmethoden in Form von Randbedingungen in das numerische Modell eingehen. Daraus resultiert ein numerischer Strömungs- und Wellenkanal der speziell für die Erforschung der Fundamentstrukturen am Lehrstuhl für Statik entwickelt wird. Damit ist es möglich das Strömungsverhalten der Struktur detailliert zu analysieren und anschließend mit Hilfe von CFD-Optimierungsmethoden weiter zu entwickeln. Insgesamt sollen hierdurch die idealen Randbedingungen für eine wirtschaftliche Umsetzung von Meeresströmungskraftwerken geschaffen werden.


Strömungssimulation

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.
 


Wellensimulation

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.
 


Formoptimierung

Die Modellierung Fluid-umströmter Strukturen ist vor allem in der Automobilindustrie sowie der Luft und Raumfahrtbranche ein gängiges und vielfach erforschtes Thema. Die daraus resultierenden strömungsoptimierten Geometrien werden jedoch unter der Annahme erzeugt, dass die Struktur einer Strömung ausgesetzt ist, die eine klare Hauptrichtung aufweist. An üblichen Standorten von Meeresströmungskraftwerken führt das periodische Verhalten von Gezeitenströmungen hingegen zweimal täglich zu einer vollständigen Richtungsumkehrung des Strömungsfeldes. Dadurch entsteht ein neues Optimierungsproblem welches Geometrien erfordert, deren Formparameter in Normen und Tabellenwerken nicht erfasst sind. Mit Hilfe modernster numerischer Berechnungsmethoden aus dem Bereich CFD-Optimierung ist es möglich solche Geometrien zugänglich zu machen, um somit das volle Potential der Struktur zu entfalten. Der Lehrstuhl für Statik kann dabei auf einen vielseitigen und langjährigen Erfahrungsschatz im Forschungsbereich Formoptimierung zurückgreifen.


Projekt Durchführung