Europas schwimmender Offshore-Windenergiesektor in Vorbereitung auf Expansion in tiefere Gewässer
Die weltweite Offshore-Windenergiekapazität ist seit 2009 von etwa zwei Gigawatt (GW) auf mehr als 72 GW exponentiell gestiegen. Der größte Teil der europäischen Offshore-Kapazitäten befindet sich in der Nordsee, wo die meisten Windkraftturbinen als Festbodenanlagen direkt auf dem Meeresboden stehen. Diese Technologie ist nur in relativ flachen Gewässern bis zu einer Tiefe von 60 Metern einsetzbar. Schwimmende Offshore-Windkraftanlagen werden für die Ausweitung der Nutzung vielversprechender Windressourcen in tieferen Gewässern einschließlich schmaler Kontinentalschelfe im Mittelmeer von zentraler Bedeutung sein. Es sind dringend bessere Modellierungswerkzeuge erforderlich, um die Entwicklung auf kosteneffiziente Weise zu beschleunigen. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen wurde im Rahmen des Projekts SEAFLOWER ein numerisches Verfahren entwickelt, bei dem bisherige Erfahrungen und neue Erkenntnisse mithilfe der Finite-Elemente-Analyse, der „Metamodellierung“ und der KI integriert werden.
Metamodellierung von Verankerungssystemen
Metamodellierung ist eine rechnerisch effiziente Näherungsmethode, mit der die Reaktion komplexer Finite-Elemente-Modelle reproduziert werden kann. Durch die Erstellung eines vereinfachten Modells, in dem das wesentliche Verhalten eines komplexeren Systems erfasst wird, ermöglicht Metamodellierung schnellere und weniger ressourcenintensive Berechnungen, was besonders bei der Bearbeitung großer Datensätze und komplexer Simulationen von großem Wert ist. Verankerungssysteme für schwimmende Offshore-Windkraftanlagen stellen eines dieser komplexen Probleme dar. Schwimmende Offshore-Windkraftanlagen sind auf Plattformen montiert, die mit Festmachern und Ankern gesichert sind. Da sich die Entwicklung noch in einem frühen Stadium befindet, wurden bisher nur wenige Pilotprojekte realisiert. Außerdem wurden die Verankerungssysteme aus der Offshore-Öl- und Gasindustrie übernommen. Beim Einsatz im Offshore-Windenergiesektor gelten jedoch andere Anforderungen. Alessio Mentani, Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat an der Universität Bologna, nutzte die Gelegenheit, um ein Verfahren zur Durchführung von Metamodellierungsstudien zu Verankerungslösungen zu entwickeln und zu validieren. Obwohl Mentani in Geotechnik promoviert hatte, war er noch nie zuvor in der Offshore-Geotechnik tätig, und seine Erfahrung mit Metamodellierungsverfahren war begrenzt. „SEAFLOWER bot eine einzigartige Gelegenheit, mein Wissen und meine Kompetenzen in diesem speziellen Forschungsbereich zu erweitern. Außerdem konnte ich auf diese Weise mein berufliches Netzwerk erheblich erweitern, was eines meiner wichtigsten Ziele war“, erklärt er.
Kopplung von Metamodellen und Finite-Elemente-Modellen
„Die Verknüpfung der Finite-Elemente-Modellierung mit Metamodellierungsmethoden war komplex, ebenso wie die Identifizierung eines praktikablen Untersuchungsproblems, bei dem beide Verfahren effektiv nutzbar wären. Durch iterative Verfeinerung und Beharrlichkeit haben wir Hindernisse überwunden, wobei wir eine robuste Methodik entwickelt und unser Verständnis dafür vertieft haben, wie diese fortgeschrittenen Verfahren in praktischen Anwendungen kombiniert werden können“, erklärt Laura Govoni, außerordentliche Professorin an der Universität Bologna und Projektleiterin. Mentani wendete das Verfahren zunächst auf einen rein auf Zug beanspruchten Rammpfahlanker an, um einen Konzeptnachweis zu erbringen. Innerhalb der zweiten Fallstudie wurde das komplexere Szenario eines Plattenankers erkundet, der in einem Untergrund mit räumlich variierenden Materialeigenschaften installiert ist, wobei fortgeschrittenere Ergebnisse geliefert wurden. „Die Einbeziehung der räumlichen Variabilität in die Metamodellierungsverfahren, um zu prüfen, wie die räumliche Variabilität der Bodeneigenschaften die Haltekapazität eines Plattenankers beeinflusst, war sowohl innovativ als auch eine Herausforderung. Dieser Erfolg hat einen zuverlässigen Ansatz zur Analyse des Problems innerhalb eines probabilistischen Rahmens geliefert“, bemerkt Mentani. „Eine wissenschaftliche Arbeit, in der die wichtigsten Ergebnisse beschrieben werden, wird gegenwärtig geprüft, und ich bin optimistisch, dass sie zu neuen Erkenntnissen und Fortschritten auf diesem Gebiet führen könnte“, fügt er hinzu. Während die Modelle für diese beiden Verankerungssysteme zwar wichtige Ergebnisse darstellen, wird mit der Validierung der Zuverlässigkeit der Methode einer weitgefächerten Anwendung und einem bedeutenden Beitrag zu den wachsenden Ambitionen Europas im Bereich der schwimmenden Offshore-Windenergie der Weg bereitet.
Schlüsselbegriffe
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