Entwicklung schallmindernder Maßnahmen beim Bau von ... · 4.3.2 BEKA Schale ... Während in der ersten Fassung dieser Studie vom Juni 2011 für die verschiedenen Methoden prog-nostiziert

Entwicklung schallmindernder Maßnahmen beim Bau von Offshore-Windenergieanlagen

2013

Dipl. Biol. Sven Koschinski

Dipl. Biol. Karin Lüdemann

Studie im Auftrag des

Bundesamtes für Naturschutz (BfN) Aktualisierter Bericht: Februar 2013

Autoren:

Dipl. Biol. Sven Koschinski Meereszoologie Kühlandweg 12 24326 Nehmten [email protected]

Dipl. Biol. Karin Lüdemann Wissenschaftsbüro Telemannstr. 56a 20255 Hamburg [email protected]

Fachbetreuung (BfN): Thomas Merck

Titelfotos:

oben links: Hydroschalldämpfer (Foto: PATRICE KUNTE, Quelle: ELMER et al. 2012)

oben rechts: Großer Blasenschleier im OWP Borkum West II (Foto: Trianel GmbH/LANG)

unten links: Kleiner geführter Blasenschleier der Fa. Weyres Offshore (Foto: PATRICE KUNTE, Quelle: WILKE et al. 2012)

unten Mitte: Kofferdamm (Quelle: THOMSEN 2012)

unten rechts: IHC Noise Mitigation System 6900 im OPW Riffgat (Quelle: www.riffgat.de)

Dieser Bericht ist durch das Bundesamt für Naturschutz im Rahmen des Projekts „Erstellung einer Studie zum

Stand der Entwicklung schallminimierender Maßnahmen beim Bau von Offshore-Windenergieanlagen“ geför-

dert worden.

Die Verantwortung für den Inhalt liegt jedoch allein bei den Autoren. Der Bericht gibt die Auffassung und die

Meinung der Autoren wieder, diese müssen nicht mit der Meinung des Auftraggebers übereinstimmen.

Der Eigentümer behält sich alle Rechte vor. Insbesondere darf dieser Bericht nur mit Zustimmung des Auftrag-

gebers zitiert, ganz oder teilweise vervielfältigt bzw. Dritten zugänglich gemacht werden.

Nehmten und Hamburg, 1. Februar 2013

mailto:[email protected]:[email protected]

Entwicklung schallmindernder Maßnahmen beim Bau von Offshore-Windenergieanlagen 2013

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis .......................................................................................................................... I Abkürzungsverzeichnis ................................................................................................................... 1 Zusammenfassung ................................................................................................................ 1 2 Einleitung ............................................................................................................................. 6 3 Definition der Kategorien des Entwicklungsstands ................................................................. 8

3.1 Konzeption............................................................................................................................... 8 3.2 Erprobung (Labor-/Versuchsstadium) ..................................................................................... 8 3.3 Pilotstadium ............................................................................................................................ 8 3.4 Erprobte Technik ..................................................................................................................... 8 3.5 Marktverfügbarkeit/Marktreife .............................................................................................. 8

4 Schallminderungsverfahren für Impulsrammungen ................................................................ 9 4.1 Vorbemerkungen zur inhaltlichen Ausrichtung .................................................................... 10 4.2 Blasenschleier ........................................................................................................................ 12

4.2.1 Großer Blasenschleier (Big Bubble Curtain, BBC) .......................................................... 13 4.2.2 Kleiner Blasenschleier (verschiedene Varianten) .......................................................... 16 4.2.3 Bewertung des Blasenschleiers ..................................................................................... 20

4.3 Schallschutzmantel (Pile Sleeve)............................................................................................ 26 4.3.1 Schallminderungsrohr (IHC Noise Mitigation System) .................................................. 26 4.3.2 BEKA Schale ................................................................................................................... 28 4.3.3 Erfahrungswerte mit Schallschutzmänteln ................................................................... 28 4.3.4 Bewertung der Schallschutzmäntel ............................................................................... 32

4.4 Kofferdamm........................................................................................................................... 34 4.4.1 Kofferdamm ................................................................................................................... 34 4.4.2 Pfahl-in-Pfahl-Rammung ............................................................................................... 35 4.4.3 Erfahrungswerte mit dem Kofferdamm ........................................................................ 36 4.4.4 Bewertung des Kofferdamms ........................................................................................ 36

4.5 Hydroschalldämpfer (HSD)/“Gekapselte Blasen“ ................................................................. 38 4.5.1 Erfahrungswerte mit dem Hydroschalldämpfer/“Gekapselte Blasen“ ......................... 40 4.5.2 Bewertung der Hydroschalldämpfer/“Gekapselte Blasen“ ........................................... 43

4.6 Akustische Optimierung des Rammvorgangs ........................................................................ 45 4.6.1 Erfahrungswerte mit der akustischen Optimierung des Rammvorgangs ..................... 46 4.6.2 Bewertung der akustischen Optimierung des Rammvorgangs ..................................... 48

5 Schallärmere Gründungsvarianten ...................................................................................... 51 5.1 Einrütteln mit Vibrationsrammen ......................................................................................... 51

5.1.1 Erfahrungswerte mit Vibrationsrammen ...................................................................... 51 5.1.2 Bewertung des Einrüttelns mit Vibrationsrammen ...................................................... 54

5.2 Gebohrte Fundamente .......................................................................................................... 55 5.2.1 Ballast Nedam ................................................................................................................ 56 5.2.2 Offshore Foundation Drilling (OFD) (Herrenknecht/Hochtief) ...................................... 57 5.2.3 Fugro Seacore ................................................................................................................ 58 5.2.4 Bewertung gebohrter Fundamente .............................................................................. 59

5.3 Schwergewichtsfundament ................................................................................................... 64 5.3.1 Erfahrungswerte mit Schwergewichtsfundamenten .................................................... 64 5.3.2 Bewertung von Schwergewichtsfundamenten ............................................................. 68

5.4 Schwimmende Fundamente ................................................................................................. 69 5.4.1 Bewertung von Schwimmfundamenten........................................................................ 75


5.5 Bucketfundamente (suction bucket / suction caisson) ......................................................... 78 5.5.1 Erfahrungswerte mit Bucketfundamenten ................................................................... 79 5.5.2 Bewertung des Bucketfundaments ............................................................................... 82

6 Aktuelle Forschungsvorhaben in Deutschland ...................................................................... 85 7 Forschungsbedarf ............................................................................................................... 87 8 Fazit und Ausblick ............................................................................................................... 88 9 Literaturverzeichnis ............................................................................................................ 90


Abkürzungsverzeichnis

Abb. Abbildung Abs. Absatz AWZ Ausschließliche Wirtschaftszone B Belgien BBC Big bubble curtain, großer Bla-

senschleier BfN Bundesamt für Naturschutz BNatSchG Bundesnaturschutzgesetz BMU Bundesumweltministerium BMWi Bundesministerium für Wirtschaft

und Technologie BORA Berechnung von Offshore Ramm-

schall (Forschungsprojekt) BS Blasenschleier BSH Bundesamt für Seeschifffahrt und

Hydrographie bzw. beziehungsweise d.h. das heißt dB Dezibel DK Dänemark EEH Equal energy hypothesis ESRa Evaluation von Systemen zur

Rammschallminderung an einem Offshore-Testpfahl (Forschungs-vorhaben)

et al. et alii (und andere) F&E Forschung und Entwicklung FLOW Far and Large Offshore Wind FKZ Förderkennzeichen GICON-SOF Schwimmendes Offshore Funda-

ment der Firma GICON GWh Gigawattstunden HSD Hydro Sound Dampers Hz Hertz i.d.R. in der Regel Inc. Incorporated (Aktiengesellschaft) k.A. keine Angabe Kap. Kapitel kHz Kilohertz kJ Kilojoule km Kilometer kW Kilowatt LBC Little bubble curtain, gestufter

Blasenschleier Leq äquivalenter Dauerschallpegel m Meter max. maximal

mm Millimeter MOAB Mobile Application Platform ms Millisekunden MW Megawatt NL Niederlande NMS Noise Mitigation System, Schall-

minderungsrohr Nr. Nummer OFD Offshore Foundation Drilling OFT Offshore Test (der Firma BARD) o.g. oben genannt OWEA Offshore-Windenergieanlage OWP Offshore-Windpark peak Spitzenpegel (Lpeak) pers. Mitt. persönliche Mitteilung PTJ Projektträger Jülich rd. rund rms Root mean square (entspricht

äquivalentem Dauerschallpegel Leq)

S Schweden SBC Small Bubble Curtain, Kleiner

Blasenschleier der Fa. MENCK und BARD

SDP Submerged Deepwater Platform SEL1 Single event sound pressure level,

Einzelereignis-Schalldruckpegel SFOBB San Francisco Oakland Bay Bridge SIWT Self-installing wind turbine der

Fa. SPT Offshore s.o. siehe oben sog. sogenannt StUK Standarduntersuchungskonzept

(des BSH) s.u. siehe unten t Tonne(n) Tab. Tabelle TU Technische Universität VSM Vertical Shaft Machine u.a. unter anderem / und andere UBA Umweltbundesamt u.U. unter Umständen WEA Windenergieanlage z.B. zum Beispiel z.T. zum Teil

1 Teilweise wird SEL auch als „sound exposure

level“ bezeichnet


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1 Zusammenfassung Ziel dieser Studie ist es, Schallminderungsverfahren für Tiefgründungen von Fundamenten für Offs-hore-Windenergieanlagen (OWEA) im Meer mithilfe von Impulsrammungen sowie alternative schall-arme Gründungsvarianten darzustellen und ihre Eignung zu analysieren. Die erste Fassung der vorlie-genden Studie wurde im Juli 2011 veröffentlicht. Die vielfältigen aktuell durchgeführten Untersu-chungen und technischen Weiterentwicklungen im Bereich des Unterwasser-Schallschutzes erforder-ten im November 2012 eine Aktualisierung. Um auch dem internationalen Kontext der Fragestellung Rechnung zu tragen, wurde parallel eine englische Fassung der Studie erstellt. Der Schwerpunkt der Recherchen lag dabei jedoch auf Deutschland.

Aus Sicht des Naturschutzes ist es grundsätzlich notwendig, Schallimmissionen in Meeresökosysteme auf ein naturverträgliches Maß zu verringern. Um bei Impulsrammungen den Grenzwert von 160 dB (Einzelereignis-Schalldruckpegel, SEL) / 190 dB (peak-to-peak2) in 750 m Entfernung einzuhalten, sind bei den heute üblichen Gründungsvarianten technische Schallschutzmaßnahmen nötig. Erst in den letzten Jahren hat die Industrie größere Anstrengungen unternommen, bestehende Schallschutzver-fahren für die Anwendung bei der Fundamentierung von OWEA weiterzuentwickeln oder neue Ver-fahren zu konzipieren.

Viele der Schallminderungsverfahren können eine Schallreduzierung erzielen, die - in Abhängigkeit u.a. von Pfahldurchmesser, Bodenverhältnissen und Schlagenergie - geeignet ist, den Grenzwert ein-zuhalten. Alle technischen Verfahren zur Schallminderung haben Einfluss auf die Offshore-Logistik, da sie vor Beginn der Rammarbeiten installiert werden müssen oder bestimmte technische Anforderun-gen an die Errichterplattform und den Arbeitsablauf stellen. Die mögliche Verzögerung des Bauab-laufs ist einer der wesentlichen Faktoren, der den wirtschaftlichen Einsatz der Verfahren betrifft. Dies gilt für Blasenschleier (Kap.4.2), Schallschutzmäntel (Kap. 4.3) und Kofferdämme (Kap. 4.4) ebenso wie für Hydroschalldämpfer (Kap. 4.5). Da bislang noch nicht für alle Verfahren Erfahrungen im routi-nemäßigen Einsatz vorliegen, lässt sich die erforderliche Zeit für die Installation der unterschiedlichen Verfahren noch nicht konkret abschätzen. Die bestmögliche Integration in die Arbeitsabläufe vor Ort ist jedoch bei allen Methoden ein wichtiges Ziel der weiteren Entwicklungsarbeiten.

Die im Rahmen dieser Studie vorgestellten Schallminderungsverfahren mit ihrem Schallminderungs-potential und dem derzeitigen Entwicklungsstand sind in Tab. 1 im Überblick dargestellt.

Hinweis

Während in der ersten Fassung dieser Studie vom Juni 2011 für die verschiedenen Methoden prog-nostiziert wurde, wann jeweils das Erreichen des Stands der Technik zu erwarten sei, beschränkt sich die vorliegende Überarbeitung nach Maßgabe des Auftraggebers auf eine rein technische Beschrei-bung bzw. Einschätzung des Entwicklungsstands der verschiedenen Schallminimierungsmaßnahmen und alternativen Gründungsvarianten sowie der erreichbaren Schallminderungspotenziale. Eine rechtliche Bewertung ist hiermit nicht verbunden.

2 Abweichend von der DIN 1320 verwendet das UBA für die Angabe des Spitzenpegels den peak-to-peak Wert,

der bis zu 6 dB höher als der entsprechende peak-Wert liegt.


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Tab. 1: Entwicklungsstand der beschriebenen Schallminderungsverfahren sowie deren gemessene oder modellierte Schallminderung und die nächsten Entwicklungsschritte. (k.A. = keine Angaben, SEL = Einzelereignisschalldruckpegel, peak = Spitzenpegel) Achtung: Die Angabe der Schallminderung als Breitbandwerte bzw. als Wert in einzelnen Drittelok-tavbändern ist nicht miteinander vergleichbar!

Verfahren Schallminderung Entwicklungs-stand1) Offene Fragen; nächste Schritte

Blas

ensc

hlei

er

Großer Blasen-schleier

• Einfacher Großer Blasen-schleier: FINO 3: 12 dB (SEL), 14 dB (peak) (GRIEßMANN et al. 2010), OWP Borkum West II: 11-15 dB (SEL), 8-13 dB (peak) (BELLMANN 2012)

• Doppelter Großer Blasen-schleier (2 Halbringe): 17 dB (SEL), 21 dB (peak) (HEPPER 2012)

• Erprobte Technik, noch optimierbar

• 160 dB-Grenzwert unter bestimmten Umweltbedin-gungen erreichbar

• In praktischer Anwendung in verschiedenen kommerziellen Offshore-Windparks (OWPs)

• Einsatz in größeren Wassertiefen und bei größeren Pfahldurch-messern

• Optimierung bzgl. Handhabung und Effektivität möglich

Varianten des kleinen Blasen-schleiers

• Gestuftes Ringsystem (OWP alpha ventus): 12 dB (SEL), 14 dB (peak) (GRIEßMANN 2009); OWP Baltic II: .15 dB (SEL) (Schutz-VON GLAHN 2011) bzw. 11-13 dB (SEL) (ZERBST & RUSTEMEIER 2011) • Pilotstadium mit

Full-Scale-Test abgeschlossen

• Praktischer Einsatz; derzeit keine konkreten Projekte bekannt • Geführter Kleiner Blasen-schleier (ESRa): 4-5 dB (SEL)

(WILKE et al. 2012)2)

• Kleiner Blasenschleier mit vertikalem Schlauchsystem, OWP Bard Offshore I: 14 dB (SEL), 20 dB (peak)

Scha

llsch

utzm

änte

l IHC Noise Mitigation System

• ESRa-Projekt: 5-8 dB (SEL) (WILKE et al. 2012)2

• FLOW-Projekt: OWP Nordsee Ost: 9 dB (SEL), Ijmuiden: 11 dB (SEL)

• OWP Riffgat: 17 dB (SEL) (GERKE & BELLMANN 2012) 3)

• Pilotstadium abgeschlossen

• Erster Einsatz in einem kommerzi-ellen Projekt (Riffgat)

• 160 dB-Grenzwert für kleinere und mittlere Pfähle in geringen Wasser-tiefen erreichbar

• Bei weiterem Einsatz möglichst Durchführung einer direkten Vergleichsmessung mit und ohne Schallschutzsystem

• Einsatz in größerer Wassertiefe und bei größeren Pfahldurch -messern

BEKA-Schale • ESRa-Projekt: 6-8 dB (SEL) (WILKE et al. 2012) 2) • PiIotstadium

abgeschlossen

• Full-Scale Test unter Offshore-Bedingungen

• Derzeit keine kommerzielle Anwendung bekannt

Koffe

rdam

m

Kofferdamm • Bucht von Aarhus:

23 dB (SEL), 17 dB (peak)

• Pilotstadium für freistehendes System abge-schlossen

• Erste kommerziel-le Projekte ge-plant

• Full-Scale Test für große Monopi-les (ca. 5 m Durchmesser)

• Praktischer Einsatz in kommerzi-elle Projekten HelWin A, BorWin und Sylvin A geplant

• Weiterentwicklung des teleskopierbaren Systems und des klappbaren Systems


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Verfahren Schallminderung Entwicklungs-stand1) Offene Fragen; nächste Schritte

QuadJack mit Pfahl-in-Pfahl-Rammung

• Modellierung: 27 dB (SEL) (FRÜHLING et al. 2011)

• Validiertes Kon-zeptstadium • k.A.

sons

tige Hydroschall-

dämpfer (HSD)/ „gekapselte Blasen“

• ESRa-Projekt: 4-14 dB (SEL) (WILKE et al. 2012) 2

• OWP London Array: k.A. • Machbarkeitsstudie USA: In

einzelnen Frequenzbändern bis zu 18 dB (kein Breitband-werte angegeben) (LEE et al. 2012)

• Pilotstadium, Einsatz in kom-merziellen Projekt OWP London Ar-ray

• Weiterer Offshore-Test (OWP Dan Tysk 2013) geplant

• Optimierung der HSD Elemente • Zusätzliche HSD Elemente und

Netz-Schichten

• Tests zur Verringerung des Bodeneinflusses

sons

tige

Verlängerung der Impulsdauer

• Modellierung 4 dB (SEL), 9 dB (peak) (ELMER et al. 2007a)

• Schall 3: Modellierung für MENCK-Testpfahl: 5 dB (SEL), 7 dB (peak). Modellierung FINO 3: 11 dB (SEL), 13 dB (Peak) (NEUBER & UHL 2012)

• Messung Drahtseil als Piling Cushion: bis zu 7 dB (SEL)4) (ELMER et al. 2007a)

• Messung Piling Cushions aus Micarta: 7-8 dB , Nylon 4-5 dB5) (LAUGHLIN 2006)

• Bei sehr kleinen Pfahldurchmesser 160 dB-Grenzwert erreichbar, Ein-satz vor allem zur Materialschonung

• Für große Pfahl-durchmesser: Versuchsstadium (numerische Mo-dellrechnung und Simulation)

• k.A.

Optimierung des Zusammen-spiels der ein-zelnen Ramm-Komponenten

• k.A. • Im Erprobungs-stadium

• Abschluss des Forschungsprojekts BORA und Veröffentlichung der Ergebnisse

1) Bezogen auf Offshore-Bedingungen in der Nordsee mit Wassertiefen um 40 m 2) Für die Interpretation der ESRa Ergebnisse sind jedoch die in Kap. 4.1 dargelegten Probleme zu berücksich-

tigen 3) Dieser Wert beruht auf einem nur prognostizierten Wert der Schallimmission ohne Schallschutzsystem; vgl.

Kap. 4.3.4.1. 4) FINO 2 Plattform (Pfahldurchmesser 3,3 m) 5) Cape Disappointment (Pfahldurchmesser 0,3 m)

Darüber hinaus gibt es - teils auch erst in der Entwicklung oder Erprobung - eine Anzahl alternativer Gründungsvarianten ohne Impulsrammung, die geringere Schallimmissionen in die Meeresumwelt erwarten lassen. Hierzu zählt das Vibrations-Rammverfahren (Kap. 5.1), Gebohrte Fundamente (Kap. 5.2), Schwergewichtsfundamente (Kap. 5.3), Schwimmfundamente (Kap. 5.4) und Bucketfundamente (Kap. 5.5) (Tab. 2). Allerdings liegen nicht zu allen Technologien Angaben zu den resultierenden Schallemissionen vor. Aufgrund der Einschätzung verschiedener Fachleute oder der anbietenden Firmen selbst kann aber angenommen werden, dass Schallimmissionen in 750 m Entfernung den Grenzwert von 160/190 dB einhalten werden. Oft ist mit kontinuierlichem Schall zu rechnen, dessen Pegel in Bezug auf seine möglichen Auswirkungen auf die Meeresfauna allerdings nicht direkt mit impulshaftem Schall verglichen werden kann. Abschließend werden aktuelle Forschungsvorhaben benannt (Kap. 6) und der resultierende Forschungsbedarf (Kap. 7) beschrieben.


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Tab. 2: Entwicklungsstand der im vorliegenden Bericht beschriebenen schallarmen Gründungsvarianten sowie (soweit bekannt) die bei ihrer Errichtung entstehenden Schallemissionen (k.A. = keine Anga-ben, Leq = äquivalenter Dauerschallpegel)

Verfahren Projekte /

Firmen

Schallemission bei Gründung Entwicklungsstand

1) Offene Fragen; nächste Schritte

Vibr

atio

nsra

mm

e

Einrütteln mit Vibrations-ramme

• Schallpegel um 15-20 dB niedriger als bei vergleich-barer Impulsrammung (EL-MER et al. 2007a)

• Nordsee, OWP alpha ven-tus: Summenpegel 142 dB in 750 m Entfernung; aber hochfrequente tonale Komponenten (BETKE & MATUSCHEK 2010), OWP Riffgat: 145 dB Leq (GERKE & BELLMANN 2012)

• Verringerung der Anzahl der Rammimpulse

• Erprobte Technik bei geringem Pfahldurch-messer, geringer Ein-bindetiefe sowie im Vorfeld der eigentlichen Rammung (OWP Riff-gat)

• Lassen sich die Pfähle über die gesamte Einbindetiefe einrütteln?

• Lässt sich dieselbe Stand-festigkeit erreichen?

Geb

ohrt

e Fu

ndam

ente

Ballast Nedam • k.A.

• Im Konzeptstadium • Technische Machbarkeit

nachgewiesen (VAN DE BRUG 2011)

• Pilotstadium geplant im Rahmen des FLOW-Projekts geplant

Herrenknecht

• Messungen an wasserge-fülltem U-Bahnschacht in Neapel: 117 dB in 750 m Entfernung (AHRENS & WIE-GAND 2009)

• Technische Machbarkeit nachgewiesen (AHRENS & WIEGAND 2009)

• Onshore Tests • Prototyp im Bau

• Versuche zur Tragfähigkeit • Herstellung Prototyp 2013 • Nearshore-Test 4. Quartal

2013

• Offshore Prototyp-Test Anfang 2014

Fugro Seacore • k.A.

• Erprobte Technik bei bestimmten Bodenver-hältnissen (Fels, Kalk- und Sandstein) und in Kombination mit Ram-mung

• Versuche zur Strandfestig-keit bei durchgehender Bohrung

• Anwendbarkeit bei Sand-böden?

Schw

erge

wic

htsf

unda

-m

ent Schwerge-

wichtsfunda-mente

• Konkrete Messungen liegen nicht vor

• Schallemissionen bei evtl. nötigen bodenvorbereiten-den Arbeiten (Baggerung, Planierung etc.) voraus-sichtlich geringer als Im-pulsrammungen

• Für WEA erprobte Technik in Wassertiefen bis etwa 20 m, in größe-ren Wassertiefen: Pilot-stadium

• Full Scale Testfunda-ment an Land

• Bei Öl und Gas erprobte Technik auch in größe-ren Wassertiefen

• Detailfragen des Kolk-schutzes

Schw

imm

ende

Fun

dam

ente

Schwimmende Fundamente allgemein

• Konkrete Messungen liegen nicht vor

• Schallimmissionen voraus-sichtlich geringer als bei Impulsrammungen

• Bei Öl- und Gasplatt-formen erprobte Tech-nik

• Für OWEA Versuchs- bzw. Pilotstadium

• Wie erfolgt die Veranke-rung?

• Gegenüber anderen Ver-fahren möglicherweise höhere Schallemissionen bei Betrieb der WEA?

HYWIND k.A.

• Pilotphase, Full-Scale-Test in Norwegen, zwei-jähriges Untersu-chungsprogramm abge-schlossen

• k.A.


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Verfahren Projekte /

Firmen

Schallemission bei Gründung Entwicklungsstand

1) Offene Fragen; nächste Schritte Sc

hwim

men

de F

unda

men

te

Blue H k.A.

• Pilotstadium • Erprobungsphase mit

75% Modell abgeschlos-sen

• Teilprojekt wird in anderer Form von Blue H Enginee-ring weiterverfolgt (s.u.)

Blue H Engi-neering k.A.

• Konzeptstadium für 5 MW WEA • Prototyp für 2016 geplant

GICON-SOF k.A.

• Erprobungsstadium • Entwicklung Planungs-

tool für technische, öko-logische und wirtschaft-liche Auslegungsgrund-lagen für geplante For-schungsanlage

• Versuche im Wellenka-nal abgeschlossen

• Prototyp geplant für 2014

WindFloat k.A. • 2011: Prototyp mit

Vestas V80 in Portugal errichtet

• 5 weitere WEA geplant

Sway k.A.

• Versuchsstadium abge-schlossen: Dynamische Simulationen abge-schlossen

• In Pilotphase: Genehmi-gung für Prototyp erteilt


WINDSEA k.A. • Erprobungsphase mit

1:40 Modell in Wind- und Wellenkanälen ab-geschlossen

• Investoren gesucht

INFLOW k.A.

• Erprobungsstadium • Onshore Demonstrati-

onsanlage im Maßstab 1:2 fertig (35 kW)


WINFLO k.A. • Laufende Erprobung im Modell, Prototyp im Bau • Prototyp geplant für 2013

Poseidon 37 k.A. • Prototyp (37 m Breite)

mit 3x11 kW Leistung errichtet

• größerer Prototyp (80 m Breite) geplant 2015

• Anschließend 110 m brei-ter Prototyp 2016/2017

Buck

etfu

ndam

ente

Bucket-fundament für Umspann-plattformen • k.A.

• Keine Impulsrammung erforderlich, Schallemissio-nen beim Aussaugen durch Saugpumpen sind voraus-sichtlich geringer als bei Impulsrammungen

• Bei Öl- und Gasplatt-formen erprobte Tech-nik

• Errichtung von Umspann-plattformen in den OWPs Veja Mate und Global Tech 1

Bucket-fundament für OWEA

• Als Monopile im Pilot-stadium: Prototyp in Frederikshavn

• Als dreibeiniges Jacket im Konzeptstadium

• Asymmetrische Drei-beinkonstruktion: Er-probungstadium (Mo-delltests abgeschlossen)

• Tri-Jacket: Errichtung eines Full-Scale-Prototyps in vir-tuellem Testfeld geplant

• Asymmetrische Dreibein-konstruktion: Errichtung eines Full-Scale-Prototyps geplant

1) Bezogen auf Offshore-Bedingungen in der Nordsee mit Wassertiefen um 40 m


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2 Einleitung Bei der Gründung von Fundamenten von Offshore-Windenergieanlagen werden Pfähle mithilfe von Impulsrammen in den Meeresboden eingebunden. Dabei treten hohe Schalldrücke auf, die sich über große Entfernungen auf die Meeresumwelt auswirken können. Aus Sicht des Naturschutzes ist es nötig, Schallimmissionen in Meeresökosysteme zu vermeiden oder zu verringern. Aufgrund der zu-nehmenden Erkenntnisse über die Auswirkungen von Unterwasserlärm auf Meeresorganismen un-ternehmen Industrie, Forschungsinstitute und Einrichtungen des behördlichen Natur- und Umwelt-schutzes derzeit gezielte Anstrengungen, effektive Methoden für den marinen Schallschutz zu entwi-ckeln. Die Zielgröße dabei wird vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) in seinen Leitsätzen für die Anwendung der Eingriffsregelung in der ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) allgemein für Rammungen vorgegeben (BSH 2010): Im Falle der Schallminderung bei Rammarbeiten auf See gilt der Immissionsstandard von 160 dB (SEL) bzw. 190 dB (peak-to-peak3) in 750 m Entfer-nung (siehe auch: UMWELTBUNDESAMT 2011).

Die Ergebnisse von Schallmessungen bei den Rammarbeiten verschiedener Offshore-Vorhaben wur-den von NEHLS et al. (2007) zusammengetragen. Das Maximum in der spektralen Verteilung liegt in Frequenzbändern zwischen 125 und 300 Hz bei Rammarbeiten an den Forschungsplattformen FINO 1 und FINO 2 bzw. 200 Hz am Messpfahl von Amrumbank West bzw. im OWP alpha ventus (BETKE & MATUSCHEK 2010). Die einzelnen Rammstöße bestehen aus kurzen (50-100 ms) Pulsen. Abb. 1 zeigt die auf eine Entfernung von 750 m umgerechneten Spitzenpegel und SEL-Pegel in Abhängigkeit vom Pfahldurchmesser anhand von konkreten Schallmessungen.

Abb. 1: Auf eine Entfernung von 750 m normierte Spitzenpegel (peak) und Einzelereignisschalldruckpegel (SEL) beim Rammen von Pfählen aus verschiedenen Projekten als Funktion des Pfahldurchmessers (Quelle: BETKE 2008, ergänzt durch Daten aus BETKE & MATUSCHEK 2010).

Die Messergebnisse verschiedener Rammereignisse zeigen, dass die Schlagenergie und der entste-hende Schalldruck mit dem Pfahldurchmesser korreliert sind (BETKE 2008, BETKE & MATUSCHEK 2010). Zusätzlich spielt die Beschaffenheit des Untergrundes und die verwendete Ramme eine Rolle. Der

3 Vgl. Fußnote 2


Seite 7

logarithmischen Trendlinie in Abb. 1 liegen Messungen von 14 verschiedenen Vorhaben mit Pfahl-durchmessern von 0,9 bis 4,7 m zugrunde (BETKE 2008, BETKE & MATUSCHEK 2010). Mit jeder zusätzli-chen Schallmessung erhält man genauere Vorstellungen über die Gesetzmäßigkeiten. Die Abbildung gibt eine Orientierung darüber, welche Schallminderung bei welchem Pfahldurchmesser erzielt wer-den muss. So kann in dieser modellhaften Betrachtung bei Pfahldurchmessern bis 3 m schon eine Reduzierung der Immissionen um 10 dB (SEL) ausreichend sein, während bei einem Durchmesser von 5 m eine Minderung in der Größenordnung von 15 dB erforderlich wäre. Der Pfahldurchmesser und die Gründungsart sind u.a. abhängig von Untergrund, Wassertiefe und Anlagentyp.

Ziel dieser Studie ist es, Schallminderungsverfahren für Tiefgründungen von Fundamenten für OWEA mithilfe von Impulsrammungen darzustellen und ihre Eignung zur wirksamen Schallreduzierung zu analysieren. Für die verschiedenen Varianten soll v.a. überprüft werden, welchem Entwicklungsstand (Konzeption, Erprobung, Pilotstadium, Erprobte Technik, Marktverfügbarkeit) sie zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Studie zuzuordnen sind. Neben einer allgemeinen technischen Beschreibung wird darüber hinaus und das mögliche Potential zur Schallminderung dargestellt.

Da die Diskussion um geeignete Grenzwerte auch weiterhin kontrovers geführt wird, insbesondere in Bezug auf Störungen und populationsrelevante Einflüsse, und weiterhin Abschätzungen vermuten lassen, dass der Grenzwert auch beim Einsatz technischer Minderungsverfahren nicht in allen Fällen eingehalten werden kann, werden in einem zweiten Teil Gründungsvarianten beschrieben, die er-warten lassen, dass deutlich geringere Schallemissionen auftreten als bei Tiefgründungen, die mit Impulsrammungen verankert werden. Dabei ist zu beachten, dass auch schallarme Gründungsvarian-ten Schallemissionen erzeugen, die zum Teil heute noch nicht genau quantifiziert werden können, da keine Schallmessungen unter Offshore-Bedingungen vorliegen oder die genaue Errichtungsmethodik noch nicht bekannt ist.

Der Schwerpunkt der Recherchen lag dabei auf Deutschland. Es besteht kein Anspruch auf Vollstän-digkeit aller Verfahren und Anbieter. Andere mögliche umweltrelevante Auswirkungen der beschrie-benen Verfahren wurden bei der Darstellung nicht berücksichtigt.


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3 Definition der Kategorien des Entwicklungsstands

3.1 Konzeption

Eine Projektidee mit umfassender Zusammenstellung von Informationen, physikalischen Berechnun-gen und Begründungszusammenhängen für umfangreiche Planungen liegt vor. Die Aussagen zur Wirksamkeit basieren im Wesentlichen auf theoretischen Überlegungen und Analogieschlüssen. Eine validierte Konzeption umfasst zusätzlich erste Vorexperimente und Untersuchungen zur Durchführ-barkeit, z.B. Belastungsversuche mithilfe von Modellen, etc. Ein Prototyp des Entwicklungsobjekts existiert noch nicht.

3.2 Erprobung (Labor-/Versuchsstadium) Die nächste Kategorie des Entwicklungsstands ist die Erprobung der Technik im Labor oder einer anderen Versuchsanlage (z.B. Wellenkanal). Ziel der Erprobung ist die Entwicklung eines Prototyps. Manche Entwicklungen basieren auf marktverfügbaren Komponenten, sind aber für neue Anwen-dungsgebiete entsprechend abgewandelt.

3.3 Pilotstadium In einer ersten Anwendung wird die im Versuch getestete Technik in einem realitätsnahen Umfeld eingesetzt. Sie ist schon über das Erprobungsstadium hinaus. Bei der Technik kann es sich noch um ein Einzelstück, z.B. einen Prototyp handeln, der noch nicht in Serie gefertigt wird. Der Nachweis der technischen und vor allem wirtschaftlichen Eignung kann das Ziel der Anwendung sein. Abschluss der Anwendung ist in der Regel die wissenschaftlich-technische Bewertung eines Full-Scale-Tests eines Prototyps bzw. einer Pilotanlage. Diese wird auch oft von Banken als Finanzierungsvoraussetzung gefordert.

3.4 Erprobte Technik Eine Methode zur Schallminimierung ist als „erprobte Technik“ anzusehen, wenn sie im Rahmen des Baus eines kommerziellen Offshore-Windparks wiederholt zum Einsatz gekommen ist und sie sich dabei bewährt hat. Dies beinhaltet den Nachweis einer signifikanten Emissionsreduzierung, die mit hinreichender Sicherheit reproduzierbar erreicht werden kann, und der Handhabbarkeit. Die Redu-zierung der Schallemissionen muss nicht zwangsläufig geeignet sein, um unter allen denkbaren Rah-menbedingungen hinsichtlich Pfahldurchmesser, Rammenergie, Wassertiefe, Sedimentverhältnisse usw. bereits alleinig das Einhalten eines Lärmgrenzwertes (z. B. 160 dB SEL) zu gewährleisten.

Es kann auch bei einem kommerziellen Einsatz dazu kommen, dass nicht bei allen Fundamenten die-selben Schallminderungen erreicht werden können, da i.d.R. noch weitere Optimierungen und An-passungen der Methode notwendig sind. Entsprechend treten in dieser Phase oft noch Unwägbarkei-ten auf. Im Verlauf der Bauarbeiten an einem OWP sind daher ggf. technische Anpassungen der Schallminderungsmaßnahme erforderlich.

3.5 Marktverfügbarkeit/Marktreife Die Marktverfügbarkeit beinhaltet, dass die Wirksamkeit einer Technologie nachgewiesen ist und diese zu wirtschaftlichen Konditionen am Markt erhältlich ist. Oft gibt es konkurrierende Anbieter mit unterschiedlich abgewandelter Technologie. Eine marktverfügbare Technik ist in der Regel die Vo-raussetzung für eine entsprechende Preiskalkulation. Im Erprobungsstadium und auch in den ersten Anwendungen treten oft noch Unwägbarkeiten auf, die sich auf die Kosten auswirken können.


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4 Schallminderungsverfahren für Impulsrammungen Im Folgenden wird eine Reihe fortschrittlicher Verfahren zur Schallminderung an praktischen Beispie-len, Modellen und Konzepten dargestellt.

Durch die Entwicklung immer größerer OWEA und den Bau von OWP an immer küstenferneren Standorten ist zu erwarten, dass die Pfahldurchmesser insbesondere von Monopiles immer größer werden. Auch ist die Industrie in der Lage, immer größere Impulsrammen bereitzustellen. Die Über-windung steigender Bodenwiderstände bei größerer Pfahldimensionierung durch Verwendung höhe-rer Schlagenergien führt beim Rammen zu höheren Schallpegeln (Abb. 1), so dass bei größeren Pfahldurchmessern eine größere Schallminderung erzielt werden muss, um den Grenzwert einhalten zu können. Durch die weitere Optimierung von Schallschutzmethoden ist zukünftig voraussichtlich eine größere Dämpfung erzielbar als derzeit möglich. Jedoch lässt sich mit den im Folgenden darge-stellten Methoden keine beliebig hohe Dämpfung erzielen. Dies hängt damit zusammen, dass die Schallausbreitung über verschiedene Wege erfolgt, zum Beispiel durch Übertragung des Körper-schalls in die Wassersäule, die Luft und den Boden. Der Luftweg ist bei der Ausbreitung von Unter-wasserschall zu vernachlässigen (Abb. 15). Vom Boden kann ein signifikanter Teil der Schallenergie in den Wasserkörper eingetragen werden (seismischer Übertragungsweg, Abb. 2). Die dargestellten Methoden sind i.d.R. nur in der Lage, die Übertragung vom Körperschall des Pfahls in das Wasser zu dämpfen. Da der seismische Übertragungsweg etwa 10 bis 30 dB unter der kombinierten Schallüber-tragung aller drei Wege liegt (APPLIED PHYSICAL SCIENCES 2010), bleibt selbst bei einer deutlichen Opti-mierung von aktuellen Schallminderungsverfahren die maximal erzielbare Schallminderung auf etwa 30 dB begrenzt, sofern der seismische Übertragungsweg nicht ebenfalls gedämpft wird.

Abb. 2: „Preblow“ im Zeitsignal des Unterwasserschalls unmittelbar gefolgt vom Rammimpuls (Entfernung:

750 m, Rammenergie 300 kJ) ohne (oben) und mit (unten) Schallminderungsverfahren. Der Pre-blow ist das Signal des an das Wasser angekoppelten seismischen Schallimpulses, der sich im Bo-den mit größerer Geschwindigkeit ausbreitet als das eigentliche Unterwasserschallsignal. Es zeigt sich, dass nur der Wasserschall gedämpft wird (Quelle: Wilke et al. 2012).

Um die breitbandige Dämpfung bei technischen Schallminderungssystemen zu optimieren, muss der Unterwasserschall speziell im Frequenzbereich von 100 bis 400 Hz (im Nahfeld4 auch bis 800 Hz, vgl. WILKE et al. 2012) reduziert werden, da in diesem Bereich beim Rammschall am meisten Energie ent-

4 Das akustische Nahfeld ist frequenzabhängig und liegt für Luftschall bei der doppelten Wellenlänge. WILKE et

al. 2012 vermuten für Wasserschall die Ausdehnung des Nahfelds im Bereich der doppelten bis zehnfachen Wellenlänge. Viele akustische Gesetzmäßigkeiten und Berechnungsmethoden gelten nur im Fernfeld.


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halten ist (Abb. 3). Um in besonders empfindlichen Meereshabitaten Störungen bestimmter Tier-gruppen (z.B. Meeressäugetiere) zu verringern, kann ein anderer Frequenzbereich von Interesse sein, der sich am Hörvermögen der Tiere orientiert.

Abb. 3: Auf Basis von Schallmessungen verschiedener Impulsrammungen entwickeltes Modellspektrum für

einen Rammschlag im Fernfeld (Quelle: itap GmbH, Wilke et al. 2012).

4.1 Vorbemerkungen zur inhaltlichen Ausrichtung

Fußend auf den Ergebnissen erster Untersuchungen zur Schallminderung von Impulsrammungen durch Blasenschleier 1996 beim Bau einer Kerosin-Übernahmestation am internationalen Flugplatz von Hong Kong (WÜRSIG et al. 2000) gab es in Deutschland eine Reihe von Forschungsprojekten zur Schallminderung bei Impulsrammungen. Diese sind eine wesentliche Grundlage dieses Berichts. Dazu gehören u.a.

• Schallmessungen bei Tests unterschiedlicher Schallminderungsverfahren an einem Testpfahl in der Lübecker Bucht 2005 und 2011 im Rahmen des Umweltforschungsplans des Bundesministe-riums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit sowie des ESRa Projekts „Evaluation von Systemen zur Rammschallminderung“ (SCHULTZ-VON GLAHN et al. 2006, WILKE et al. 2012).

• Untersuchung der Verlängerung der Impulsdauer bei Gründung der Messplattform FINO 2 (EL-MER et al. 2007b).

• Schallmessungen beim Einsatz eines großen Blasenschleiers bei Rammarbeiten an der For-schungsplattform FINO 3 (GRIEßMANN et al. 2009).

• Untersuchungen zur Konzeption, Erprobung, Realisierung und Überprüfung von lärmarmen Bau-verfahren und Lärmminderungsmaßnahmen bei der Gründung von Offshore-Windenergieanlagen „Schall 3“ (RUSTEMEIER et al. 2012).

• Schallmessungen beim Test eines gestuften Blasenschleiers im Testfeld alpha ventus (BETKE & MATUSCHEK 2010).

• Schallmessungen bei den ersten kommerziell in deutschen Gewässern unter Verwendung von Schallminderungsmaßnahmen errichteten OWPs.

• Forschungen an der Universität Texas in Austin zum Verhalten von Luftblasen oder „gekapselter Blasen“ im Wasser zur Verringerung von Wasserschall–mit einer Reihe wissenschaftlicher Veröf-fentlichungen.


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Die Forschungsprojekte umfassten dabei sowohl die Modellierung von Effekten als auch kleinskalige Laborversuche und die Erprobungen in der Anwendung auf See. Die Übertragbarkeit von Modellie-rungen und kleinskaligen (Vor-) Versuchen auf typische Offshore-Verhältnisse ist dabei nicht generell gewährleistet. Auch können Dämpfungswerte keineswegs garantiert werden. Dies betrifft nicht nur technische oder bauablauf- und wetterbedingte Unwägbarkeiten, sondern auch das Vorliegen be-stimmter Bodenverhältnisse oder die Eigenschaften des Testpfahls.

Bauablauf- und wetterbedingte Unwägbarkeiten zeigten sich z.B. bei der Errichtung des OWP alpha ventus in der Nordsee. Die gestufte Ausführung des vorgesehenen kleinen Blasenschleiers war nicht möglich. Wetterbedingt kam nur der untere Teil des Blasenschleiers zum Einsatz. Auf die zweite, mobile Schallschutzeinheit aus mehreren vertikal übereinander angeordneten ringförmigen Luftlei-tungen wurde verzichtet (BETKE & MATUSCHEK 2010), so dass der Blasenschleier von Anfang an nicht vollständig installiert war. Die nachfolgenden Beobachtungen ergaben, dass die Luftblasen durch die Strömung so verdriftet wurden, dass sie den zu rammenden Pfahl gar nicht vollständig umschlossen haben. Daher konnte der Blasenschleier seine Wirkung nur in Strömungsrichtung entfalten, wo die Blasen den Gründungspfahl tatsächlich abschirmten.

Auch während des ESRa Projekts, bei dem neben einem gestuften Blasenschleier (Kap. 4.2.2), drei verschiedene Schallschutzmäntel (IHC Noise Mitigation System, BEKA Schale, Schlauchhülle5, Kap. 4.3) und verschiedene Konfigurationen von Hydroschalldämpfern (Kap. 4.5) getestet wurden, erga-ben sich einige Probleme (WILKE et al. 2012). Alle fünf relativ dicht am Pfahl (Wassertiefe 8,5 m) an-liegenden Schallminderungssysteme erreichten breitbandige Schallminderungen von 4-6 dB, die deutlich unter den Erwartungen lagen. Zurückgeführt wird dies u.a. auf linsenförmige Einlagerungen interglazialen Tons, die möglicherweise zu einer Reflektion des beim Rammen in diese Schicht einge-tragenen Schalls in den Wasserkörper geführt haben. Darüber hinaus sind die Eigenschaften des Testpfahls nicht repräsentativ für weitere Projektstandorte, denn der Pfahl ist bereits ca. 65 m tief fest im Sediment eingebunden und stark verwachsen, so dass die Energieabstrahlung (auch Schallab-strahlung) des Pfahls anders ist als bei einem Pfahl, bei dem noch Vortrieb erfolgt. Dies drückt sich darin aus, dass der im Fernfeld (375 und 750 m) gemessene Anteil der an das Wasser angekoppelten seismischen Welle („pre-blow“, Abb. 2) am Testpfahl im Vergleich zu anderen Standorten besonders hoch (ca. 1/3 der Amplitude im Vergleich zu 1/10 an anderen Standorten). Neben der Verwachsung mit dem Sediment mag auch die auf dem Pfahl ruhende statische Last der Minderungssysteme die-sen Effekt auf die Bodenkopplung noch verstärkt haben. Da die Bodenkopplung tieffrequent ist, wur-den breitbandige Schallminderungswerte zur Beschreibung dieses Effektes auf den Frequenzbereich über 125 Hz beschränkt, wodurch die abgeleiteten Schallminderungspotentiale um 2 bis 3 dB anstei-gen. Die in Kap. 4 genannten Schallminderungswerte stellen jedoch die nicht korrigierte Messung im Fernfeld dar.

Nahfeldmessungen ergaben deutlich höhere Schallminderungen (5-8 dB im Messabstand 13 m bzw. 7-16 dB im Messabstand 6 m) als Messungen in der für den 160 dB-Grenzwert relevanten Entfernung von 750 m. Möglicherweise ist nahe am Pfahl die Schallabstrahlung aus dem Sediment geringer. Al-lerdings sind Nahfeldmessungen aufgrund eines relativ hohen Blindanteils der akustischen Leistung, die keinen Beitrag zum Schalldruck im Fernfeld leistet, mit großen Messunsicherheiten behaftet, wenn lediglich der Schalldruck gemessen wird.

Die Ankopplung der seismischen Welle an das Wasser ist derzeit Gegenstand wissenschaftlicher For-schung (z.B. Projekt BORA, gefördert vom BMU) (vgl. Kap. 6). Nur durch die Kenntnis des Nah- und Fernfeldes wird eine vollständige Modellierung/Simulation der Schallabstrahlung des Pfahls möglich.

Über die Forschung in Deutschland hinaus sind für die Entwicklung wirksamer Schallminderungs-maßnahmen die Untersuchungen bei verschiedenen Brückenbauvorhaben zum Schutz bedrohter 5 Die Schlauchhülle wird als kommerzielles Schallminderungssystem nicht weiterverfolgt.


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Fischarten wie Lachse in den USA relevant (u.a. CALTRANS 2001, 2003, 2007, 2009). In vielen Fällen erfolgten die Anwendungen dort jedoch in sehr flachem Wasser und die Messentfernungen waren in der Regel deutlich geringer als in den deutschen Untersuchungen, so dass sich die Ergebnisse nicht auf die Verhältnisse in der deutschen AWZ übertragen lassen.

In den Ausführungen zu den einzelnen Schallminderungsverfahren in Kap. 4.2 bis Kap. 4.5 wird die gemessene Schallminderung - sofern vorhanden - als Breitbandpegel unter Angabe des Frequenzbe-reiches angegeben. Dieser beeinflusst den Pegel. In manchen Studien wird lediglich die maximal er-reichte Dämpfung oder eine Spanne von Werten in bestimmten Frequenzbändern angegeben. Diese Werte sind nicht direkt vergleichbar. Wenn vorhanden, wird die erzielte Schallminderung darüber hinaus als Dritteloktavband-Spektrum dargestellt. Wenn möglich, entsprechen die verwendeten Pe-gelbegriffe den in der DIN-Norm 1320 definierten Werten. Da dB-Werte ganzzahlig sind und auf eine Nachkommastelle angegebene Werte in Originalberichten eine Genauigkeit suggerieren, die ange-sichts von Messungenauigkeiten nicht gegeben ist, werden dB-Werte in diesem Bericht gerundet angegeben.

4.2 Blasenschleier

Blasenschleier bestehen aus Ringen perforierter Rohre oder Schläuche, die den Gründungspfahl um-geben. Durch Kompressoren wird Luft eingeblasen, die in Form von Blasen aufsteigt und einen Vor-hang oder Schleier um den Gründungspfahl oder die komplette Fundamentstruktur bilden. Blasen-schleier sind eine effektive und mittlerweile mehrfach in verschiedenen Varianten erprobte Metho-de, die Schallausbreitung im Wasser zu reduzieren (u.a. CALTRANS 2003, GRIEßMANN et al. 2009, BETKE & MATUSCHEK 2010).

Bei den verschiedenen möglichen Varianten des Blasenschleiers wird in diesem Bericht zwischen eng am Gründungspfahl anliegenden (Kleine Blasenschleier-Varianten, Kap. 4.2.2) und im weiteren Um-feld des Gründungspfahls platzierten Systemen (Großer Blasenschleier, Kap. 4.2.1) unterschieden. Durch die verschiedenen Abstände zum Pfahl ergeben sich Unterschiede z.B. in der Handhabung, im Bauablauf und bei den Kosten. Außerdem bestehen Unterschiede in der Wirkweise, z.B. bezüglich der Effekte im akustischen Nah- oder Fernfeld oder der Schallminderung von Anteilen der seismi-schen Welle, die wieder an den Wasserkörper ankoppelt (WILKE et al. 2012). Durch Unterschiede in der Hydrologie des Standortes (z.B. Wassertiefe und Strömung) und in der Gründungsvariante (Mo-nopile, Tripod, Tripile oder Jacket) und Rammablauf (Pre-Piling oder Post-Piling) kann die Wahl eines passenden Blasenschleier-Systems für die erreichbare Schallminderung entscheidend sein.

Die physikalischen Prinzipien der Schallminderung sind jedoch bei allen Blasenschleiern gleich. Zwi-schen Wasser und Luft besteht aufgrund des großen Dichteunterschieds ein erheblicher Impedanz-sprung. Da Luft im Gegensatz zu Wasser kompressibel ist, verändern Luftblasen im Wasser dessen Kompressibilität und damit die Schallausbreitungsgeschwindigkeit. Die Schallanregung der Blasen in oder in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz führt zusätzlich durch Streuungs- und Absorptionseffekte zu einer sehr effektiven Reduzierung der Schallamplituden. Durch die Resonanz ist die effektive Streu- und Absorptionswirkung einer Gasblase im Meer etwa tausendmal größer als es ihrer geomet-rischen Größe entspricht. Zusätzlich führt die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Blasen zu einer Erhöhung ihrer Schalldämpfung, was die besondere Effektivität des Blasenschleiers begründet (ELMER et al. 2007a, GRIEßMANN et al. 2009). Weiterhin gibt es viele theoretische Betrachtungen wie Blasengröße, Wassertiefe, Luftmenge oder Blasenerzeugung auf die Effektivität wirken. Dazu liegen Ergebnisse von Simulationen, Laborversuchen und Tests in einem Tank und einem Teich im Rahmen des Forschungsprojekts Schall 3 vor (RUSTEMEIER et al. 2012).

Es wird weiterhin vermutet, dass die gerichtet einstrahlende Schallenergie im Blasenschleier durch Mehrfachreflektionen ungerichtet abgestrahlt wird und somit eine Reduzierung der Schallenergie bewirkt. Durch die Mehrfachreflektion an mehreren nebeneinanderliegenden Luftbläschen im Was-


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ser werden vermutlich auch Wellenlängen reflektiert, die in einem Zusammenhang mit der Breite des Blasenschleiers stehen. D.h., je mehr sich der Blasenschleier zur Wasseroberfläche V-förmig verbrei-tert, desto tiefere Frequenzen können gedämpft werden. Eine exakte analytische Berechnung dieses Phänomens ist derzeit jedoch nicht möglich (WILKE et al. 2012).

Über Erfahrungen mit dem experimentellen Einsatz verschiedener Blasenschleiersysteme (WÜRSIG et al. 2000; CALTRANS 2001; CALTRANS 2003, VAGLE 2003; PETRIE 2005) wurde in NEHLS et al. (2007) berich-tet. Die Darstellungen an dieser Stelle beschränken sich im Wesentlichen auf neuere Ergebnisse.

4.2.1 Großer Blasenschleier (Big Bubble Curtain, BBC)

Abb. 4: Konzept des großen Blasenschleiers (Quelle: ISD 2010).

Für den Großen Blasenschleier wird ein einzelner perforierter Rohrleitungsring um die zu rammende Gründungsstruktur auf den Meeresboden gelegt. In diesen Ring wird über Kompressoren, die sich an Bord einer Plattform oder eines Schiffes befinden, Druckluft eingeleitet. Durch regelmäßig angeord-nete Löcher strömt die Luft in Form von Blasen nach außen, steigt nach oben und ummantelt die gesamte Gründungsstruktur großräumig in Form eines Blasenschleiers (Abb. 4).

4.2.1.1 Erfahrungswerte mit dem Großen Blasenschleier In der deutschen Nordsee wurde der Große Blasenschleier seit 2008 in mehreren Projekten einge-setzt (Tab. 3). An der FINO 3-Plattform wurde eine Schallminderung von 12 dB (SEL) und 14 dB (peak) erzielt, wobei die größte Dämpfung im Frequenzband um 2 kHz erreicht wurde (GRIEßMANN et al. 2009). Die aktuellsten verfügbaren Ergebnisse stammen aus dem vom Bundesministerium für Um-welt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Forschungsprojekt „Hydroschall-OFF BWII“ im kommerziellen OWP Borkum West II (aktueller Name: Trianel Windpark Borkum). Dort wurde der Große Blasenschleier im Herbst 2011/Frühjahr 2012 in verschiedenen Testkonfigurationen im normalen Errichtungsprozess von 40 Tripods im Pre-Piling Verfahren eingesetzt (BELLMANN 2012, MENTRUP 2012, PEHLKE et al. 2012, VERFUß 2012). Da es sich um ein Forschungsprojekt in einem kom-merziellen Projekt handelte, verliefen die Rammarbeiten unabhängig von der Einsatzfähigkeit des Blasenschleiers, so dass keine ständige Schallminderung gegeben war (PEHLKE et al. 2012).

Das Verlegeschiff für den Großen Blasenschleier besitzt zwei komplette Düsenrohrsysteme an Bord (Abb. 5). Bevor die Arbeitsplattform eine Rammposition bezieht, positioniert das Verlegeschiff ein Düsenrohr um diesen Standort und verlegt das zweite System um die nachfolgende Baustelle. Dabei wird das von einer Kette beschwerte Rohr von der Winde abgetrommelt und über das Heck des Schiffes auf den Meeresboden abgesenkt. Das Schiff wird so positioniert, dass es die Luftversor-gungsschläuche aufnehmen und den Blasenschleier mit Druckluft versorgen kann (Abb. 6) (PEHLKE et al. 2012).


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Getestet wurden zwei verschiedene Schlauchkonfigurationen, die sich in Lochgröße und -abstand unterschieden („Kleiner Lochabstand“: Lochgröße 1,5 mm; Lochabstand 0,3 m; „Großer Lochab-stand“: Lochgröße 3,5 mm; Lochabstand 1,5 m) (PEHLKE et al. 2012). Die besten Ergebnisse erzielte die Variante „Kleiner Lochabstand“ mit einer Dämpfung von 11-15 dB (SEL) und 8-13 dB (peak) (BELL-MANN 2012). Die Verstärkung der Dämpfungswirkung durch Erhöhung der Luftmenge (Versorgung durch einen, zwei oder drei Kompressoren) zeigt Abb. 7 (BELLMANN 2012).

Tab. 3: Bisherige Anwendung des großen Blasenschleiers (BS).

Projekt (Bau) Wasser-tiefe (m) Gründungs-struktur Merkmale des BS

Schallminde-rung (Breit-bandpegel)

Quelle

FINO 3 (2008) 23 4,7 m Mo-nopile Geschlossenes Sechseck im Abstand von 70 m

12 dB (SEL) 14 dB (peak)

GRIEßMANN (2009)

Borkum West II (2012) 26-33

Tripods (Pre-Piling) mit Pfahldurch-messer von je 2,5 m

Oval im Abstand 70-90 m, verschiedene Varianten getestet (z.B. Variation des Lochabstands, doppelter Halbkreis)

11-15 dB (SEL) 8-13 dB (peak) BELLMANN (2012)

Nordsee Ost (im Bau) 22-25

4-beinige Jackets (Post-Piling)

Vom Schiff verlegter BS k.A. www.rwenordseeost.com

Global Tech 1 (im Bau) 39-41 Tripods Vom Schiff verlegter BS k.A.

http://www.globaltechone.de/

Dan Tysk (Baubeginn 2012/2013)

21-32 Monopiles ca. 6 m

Vom Schiff verlegter dop-pelter BS im Abstand von 12-14 m

k.A. http://www.dantysk.de/

Meerwind Südost (im Bau) 23-26 Monopiles

Vom Schiff verlegter dop-pelter BS im Abstand von ca. 20 m

k.A. http://www.windmw.de

Abb. 5: Großer Blasenschleier, der beim Bau des OWP Borkum West II zum Einsatz kam. Links: Winde mit

Düsenschlauch auf dem Verlegeschiff. Rechts: : Unterwasseraufnahme bei Test in der Ostsee (Quelle: PEHLKE et al. 2012).

http://www.rwenordseeost.com/http://www.rwenordseeost.com/http://www.globaltechone.de/http://www.globaltechone.de/http://www.dantysk.de/http://www.dantysk.de/http://www.windmw.de/http://www.windmw.de/


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Abb. 6: Einsatz des Großen Blasenschleiers der Fa. Hydrotechnik Lübeck im OWP Borkum West II (Quelle:

MENTRUP 2012, Foto Trianel GmbH/©Lang).

Abb. 7: Einfluss der Luftmenge (in m³/min/m) auf die Schalldämpfungswirkung des Großen Blasenschleiers

im OWP Borkum West II (Quelle: BELLMANN 2012).

Abb. 8: Schema des doppelten, aus zwei Halbringen bestehenden Blasenschleiers. a) kleiner Abstand (bei-

de Blasenschleier vereinen sich). b) großer Abstand (beide Blasenschleier sind separat) (Quelle: BELLMANN 2012).


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Zusätzlich erfolgte ein Test mit einem Doppelten Blasenschleier, der allerdings im vorliegenden Fall nur in Form von zwei Halbkreisen ausgelegt werden konnte. Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine doppelte Anordnung die Schallminderung gegenüber dem einfachen Blasenschleier noch gesteigert werden kann. Die mit 17 dB (SEL) bzw. 21 dB (peak) höchste Schallminderung wurde erzielt, als der Abstand zwischen den beiden Düsenschläuchen (80 m) der dreifachen Wassertiefe entsprach und damit groß genug war, dass sich zwei getrennte Blasenschleier ausbilden konnten (Abb. 8). Bei einem Abstand von 25 m vereinten sich beide Blasenschleier und es ergab sich mit 16 dB (SEL) bzw. 19 dB (peak) ein Wert zwischen einfacher und doppelter Anordnung (HEPPER 2012).

4.2.2 Kleiner Blasenschleier (verschiedene Varianten) Der Kleine Blasenschleier unterscheidet sich in seinen verschiedenen Varianten vom Großen Blasen-schleier dadurch, dass die perforierten Düsenrohr-Ringe nicht auf dem Meeresboden liegen, sondern eng am Gründungspfahl anliegen.

Varianten des Kleinen Blasenschleiers: Gestuftes Ringsystem

Beim gestuften kleinen Blasenschleier werden die perforierten Luftleitungen in mehreren Ebenen ringförmig um den Gründungspfahl angebracht (Abb. 9).

Abb. 9: Konzept des gestuften Blasenschleiers (Quelle: ISD 2010).

Abb. 10: Kleiner Blasenschleier, gestuftes Ringsystem. Links: Tripod der OWEA AV09 im OWP alpha ventus mit vorinstalliertem unteren Teil (Quelle: Hydrotechnik Lübeck GmbH in: GRIEßMANN et al. 2010). Rechts: Einschiffen der mobilen Einheit am OWP Baltic 2 (Quelle: ZERBST & RUSTEMEIER 2011).


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Ein aus zwei Einheiten horizontal angeordneter Ringe bestehender gestufter Blasenschleier sollte beim Bau des OWP alpha ventus eingesetzt werden. Eine vorinstallierte untere Einheit war fest mit dem Fundament verbunden, die zweite Einheit aus mehreren vertikal übereinander angeordneten ringförmigen Luftleitungen war mobil einsetzbar (Abb. 10). Diese kam erst später im OWP Baltic 2 zum Einsatz (Kap. 4.2.2.1). Je nach Wassertiefe, Ringabstand und Durchmesser der Ringe kann die gesamte benötigte Leitung dabei länger sein als beim großen Blasenschleier.

Varianten des Kleinen Blasenschleiers: Geführter Blasenschleier6

Geführte Blasenschleier sind dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der aufsteigenden Luftbla-sen zusätzlich von einer Hülle umgeben ist und ein Verdriften der Luftblasen verhindert wird. Diese Hülle besteht entweder aus einem flexiblen Material (Plastik, Gewebe) oder einem festen Rohr. Die schalldämpfenden Eigenschaften des Systems werden vom Material der einfachen Hülle nicht we-sentlich beeinflusst, d.h. Stahl oder Gewebe sind gleichermaßen effektiv (CALTRANS 2009).

Ein System, das die Verdriftung der Blasen und damit Schallbrücken verhindert, ist der teleskopierba-re kleine, gestufte und geführte Blasenschleier der Firma Weyres Offshore (Abb. 11) (WILKE et al. 2012). Mit einem äußeren und einem inneren Luftaustrittsring an einem bis zu 50 cm breiten Flansch kann ein 1,8 m breiter Blasenkorridor erzeugt werden, der nach entsprechenden Berechnungen ef-fektiver ist als bei nur einem Austrittsring. Bei diesem System ist der Blasenschleier rundherum mit Leitblechen versehen, auf deren Innenseite zusätzlich ein geschlossenporiges Schaumstoffmaterial (5 cm Styrodur) aufgebracht ist, um auch die Hülle in die Dämpfungswirkung einzubeziehen7. Durch Verwendung einer Konstruktion, bei der das untere Düsenrohr am Boden einer ca. 2,6 m hohen Wanne (Abb. 11, rechts) gelegen ist, die somit als laterale Schallschutzwand wirkt, können mögliche Schallbrücken zwischen den Luftaustrittsöffnungen abgeschirmt werden (BERNHARD WEYRES, Weyres Offshore, Daleiden, pers. Mitt.).

Abb. 11: Kleiner Blasenschleier der Fa. Weyres Offshore. Links: Prinzip der gestuften Auslassringe (Quelle:

http://www.weyres-offshore.de/). Rechts: teleskopisch ausgefahrenes System mit schaumstoffbe-schichteten Leitblechen ( Quelle: WILKE et al. 2012, Foto: Weyres).

6 Kombinierte Systeme (IHC Noise Mitigation System, Weyres BEKA Schale), die geführte Blasenschleier als

Schallminderungskomponenten beinhalten, werden im Kap. 4.3 eingehend betrachtet. 7 Durch dieses zusätzliche Element handelt es sich streng genommen um ein kombiniertes System.


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Kleiner Blasenschleier mit vertikalem Schlauchsystem (SBC: Small Bubble Curtain)

Das System des Kleinen Blasenschleiers („Small Bubble Curtain“) der Firma MENCK, welches im Pro-jekt BARD Offshore 1 getestet wurde, verwendet eine Vielzahl vertikal angeordneter Luftrohre oder -schläuche (Abb. 12) (siehe auch Kap. 4.2.2.1). Diese Anordnung verhindert die Entstehung von Schallbrücken, da keine horizontalen Lücken zwischen den Schläuchen bestehen. Die horizontal ver-laufende Gezeitenströmung und eine durch die Luftblasen verursachte Auftriebszone mit komplexem Strömungsverhalten sorgen für eine vollständige Umschließung des Gründungspfahls mit Luftblasen (STEINHAGEN 2012).

Abb. 12: Kleiner Blasenschleier der Firma MENCK mit vertikalem Schlauchsystem. Links und Mitte: Ausfüh-

rung für OFT 1. Rechts: Schema des neuen Designs für OFT 2 (Quelle: STEINHAGEN 2012).

4.2.2.1 Erfahrungswerte mit kleinen Blasenschleiern

Varianten des kleinen Blasenschleiers: Gestuftes Ringsystem

Der gestufte Blasenschleier aus horizontal angeordneten Ringen wurde in der deutschen Nordsee im Juni 2009 beim Bau des OWP alpha ventus eingesetzt (GRIEßMANN et al. 2010, BETKE & MATUSCHEK 2010). Gerammt wurde ein Tripod mit einem Pfahldurchmesser von 2,6 m. Die Wassertiefe betrug ca. 30 m. Wetterbedingt kam nur der untere Teil des Blasenschleiers zum Einsatz (Abb. 10) (vgl. Kap. 4.1). Auf die zweite mobile Schallschutzeinheit aus mehreren vertikal übereinander angeordneten ringförmigen Luftleitungen wurde auf Grund schlechter Witterungsverhältnisse verzichtet (BETKE & MATUSCHEK 2010), so dass der Blasenschleier von Anfang an nicht vollständig installiert war. Die nach-folgenden Beobachtungen ergaben, dass die Luftblasen durch die Strömung so verdriftet wurden, dass sie den zu rammenden Pfahl gar nicht umschlossen haben. Daher konnte der Blasenschleier seine Wirkung nur in Strömungsrichtung entfalten, wo die Blasen den Gründungspfahl tatsächlich abschirmten. In diesem Bereich wurde eine Schallreduzierung von ca. 12 dB (SEL) und ca. 14 dB (peak) gemessen, wobei die höchste Dämpfung in Frequenzen über 300 Hz erzielt wurde (GRIEßMANN et al. 2010). Diese Werte entsprachen der mit dem großen Blasenschleier erzielten Schallminderung (GRIEßMANN 2009), sind allerdings geringer als Schallminderungswerte, die beim Rammen an der Be-nicia-Martinez Brücke nordöstlich von San Francisco mit einem mehrstufigen System „bubble tree“ erzielt wurden (CALTRANS 2007). Die dort gemessenen Werte betrugen 20-25 dB (SEL) bzw. 19-33 dB (peak). Aufgrund der geringeren Wassertiefe (12-15 m) und Messentfernung (50-100 m) ist ein direk-ter Vergleich der Werte allerdings nicht möglich.

Die obere mobile Schallschutzeinheit des für alpha ventus gefertigten Systems des kleinen Blasen-schleiers wurde im Januar 2011 an einem Testpfahl (∅ 1,5 m, Länge 45 m, Wandstärke 50 mm, Was-sertiefe 27,5 m) im OWP Baltic II erprobt (Abb. 10). Die Schallschutzeinheit wurde an der Hubinsel befestigt und anschließend der Monopile in den Blasenschleier hineingestellt, der sich über die Tiefe


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zum Meeresboden erstreckte (ZERBST & RUSTEMEIER 2011). Während der Rammung erfolgten Schall-messungen mit zwei verschiedenen Messsystemen. Einerseits wurden Hydrophone 2 m über Grund auf dem Meeresboden verankert (SCHULTZ-VON GLAHN 2011), andererseits wurden Messungen vom Schiff aus in zwei Tiefenstufen (11 m und 23 m) durchgeführt (ZERBST & RUSTEMEIER 2011).

Abb. 13: Schallreduzierung im OWP Baltic 2 durch den kleinen Blasenschleier in Abhängigkeit von der Fre-

quenz (Quelle: ZERBST & RUSTEMEIER 2011).

Ohne Schallminderung betrug der mit dem verankerten System gemessene Schallpegel in 750 m maximal 168,1 dB (SEL) (SCHULTZ-VON GLAHN 2011) bzw. vom Schiff aus ermittelt durchschnittlich 166-170 dB (SEL) (ZERBST & RUSTEMEIER 2011). Die Höhe der durch den kleinen Blasenschleier erzielten Schallminderung stieg im Frequenzbereich ab 25 Hz kontinuierlich an und war im Bereich von 1-10 kHz am größten (Abb. 13). Der Breitband-Minderungswert in 750 m Entfernung wurde durch die abgesetzten Hydrophone mit 15 dB (SEL) ermittelt (SCHULTZ-VON GLAHN 2011), durch die Messungen vom Schiff mit 11-13 dB (SEL) (ZERBST & RUSTEMEIER 2011). Zu beachten ist, dass es sich bei der Refe-renzmessung nicht um denselben Pfahl D06 handelte, sondern um Pfahl D05, der in annähernd glei-cher Wassertiefe bei annähernd gleichen Bodenverhältnissen mit der gleichen Rammenergie einge-bracht wurde und eine ähnliche zeitabhängige Eindringtiefe aufwies, so dass gleiche Schallimmissio-nen vorausgesetzt wurden (SCHULTZ-VON GLAHN 2011, ZERBST & RUSTEMEIER 2011).

Varianten des kleinen Blasenschleiers: Geführter Blasenschleier

Geführte Blasenschleier wurden bislang vor allem im Flachwasser und an Standorten eingesetzt, an denen hohe Strömungsgeschwindigkeiten zu erwarten sind, die die Luftblasen vom Gründungspfahl fortspülen würden. Sie haben ein hohes Schallminderungspotential gezeigt, es liegen jedoch nur Er-fahrungen aus geringen Wassertiefen in Küstennähe vor (CALTRANS 2003, WILKE et al. 2012), die nicht unbedingt auf die Bedingungen im Offshore-Bereich übertragbar sind.

Im Rahmen des ESRa-Projektes (Kap. 4.1) wurde im August 2011 der gestufte und geführte kleine Blasenschleier der Fa. Weyres Offshore untersucht. Das dort in einer Wassertiefe von 8,5 m verwen-dete System hat als Grundfläche ein Oktagon mit einem Durchmesser von 5,25 m und wiegt insge-samt 7,4 t. Die teleskopartig angeordneten Ausblasebenen mit ihren Leitblechen sind oben mit ei-nem Schwimmkörper versehen, so dass sich sie nach Absetzen der Bodenwanne automatisch bis zur Wasseroberfläche entfalten (Abb. 11). Insgesamt ergab sich eine Minderung des Breitband-Summenpegels um 4-5 dB (SEL) (Abb. 14) (WILKE et al. 2012). Bei der Einordnung dieses geringen Dämpfungswertes sind jedoch für die Interpretation der ESRa Ergebnisse die in Kap. 4.1 dargelegten Probleme zu berücksichtigen.


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Abb. 14: Im ESRa-Projekt gemessenes Differenzspektrum (Schalldurchgangsdämpfung) für den Kleinen Bla-

senschleier der Fa. Weyres Offshore (Messentfernung 375 m) (Quelle: WILKE et al. 2012).

Kleiner Blasenschleier mit vertikalem Schlauchsystem

Der kleine Blasenschleier mit vertikalem Schlauchsystem wurde im Herbst 2011 im OWP BARD Offshore 1 von den Firmen MENCK und BARD getestet. Die im Offshore Test 1 (OFT 1) vertikal ange-ordneten Düsenrohre, die fest zwischen einem oberen und einem unteren Ring installiert waren, wurden von oben über den Gründungspfahl gestülpt (Abb. 12). Der Installationsprozess dieses Proto-typs dauerte insgesamt sechs Stunden. Die Luftversorgung erfolgte über sechs Kompressoren, die Ergebnisse zeigten jedoch, dass auch vier ausreichend gewesen wären. Die erzielte Schallreduzierung betrug, abhängig von den unterschiedlichen getesteten Konfigurationen (Luftmenge, Anzahl von Rohren), maximal 14 dB (SEL) bzw. 20 dB (peak) (KUMBARTZKY 2012, STEINHAGEN 2012). Der vorgege-bene Grenzwert von 160 dB SEL in 750 m wurde beim ersten Offshore-Test jedoch knapp verfehlt.

Auf Grundlage der Ergebnisse des OFT 1 erfolgte eine Weiterentwicklung des Systems (Abb. 12 rechts), welches Mitte September 2012 im Rahmen eines vom BMU geförderten Forschungsvorha-bens beim OFT 2 in der Nordsee getestet wurde (STEINHAGEN 2012). Das neue Design verwendet an-stelle von Rohren vertikale Schläuche, die durch einen Ballastring am Boden verankert werden. Die Schläuche werden von oben her abgerollt. Dies erleichtert die Installation am Pfahl vor dem Ramm-vorgang. Der Einsatz des Blasenschleiers erfolgt in Kombination mit dem Pile Guiding Frame der Er-richterplatform Windlift (KUMBARTZKY 2012). Das zweite Testsystem OFT 2 wurde speziell für die An-forderungen der Installation der BARD Tripile-Fundamente entwickelt und zeichnet sich durch die Verwendung von Standardkomponenten und eine einfache Handhabung aus. Die Auswertung der Messergebnisse des OFT 2 ist in Kürze zu erwarten (STEINHAGEN 2012).

4.2.3 Bewertung des Blasenschleiers

4.2.3.1 Schallminderung Die prinzipielle Eignung von Blasenschleiern zur Dämpfung von Unterwasserschall wurde in verschie-denen Anwendungen (Kap. 4.2.1.1 und 4.2.2.1) und Modellierungen (u.a. APPLIED PHYSICAL SCIENCES 2010) bestätigt. Die Modellierung der drei primären Übertragungswege (Luftschall, Wasserschall, Bodenschall) zeigte, dass die direkte Übertragung des Körperschalls gerammter Monopiles in die Wassersäule in nahezu allen betrachteten Frequenzen (100 Hz bis 1 kHz) gegenüber den indirekten Übertragungswegen über das Sediment und die Luft dominierte (Abb. 15). Es ist daher richtig, dass die bislang getesteten Systeme vor allem bei diesem Übertragungsweg ansetzen. Ebenfalls bedeu-


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tend ist jedoch der seismische Ausbreitungsweg, der für die erzielbare Schallminderung begrenzend sein kann (APPLIED PHYSICAL SCIENCES 2010), so dass durch die Berücksichtigung dieses Übertragungs-weges bei der Schalldämpfung noch Optimierungsmöglichkeiten gegeben sind. Weitere Optimie-rungsmöglichkeiten ergeben sich bei der Frequenzabhängigkeit der Dämpfungswerte von Blasen-schleiern.

Die einzelnen Blasenschleier-Konzepte weisen in Bezug auf ihr Potential zur Schallminderung unter-schiedliche Vor- und Nachteile auf.

Abb. 15: Primäre Übertragungswege für Rammschall ohne Minderungsmaßnahme (Quelle: APPLIED PHYSICAL SCIENCES 2010).

Großer Blasenschleier

Durch den großen Durchmesser und eine elliptische Ausführung des Blasenrings zur Berücksichtigung der Gezeitenströmung, wie beim OWP Borkum West II, bleibt der Gründungspfahl auch bei Verdrif-tung der Blasen durch die Meeresströmung noch vollständig umschlossen. Die Dämpfungswirkung wird daher nicht durch Schallbrücken vermindert (vgl. auch Abb. 5). Auch der Anteil des Boden-schalls, der wieder ins Wasser übertragen wird (NEDWELL & HOWELL 2004, APPLIED PHYSICAL SCIENCES 2010), kann vermutlich durch den großen Durchmesser zum Teil gedämpft werden. Werden größere Schallminderungswerte benötigt (z.B. bei großen Monopiles) ermöglicht eine doppelte Ausführung eine stärkere Dämpfung. Sofern beide Blasenschleier-Ringe durch hinreichende Abstände voneinan-der getrennt sind, kann eine höhere Schalldämpfung erreicht werden, als wenn beide Blasenschleier ineinander übergehen, was bei zu geringem Abstand der Fall ist.

Varianten des kleinen Blasenschleiers

Die zunächst über den Boden übertragenen, ans Wasser angekoppelten Schallanteile werden bei keiner der Varianten des kleinen Blasenschleiers aufgefangen. In strömungsbeeinflussten Gewässern ist zu beachten, dass die Effektivität des Schallschutzes durch Lücken im Blasenschleier verringert werden kann: Wenn der Gründungspfahl nicht mehr vollständig vom Blasenschleier umschlossen ist, treten Schallbrücken auf (ISD 2010). Dieser Effekt kann aber durch Variationen in der Anordnung und dem Abstand der Düsenrohre und in der Breite des Blasenschleiers verringert oder vermieden wer-den. Die Übertragung von Körperschall an Verstrebungen von Jackets oder Tripods durch unvollstän-dige Umhüllung kann durch eine spezielle Installationsvariante, das Pre-Piling Verfahren, vermieden werden. Dabei werden die Pfähle zuerst mithilfe von Schablonen (Templates) im richtigen Abstand


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gerammt und dann die Fundamente aufgesetzt und vergroutet8. Bei dieser Variante ist auch die Handhabung teleskopischer gestufter Blasenschleiersysteme einfacher und entspricht dem Verfahren am Monopile.

Varianten des kleinen Blasenschleiers: Gestuftes Ringsystem

Im Gegensatz zum großen Blasenschleier können beim kleinen gestufte Blasenschleier aus horizontal angeordneten Ringen durch die Verdriftung der Blasen Schwachstellen in Form von Schallbrücken auftreten, die die Effektivität des Schallschutzes verringern (Abb. 9) (ISD 2010). Bei Tripods oder Ja-ckets ist zusätzlich der Körperschall innerhalb der Konstruktion ein Problem. Schwingungen, die an der Pfahlführung (Pile Sleeve) auf Jacket oder Tripod übertragen werden, können außerhalb des den Gründungspfahl umschließenden Blasenschleiers in die Wassersäule übertreten. Um den Zeitauf-wand für die Installation des Blasenschleiers gering zu halten, gibt es Konzepte für verschiedene te-leskopierbare Systeme und unterschiedliche Befestigungen, z.B. an der Zange des Krans oder dem Piling Frame. Der gemessene Schallpegel beim Einsatz des kleinen Blasenschleiers als gestuftes Ring-system im OWP Baltic 2 zeigt, dass dieser auch im kritischen Frequenzbereich von 125-1.000 Hz, in dem das Rammspektrum die höchsten Pegelwerte enthält, eine gute Dämmwirkung aufwies (Abb. 13) (SCHULTZ-VON GLAHN 2011, ZERBST & RUSTEMEIER 2011).

Varianten des kleinen Blasenschleiers: Geführter Blasenschleier

Bei geführten Blasenschleiern besteht in Gebieten mit starker Gezeitenströmung wie der Nordsee die Schwierigkeit, die Hülle hinreichend stabil auszubilden, damit sie nicht gegen den Pfahl gedrückt wird und es dadurch zu Schallbrücken kommt. Dies ist nur mit einer stabilen Außenhülle, nicht jedoch mit textilen Vorhängen oder Folien möglich. In der Literatur gibt es widersprüchliche Aussagen dazu, ob die scharfe Begrenzung des Blasenschleiers durch die Außenhülle sich gegenüber nicht geführten Varianten vorteilhaft auf die Schallminderung selbst (nicht nur durch Vermeidung von Schallbrücken) auswirkt. GRANDJEAN et al. (2011) vermuten eine höhere Schalldämpfung durch die scharfe Begren-zung im Vergleich zu diffus verteilten Blasen, während WILKE et al. (2012) angeben, dass eine breitere V-förmige Auffächerung sich durch Mehrfachreflektion positiv auf die Dämpfung tieferer Frequenzen auswirkt.

Kleiner Blasenschleier mit vertikalem Schlauchsystem Eine vertikale Anordnung der Luftrohre oder -schläuche, wie sie von der Firma MENCK im Projekt BARD Offshore 1 getestet wurde (Abb. 12), verhindert die Entstehung von Schallbrücken, da keine horizontalen Lücken zwischen den Schläuchen bestehen.

8 Vergroutung = Betonverpressung


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4.2.3.2 Entwicklungsstand Dass Luftblasen im Wasser eine deutliche Schallreduzierung bewirken können, ist mittlerweile in vielen Projekten erwiesen worden. Durch die in Versuchen und praktischen Anwendungen erfolgrei-che Erprobung verschiedener Blasenschleier-Varianten ist die Eignung dieser Technik zur Reduzie-rung von Schallemissionen als gesichert anzusehen.

Großer Blasenschleier

Aufgrund der aus mittlerweile zwei wissenschaftlich begleiteten Anwendungen in Deutschland vor-liegenden Erkenntnisse kann argumentiert werden, dass der Große Blasenschleier heute die am wei-testen im kommerziellen Einsatz erprobte Technik zur Schallminderung bei der Gründung von Offs-hore-Windenergieanlagen repräsentiert. Dies gilt zumindest für die derzeit verwendeten Pfahl-durchmesser bei aufgelösten Fundament-Strukturen und kleinen Monopiles, bei denen mehrfach – auch in einer Fülle von Untersuchungen unter verschiedenen Bedingungen in anderen Ländern - ge-zeigt wurde, dass eine signifikante Schallminderung erzielt werden kann, die unter bestimmten Um-weltbedingungen auch geeignet ist, den 160 dB-Grenzwert einzuhalten.

Die Eignung des großen Blasenschleiers zur Schallreduzierung ist durch Modellierungen, Forschungs-ergebnisse und nicht zuletzt die bei der praktischen Anwendung erzielte Schallminderung belegt. Auch die Robustheit der Systeme und deren Handhabbarkeit unter Offshore-Bedingungen wurden mittlerweile mehrfach demonstriert. Im Hinblick auf Fragen der Wirtschaftlichkeit spielt vor allem die Anpassung an Bauablauf und Offshore-Logistik eine große Rolle. Probleme aus der Vergangenheit (FINO 3) sind durch die verbesserte Ausbringungsmethode gelöst. Durch die Ausbringung vor bzw. nach dem Positionieren der Errichterplattform und Anschluss der Kompressoren vor oder nach dem Ausbringen ist eine Anpassungsfähigkeit an verschiedene Bauabläufe gegeben.

Bis zu einer gewissen Rammenergie (abhängig vom Pfahldurchmesser) lässt sich zumindest unter bestimmten Umweltbedingungen auch durch die Verwendung des großen Blasenschleiers der Schall-grenzwert einhalten. Für größere Monopiles bietet sich der doppelte Blasenschleier als Lösungsmög-lichkeit an. In der Untersuchung im OWP Borkum West II hat sich gezeigt, dass sich eine größere Schallminderung erzielen lässt als mit einem einfachen Blasenschleier. Diese Variante ist derzeit in zwei kommerziellen Projekten in der Anwendung (Tab. 3). Für die nötige hohe Schallminderung er-scheint ein großer Abstand zwischen beiden Blasenschleiern erforderlich, damit trotz V-förmiger Ausbreitung zur Oberfläche hin keine Vermischung zu einem einzelnen breiten Blasenschleier erfolgt. Dazu sind weitere Untersuchungen und die Entwicklung einer geeigneten Ausbringungsmethodik erforderlich.

Die bei FINO 3 erkannten Probleme bezüglich der Handhabung (aufwändige und teure Ausbringung mit Tauchern und den damit verbundenen erheblichen Verzögerungen) führten zu konzeptionellen Änderungen am System. Die von den derzeit zwei Anbietern in Deutschland weiterentwickelten Sys-teme sind robust, können mit Hilfe einer angetriebenen und gebremsten Trommel ohne Taucherein-satz direkt vom Schiff verlegt werden und mehrere Systeme, die revolvierend ausgebracht werden, stehen zur Verfügung (CAY GRUNAU, Hydrotechnik Lübeck GmbH, pers. Mitt.; BERNHARD WEYRES, Wey-res Offshore, Daleiden, pers. Mitt.). Auch sind die Systeme für die Tiefen- und Strömungsverhältnisse in der deutschen AWZ geeignet.

Der gegenüber dem bei FINO 3 verwendeten System weiterentwickelte große Blasenschleier wurde von September 2011 bis März 2012 bei der Errichtung des OWP Borkum West II eingesetzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass alle Tätigkeiten, die im Zusammenhang mit dem Handling des Blasen-schleiers durchzuführen sind, vollkommen unabhängig von der Rammplattform erfolgen können und der Arbeitsablauf bei der Errichtung der Fundamente nicht beeinträchtigt wird. Weder das Bauge-schehen noch der Baufortschritt wurden durch den Einsatz des Großen Blasenschleiers behindert, da der Schallschutz vor dem Verholen der Errichterplattform ausgebracht wird (BIOCONSULT-SH et al.


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2012). Dass das Schallminderungssystem im OWP Borkum West II trotzdem an neun von 40 Standor-ten nicht erfolgreich war, hatte folgende Ursachen (HEPPER 2012): Zum Beispiel wurden bei Sturm die Markierungsbojen des Zuluftrohres abgerissen, so dass dies zu spät aufgefunden wurde. In zwei Fäl-len wurde der Anker der Errichtungsplattform so verlegt, dass das Zuluftrohr nicht mehr angehoben und an die Kompressoren angeschlossen werden konnte. Weiterhin froren im Winter einige Kom-pressoren ein, was die Wirksamkeit des Blasenschleiers verringerte. In einigen aktuellen Projekten wird der große Blasenschleier erst nach der Positionierung der Errichterplattform ausgebracht und schon bei Beginn der Ausbringung Pressluft hineingegeben. Damit können die genannten Fehlerquel-len vermutlich ausgeschlossen werden. Die Verzögerung im Bauablauf ist allenfalls minimal, da die Ausbringung während der vorbereitenden Arbeiten zur Rammung erfolgen kann (BERNHARD WEYRES, Weyres Offshore, Daleiden, pers. Mitt.). In Zukunft ist auch der Große Blasenschleier noch optimier-bar. Dies gilt für die Handhabung und auch für Effektivität (z.B. durch Blasenerzeugung, Blasengröße, Abstände bei Mehrfachanordnung).

Eine wiederholt geäußerte Kritik ist, dass Minderungswerte nicht garantiert werden können. Unwäg-barkeiten durch spezielle Bodenverhältnisse oder technische Probleme werden sich jedoch auch in Zukunft bei keinem der Schallminderungsverfahren ausschließen lassen. Diese ändern aber nichts an der generellen Eignung des erprobten Systems.

Kleine Blasenschleier-Varianten

Die Erfahrungen mit dem gestuften Blasenschleier aus horizontal angeordneten Ringen, der am OWP alpha ventus verwendet wurde, führten zu einer Weiterentwicklung der Technologie. Diese weiterentwickelten Systeme verwenden eine Vielzahl vertikal angeordneter Düsenrohre bzw. -schläuche, die sehr dicht am Gründungspfahl befestigt sind (MENCK /BARD, Kap. 4.2.2.1), oder eine Umhüllung der gestuften Düsenrohr-Ringe (geführter Blasenschleier der Fa. Weyres Offshore, Kap. 4.2.2.1), um das Verdriften der Luftblasen zu verhindern. Die Entwicklung des kleinen Blasenschleiers befindet sich im Pilotstadium. An einem Testpfahl im OWP Baltic II kam erstmals die gestufte obere mobile Einheit des alpha ventus Systems in etwa 23 m Wassertiefe in der Ostsee zum Einsatz, was als Full-Scale Test in mittlerer Wassertiefe eingestuft werden kann.

Der geführte Blasenschleier wurde lediglich im ESRa Projekt untersucht. Neben den Einschränkun-gen durch die Geologie und die Besonderheiten des Testpfahls (Kap. 4.1), die zu unbefriedigenden Schallminderungswerten führten, schränkt die Lage in flachen geschützten Gewässern die Aussage-kraft des Tests ein. Am weitesten fortgeschritten ist damit die Entwicklung der Variante des kleinen Blasenschleiers mit vertikalem Schlauchsystem. Der erste Offshore-Test hat hohe Minderungswerte von 14 dB (SEL) bzw. 20 dB (peak) (Kap. 4.2.2.1) erzielt. Die Messwerte des zweiten Tests mit einem veränderten System werden in Kürze erwartet, womit das Pilotstadium abgeschlossen wäre. Für die beiden anderen Systeme wäre ein Nachweis der Effektivität unter Offshore-Bedingungen zielführend. Zukünftige Planungen für weitere Tests sind nicht bekannt.

Alle drei Systeme sind wiederverwendbar, da sie keine fest installierten Bestandteile verwenden. Die Befestigung am Gründungspfahl ist flexibel, erfordert aber im Einzelfall technische Anpassungen. Die mit diesen Systemen erzielbare Schallminderung ist signifikant. Allerdings ist es von entscheidender Bedeutung, dass die komplette schwingende Struktur zu jeder Zeit umhüllt ist.

Die angebotenen Systeme des kleinen Blasenschleiers sind robust und in der Konfektionierbarkeit recht variabel. Die Systeme müssen für jede Anwendung neu konfiguriert werden (in Bezug auf Was-sertiefe, Strömung, Pfahlstärke, Befestigung und Details der Gründung wie z.B. Monopile, Jacket, Tripod/Tripile). So ist der kleine Blasenschleier mit vertikalem Schlauchsystem speziell auf das BARD Tripile zugeschnitten. Eine Anwendung mit anderen Gründungsvarianten erfordert eine entspre-chende Anpassung.

Um bei kleinen Blasenschleiern eine einfache und schnelle Ausbringung und flexible Befestigungs-


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möglichkeit am Piling Frame oder Gripper zu erreichen, ist für eine universelle Anwendbarkeit noch eine gewisse Entwicklungsarbeit nötig. Bei Verwendung des Pre-Piling Verfahrens für aufgelöste Strukturen ist der Schallschutz vermutlich kostengünstiger als beim Post-Piling.

Ein Kostenfaktor ist die Versorgung der Blasenschleier mit Pressluft. Ab einer gewissen Wassertiefe und Strömungsgeschwindigkeit benötigt man für den gestuften Blasenschleier größere Rohrlängen und damit eine erhöhte Luftmenge als beim großen Blasenschleier. Dann ist gegenüber dem großen Blasenschleier nicht unbedingt ein Kostenvorteil zu erzielen. Die Bezeichnung "kleiner" Blasenschleier bezieht sich daher nur auf dessen räumliche Abmessungen und nicht auf die Düsenrohrlänge9. Ein Kostensenkungspotential liegt in der Verminderung der Luftmenge (Kap. 7). Um realistische Kosten einer Schallminderungsmethode zu ermitteln, sind jedoch neben diesem Faktor weitere von ent-scheidender Bedeutung wie Logistik, Platzbedarf an Deck, Wartung, Service und Anschaffungskosten. Ganz wichtig ist bei allen Systemen die Handhabung und der Betrieb der Schallschutzsysteme, die ggf. zu einer kostspieligen Verzögerung der Installation führen können.

Der kleine Blasenschleier könnte in absehbarer Zeit in die praktische Anwendung beim Bau eines kommerziellen Offshore-Windparks gelangen. Die nötigen Komponenten oder auch komplette Sys-teme sind bereits jetzt marktverfügbar (z.B. aus Druckluft-Ölsperren), müssen jedoch für Offshore-Anwendungen entsprechend konfiguriert werden.

Grenzeinsatzbedingungen

Bei den derzeit marktverfügbaren Kompressor-Typen limitiert möglicherweise die Wellenhöhe den Einsatz von kleinen oder großen Blasenschleiern, sofern die Kompressoren auf Schiffen stehen. Ab einer Neigung von 11-15o gibt es Probleme beim Ansaugen des Öls, so dass sich die Geräte selbsttätig abschalten. Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, die Kompressoren auf der feststehenden Er-richterplattform aufzustellen. Entsprechende technische Änderungen an den Kompressoren sind theoretisch denkbar, aber derzeit sieht die Kompressoren-Industrie den Bedarf nicht (CAY GRUNAU, Hydrotechnik Lübeck GmbH, pers. Mitt.). Bei zukünftigen Forschungsprojekten sollten die Grenzein-satzbedingungen von Blasenschleiersystemen ermittelt werden (Kap. 7).

9 So ist z.B. für einen großen Blasenschleier bei einem Radius von 70 m eine Düsenrohrlänge von ca. 440 m

nötig. Für einen gestuften Blasenschleier mit einem Radius von 6 m überschreitet die Gesamtlänge bereits ab 12 Stufen diesen Wert. Bei starker Gezeitenströmung ist ein Abstand von 2 m zwischen den Stufen realis-tisch, so dass in diesem Beispiel ab einer Wassertiefe von 24 m mehr Kompressoren benötigt werden als beim großen Blasenschleier (CAY GRUNAU, Hydrotechnik Lübeck, pers. Mitt.)


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4.3 Schallschutzmantel (Pile Sleeve)

Schallschutzmäntel sind meist Stahlrohre, die über den Gründungspfahl gestülpt werden (Abb. 16). Um eine relevante Schallminderung entfalten zu können, müssen sie jedoch mehrschichtig aufgebaut sein und Luft oder Dämmstoffe enthalten oder mit einem Blasenschleiern im Inneren kombiniert sein. Die Dämpfung beruht ähnlich wie beim Blasenschleier auf der Abschirmung durch eine kom-plette Umhüllung des zu rammenden Pfahls. Im Gegensatz zum Blasenschleier sind bei einem Schall-schutzmantel jedoch vor allem Reflektionseffekte an den Phasenübergängen (Wasser-Stahl-Luft) und zusätzlich an den Luft- oder Schaumstoffschichten Absorptionseffekte für die Schalldämpfung ver-antwortlich (ELMER et al. 2007a, NEHLS et al. 2007).

Abb. 16: Schallschutzmantel („isolation casing“) mit Blasen zwischen Pfahl und Mantelrohr beim Rammen eines 2,4 m Pfahls an der Benicia-Martinez Brücke in Kalifornien (Quelle: CALTRANS 2007).

Aus experimentellen Erfahrungen erster z.T. noch wenig praktikabler Methoden (SCHULTZ-VON GLAHN et al. 2006) und vom Einsatz von Schallschutzmänteln beim Rammen von Brückenfundamenten im Westen der USA (CALTRANS 2009), die noch weit von Offshore-Bedingungen entfernt waren, haben sich mittlerweile kommerziel

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Entwicklung schallmindernder Maßnahmen beim Bau von ... · 4.3.2 BEKA Schale ... Während in der ersten Fassung dieser Studie vom Juni 2011 für die verschiedenen Methoden prog-nostiziert