Innovation Kran

Die ‚Innovation‘ auf dem Rückweg zum Hafen. Im vorderen Schiffsteil sind Kabinen für 100 Personen Schiffsbesatzung. Hinter der Arbeitsfläche steht der riesige, 1500 Tonnen schwere Kranaufbau. Bild: Liebherr

Weltweit herrscht in Schiffbau- und Hafenstädten Goldgräberstimmung. Für das Gelingen der in Deutschland ausgerufenen Energiewende spielt nämlich die Offshore-Windkraft eine besonders wichtige Rolle. Die auf See errichteten Windkraftanlagen liefern doppelt so viele Stunden Strom wie Anlagen auf dem Land. Bis 2020 sollen rund 10 Gigawatt (GW) und bis 2030 sogar 25 GW elektrischer Leistung mit Offshore-Anlagen erzeugt werden. Zum Vergleich: Aktuell sind mit „alpha ventus“ und „EnBW Baltic 1“ zwei Offshore-Windparks in Betrieb, die zusammen nur 0,2 Gigawatt schaffen.

Die Offshore-Pläne Großbritanniens sind sogar noch ambitionierter: Bis 2020 soll dort der Offshore-Anteil am Strommix bei 25 Prozent liegen. Scherzhaft ausgedrückt: In ein paar Jahren können wir zu Fuß nach England laufen – so viele Plattformen und Windparks werden momentan geplant.

Deutschland kalkuliert bis 2020 Investitionen von 30 Milliarden Euro – und für die ersten zehn Windparks stellt der Staat über die KfW-Bank fünf Milliarden Euro Fördermittel zur Verfügung, eine halbe Milliarde pro Windpark.

Kein Kinderspiel bei Seegang und Wind

Die deutschen Vorgaben sehen allerdings vor, dass Offshore-Windanlagen nur in großen Entfernungen zur Küste liegen dürfen, so dass sie in großen Wassertiefen von 15 bis 40 m zu errichten sind. Inmitten der Nordsee sind Material und Technik aber großen Belastungen ausgesetzt. Bei einer Meerestiefe von 40 Metern müssen die Windkraftanlagen starken physikalischen Kräften durch Wellen und Strömungen trotzen. Der ständige Wind und der hohe Salzgehalt der Luft sind eine Herausforderung für den Betrieb und die Wartung der Anlagen – noch mehr aber für die Errichtung.Monströse Verankerungen auf dem Meeresgrund, Montage von über 100 Meter hohen Masten und das Aufsetzen der Gondeln mit riesigen, aber empfindlichen Rotorblättern erfordern kraftvolles und gleichzeitig zentimetergenaues Arbeiten. Das ist kein Kinderspiel bei Seegang und Wind.

Innovation bringt im wahrsten Sinne des Wortes die Offshore-Montage nach vorne. Exakt für dieses Anforderungsprofil wurde das leistungsstärkste Kranhubschiff der Windbranche, die ‚Innovation‘, entwickelt. Gebaut hat das Schiff die HGO InfraSea Solutions, ein Joint Venture von Hochtief und GeoSea.

Der schwimmende Stahlgigant verfügt über vier 90 Meter lange zahnradbetriebene Gittermast-Hubbeine, mit denen sich das Schiff aus dem Meer heben kann und so stabil steht – auch bei rauer See. An der Baustelle angekommen fahren sie runter zum Meeresboden.Als Schuh klappt dort eine 150 Quadratmeter große Fläche aus. Anschließend hebt sich das Schiff per Motor über den Wasserspiegel, und das mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Minute.

Der zu voller Höhe ausgefahrene Kran CAL 64000 macht sich bereit, die Tripods aufzunehmen. Bild: Liebherr

Der zu voller Höhe ausgefahrene Kran CAL 64000 macht sich bereit, die Tripods aufzunehmen. Bild: Liebherr

Für dieses Hubsystem lieferte Siemens insgesamt 96 mechanische Antriebe mit hoch belastbaren Flender-Planetengetrieben. Für die dieselelektrische Antriebsanlage liefern die MTU-Hauptmaschinen die notwendige Energie für die vier Azimuth-Propeller mit einer Gesamtleistung von 28,6 Megawatt. Die Geschwindigkeit der Innovation beträgt rund 13 Knoten, also 22 km/h. Das Schiff kann in Wassertiefen von bis zu 65 m arbeiten und verfügt über Ladekapazitäten von 8000 t.

Erster Einsatz ist der Bau des Nordsee-Windparks Global Tech 1, für den 80 Windenergieanlagen errichtet werden. 80 Tripod-Fundamente, jedes mit einem Gewicht von fast 850 Tonnen, müssen von Bremerhaven aus zur Baustelle vor der Küste transportiert und in einer Wassertiefe von 40 Metern auf dem Meeresboden verankert werden.

„Das Schiff ist für uns nahezu perfekt”, sagt der leitende Offshore-Bauherrenvertreter Olaf Braun. Mittlerweile konnte man die Prozesse optimieren und die Zeitabläufe straffen, berichtet er. Bei Baubeginn hatten sich die Projektverantwortlichen noch gut einen Monat Zeit zum Setzen der ersten drei Tripods gelassen, um die Technik sowie das Verhalten des Kranhubschiffes bei Wind und Wellen zu testen. Später dauert eine komplette Tour inklusive Umschlag im Bremerhavener Kaiserhafen, Installation sowie Rückfahrt nur noch zwei Wochen – sofern das Wetter mitspielt.

Bis zu 150.000 Euro Tagesmiete

Das rund 220 Millionen Euro teure Schiff ist offensichtlich sein Geld wert. Schon für deutlich kleinere Errichterschiffe, die heute im Einsatz sind, sind bis zu 150.000 Euro Tagesmiete fällig. Die ‚Innovation‘ dürfte Hochtief deutlich mehr einbringen. 70 % des Einkaufsvolumens stammen übrigens aus deutscher Produktion. Dazu zählen das Hubsystem von Siemens und der Liebherr-Kran. Dieser Kran versetzt die Firma HGO InfraSea Solutions erst in die Lage, pro Jahr mehr als 80 Offshore-Windkraftanlagen mit einer Nabenhöhe von bis zu 120 Metern über dem Wasserspiegel zu installieren.Der CAL 64000 genannte Schwerlastkran erreicht eine maximale Tragkraft von 1500 t bei einem Arbeitsradius von bis zu 31,5 m. Selbst bei knapp 46 m Ausladung beträgt die Tragkraft noch 1.000 t. Die Auslegerlänge des Krans liegt bei 105 m und das Eigengewicht beträgt 1500 t. Faszinierend ist die Hubhöhe des Großkrans von mehr als 120 m über dem Deck. Der Drehkranz ist mit einem Außendurchmesser von knapp 13 m und einem lichten Innendurchmesser von 11 m auch bemerkenswert umfangreich. Allein das Drehlager hat ein Gesamtgewicht von mehr als 100 t.

So kommt der Strom an Land. Mit dem HGÜ-Verfahren gibt es kaum Verluste unterwegs. Bild: Siemens

So kommt der Strom an Land. Mit dem HGÜ-Verfahren gibt es kaum Verluste unterwegs. Bild: Siemens

Zu den innovativen technischen Lösungen gehört, dass der Kran nach dem CAL-Bauprinzip (Crane Around the Leg) konzipiert worden ist. Er wird auf dem Spezialhubschiff so montiert, dass er sich um eines der vier Hubbeine der ‚Innovation‘ um 360 Grad drehen kann. Liebherr in Rostock baut damit weltweit den ersten Offshorekran in dieser Kombination.

Der entscheidende Vorteil der Crane-Around-the-Leg-Konzeption ist, dass er trotz seiner Größe platzsparend positioniert ist und damit einen verhältnismäßig kleinen Störradius von nur 12 m bietet. Die spezielle Konzeption des Krans als ‚Crane Around the Leg‘ bedingte allerdings eine besondere Montageplanung. Das Aufsetzen des Krans musste untypischerweise vor dem Einsetzen des Hubbeines erfolgen.

Besondere Hydrozylinder-Konstruktion

Siemens arbeitet derzeit an vier HGÜ-Plattformen, HelWin1 ist die kleinste davon. Die Einzelanfertigung wiegt mehr als 20 beladene und vollgetankte Großraumflugzeuge des Typs Airbus A380. Sie ist 75 Meter lang und 50 Meter breit, was einer Grundfläche von 3750 Quadratmeter entspricht. Damit ist sie größer als ein halbes Standard-Fußballfeld (7140 m2). Auf eine Gesamthöhe von 27 Metern verteilen sich sieben Decks. Bild: Siemens

Siemens arbeitet derzeit an vier HGÜ-Plattformen, HelWin1 ist die kleinste davon. Die Einzelanfertigung wiegt mehr als 20 beladene und vollgetankte Großraumflugzeuge des Typs Airbus A380. Sie ist 75 Meter lang und 50 Meter breit, was einer Grundfläche von 3750 Quadratmeter entspricht. Damit ist sie größer als ein halbes Standard-Fußballfeld (7140 m2). Auf eine Gesamthöhe von 27 Metern verteilen sich sieben Decks. Bild: Siemens

Durch die Twin-Auslegerform verlaufen die beiden Auslegerarme mit einem Abstand von 14 m parallel zueinander. Dies ermöglicht das Parken des Auslegers über einem der vorderen Schiffsbeine. Durch diese Positionierung des Krans wird verhindert, dass freie Fläche an Deck blockiert wird, welche für die Beladung des Schiffes genutzt werden kann. Dort ist dadurch mit 3400 Quadratmetern soviel Platz, dass drei Tripod-Fundamente auf einmal transportiert werden können – ein unbestreitbarer Zeitvorteil

Gesteuert wird der Kran durch die hauseigene Liebherr-Litronic zur Kransteuerung und Maschinendatenerfassung und bewegt wird er durch den leistungsstarken elektrohydraulischen Antrieb mit 4000 kW. Für die harten Bedingungen auf See hat Liebherr eigens spezielle doppelwirkende Hydraulikzylinder entwickelt, die den Lift des Kranes bewirken und dem hohen Salzgehalt in der Luft standhalten.Die enormen Ausmaße des Schwerlastkrans erforderten eine spezielle Planung von Produktion, Transport und Montage. Die Produktionsanlagen im Werk Rostock und sogar die werkseigenen Straßen mussten extra verbreitert und vergrößert werden, ebenso wie die Durchfahrt des Liebherr-Werks – sonst hätte der Kran nicht hindurchgepasst.

Der 1500-Tonnen-Offshorekran konnte denn auch nicht in einem Stück an die Christ-Werft in Gdynia in der Danziger Bucht geliefert werden, wo die Endmontage stattfand. Deshalb wurde er in mehreren Einzelteilen nach Polen verschifft. Zunächst kamen in Rostock die erste Ausleger-Sektion (Länge 56 m, Gewicht 300 t) sowie die 420 Tonnen schwere Drehbühne, das 160 Tonnen schwere Maschinenhaus und der Kranhaken (Gewicht 60 t) auf einen Ponton.

Nach der Rückkehr des Pontons aus Polen waren die restlichen Komponenten des Mega-Krans zu verschiffen, darunter die zweite Ausleger-Sektion. Der Ausleger des Offshorekrans erreicht nach der Endmontage auf der „Innovation“ eine Gesamtlänge von 105 Metern.

Die derzeit gängige Installationspraxis für Gründungsstrukturen von Offshore-Windkraftanlagen stellt das Rammverfahren dar. Insbesondere bis Wassertiefen von 35 Metern werden sogenannte Monopiles verwendet. Hierzu wird ein hydraulischer Hammer auf dem einzubringenden Pfahl befestigt. Dieser schlägt mit rund 30 Schlägen pro Minute und bis zu 8000 Schlägen pro Pfahl den Pfahl in den Seeboden. „Die Impulsenergie des Hammers löst starke Biege- und Dehnmomente im Rohr aus und die dabei auftretende Kompression breitet sich unter Wasser mit Schallgeschwindigkeit aus“, erklärt Manfred Schultz-von Glahn, Geschäftsführer des Instituts für technische und angewandte Physik (itap) in Oldenburg.

Offshore-Windpark

Strom ohne Reue versprechen die großen Offshore-Windparks. Hier der Park London Array, der augenblicklich weltgrößte Offshore-Windpark. Bild: Siemens

Durch diese Technik werden selbst in einer Entfernung von 750 Metern noch Spitzenschalldruckpegel von 195 dB sowie Dauerschalldruckpegel von 178 dB erreicht. Die Auswirkungen auf die Meeresfauna, insbesondere auf die in Nord- und Ostsee heimischen Schweinswale, sind verheerend. Bei diesen, sich akustisch orientierenden und kommunizierenden Tieren können oberhalb von 164 dB temporäre Hörschwellenverschiebungen bis hin zu tödlichen Verletzungen eintreten. Bei den eher kleineren Rammpfählen für Jackets oder Tripods ist es zwar leiser, aber dafür dauert das Rammen sehr viel länger.

Materialabbau unter Wasser

Im Gegensatz zum Rammverfahren wird bei der OFD-Technik, dem Offshore Foundation Drilling, das von der Firma Herrenknecht entwickelt wurde, der gegenwärtig einzuhaltende Richtwert von 160 dB vom BSH (Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie) um mehr als 40 dB unterschritten. Hierbei erfolgt der Materialabbau unter Wasser durch einen Fräskopf, der sich in konzentrischen Kreisen um die Pfahlachse dreht und dadurch die Sohlfläche abbaut. Der Abraum wird mit einer Tauchmotorpumpe über Tage gefördert. Dort wird der Feststoff vom Wasser getrennt und zwischengelagert. Das gereinigte Wasser wird dem Bohrprozess wieder zugeführt.

Und wie kommt der Strom an Land? Bisher wurden küstennahe Offshore-Windparks mit konventioneller Wechselstromübertragungstechnik ans Netz angebunden, da dies bei Entfernungen unter 80 Kilometern technisch noch machbar und auch wirtschaftlich ist. Auf längeren Strecken wirken Wechselspannungskabel allerdings wie Kondensatoren, die 50 Mal pro Sekunde geladen und entladen werden. Die Energie geht dabei durch sogenannte Blindleistungsverluste an der Isolation des Unterseekabels verloren und bleibt sprichwörtlich auf der Strecke.Die HGÜ-Technik, bei der es diese Verluste nicht gibt, beginnt ihre Vorteile bereits bei Distanzen von 60 Kilometern auszuspielen. Mit Gleichstrom einer Spannung von 250 bis 320 Kilovolt lassen sich große Mengen an Strom nahezu verlustfrei über hunderte von Kilometern transportieren.

Für den Service von Windturbinen auf See ist nicht jeder geeignet. Diese Arbeit verlangt technische und theoretische Fachkenntnisse und entsprechende Schulungen sowie umfassende Sicherheitstrainings. Höhenangst oder eine Anfälligkeit, seekrank zu werden, ist beim Offshore-Windservice fehl am Platz.

Für den Service von Windturbinen auf See ist nicht jeder geeignet. Diese Arbeit verlangt technische und theoretische Fachkenntnisse und entsprechende Schulungen sowie umfassende Sicherheitstrainings. Höhenangst oder eine Anfälligkeit, seekrank zu werden, ist beim Offshore-Windservice fehl am Platz.

Siemens wird für den Transport der Windenergie per HGÜ ans Festland eine schwimmende und sich selbst aufrichtende Offshore-Plattform samt Technik liefern. Auf dieser Plattform namens ‚BorWin beta‘ wird die von den Windturbinen gelieferte Wechselspannung von 155 auf 300 Kilovolt transformiert und dann in Gleichstrom derselben Spannung umgewandelt. Die Plattform beheimatet die gesamte Ausrüstung für HGÜ-Konverter, also Konverter, zwei Transformatoren, vier Kompensationsdrosseln für die Wechselstromkabel und gasisolierte Hochspannungs-Schaltanlagentechnik.

Platzsparende Konverter-Lösung

Das Herzstück einer solchen Plattform ist der HVDC Plus, eine platzsparende Version eines Hochspannungsgleichstromkonverters von Siemens. Damit können noch im Meer bis zu 1 GW Leistung in Gleichstrom übergeführt werden.

Die Windenergie wird über See- und Landkabel dann nach Diele bei Papenburg transportiert, wo sie zur weiteren Übertragung und Verteilung in einer Station auf dem Festland wieder von Gleich- in Wechselspannung umgewandelt wird. Es wird sich zeigen, ob dieser Strom dann per Hochspannungs-Überlandleitung in den Süden Deutschlands transportiert wird. Parallel gibt es auch Überlegungen, insgesamt vier HGÜ-Trassen von Norddeutschland nach Süddeutschland zu erstellen. Die Stadtwerke München gehören jedenfalls zu Gesellschaftern mit den größten Beteiligungen an dem Offshorepark Global Tech 1, für den die ‚Innovation‘ vor Borkum im Einsatz gewesen ist. Sie wollen bis 2025 den gesamten Energiebedarf Münchens aus eigenen Ökostromanlagen beziehen – die Windkraft von der Nordsee gehört dazu.

Autor: Ragna Sonderleittner, freie Journalistin