Die Beschaffenheit des Untergrunds in der deutschen Nord- und Ostsee ist, wie in vielen anderen relevanten Regionen vor den Küsten Dänemarks, Englands oder Polens, durch vergangene Eiszeiten geprägt, die für komplizierte geologische Ablagerungssysteme, inklusive zum Teil spektakulärer unterirdischer und mit geologischen Sedimenten verfüllter Canyons, verantwortlich sind. Neben dieser geologischen Komplexität sind eiszeitliche Systeme durch die flächendeckende Ablagerung von durch Gletscher transportierten Gesteinsbrocken gekennzeichnet, die eine erfolgreiche Offshore-Fundamentgründung nachhaltig gefährden können. Des Weiteren sind vielerorts in oberflächennahen Erdschichten organisches Material und Gasvorkommen anzutreffen, die zu Destabilisierungseffekten führen können. Eine möglichst detailgetreue Untergrundabbildung ist deshalb von entscheidender Bedeutung, um die grundsätzliche Eignung infrage kommender Bebauungsflächen für die Errichtung von Offshore-Windparks feststellen zu können. Abbildung 1 illustriert für eine vom Fraunhofer IWES durchgeführte Vorerkundung in der Nordsee, wie hochauflösende seismische Daten ähnlich der nichtinvasiven Bildgebung in der Medizin die Ableitung eines ersten Untergrundmodells ermöglichen. Da die direkte, invasive Erhebung geotechnisch relevanter Daten etwa durch sogenannte Cone Penetration Tests (CPTs) kostenaufwändig und damit nur punktuell möglich ist, kann die Integration bildgebender Verfahren wie die hochauflösende marine Seismik einen effektiven Mehrwert bei der Risikominimierung von Fundamentgründungen im Rahmen des Offshore-Windausbaus liefern.
© Fraunhofer IWES
Geophysikalische Vorerkundung von Offshore-Windparkflächen
Im Rahmen der Ausschreibungsverfahren der infrage kommenden Flächen in der deutschen Nord- und Ostsee arbeitet das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES seit vielen Jahren mit der verantwortlichen Bundeseinrichtung zur Flächenvergabe – dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) – zusammen und führt mit Partnern die schiffsbasierten geophysikalischen Vorerkundungen, insbesondere in der deutschen Nordsee, durch. Im Rahmen des Flächenentwicklungsplans 2025 sind hierzu weitere ausgedehnte Messkampagnen in der Nordsee vorgesehen. Im Zuge der schiffsgebundenen geophysikalischen Vermessungen kommen seismische Verfahren zum Einsatz, die denen aus der marinen Öl- und Gasindustrie ähneln, aber speziell an Herausforderungen in flachen Gewässern angepasst sind und deutlich höhere Auflösungen erzielen können. Ähnlich dem Ultraschallverfahren in der Medizin können so detailgetreue Abbilder der fundamentrelevanten obersten knapp 100 m unterhalb des Meeresbodens erzeugt und gezielt strukturell untersucht und modelliert werden. Diese Abbilder sind bedeutend für die geologische Interpretation und die anschließende Erstellung von Untergrundmodellen.
Gefahrenminimierung durch Objektdetektion
Während bei der Planfeststellung von Offshore-Windflächen eine ganzheitliche und großräumige Charakterisierung des Untergrunds genügt, sind bei der Errichtung von individuellen Windenergieanlagen-Fundamenten alle Details entscheidend, da kleinräumige Störkörper wie feste eiszeitliche Gesteinsbrocken oder nicht akkurat vermessene Untersee-Kabeltrassen, sowie Altlasten aus Zeiten des Zweiten Weltkrieges (Unexploded Ordnance – UxO) für erhebliche Installationsrisiken sorgen können. Bedingt durch die Kleinräumigkeit dieser Störkörper wird seit einigen Jahren ein eigens zu diesem Zweck am Fraunhofer IWES entwickeltes, patentiertes mehrkanalseismisches Messsystem für die Detektion des diffrakteren Wellenfelds erfolgreich in industriellen Projekten zur gezielten Gefahrenabschätzung in deutschen, polnischen und englischen Gewässern eingesetzt. Im Jahr 2023 wurden mit diesem spezialisierten System Messungen an sämtlichen geplanten Windturbinenstandorten und Kabeltrassen des ersten polnischen Offshore-Windparks Baltic Power durchgeführt und konnten einen wichtigen Beitrag dazu leisten, dass die ersten, Anfang 2025 durchgeführten Fundamentinstallationen ereignislos und erfolgreich verliefen. Abbildung 2 zeigt, wie das Messsystem im Rahmen der Objektdetektion für Baltic Power zusammen mit zwei kontrollierten seismischen Quellen hinter dem Schiff geschleppt wird.
© Fraunhofer IWES
Weiterentwicklungen durch angewandte Forschung
Am Fraunhofer IWES wird in enger Abstimmung mit Industriepartnern aktiv an Verbesserungen in der Messtechnik und optimierten Auswerteverfahren für die Untergrundbewertung und Gefahrenabschätzung geforscht, um die Risikominimierung und Geschwindigkeit beim Offshore-Windausbau zu stärken und somit die oft sehr zeitaufwändige Planungsphase von Offshore-Windparks sicherer zu machen und weiter zu verkürzen. Zur Erhöhung der Auflösung wird in diesem Jahr beispielsweise die digitale Abtastrate der seismischen Aufzeichnung verdoppelt, um kleinräumige geologische Strukturen und Störkörper noch verlässlicher zu detektieren und charakterisieren zu können. Während das auf die Objektdetektion spezialisierte Messsystem mit gezielt optimierten Sensorgruppierungen wetterrobuster gemacht wird, befindet sich eine miniaturisierte Version dieses Schlepprahmens in der Entwicklung, der mithilfe eines ROTVs (remotely operated towed vehicles) meeresbodennah in größeren Tiefen geführt werden kann und so eine verlässlichere Ortung von Unterseekabeln ermöglichen soll, sowie eine direkte Charakterisierung und Klassifizierung von UxO-Objekten verspricht. Die beiden öffentlich geförderten Forschungsprojekte SASACD und IRAV untersuchen gezielt diese Fragestellungen.
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