Zur Schallausbreitung im System Pfahl-Wasser-Boden bei der Rammung von Offshore-Gründungspfählen

Bruns, Benedikt

doi:10.24355/dbbs.084-202412191034-0

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Zur Schallausbreitung im System Pfahl-Wasser-Boden bei der Rammung von Offshore-Gründungspfählen

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Um dem Klimawandel und seinen Folgen entgegen zu wirken, findet aktuell welt-weit der Umstieg von fossiler auf regenerative Energiegewinnung statt. Ein Schwerpunkt ist dabei der Ausbau der Offshore-Windenergie, die allen in Deutsch-land bis zum Jahr 2030 in der deutschen Nord- und Ostsee auf eine Leistung von 25 GW ausgebaut werden soll. Um die Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) auf See zu errichten, werden derzeit in den meisten Fällen die Pfähle mit Hilfe von gro-ßen Hydraulikrammen in den Boden eingetrieben. Bei diesem Vorgang entstehen lärmintensive Schallemissionen, die über den gerammten Pfahl in den Meeresbo-den sowie in das Meerwasser übertragen werden und sich dort konzentrisch über weite Entfernungen in den beiden Medien ausbreiten. Es handelt sich dabei um einen hochdynamischen stark frequenzabhängigen Ausbreitungsvorgang. Insbe-sondere die im Meerwasser entstehenden Schalldrücke (Hydroschall) wirken sich dabei negativ auf im Meer lebende Tiere und Organismen aus.

Zum Schutz dieser Lebewesen wurden vom Umweltbundesamt Grenzwerte für die Lärmemissionen definiert und in die Genehmigungsverfahren aufgenommen. Die Einhaltung der Grenzwerte müssen bei jeder Offshore-Pfahlrammung durch Mes-sungen kontrolliert und nachgewiesen werden. Im Zuge dessen wurden Schall-minderungsverfahren entwickelt, die derzeit während der Gründungsinstallationen zum Einsatz kommen. Aufgrund stetig wachsender Belastungen (Wassertiefe, Gründungstiefe, Größe der OWEA) auf die OWEA steigen auch die Pfahldurch-messer, was wiederum zu einer noch höheren Schallbelastung führt. Ein Schall-minderungssystem alleine reicht deshalb zukünftig zur verlässlichen Einhaltung der Grenzwerte nicht mehr aus, weshalb der kombinierte Einsatz von Schallminde-rungsverfahren immer größere Bedeutung bekommt. Dafür ist es im Idealfall not-wendig, die unterschiedlichen Verfahren hinsichtlich der frequenziellen Dämpfung aufeinander abzustimmen, um eine bestmögliche Schallminderung zu erzielen. Um dieses Zeil zu erreichen ist eine möglichst genaue Kenntnis der Wellenausbrei-tungsvorgänge im System Pfahl, Wasser und Boden von elementarer Bedeutung.

In der vorliegenden Dissertation wird die Schallausbreitung durch experimentelle Untersuchungen während der Installation von acht Gründungspfählen beim Wind-park Amrumbank West in der deutschen Nordsee begleitet. Dabei wurde eine Viel-zahl von Sensoren am Gründungspfahl appliziert, sowie im Meerwasser und auf dem Meeresboden ausgebracht und hochfrequent erfasst. Ziel war es, die Wellen-ausreitungsvorgänge in den Einzelmedien Pfahl, Wasser und Boden aber auch die Interaktionen der Medien untereinander nachvollziehen und beschreiben zu kön-nen. Auf diese Weise konnten klare Zusammenhänge zwischen der Pfahlschwin-gung, der Hydroschallausbreitung im Meerwasser und der Wellenausbreitung im Meeresboden beschrieben werden.

Zur Schallminderung wurden bei dem Windpark regulär erstmalig die beiden Schallminderungsverfahren Großer Doppelter Blasenschleier (DBBC) und das Hyd-ro-Sound-Damper (HSD) in Kombination eingesetzt. Zur Beurteilung der Wirksam-keit der Verfahren war es in Abstimmung mit den Genehmigungsbehörden darüber hinaus möglich, eine Referenzmessung ohne Schallminderung sowie auch den alleinigen Einsatz von DBBC und HSD zu untersuchen. Als Ergebnis der Untersu-chungen hat sich der maßgebende Energieinhalt der ungeminderten Pfahlram-mung im Frequenzbereich zwischen 50 Hz und 500 Hz herausgestellt. Während der HSD hauptsächlich im tieferfrequenten Frequenzbereich zwischen 80 Hz und 200 Hz den Hydroschall mindert, wirkt der DBBC wesentlich im Frequenzbereich größer 200 Hz. Beide Verfahren ergänzen sich sehr gut und haben die Grenzwerte verlässlich eingehalten. Die Kombination von unterschiedlichen Schallminde-rungsmaßnahmen hat sich in diesem Projekt bewährt und stellt eine Lösungsmög-lichkeit für die Einhaltung der Grenzwerte bei der Installation von Offshore-Gründungspfählen dar.

In order to counteract climate change and its consequences, the switch from fossil fuels to renewable energy generation is currently taking place worldwide. One focus is the expansion of offshore wind energy, which is to be expanded to a capacity of 25 GW in the German North and Baltic Seas by 2030. To erect offshore wind turbi-nes (OWTs) at sea, the piles are currently driven into the ground in most cases with the help of large hydraulic pile drivers. This process generates noise-intensive sound emissions, which are transmitted via the driven pile into the seabed and into the seawater, where they spread concentrically over long distances in both media. This is a highly dynamic, strongly frequency-dependent propagation process. In par-ticular, the sound pressures generated in seawater (hydro-sound) have a negative effect on animals and organisms living in the sea.

To protect these marine lifes, the Federal Environment Agency has defined limit va-lues for noise emissions and included them in the approval procedures. Compliance with the limit values must be checked and verified by measurements during every offshore pile driving operation. In the course of this, noise mitigation methods have been developed that are currently being used during foundation installations. Due to constantly increasing loads (water depth, foundation depth, size of the WTGs) on the WTGs, the pile diameters are also increasing, which in turn leads to an even higher noise level. A noise mitigation system alone will therefore no longer be suffi-cient to reliably comply with the limiting values in the future, which is why the com-bined use of noise mitigation methods is becoming increasingly important. Ideally, it is necessary to coordinate the different methods in terms of frequency attenuation in order to achieve the best possible noise reduction. In order to achieve this goal, it is essential to know the wave propagation processes in the pile, water and soil system as precisely as possible.

In this dissertation, the sound propagation is accompanied by experimental investi-gations during the installation of eight foundation piles at the Amrumbank West wind farm in the German North Sea. A large number of sensors were applied to the foundation pile, deployed in the seawater and on the seabed, and high frequency measurements were carried out.

In this dissertation, the sound propagation is accompanied by experimental investi-gations during the installation of eight foundation piles at the wind farm Amrumbank West in the German North Sea. A large number of sensors were applied to the foun-dation pile and deployed in the seawater and on the seabed and recorded at high frequency. The aim was to be able to understand and describe the wave propagati-on processes in the individual media of pile, water and soil, as well as the interac-tions between the media. In this way, clear relationships between the pile vibration, the hydro-sound propagation in the seawater and the wave propagation in the se-abed could be described.

For the first time, the two noise mitigation methods of double big bubble curtain (DBBC) and hydro-sound damper (HSD) were used in combination at the wind farm. To assess the effectiveness of the methods, it was also possible, in agreement with the licensing authorities, to examine a reference measurement without noise reduc-tion as well as the use of DBBC and HSD alone. As a result of the investigations, the decisive energy content of unmitigated pile driving in the frequency range between 50 Hz and 500 Hz emerged. While the HSD mainly reduces hydro noise in the lower frequency range between 80 Hz and 200 Hz, the DBBC has a significant effect in the frequency range above 200 Hz. Both methods complement each other very well and have reliably complied with the limiting values. The combination of different noise reduction measures has proven itself in this project and represents a possible solution for complying with the limiting values when installing offshore foundation piles.