DE202013009991U1

DE202013009991U1 - Struktur, insbesondere Gründungsstruktur für eine Windenergieanlage, Windenergieanlage, Arbeitsplattform oder Spundwand, sowie Einrichtung auf See oder an der Küste damit

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Publication number: DE202013009991U1
Application number: DE202013009991.7U
Authority: DE
Original assignee: KORUPP GmbH
Current assignee: KORUPP GmbH
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2014-05-12
Anticipated expiration: 2023-11-05

Abstract

Struktur, insbesondere Gründungsstruktur für eine Windenergieanlage, Windenergieanlage, Arbeitsplattform oder Spundwand, mit wenigstens einem metallischen Element (4) für die Anordnung zumindest teilweise in der oberhalb der Wasseroberfläche (8) eines Gewässers (2) befindlichen Spritzwasserzone (7) und mit wenigstens einer das metallische Element (4) zumindest in zugeordneten Oberflächenabschnitten umgebenden Umhüllung (14) für einen Schutz dieser der Umhüllung (14) zugeordneten Oberflächenabschnitte des metallischen Elementes (4) vor Korrosion, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14) ein saugfähiges Material (15) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Struktur, welche wenigstens ein metallisches Element für die Anordnung zumindest teilweise in der oberhalb der Wasseroberfläche eines Gewässers befindlichen Spritzwasserzone sowie wenigstens eine das metallische Element zumindest in zugeordneten Oberflächenabschnitten umgebende Umhüllung für einen Schutz dieser der Umhüllung zugeordneten Oberflächenabschnitte des metallischen Elementes vor Korrosion aufweist. Eine derartige Struktur ist insbesondere eine Gründungsstruktur für eine Windenergieanlage, eine Windenergieanlage mit der Gründungsstruktur, eine Arbeitsplattform oder eine Spundwand. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung auf See oder an der Küste, die eine derartige Struktur aufweist. Beispielsweise handelt es sich bei der Einrichtung um einen Windpark oder eine Hafenanlage.
An metallischen Elementen derartiger Strukturen kann es zu Korrosionsschäden kommen, wenn kein ausreicher Korrosionsschutz gewährleistet ist. Als passiver Korrosionsschutz kann eine Umhüllung in Form von Korrosionsschutzfarbe auf den zu schützenden metallischen Elementen aufgetragen sein, welche eine abschirmende Wirkung hat. Eine derartige Farbschicht muss jedoch in regelmäßigen Zeitabständen erneuert werden. An eventuellen Lücken bzw. Rissen in der Farbschicht kann zudem verstärkte Korrosion stattfinden. Besonders gefährdet für Korrosion ist die Spritzwasserzone, die aufgrund von Gezeiten und Wellengang zeitweise von Wasser und zeitweise von Luft umgeben ist. Gerade aggressives Salzwasser kann Elektronen aus freiliegenden Stellen metallischer Elemente lösen, so dass nachfolgend Ionen mit Sauerstoff aus der Luft reagieren können und somit Korrosion erfolgt. Das metallische Element, beispielsweise ein Stahlträger, rostet. Zur Erhöhung der Lebensdauer einer Windenergieanlage kann daher die Materialstärke in der Spritzwasserzone besonders groß bemessen sein. Dennoch kann es lokal zu verstärkter Korrosion kommen, so dass die Standsicherheit der Windkraftanlage nach einigen Jahren nicht mehr sicher gewährleistet ist.
Unterhalb der Wasseroberfläche ist regelmäßig, insbesondere bei Windkraftanlagen, ein aktiver Korrosionsschutz vorgesehen. Der aktive Korrosionsschutz wird durch wenigstens eine Anode bereitgestellt, die in der Umgebung des zu schützenden Bauteiles angeordnet ist. Dadurch wird ein Elektronenstrom in Richtung des zu schützenden Bauteiles erreicht, so dass keine oder nur wenige Elektronen aus dem zu schützenden Bauteil herausgelöst werden und somit eine Schutzwirkung eintritt. Zwischen der Anode und dem zu schützenden Bauteil erfolgt der Elektronenfluss durch das Wasser, insbesondere Salzwasser, welches dabei als Elektrolyt wirkt.
Es ist bekannt, einen aktiven kathodischen Korrosionsschutz unterhalb der Wasseroberfläche mittels einer galvanischen Anode oder Opferanode aus einem gegenüber dem Material des zu schützenden Bauteiles unedleren Material vorzusehen, wobei jedoch eine verstärkte Korrosion an der Anode auftritt. Es ist ferner bekannt, als Anode eine Fremdstrom-Anode vorzusehen, die von einem Gleichrichter mit der notwendigen Treibspannung versorgt wird und bei der somit eine Gleichstromquelle für den Elektronenfluss von der Anode zum zu schützenden Bauteil sorgt. Fremdstrom-Anoden haben einen sehr geringen Materialabtrag und daher regelmäßig Standzeiten von mehr als 20 Jahren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Korrosionsschutz bei einer Struktur auf See oder an der Küste in der Spritzwasserzone zu verbessern.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Struktur gemäß dem Schutzanspruch 1 und einer Einrichtung auf See oder an der Küste gemäß dem Schutzanspruch 12. Bei einer Struktur, mit wenigstens einem metallischen Element für die Anordnung zumindest teilweise in der oberhalb der Wasseroberfläche eines Gewässers befindlichen Spritzwasserzone und mit wenigstens einer das metallische Element zumindest in zugeordneten Oberflächenabschnitten umgebenden Umhüllung für einen Schutz dieser der Umhüllung zugeordneten Oberflächenabschnitte des metallischen Elementes vor Korrosion ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Umhüllung ein saugfähiges Material aufweist.
Das saugfähige Material dient insbesondere zur Anreicherung von Wasser aus dem Gewässer als leitfähiger Elektrolyt, welcher sich um die der Umhüllung zugeordneten Oberflächenabschnitte des metallischen Elementes herum sammelt. Damit wird ein kathodischer Korrosionsschutz dieser der Umhüllung zugeordneten Oberflächenabschnitte des metallischen Elementes in der Spritzwasserzone erreicht, wenn im Gewässer in der Umgebung der Struktur wenigstens eine Anode vorgesehen ist. Als Anode ist wenigstens eine galvanische Anode und/oder wenigstens eine Fremdstrom-Anode vorgesehen, die jeweils vorzugsweise bereits für den bekannten Korrosionsschutz unter Wasser vorhanden ist. Mit Vorzug brauchen also keine zusätzlichen Anoden für den Korrosionsschutz in der Spritzwasserzone installiert werden. Die Erfindung weitet den bekanntermaßen unterhalb der Wasseroberfläche angewendeten kathodischen Korrosionsschutz auf die Spritzwasserzone oberhalb der Wasseroberfläche aus.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das saugfähige Material in das Gewässer hineinreicht und Wasser, welches insbesondere Salzwasser ist, aus dem Gewässer ansaugt. Durch das vom saugfähigen Material aufgenommene Wasser ist ein Elektronenfluss von der Anode zur Struktur möglich. Der durch den Elektronenfluss gegebene Schutzstrom senkt das elektrische Potenzial im Grenzbereich des Wassers zur Struktur soweit in den kathodischen Bereich ab, dass einer Korrosion in an das Wasser angrenzenden Bereichen der Struktur entgegengewirkt ist. Insbesondere ist bei ausreichender kathodischer Polarisation des an die Oberfläche des metallischen Elementes angrenzenden Wassers die Oberfläche des metallischen Elementes, die vom saugfähigen Material bedeckt ist, vor Korrosion geschützt.
Dank der Erfindung wird für eine definierte Wandstärke des metallischen Elementes in der Spritzwasserzone und eine definierte Schichtdicke von passivem Korrosionsschutz, insbesondere in Form eines Anstriches, ein gegenüber herkömmlich geschützten Strukturen länger anhaltender Korrosionsschutz erreicht. Die Erfindung trägt somit dazu bei, die Lebensdauer von Strukturen auf See oder an der Küste mit metallischen Elementen signifikant zu erhöhen. Zugleich werden Kosten gespart, da der Betrieb des aktiven kathodischen Korrosionsschutzes weitaus günstiger ist als eine Reparatur oder eine Teilerneuerung von Schutzanstrichen sowie Kontrollen auf Schäden und gegebenenfalls das Stilllegen und Austauschen der gesamten Struktur aufgrund von Korrosionsschäden. Die Erfindung spart somit Kosten, begrenzt Ressourcenverbrauch und schont die Umwelt.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist das saugfähige Material ein aufgespritzter Schaumstoff. Der Schaumstoff kann bereits bei der Herstellung der Struktur auf das metallische Element bzw. auf die Struktur aufgespritzt werden. Das saugfähige Material hält nachfolgend ohne weitere Befestigung an dem metallischen Element.
Gemäß einer zur ersten Ausführungsform alternativen zweiten Ausführungsform ist das saugfähige Material ein Vlies, insbesondere Kunststoffvlies, und kann daher besonders vorteilhaft nachträglich an einer bestehenden Struktur, wie einer im Gewässer stehenden Windkraftanlage, angebracht werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Vlies mit Manschetten und/oder Schellen am metallischen Element zu befestigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das saugfähige Material eine Dicke von wenigstens 4 mm auf. Vorzugsweise ist eine Dicke des saugfähigen Materiales zwischen 4 und 12 mm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 10 mm, vorgesehen. Mit einer derartigen Dicke ist ein ausreichender Elektronenfluss sichergestellt und zugleich das im Wesentlichen von der Struktur zu tragende Gewicht des vollgesaugten Materiales auf ein notwendiges Maß begrenzt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Umhüllung in das saugfähige Material integrierte Elektronenleiter auf. Die Elektronenleiter sind insbesondere Titandrähte oder Titanstreifen und vorzugsweise mit Mischoxiden beschichtet. Alternativ ist ein anderes edles Metall als Elektronenleiter vorgesehen, welches selbst nicht Gefahr läuft, zu korrodieren. Dank der Elektronenleiter ist der Elektronenfluss innerhalb des saugfähigen Materials gegenüber dem allein durch das Wasser ermöglichten Elektronenfluss verbessert. Hierfür sind die Titandrähte bzw. Elektronenleiter insbesondere vertikal ausgerichtet und reichen bis zum unteren Rand des saugfähigen Materials. Der zum Schutz der Struktur erforderliche Schutzstrom wird von der Anode durch das Wasser und die Elektronenleiter auf oberhalb der Wasseroberfläche befindliche Bereiche der Struktur geleitet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Umhüllung eine das saugfähige Material umhüllende Folie, insbesondere Basaltfolie, auf. Die Folie dient zum Schutz des saugfähigen Materiales, insbesondere vor Muschelbewuchs. Die Folie ist daher vorzugsweise derart ausgebildet, dass Muscheln und andere Lebewesen nicht oder nur schwer an dieser Folie haften können. Die Umhüllung muss daher nicht oder nur selten von Muschelbewuchs befreit werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umhüllung gegen Salzwasser geschützt oder salzwasserbeständig. Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Umhüllung gegen Verrottung geschützt oder verrottungssicher. Dadurch wird eine lange Lebensdauer oder Nutzungsdauer der Umhüllung ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Umhüllung UV-beständig. Auch die UV-Beständigkeit ermöglicht eine hohe Lebensdauer der Umhüllung auch unter Sonneneinwirkung.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das metallische Element aus Stahl oder weist Stahl auf. Stahl ist ein besonders geeigneter Werkstoff für Strukturen auf See oder an der Küste.
Die Einrichtung auf See oder an der Küste, für die separater Schutz beansprucht ist, weist die erfindungsgemäße Struktur auf, die teilweise unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist und teilweise aus dem Gewässer ragt. Ferner weist die Einrichtung wenigstens eine unterhalb der Wasseroberfläche angeordnete Anode auf. Die Anode umfasst insbesondere wenigstens eine galvanische Anode und/oder wenigstens eine Fremdstrom-Anode. Im Zusammenwirken mit der Anode wird die kathodische Schutzwirkung mittels vom saugfähigen Material aufgesaugten Wassers erreicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung ist wenigstens eine als Fremdstrom-Anode ausgebildete Anode und ist das metallische Element zur Bereitstellung eines elektrischen Potentialgefälles zwischen der Fremdstrom-Anode und dem metallischen Element an einen Gleichrichter angeschlossen. Der Gleichrichter ist vorzugsweise Teil der Einrichtung. Die kathodische Schutzwirkung wird somit durch Fließen eines Elektronenstromes von der Anode zu den der Umhüllung zugeordneten Oberflächenabschnitten des metallischen Elementes erreicht. Der Elektronenüberschuss an diesen Oberflächenabschnitten bewirkt die Schutzwirkung vor Korrosion, insbesondere analog zu einem gegebenenfalls unter der Wasseroberfläche erreichten Schutz an der Oberfläche von unter der Wasseroberfläche angeordneten Abschnitten der Struktur.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Schutzansprüchen und aus dem anhand der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispiel.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt Teile einer Einrichtung 1 auf See, die in einem Gewässer 2 angeordnet ist, in einer Teilschnittdarstellung. Die Einrichtung 1 weist eine teilweise dargestellte Struktur 3, welche beispielsweise die Gründungsstruktur für eine Windenergieanlage oder eine Windenergieanlage ist, auf. Die Struktur 3 weist ein metallisches Element 4, insbesondere ein Monopile, auf, welches in drei Zonen angeordnet ist, nämlich in einem Luftbereich 5, in einem Wasserbereich 6 und in einer zwischen dem Luftbereich 5 und dem Wasserbereich 6 befindlichen Spritzwasserzone 7. Der Luftbereich 5 ist im Wesentlichen dauerhaft oberhalb der Wasseroberfläche 8 des Gewässers 2 angeordnet, das heißt auch bei Hochwasser und Wellengang. Der Wasserbereich 6 ist hingegen im Wesentlichen dauerhaft unterhalb der Wasseroberfläche 8 angeordnet, das heißt auch bei Niedrigwasser. Die Spritzwasserzone 7 ist hingegen ein Bereich, der aufgrund von Wellengang und Tidenhub zeitweilig mit Wasser benetzt wird oder zeitweilig oberhalb und zeitweilig unterhalb der Wasseroberfläche 8 liegt.
Das metallische Element 4 ist aus Stahl gebildet und im Grund 9 des Gewässers 2 fixiert. Alternativ sind andere Gründungen der Struktur 3 möglich. Unterhalb der Wasseroberfläche 8 sind eine galvanische Anode 10 aus Aluminium und eine an eine elektrische Zuleitung 11 angeschlossene Fremdstrom-Anode 12 in Form einer Titananode mit Mischoxiden angeordnet. Die Fremdstrom-Anode 12 ist über die elektrische Zuleitung 11 an einen Gleichrichter 13 angeschlossen, über den eine Versorgung mit Energie stattfindet. Der Gleichrichter 13 erzeugt mittels einer externen Stromversorgung einen kathodischen Schutzstrom zwischen der Fremdstrom-Anode 12 und dem metallischen Element 4 durch das Salzwasser des Gewässers 2. Durch die Elementspannung zwischen Aluminium und Stahl wird zudem ein kathodischer Schutzstrom zwischen der galvanischen Anode 10 einerseits und dem metallischen Element 4 andererseits durch das Salzwasser des Gewässers 2 bereitgestellt.
In der Spritzwasserzone sowie geringfügig in den Luftbereich 5 und den Wasserbereich 6 hineinreichend ist eine Umhüllung 14 um das metallische Element 4 herum angeordnet. Die Umhüllung 14 weist ein saugfähiges Material 15 in Form eines auf das metallische Element 4 aufgespritzten Schaumstoffes auf. Das saugfähige Material 15 saugt sich mit Salzwasser aus dem Gewässer 2 voll. Daher fließt der kathodische Schutzstrom durch das Salzwasser des Gewässers 2 weiter über die mit Salzwasser gesättigte Umhüllung 14 zum metallischen Element 4 und baut auch in der Spritzwasserzone 76 eine kathodische Polarisation auf. Die kathodische Polarisation in der Spritzwasserzone 7 wirkt einer Korrosion an der Umhüllung 14 zugeordneten Oberflächenabschnitten des metallischen Elementes 4 entgegen. Ein kathodischer Korrosionsschutz für das metallische Element 4 besteht somit auch in der Spritzwasserzone 7. Der Elektronenfluss von den Anoden 10 und 12 im Gewässer 2 zur Umhüllung 14 ist durch gestrichelte Pfeile e angedeutet.
In das saugfähige Material 15 sind rings um das metallische Element 4 verteilt mehrere vorzugsweise stabförmige Elektronenleiter 16 in Form von Titandrähten angeordnet, welche den Elektronenfluss innerhalb der Umhüllung 14 in vertikaler Richtung verbessern. Um das saugfähige Material 15 herum ist eine als Basaltfolie ausgebildete Folie 17 angeordnet, an der Muscheln nur schwer haften können, so dass einem Muschelbewuchs der Umhüllung 14 entgegengewirkt ist.
Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.

Claims

Struktur, insbesondere Gründungsstruktur für eine Windenergieanlage, Windenergieanlage, Arbeitsplattform oder Spundwand, mit wenigstens einem metallischen Element (4) für die Anordnung zumindest teilweise in der oberhalb der Wasseroberfläche (8) eines Gewässers (2) befindlichen Spritzwasserzone (7) und mit wenigstens einer das metallische Element (4) zumindest in zugeordneten Oberflächenabschnitten umgebenden Umhüllung (14) für einen Schutz dieser der Umhüllung (14) zugeordneten Oberflächenabschnitte des metallischen Elementes (4) vor Korrosion, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14) ein saugfähiges Material (15) aufweist.
Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das saugfähige Material (15) ein aufgespritzter Schaumstoff ist.
Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das saugfähige Material (15) ein Vlies ist.
Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vlies mit Manschetten und/oder Schellen am metallischen Element (4) befestigt ist.
Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das saugfähige Material (15) eine Dicke von wenigstens 4 mm, vorzugsweise zwischen 4 und 12 mm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 10 mm, aufweist.
Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14) in das saugfähige Material (15) integrierte Elektronenleiter (16), insbesondere in Form von Titandrähten, aufweist.
Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14) eine das saugfähige Material (15) umhüllende Folie (17), insbesondere Basaltfolie, aufweist.
Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14) gegen Salzwasser beständig ist.
Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14) gegen Verrottung geschützt ist.
Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (14) UV-beständig ist.
Struktur nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Element (4) aus Stahl besteht.
Einrichtung auf See oder an der Küste mit wenigstens einer teilweise unterhalb der Wasseroberfläche (8) angeordneten und teilweise aus dem Gewässer (2) ragenden Struktur (3) nach einem der vorherigen Ansprüche und mit wenigstens einer unterhalb der Wasseroberfläche (8) angeordneten Anode (10, 12).
Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine als Fremdstrom-Anode ausgebildete Anode (12) zur Bereitstellung eines elektrischen Potentialgefälles zwischen der Anode (12) und dem metallischen Element (4) an einen Gleichrichter (13) angeschlossen ist.