Schallemission und Minderungsmaßnahmen beim Bau von Offshore-Windenergieanlagen. Dr.-Ing. Karl-Heinz Elmer Dipl.-Ing. Wolf-J.

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1 Elmer, K.-H.; Gerasch, W.-J. (2007): Schallemission und Minderungsmaßnahmen beim Bau von Offshore- Windenergieanlagen. In: Tagungsband zum 5. Symposium Offshore-Windenergie, bau- und umwelttechnische Aspekte, Hannover, 18. April Schallemission und Minderungsmaßnahmen beim Bau von Offshore-Windenergieanlagen Dr.-Ing. Karl-Heinz Elmer Dipl.-Ing. Wolf-J. Gerasch Leibniz Universität Hannover Institut für Statik und Dynamik (ISD) Appelstr. 9A, D Hannover Tel.: Fax:

2 Karl-Heinz Elmer, ISD 1 Schallemission und Minderungsmaßnahmen beim Bau von Offshore- Windenergieanlagen Einleitung Beim Betrieb und insbesondere bei der Errichtung von Offshore-Windenergieanlagen treten erhebliche Hydroschallemissionen auf, die zu Beeinträchtigungen und Schädigungen von Meeressäuger und anderen Meeresbewohnern führen können. Zuverlässige Grenzwerte, Beurteilungen und Prognosen der zu erwartenden Schallemissionen sind erforderlich, um Beeinträchtigungen und Schädigungen der Meeresfauna zu vermeiden. In einem mehrjährigen Forschungsprojekt untersuchen die drei Institute: ISD (ehemals CRI) der Leibniz Universität Hannover, DEWI Wilhelmshaven und ITAP, Oldenburg die zusätzliche Hydro schallbelastung, welche durch die geplanten Baumaßnahmen und den Betrieb von Offshore- Windenergieanlagen zu erwarten ist (CRI, 2004). Die gemessenen Baugeräusche bei Offshore Gründungen liegen weit oberhalb der vom BSH genannten Richtwerte für Baugeräusche von OWEA. Zur Einhaltung der Richtwerte sind mögliche Lärmminderungsmaßnahmen erarbeitet worden, und in ihrer Wirksamkeit theoretisch, numerisch und experimentell untersucht worden (ISD, 2007). Ein weiteres Ziel in diesem Vorhaben ist die Standardisierung der Mess- und Auswerteverfahren. Geringfügige Unterschiede in den Untersuchungsmethoden können besonders in der Akustik drastische Auswirkungen auf die erzielten Ergebnisse haben. Zu den untersuchten Objekten gehören reale Offshore WEA, die im Ausland bereits seit mehreren Jahren in Betrieb sind, aber auch Baumaßnahmen im Offshore-Bereich mit der größten Geräuschbelastung (ISD, 2007). Im Rahmen des Vorhabens wurde darüber hinaus ein projektbegleitender Arbeitskreis eingerichtet, um in Zusammenarbeit mit Biologen, Genehmigungsbehörden, Fachleuten aus der Industrie und Schallexperten die Grundlage für Schallgrenzwerte erarbeiten zu können. Dazu liefert das Vorhaben eine belastbare Datengrundlage zur Durchführung biologischer Gehöruntersuchungen an Schweinswalen und Robben, die parallel hierzu durchgeführt werden (MINOS 2005).

3 Karl-Heinz Elmer, ISD 2 Hydroschallimmissionen bei Meeressäugern Abbildung 1 stellt die Einwirkzonen einer Geräuschquelle dar. Die Quelle erzeugt einen bestimmten Schallpegel, der mit der Entfernung abnimmt. Der äußere Rand der Zone der Hörbarkeit ist durch die frequenzabhängige Hörschwelle der betreffenden Spezies gegeben; also den Schallpegel, oberhalb dessen ein Schall gerade wahrnehmbar wird. Weniger klar definiert und nicht in jedem Fall vorhanden oder nachweisbar sind die Zone der Reaktion sowie die Zone der Maskierung. Dabei behindert die Schallquelle die akustische Kommunikation der Tiere sowie die Echolokation und eventuell die Wahrnehmung der Laute von Beute- und Feindtieren. Hörbarkeit Reaktion Maskierung Schädigung Schallquelle Abbildung 1. Einwirkzonen einer Schallquelle Eine sehr laute Schallquelle kann in deren Nähe schließlich eine Zone der Schädigung erzeugen. Intensiver Schall kann bei vielen Tierarten zu physiologischen Schäden führen. Als erste Stufe wird eine vorübergehende Anhebung der Hörschwelle angesehen (Temporary Threshold Shift, TTS). Erholt sich das Hörvermögen nicht innerhalb eines bestimmten Zeitraums, bedeutet das eine permanente Schwellenanhebung (PTS), also eine dauerhafte Schädigung. In Europa wird der Unterwasserschall infolge der Nutzung der Offshore-Windenergie vor allem in Hinblick auf eine mögliche Gefährdung der Schweinswale betrachtet. Genauere Daten von Störradien für die unterschiedlichen Meeressäuger lassen sich derzeit kaum angeben, doch ist bei Bauarbeiten für Offshore-Windparks von bis 20 km auszugehen, da die höchsten Schallpegel beim Rammen von Pfählen für Offshore Gründungen auftreten. Messung von Hydroschallemissionen Der Spitzenpegel L peak stellt den logarithmierten Spitzenwert p peak eines Schalldruckverlaufs dar: L peak = 20 log ( p peak / p 0 ), mit dem Bezugswert p 0 = 1 µpa. Bei dem Rammimpuls einer Offshore Gründung in Abbildung 2 ergibt z.b. der Spitzenschalldruck von 3400 Pa den Spitzenpegel von L peak = 20 log (3400/10-6 ) db = db.

4 Karl-Heinz Elmer, ISD Spitzenschalldruck ca Pa 2 Schlalldruck in kpa Zeit in Sekunden Abbildung 2. Rammimpuls mit Spitzenschalldruck p peak = 3400 Pa und Spitzenpegel L peak = db. Neben dem Spitzenpegel L peak ist auch die Schallenergie des einzelnen Rammschlags von Bedeutung. Der Einzelereignis-Schalldruckpegels L E ist der auf eine Dauer von 1 s umgerechnete äquivalente Dauerschallpegel eines isolierten Schallereignisses: L E T 2 1 p( t) = 10 log 2 T0 T1 p0 Hierin ist p 0 = 1 µpa. und T 0 = 1 s. Die Integrationsgrenzen T1 und T2 sind so zu wählen, dass sie den gesamten signifikanten Bereich eines Ereignisses einschließen. In der englischsprachigen Literatur wird der L E mit SEL (sound exposure level) abgekürzt. 2 dt Als Teil der Genehmigung für Offshore Gründungsarbeiten wird vom BSH ein Richtwert für die Baugeräusche L E von maximal 160 db re 1 µpa außerhalb eines Umkreises von 1,5 km Durchmesser angegeben (unbewerteter Einzelereignis-Schalldruckpegel L E ). Ergänzend wird ein maximaler Spitzenpegel L peak von 180 db angegeben. Diese Richtwerte liegen im Bereich der Grenzwerte, die international angegeben werden und sind aufgrund einer Zusammenarbeit von Behörden, Forschungsinstituten, Herstellern und Biologen entstanden (ISD, 2007). Messung von Schallemissionen bei Offshore-Rammarbeiten Vor allem die Rammarbeiten von Offshore-Gründungen erzeugen sehr hohe Hydroschallpegel, die in den Flachwasserbereichen der Nord- und Ostsee nur langsam mit etwa 4,5 bis 5,5 db pro Entfernungsverdopplung abnehmen. Messungen zeigen auch in 20 km Entfernung von einer Baustelle Hydroschallpegel von mehr als 140 db an. Dabei wird nur etwa 1-2% der gesamten Rammenergie als Hydroschallemission in das Wasser abgestrahlt. Der weitaus größte Teil der Energie wird beim Rammen in den Meeresboden eingebracht. Im Rahmen von BMU-Forschungsvorhaben (CRI, 2005 und ISD, 2007) sind bei einer Reihe von Offshore-Gründungen Messungen der Hydroschallemissionen während der Rammenarbeiten durchgeführt worden.

5 Karl-Heinz Elmer, ISD 4 Die Tabelle 1 zeigt eine Zusammenstellung der gemessenen Spitzenpegel L peak und Einzelereignis-Schalldruckpegel L E, die auf eine Entfernung von 750m von der Baustelle bezogen sind. Objekt Pfahldurchm. Rammenergie Lpeak LE [m] [knm] [db] [db] Spundwand, Küste Monopile Sky 2000, Ostsee, (Dez. 02) FINO1 (Jacket), Nordsee, (Juli 03) FINO2 (Monopile), Ostsee, (Okt. 06) Amrumbank Monopile, Nordsee, (April 05) MW OWEA (geschätzt) > 205 > 178 Tabelle 1: Gemessene Hydroschallemissionen beim Rammen in 750m Entfernung. Die in Tabelle 1 dargestellten Hydroschallpegel liegen z.t. weit oberhalb des BSH-Richtwertes für den Einzelereignispegel von L E = 160 db in 750m und dem Spitzenpegel L peak = 180 db. Zur Einhaltung der Richtwerte sind wirksame Schallminderungsmaßnahmen erforderlich. Minderungsmaßnahmen von Schallemissionen bei Offshore-Rammarbeiten Es gibt eine Reihe von Maßnahmen, mit denen der Schalleintrag in das Wasser reduziert werden kann (ISD, 2007). Sie lassen sich unterteilen in primäre bzw. aktive Maßnahmen, bei denen die Erregung verändert wird und sekundäre bzw. passive Maßnahmen, in denen der Übertragungsweg beeinflusst wird. Eine aktive schallmindernde Maßnahme ist die Verlängerung der Impulsdauer nach Abbildung 3, z. B. durch Einlegen einer weichen Schicht zwischen Impulshammer und Rammgut mit Verschiebung der wesentlichen Energie und Schallabstrahlung in den niederfrequenten Bereich. IMPULSLÄNGE relat. Stoßkraft -1,200 harter Schlag 5.5 ms -1,000 weicher Schlag 11.0 ms harter Schlag -0,800-0,600 weicher Schlag -0,400-0,200 0,000 0,200 0,400 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 0,020 Zeit [s] Abbildung 2. Gemessene Verdopplung der Impulsdauer beim FINO2-Monopile Der Rammprozess wird dabei kaum beeinträchtigt, solange die eingeleitete Rammenergie gleich bleibt. Die Wirksamkeit dieser Methode ist numerisch untersucht worden und beim Bau der FINO2-Plattform messtechnisch ermittelt worden (Elmer, 2007). Bei gleicher eingeleiteter Rammenergie und damit gleicher Arbeitsleistung können etwa db erreicht werden.

6 Karl-Heinz Elmer, ISD 5 Numerische und messtechnische Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz von Vibratoren zur Vibrationsrammung von kleineren Pfählen bei geeigneten, sandigen Böden eine Minderung um etwa db ermöglicht. Der relevante Frequenzbereich liegt bei der Arbeitsfrequenz der Vibratoren, zwischen 25 und 40 Hz. Sekundäre Maßnahmen mindern die Schallausbreitung durch Installation einer schalldämpfenden Zwischenschicht, die beispielsweise auf ein Hüllrohr aufgebracht wird oder durch einen Blasenschleier erzeugt wird. Ein mit Schaum beschichtetes Stahlrohr erreichte bei einem Versuch mit 6m Wassertiefe in der Ostsee eine Schallminderung von 10 db bis 20 db im oberen Frequenzbereich (Elmer, 2006). Geplant sind geeignete Offshorekonstruktionen für 20-40m Wassertiefe. Bei einem Blasenschleier wirkt ein kontinuierlicher Blasenstrom für eine Verschlechterung der Schallübertragung in einem das Rammrohr umhüllenden Bereich. Der Einsatz von Blasenschleiern kann Pegelminderungen des Hydroschalls bei Rammarbeiten von etwa db ermöglichen. Die Entwicklung von wirksamen Blasenschleiern für den Offshore-Bereich erfordert wegen der Gezeitenströmung spezielle Konstruktionen zur Führung des Blasenschleiers. Durch die Kombination von primären und sekundären Maßnahmen lässt sich eine additive Wirkung der schallreduzierenden Maßnahmen erreichen. Die Forschungsarbeiten wurden mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit unter Förderkennzeichen und gefördert. Literatur [1] CRI, DEWI, ITAP (2004): Standardverfahren zur Ermittlung und Bewertung der Belastung der Meeresumwelt durch die Schallimmission von Offshore-Windenergieanlagen; Abschlußbericht zum BMU-Forschungsvorhaben A. [2] ISD, DEWI, ITAP (2007): Standardverfahren zur Ermittlung und Bewertung der Belastung der Meeresumwelt durch die Schallimmission von Offshore-Windenergieanlagen; Abschlußbericht zum BMU-Forschungsvorhaben [3] MINOS,(2004): Marine Warmblütler in Nord- und Ostsee: Grundlagen zur Bewertung von Windkraftanlagen im Offshore-Bereich, Abschlußbericht 2004; minos-info.de [4] Elmer, K.-H.(2007): Schallemissionen beim Rammen von Offshore-Fundsamenten, 2. Wissenschaftstage des Bundesumweltministeriums zur Offshore-Windenergienutzung, Berlin, Febr., [5] Elmer, K.-H; Gerasch, W.-J.; Neumann,T.: Gabriel,J.; Betke,K.; Matuschek,R; Schultz v. Glahn, M; (2006): Standard Procedures for the Determination and Assessment of Noise Impact on Sea Life by Offshore Wind Farms, in: Offshore Wind Energy, Köller, Köppel, Peters,(eds), Springer Verlag, 2006.