Vibroacoustic Underwater Noise from Fixed and Floating Offshore Wind Turbines

Diese Studie stellt ein physikalisches vibroakustisches Rahmenwerk vor, um die betrieblichen Unterwasserschallemissionen von 10-MW-Bodenfesten und schwimmenden Offshore-Windturbinen vorherzusagen und zu vergleichen, wobei sich zeigt, dass schwimmende Konfigurationen höhere Schallpegel im Niederfrequenzbereich und komplexere, richtungsabhängige Abstrahlungsmuster erzeugen als Monopile-Strukturen, während die Wassertiefe die gesamte Schallausbreitung und die Schallpegel erheblich beeinflusst.

Das Wesentliche

Stellen Sie sich den Ozean als einen riesigen, stummen Konzertsaal vor. Seit Jahren machen wir uns Sorgen über die lauten, plötzlichen „Knallgeräusche" von Bauarbeiten (wie das Einrammen von Pfählen in den Meeresboden), die das marine Leben stören. Doch diese neue Studie befasst sich mit dem kontinuierlichen Summen, das Windkraftanlagen erzeugen, während sie tatsächlich laufen und Strom produzieren.

Die Forscher wollten eine einfache Frage beantworten: Macht es einen Unterschied, ob die Windkraftanlage am Meeresboden fest verankert ist oder auf der Oberfläche schwimmt?

Um dies herauszufinden, erstellten sie einen hochentwickelten „digitalen Zwilling" einer massiven 10-Megawatt-Windkraftanlage. Sie simulierten, wie der Wind die Rotorblätter antreibt, wie die Zahnräder im Inneren der Turbine klappern und wie diese Vibrationen den Turm hinab und ins Wasser wandern. Anschließend verglichen sie zwei Versionen:

1. Die „Festverankerte" Version (Monopile): Ein riesiger Stahlpfahl, der tief in den Meeresboden gerammt ist.
2. Die „Schwimmende" Version: Eine massive Plattform, die auf der Oberfläche auf und ab wippt und schaukelt, verankert durch Seile.

Hier ist das, was sie entdeckten, erklärt durch alltägliche Analogien:

1. Der „Schwere Schwimmer" vs. Der „Steife Pfahl"

Stellen Sie sich die Schwimmende Turbine wie einen schweren Schwimmer in einem Pool vor. Da die Plattform riesig ist und sich frei bewegen kann, schaukelt, rollt und wippt sie mit den Wellen. Diese Bewegung erzeugt viel Niederfrequenzlärm (ein tiefes, dröhnendes Geräusch).

• Das Ergebnis: Die schwimmende Version ist im tiefen, dröhnenden Bereich (unter 10 Hz) deutlich lauter. Es ist wie eine große Trommel, die immer wieder dröhnt. Die Studie ergab, dass sie bei diesen tiefen Frequenzen bis zu 15 dB lauter sein kann als die festverankerte Version, da sich die gesamte Plattform wie eine riesige, vibrierende Trommelfellhaut bewegt.

Stellen Sie sich die Festverankerte Turbine (Monopile) wie einen steifen Pfahl vor, der in Beton gepflanzt ist. Sie kann nicht schaukeln. Stattdessen wandern die Vibrationen von den sich drehenden Zahnrädern und Wellen gerade den Pfahl hinab.

• Das Ergebnis: Die festverankerte Version ist im tiefen Dröhnen tatsächlich leiser, wird aber bei höheren Tönen lauter (das „Surren" der Zahnräder). Da der Pfahl steif ist, leitet er diese hochfrequenten mechanischen Vibrationen sehr effizient ins Wasser weiter, wie eine Stimmgabel.

2. Die Form des Klangs

Schall breitet sich nicht nur geradeaus aus; er verteilt sich in Mustern.

• Die Festverankerte Turbine: Der Schall verteilt sich relativ gleichmäßig, wie Wellenringe von einem Stein, der in einen ruhigen Teich geworfen wird. Es ist vorhersehbar und symmetrisch.
• Die Schwimmende Turbine: Der Schall ist chaotisch und gerichtet. Da die schwimmende Plattform drei Beine und Querbalken hat, die sich auf komplexe Weise bewegen, erzeugt der Schall ein „klumpiges" Muster. Es schießt laute Schallbündel in einige Richtungen und lässt an anderen Stellen ruhige Zonen. Es ist weniger wie eine Wellenring, sondern mehr wie ein Taschenlampenstrahl, der flackert und in verschiedene Richtungen zeigt.

3. Der „Raumgröße"-Effekt (Wassertiefe)

Die Wassertiefe wirkt wie die Größe des Raumes, in dem der Schall erklingt.

• Flaches Wasser (Der Kleine Raum): Im flachen Wasser prallt der Schall zwischen Oberfläche und Boden hin und her und wird gefangen. Dies lässt den Schall weiter tragen und lauter bleiben, insbesondere bei schwimmenden Turbinen. Es ist wie das Rufen in einem kleinen Badezimmer; der Schall wird gefangen und hallt.
• Tiefes Wasser (Die Große Halle): Im tiefen Wasser kann sich der Schall in alle drei Dimensionen ausbreiten (hoch, runter und zur Seite). Dies führt dazu, dass die Energie schneller abnimmt. Die Studie ergab, dass das Versetzen einer schwimmenden Turbine vom flachen ins tiefe Wasser den Geräuschpegel um etwa 9 dB senken kann, einfach weil der Schall mehr Raum hat, sich auszubreiten und zu verhallen.

4. Wer kann es hören?

Die Forscher verglichen ihre Lärmkarten mit den Hörbereichen von Meerestieren.

• Die Festverankerte Turbine: Ihr höheres „Zahnradsurren" überschneidet sich erheblich mit dem Hörbereich von Robben, Delfinen und Schweinswalen. Das bedeutet, dass diese Tiere festverankerte Turbinen in näherer Entfernung eher hören und gestört werden.
• Die Schwimmende Turbine: Ihr tiefes „Dröhnen" liegt meist unterhalb dessen, was die meisten Meeressäuger hören können. Die Studie stellt jedoch fest, dass dieses tiefe Dröhnen ohnehin oft vom natürlichen Ozeanlärm (wie Wind und Wellen) übertönt wird, sodass es für Tiere möglicherweise weniger problematisch ist als das hochfrequente Geräusch der festverankerten Turbinen.

Das Fazit

Diese Studie liefert Ingenieuren einen neuen „Rechner". Bevor sie einen Windpark bauen, können sie dieses Werkzeug nutzen, um genau vorherzusagen, wie laut der Unterwasserlärm sein wird.

• Wenn Sie auf einem festen Pfahl bauen, erwarten Sie ein lauteres, hochfrequentes Surren, das sich im flachen Wasser gut ausbreitet.
• Wenn Sie auf einer schwimmenden Plattform bauen, erwarten Sie ein tieferes, basslastiges Dröhnen, das sich je nach Wassertiefe und Ausbreitungsrichtung des Schalls unterschiedlich verhält.

Das Ziel ist nicht zu sagen, dass das eine „schlecht" und das andere „gut" ist, sondern den Unterschied zu verstehen, damit wir Windparks entwerfen können, die Rücksicht auf die akustische Umwelt des Ozeans nehmen.

Technische Zusammenfassung

Technisches Fazit: Vibroakustischer Unterwasserlärm von fest installierten und schwimmenden Offshore-Windkraftanlagen

Problemstellung
Anthropogener Unterwasserlärm von Offshore-Windkraftanlagen ist ein aufkommendes Umweltproblem, insbesondere da der Sektor mit sowohl fest im Boden verankerten (Monopile) als auch schwimmenden Technologien auf größere Kapazitäten und tiefere Gewässer expandiert. Während impulsiver Lärm aus Bauphasen (z. B. Rammen) gut reguliert ist, bleibt der kontinuierliche Betriebslärm weniger verstanden. Dieser Lärm entsteht aus zwei Pfaden: luftgetragener Aeroakustik (oft aufgrund der Impedanzfehlanpassung zwischen Luft und Wasser vernachlässigt) und strukturübertragener Vibroakustik. Letztere resultiert aus schwankendem aerodynamischem Schub, Antriebsstrang-Anregung und hydrodynamischer Belastung, die strukturelle Schwingungen auslösen, die sich ins Wasser abstrahlen. Aktuelle Umweltbewertungen stützen sich häufig auf nachträgliche Messungen oder vereinfachte empirische Skalierungen und fehlen physikbasierte Vorhersagewerkzeuge, die in der frühen Planungsphase eine Quantifizierung des Lärms ermöglichen. Darüber hinaus können die unterschiedlichen dynamischen Mechanismen schwimmender Plattformen – gekennzeichnet durch Starrkörperbewegungen und hydroelastische Kopplung – den spektralen Inhalt und die Abstrahlungseffizienz im Vergleich zu Monopilen verändern, doch sind diese Unterschiede noch nicht vollständig quantifiziert.

Methodik
Die Studie stellt ein physikbasiertes vibroakustisches Rahmenwerk vor, um Betriebslärm unter Wasser für eine 10-MW-DTU-Referenzanlage in zwei Konfigurationen vorherzusagen: eine Monopile-Gründung (30 m Wassertiefe) und eine halbtauchfähige schwimmende Plattform (getestet bei 30 m und 350 m Wassertiefe). Die Methodik integriert drei sequenzielle Stufen:

1. Strukturdynamik (Zeitbereich): Simulationen werden mit OpenFAST durchgeführt, um gekoppelte aero-hydro-servo-elastische Gleichungen zu lösen. Das Modell umfasst Biegemoden von Turm und Rotorblättern, Elastizität der Unterstruktur (über SubDyn) und hydrodynamische Lasten (über HydroDyn). Für die schwimmende Konfiguration werden sechs Starrkörper-Freiheitsgrade (Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch, Yaw) einbezogen. Um Antriebsstrang-Lärm zu berücksichtigen, den OpenFAST intern nicht auflöst, werden synthetische tonale Anregungen, die Wellenharmonische und Zahnrad-Eingriffsfrequenzen repräsentieren, an der Gondel eingeführt und über modale Verstärkungsfaktoren skaliert.
2. Quellrekonstruktion: Nodale Beschleunigungen von untergetauchten Strukturknoten werden in äquivalente Dipol-Kraftquellen umgewandelt. Eine Korrektur der Strahlungsimpedanz wird angewendet, um die endlichen Querschnittsabmessungen der Strukturkomponenten zu berücksichtigen, was Hochfrequenzdämpfung und Phasenschirmungseffekte adressiert, die einfache Linienquellenmodelle übersehen.
3. Akustische Ausbreitung (Frequenzbereich): Das akustische Druckfeld wird durch Lösen der linearen Helmholtz-Gleichung unter Verwendung analytischer Greenscher Funktionen berechnet. Das Modell wendet die Bildquellenmethode an, um Randbedingungen zu berücksichtigen: eine druckfreigebende freie Oberfläche und einen teilweise reflektierenden Meeresboden (sandiges Sediment). Eine Konvergenzanalyse bestätigt, dass 30 Bildquellen-Reflexionen für die Genauigkeit ausreichend sind.

Hauptbeiträge
Der Artikel leistet drei spezifische wissenschaftliche Beiträge:

1. Integriertes Modellierungsrahmenwerk: Es formuliert einen einheitlichen Ansatz, der aeroelastische Belastung, Strukturdynamik, Fluid-Struktur-Interaktion und Unterwasser-Schallausbreitung koppelt und über separate Quellen- und Ausbreitungsmodellierung hinausgeht.
2. Messbare Deskriptoren: Es definiert akustische Deskriptoren (schmalbandiger Schalldruckpegel SPL, Gesamtschalldruckpegel OASPL, Richtcharakteristiken), die einen konsistenten Vergleich zwischen grundlegend unterschiedlichen Tragstrukturen ermöglichen.
3. Mechanistische Identifikation: Es identifiziert die physikalischen Mechanismen, die Unterschiede in den Lärmsignaturen zwischen fest im Boden verankerten und schwimmenden Turbinen antreiben, und isoliert spezifisch die Rollen von Starrkörperbewegung, Strukturmasse und Wassertiefe.

Ergebnisse
Der vergleichende Analyse liefert mehrere distincte Erkenntnisse bezüglich spektralen Inhalts, Richtcharakteristik und Ausbreitung:

• Spektrale Merkmale:
  • Niedrige Frequenzen (< 10 Hz): Schwimmende Konfigurationen zeigen deutlich verstärkte Emissionen (bis zu 15 % oder ~15 dB höherer OASPL) im Vergleich zu Monopilen. Dies wird auf zusätzliche Starrkörper-Freiheitsgrade und die größere Strukturmasse der schwimmenden Plattform zurückgeführt, die die Abstrahlungseffizienz bei sehr niedrigen Frequenzen erhöhen.
  • Mittlere bis hohe Frequenzen (> 10 Hz): Monopile-Strukturen strahlen effizienter ab. Die starre Verbindung zum Meeresboden erleichtert die Übertragung von durch den Antriebsstrang induzierten Schwingungen und lokalen Strukturmoden, was in diesem Bereich zu höheren Schalldruckpegeln führt als bei schwimmenden Plattformen, die die Anregung über eine größere, nachgiebigere Struktur verteilen.
• Richtcharakteristik und räumliche Verteilung:
  • Monopile: Zeigt bei höheren Frequenzen eine glatte, nahezu achsensymmetrische Antwort und bei niedrigen Frequenzen ein klares dipolares Muster, das zur Windrichtung ausgerichtet ist.
  • Schwimmend: Zeigt komplexe, anisotrope 3D-Abstrahlungsmuster. Bei niedrigen Frequenzen dreht sich die Hauptabstrahlachse aufgrund gekoppelter Starrkörperbewegungen. Bei höheren Frequenzen (100–1000 Hz) weisen schwimmende Plattformen starke richtungsabhängige Variationen (20–25 dB) mit mehrlappigen Mustern auf, im Gegensatz zur Einheitlichkeit des Monopils.
• Ausbreitung und Tiefeneffekte:
  • Die Wassertiefe beeinflusst die Ausbreitungsregime kritisch. Flaches Wasser (30 m) schränkt die Ausbreitung auf einen quasi-2D-Wellenleiter ein, was zu langsameren Dämpfungsraten führt. Tiefes Wasser (350 m) ermöglicht eine vollständige 3D-geometrische Ausbreitung, was zu niedrigeren Empfangspegeln führt.
  • Schwimmende Konfigurationen in flachem Wasser zeigen OASPL-Variationen von bis zu 7 % (~9 dB) im Vergleich zu ihren Gegenstücken in tiefem Wasser, was die Empfindlichkeit schwimmender Systeme gegenüber der Bathymetrie unterstreicht.
• Turbulenz-Einfluss: Die Einführung atmosphärischer Turbulenz verbreitert scharfe tonale Spitzen zu breiteren spektralen Buckeln und erhöht den Gesamtschalldruckpegel bei niedrigen Frequenzen um bis zu 10 dB, obwohl die grundlegenden Trends bezüglich des Tragstrukturentyps unverändert bleiben.

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren behaupten, dass diese Arbeit ein Vorhersagewerkzeug zur Bewertung unterwasserakustischer Auswirkungen während der Planungsphase bietet, anstatt sich ausschließlich auf nachträgliche Messungen nach der Installation zu verlassen. Durch die Verknüpfung messbarer Strukturantwortparameter mit abgestrahlten Schallpegeln unterstützt das Rahmenwerk:

• Umweltbewusstes Design: Entwicklern die Möglichkeit zu geben, die Turbinenauswahl, die räumliche Konfiguration und die strukturelle Detailgestaltung unter expliziter Berücksichtigung des akustischen Fußabdrucks zu optimieren.
• Regulatorische Unterstützung: Nachvollziehbare Metriken für Standardisierung, Konformitätsverifikation und die Entwicklung wissenschaftsbasierter regulatorischer Schwellenwerte bereitzustellen.
• Mechanistisches Verständnis: Zu klären, dass schwimmende Turbinen nicht als einfache Erweiterungen fest im Boden verankerter Systeme behandelt werden sollten; ihre einzigartigen Dynamiken führen zu distincten niederfrequenten Quellen und komplexen 3D-Abstrahlungsmustern, die eine spezifische Bewertung erfordern.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass schwimmende Plattformen zwar Energie in Frequenzbändern konzentrieren mögen, die für viele marine Arten weniger empfindlich sind (sehr niedrige Frequenzen), Monopile jedoch ein höheres Risiko in den mittleren bis hohen Frequenzbändern darstellen, in denen viele marine Wirbeltierarten ein empfindliches Gehör haben. Das Rahmenwerk ermöglicht eine quantitative Bewertung dieser Zielkonflikte, um zukünftige Minderungsstrategien zu unterstützen.