Standsicherheitsprüfung von Windenergieanlagen

12. Oktober 2017 | Kira Andre

© Frank Andreas Jütte/pixelio.de

Befürchtungen über eine unzureichende Standsicherheit von Windenergieanlagen können entstehen, wenn Anwohner um die geologischen Besonderheiten ihrer Region wissen. Dann herrscht Unsicherheit, wie die zum Teil über 200 Meter hohen Anlagen in einem unstetigen Baugrund sicher verankert werden können. Nach der jüngsten Serie von Anlagenhavarien Ende 2016 unter anderem in der Nähe des Möhnesees bei Soest kommt deshalb häufig die Frage auf: Wie wird die Standsicherheit von Windenergieanlagen gewährleistet?

Fachbeitrag von Kira Andre, EnergieAgentur.NRW

Standsicherheit bezeichnet die Eigenschaft eines Bauwerks, nicht einzustürzen. Häufig wird der Standsicherheitsbegriff jedoch noch weiter gefasst und auch verwendet, um den störungsfreien Betrieb ohne häufige Stillstandzeiten und Reparaturen einer Anlage zu bezeichnen. Die nordrhein-westfälische Landesbauordnung (BauO NRW) sieht vor, dass Windenergieanlagen (WEA) für sich alleine standsicher sein müssen und die Standsicherheit anderer baulicher Anlagen nicht gefährden dürfen (§ 15 Abs. 1 BauO NRW). Ein Standsicherheitsnachweis ist als sogenannte Bauvorlage den Antragsunterlagen beizulegen (§ 8 BauPrüfVO und § 69 BauO NRW). Der Standsicherheitsnachweis fordert zum einen eine Darstellung der Statik der WEA. Dieser erfolgt in der Typenprüfung (§ 29 BauPrüfVO). Zum anderen müssen durch ein Baugrundgutachten die Eigenschaften des Bodens, auf dem die Anlage errichtet werden soll, dem so genannten Baugrund, dargestellt werden. Wird die Anlage in einem Gebiet mit schon vorhandenen WEA oder werden mehrere Windenergieanlagen in demselben Gebiet errichtet, ist außerdem die Vorlage einer gutachterlichen Stellungnahme zur Standorteignung, früher Turbulenzgutachten, notwendig. Wiederkehrende Prüfungen, Wartungen und eine ständige Fernüberwachung sichern die Standsicherheit der Windenergieanlagen im Betrieb.

Die Typenprüfung
Innerhalb der Typenprüfung wird durch eine Prüfstelle geprüft, ob die Windenergieanlage den einschlägigen baustatischen Normen und Richtlinien genügt. Bei der Prüfstelle handelt es sich um ein Prüfamt für (Bau-)Statik oder Standsicherheit der Länder oder um eine ausgewiesene Prüfstelle. Die Basis für die Typenprüfung von Windenergieanlagen bildet die aktuelle Richtlinie für Windenergieanlagen des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) [1].

Der Hersteller stellt einen formlosen Antrag auf die Typenprüfung und übermittelt dem Prüfamt alle erforderlichen Unterlagen, dazu gehören eine Beschreibung der Konstruktion, technische Zeichnungen, Angaben über getroffene Annahmen, Berechnungen und Nachweise. Das Prüfamt kontrolliert mithilfe von eigenen Berechnungen die Richtigkeit der Herstellerangaben und überprüft, ob die charakteristischen Anlagendaten den gültigen bautechnischen Bestimmungen genügen. Konkret überprüft werden beispielsweise die schwingungstechnischen Eigenschaften der Anlage. Unzulässige Resonanzen und Schwingungen können zu erheblichen Schäden an der Windenergieanlage führen. Wurden die Prüfungen abgeschlossen, erstellt das Prüfamt einen Prüfbericht.

Handelt es sich bei der WEA nicht um eine Serienausführung, muss in einer Einzelprüfung ein Standsicherheitsnachweis erbracht werden.

Die Typenprüfung gilt für alle Anlagen des gleichen Typs – in der Bauprüfungsverordnung wird dann von einer „bewährten Ausführung“ gesprochen (§ 8 Abs. 2 BauPrüfVO), sie muss also nicht für jede Anlage durchgeführt werden. Die Anlage kann innerhalb der Geltungsdauer der Typenprüfung, die in der Regel fünf Jahre beträgt, beliebig oft in ganze Deutschland ausgeführt werden. Die Notwendigkeit, für jede Anlage eine Baugenehmigung einzuholen, bleibt von der Typenprüfung unberührt.

In der Typenprüfung werden bestimmte Auflagen angegeben, die für einen sicheren Stand der WEA erfüllt sein müssen. Das Baugrundgutachten und das gegebenenfalls zu erstellende Standorteignungsgutachten weisen nach, dass die Auflagen der Typenprüfung an dem bestimmten Standort erfüllt werden und die Typenprüfung somit anwendbar ist. Der Betreiber muss außerdem Prüf- und Wartungspflichten zur Aufrechterhaltung der Genehmigung wahrnehmen, die in der Typenprüfung verbindlich festgelegt sind.

Das Baugrundgutachten
Da WEA hohe Belastungen und Schwingungen in den Baugrund einbringen, muss zu ihrer Genehmigung immer ein Baugrundgutachten vorgelegt werden, das von einem unabhängigen Sachverständigen für Geotechnik angefertigt wurde. Das Baugrundgutachten muss den Aufbau und die Eigenschaften des Baugrundes unter der sogenannten Gründungssohle behandeln (Deutsches Institut für Normung (DIN), Norm 1054). Zur Gründungssohle gehören alle Flächen, über die das Fundament mit dem Baugrund verbunden ist. Um das geforderte Baugrundgutachten ausstellen zu können, werden geologische Untersuchungen festgelegt, um Informationen über den Aufbau, die Beschaffenheit und andere Eigenschaften des Bodens zu erlangen.

Nach Norm 4020 des Deutschen Institut für Normung (DIN 4020) wird ein Bauwerk in eine Geotechnische Kategorie 1 bis 3 eingestuft, wobei Kategorie 1 Baumaßnahmen mit geringem und Kategorie 3 Baumaßnahmen mit hohem Schwierigkeitsgrad beschreiben. Moderne 3-Blatt-WEA werden als Baumaßnahme mit hohem Schwierigkeitsgrad in die höchste geotechnische Kategorie 3 eingestuft. Durch diese Einstufung wird ein Rahmen für Art und Umfang der geotechnischen Untersuchungen festgelegt. Nichtsdestotrotz gibt die DIN keine starren Prüfregeln vor, sondern ist als Richtlinie mit Ermessensspielraum zu verstehen. Da kein Baugrund dieselben Eigenschaften wie ein anderer aufweist, die Norm jedoch für alle Böden und Gesteine gilt, muss der Sachverständige mithilfe einer Erfahrung und Sachkunde die notwendigen Prüfungen und Maßnahmen auswählen.

Die DIN 4020 gibt als Abfolge der Baugrunduntersuchungen folgende Gliederung der Arbeitsschritte vor:

  • Voruntersuchung: Prüfen der generellen Eignung des Grundstücks, Auswahl der für die Hauptuntersuchung notwendigen Maßnahmen (erfolgt z. B. durch Bergbaukarten)
  • Hauptuntersuchung: Bereitstellen der für das Bauverfahren erforderlichen Kenntnisse, Feststellen potentieller Schwierigkeiten während des Baus (erfolgt z. B. durch Bohrungen, Probenentnahme)
  • Baubegleitende Untersuchungen und Messungen: Kontrollieren der Ergebnisse der Hauptuntersuchung, Überwachen von Baugrund und Bauwerk auch nach Fertigstellung des Bauprojekts

Wichtige Fragen, die im Rahmen der der Baugrunduntersuchung beantwortet werden müssen, sind zum Beispiel:

  • Liegen Gefährdungen durch Bergbau, Kampfmittel oder Verkarstung vor? [2]
  • Wie verhält sich das Grundwasser? Welche Wechselwirkungen von Wasser mit Gestein oder dem Fundament können auftreten? Liegt die Baufläche in einem Wasserschutzgebiet? [3]
  • Welche Typen und Schichtungen von Boden und Fels liegen sowohl auf der eigentlichen Fläche der Gründung (Gründungssohle) vor als auch auf den Zufahrtswegen, der Kranstellfläche und den Montageplätzen?
  • Wie sind die Festigkeits- und Verformungseigenschaften des Untergrunds?

Die spezifisch für den Boden ermittelten Kennwerte müssen anschließend mit den in der Typenprüfung angenommenen Werten und bauordnungsrechtlichen Angaben verglichen werden. Ergeben sich Abweichungen, muss der Boden gegebenenfalls ausgetauscht oder verdichtet, eine aufwändigere Art der Gründung gewählt oder die Anlage versetzt werden.

Das Standorteignungsgutachten
Unter bestimmten Umständen wird von der Genehmigungsbehörde ein von einem unabhängigen Gutachter erstelltes Gutachten zur Standorteignung, früher als Turbulenzgutachten bekannt, gefordert. Wie die Typenprüfung basiert die Prüfung der Standorteignung auf der aktuellen DIBt Richtlinie[1].Mithilfe des Gutachtens zur Standorteignung wird abgeschätzt, ob der Standort in Bezug auf die Windbedingungen mit den in der Typenprüfung festgelegten Auslegungsbedingungen der WEA übereinstimmt. Außerdem wird berechnet, wie nah die zu errichtende Windenergieanlage an schon bestehenden oder geplanten Windenergieanlagen stehen darf. Dabei muss nicht nur der Einfluss der schon bestehenden Anlagen auf die neue geprüft werden sondern ebenso der Einfluss der neuen Anlage auf schon bestehende Anlagen, da sich die Anlagen durch Turbulenzen gegenseitig beeinflussen. Das Standorteignungsgutachten muss im Allgemeinen angefertigt werden, wenn die neu zu errichtende Anlage an einem Binnenlandstandort einen Abstand von acht Rotordurchmessern zu anderen Anlagen unterschreitet.

Abbildung 1: Turbulente Nachlaufströmungen von Windenergieanlagen des dänischen Offshore-Windparks Horns Rev 1. Es wirken die gleichen physikalischen Effekte wie bei Anlagen an Land. © Vattenfall

Kann rechnerisch über verschiedene Methoden nachgewiesen werden, dass die standortspezifischen Windbedingungen die Auslegungsbedingungen nicht überschreiten oder die Anlage trotz Überschreitung einzelner Werte noch Sicherheitsreserven aufweist, ist die Standorteignung nachgewiesen.

Liegen jedoch unzulässige Überschreitungen vor, sind Turbulenzminderungsmaßnahmen erforderlich. Wirksame Maßnahmen können das Abschalten der Anlage darstellen oder ein leistungsreduzierter Betrieb, bei dem die Rotorblätter aus dem Wind gedreht werden, wenn dieser aus einer bestimmten Richtung weht, sodass Anlagen im Windschatten nicht beeinflusst werden.

Wiederkehrende Prüfungen, Wartung und Fernüberwachung im Betrieb
Wiederkehrende Prüfungen und Wartungen sind zwei voneinander unabhängige Instrumente, die unter anderem der Überprüfung der Standsicherheit während der Betriebsphase der Windenergieanlage dienen.

Wartungsintervalle werden vom Hersteller der Anlage festgelegt. Je nach Beanspruchung der Bauteile kontrollieren Service-Teams in regelmäßigen Abständen die Anlagenteile. Abhängig vom Wartungsvertrag werden in diesem Zuge auch Instandsetzungsmaßnahmen durchgeführt, sofern nötig.

In der Typenprüfung werden verbindliche Prüfpflichten für die Windenergieanlage festgehalten, die durch den Betreiber zu erfüllen sind. Ein unabhängiger und zertifizierter Gutachter kontrolliert die Windenergieanlage alle zwei bis vier Jahre auf mögliche Schäden und kann, wenn nötig, eine Stilllegung veranlassen.[4]

Die Wartungs- und Prüfpflichten des Betreibers werden ergänzt durch eine permanente Windparkfernüberwachung und monatlich bis quartalsweise durchgeführte Kontrollgänge. Die Fernüberwachung ist rund um die Uhr besetzt. Von der Fernüberwachungswarte aus kann ein Techniker online auf die von der Anlage gesammelten Daten zum Betriebszustand und zu Fehlermeldungen zugreifen und bei einem Zwischenfall schnell reagieren.[5]

Aktuelle Rechtsprechung zur Standsicherheit von WEA
Das Verwaltungsgericht Minden hat bestätigt, dass Windenergieanlagen, die nacheiner Havarie wieder instandgesetzt wurden, stillgelegt werden können, wenn die Standsicherheit nicht durch einen staatlich anerkannten Sachverständigen nachgewiesen wird (VG Minden, Beschluss vom 7. Februar 2017 – 9 L 1985). Zu einer Stilllegung kann es nach § 61 BauO NRW dann kommen, wenn die Standsicherheit nach § 15 BauO NRW nicht mehr gewährleistet ist und durch einen möglichen (teilweisen) Einsturz der Anlage eine erhebliche Gefahr für Leben und Gesundheit besteht.

Zusammenfassung
Die Standsicherheit einer WEA wird vor, während und nach ihrer Errichtung von mehreren unabhängigen Instanzen umfassend geprüft. Von Seiten des Betreibers sind die Darlegung der Typenprüfung und ein Baugrundgutachten zu erbringen.

Auch auf schwierigem Baugrund ist die Errichtung einer Windenergieanlage möglich. Als Baumaßnahmen, die in die höchste geotechnische Kategorie 3 eingestuft werden, müssen Windenergieanlagen vor und während ihrer Bauzeit von einem Sachverständigen für Geotechnik überwacht werden. Der Sachverständige macht sich in umfangreichen Voruntersuchungen mit dem Baugrund vertraut, ermittelt in einer Hauptuntersuchung mithilfe von Proben und Versuchen Bodenkennwerte, berechnet Standsicherheitskennwerte und spricht eine Empfehlung aus, in welcher Art die Anlage mit dem Baugrund verbunden wird.

Je nach Nähe der Anlage zu anderen Bauwerken ist die Erstellung eines Standorteignungsgutachtens notwendig, durch das rechnerisch nachgewiesen wird, dass die Anlage weder durch nahestehende andere Bauwerke beeinträchtigt wird, noch deren Standsicherheit selbst beeinträchtigt. Im Allgemeinen ist die Vorlage dieses Gutachtens nur nötig, wenn bei Standorten im Binnenland ein Abstand von acht Rotordurchmessern zur nächsten Windenergieanlage unterschritten wird. In der Betriebszeit der Windenergieanlage ist der Betreiber zu Wartungen und wiederkehrenden Prüfungen verpflichtet. Werden Standsicherheitsmängel durch einen unabhängigen Gutachter festgestellt, kann dieser die sofortige Stilllegung veranlassen.

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