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Windenergie: Automatisierungs- und Monitoringlösungen am Rotorblatt spielen zukünftig eine immer wichtigere Rolle. Bild: Weidmüller
Erneuerbare Energien

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Windkraft ausreizen

Text: Olaf Prein, Weidmüller Interface
Automatisierungslösungen für die Zustandsüberwachung erobern die Windenergie und machen Windkraftanlagen fit für den Energiemarkt von morgen. Besonders gefragt sind hier Lösungen, die eine schnelle Inbetriebnahme ermöglichen und den Service erleichtern.

Die erneuerbaren Energien sind in Europa weiter auf dem Vormarsch − das belegen auch die Zahlen der European Wind Energy Association (EWEA) für das Jahr 2014. Demnach lag der Zubau neu installierter Kraftwerksleistung an erneuerbaren Energien im vergangenen Jahr bei fast 80 Prozent − etwa 44 Prozent davon waren Windkraftanlagen.

Heute kostet eine Windkraftanlage mit einer Leistung von zwei Megawatt zirka zwei Millionen Euro. Dabei liegt der Anteil an Steuerungs- und Automatisierungstechnik bei nur etwa einem Prozent. Kostentreiber einer Anlage sind im Wesentlichen der Turm, die Rotorblätter, die Gondel mit Generator und Getriebe sowie das Fundament. Wobei sich die Höhe der Aufwendungen je nach Größe der Anlage, Blattlängen und Turmhöhen unterscheidet.

Der Kostenanteil von Automatisierungslösungen am Gesamtpaket ist klein, daher werden sie in erster Linie nach ihrer Leistungsfähigkeit gekauft. Dabei zählt vor allem der Mehrwert in Form maßgeschneiderter Lösungen. Besonders gefragt sind an dieser Stelle Lösungen, die den Service erleichtern und eine schnelle Inbetriebnahme ermöglichen.

Zustandsüberwachung

Vor dem Hintergrund der wachsenden dezentralisierten Energieerzeugung wird es für die Betreiber von Windkraftanlagen immer wichtiger, den Verbrauch und die erzeugte Energiemenge zu ermitteln und abzugleichen. Das Stichwort lautet Zustandsüberwachung mit Hilfe von Condition Monitoring. Die Anlagen müssen flexibel zu- und abgeschaltet werden können und gleichzeitig die Einspeise-Richtlinien, die „Grid Codes“, erfüllen. Intelligente Strommesswandler an den Anlagen und am Netz-Einspeise-Punkt sind hier ein wichtiger Ansatz. Anlagen beziehungsweise Parks können mit ihrer Hilfe zusammengeschaltet und im Rahmen eines adäquaten Lastenmanagements als Erzeugungskapazitäten eines virtuellen Kraftwerks verwaltet werden.

Condition Monitoring ist ein zentraler Trend der Windbranche und gerade für die kostenintensive Offshore-Windkraft attraktiv. Zum Beispiel können damit auch Rissbildungen oder Schäden durch starke Lasten an Getriebe, Schrauben und anderen Teilen rechtzeitig erkannt werden. Hierzu benötigt der Anwender kontinuierliche Informationen über den aktuellen Zustand der Anlage und deren Funktionen. Je eher Unregelmäßigkeiten festgestellt werden, desto früher kann der Techniker gegensteuern. Damit lassen sich teure Service-Einsätze, die bis zu 1000 Euro pro Stunde kosten, reduzieren. Aus diesem Grund werden Remote Access, Fernwartung und Industry­Clouding besonders im Offshore-Bereich in Zukunft einen wichtigen Beitrag leisten.

Überwachungsfunktionen

Kommunikationsfähige Systeme bilden die Grundlage des Condition Monitoring. Sie überwachen zum Beispiel Anti-Icing, Blätter, Schrauben, Netzqualität, Blitzeinschlag und Überspannung sowie Turmschwingungen. Damit ermöglichen sie es auch, Windkraftanlagen gezielt zu optimieren.

Die aktuellen Lösungen verfügen über eine Ethernet-Schnittstelle mit entsprechenden Protokollen und ermöglichen so eine präzise Zustandsüberwachung. Die erfassten Daten werden schließlich zur Auswertung in einer Cloud gesichert und für die weitere Verwendung bereitgestellt.

Schraubenmonitoring

Spezielle Schraubenmonitoring-Systeme sind in der Lage, das „Platzen“ der Schraubverbindung sowie das Anzugsmoment zu überwachen. Dazu wird ein leitfähiger Lack auf den Schraubenkopf aufgetragen. Sobald die Schraubverbindung „platzt“, wird das Signal unterbrochen und ein Alarm ausgegeben. Zur Überwachung des Anzugsmoments wird ein Ultraschallsignal in die Verbindung geschickt und die Signallaufzeit gemessen. Sollten hier Anomalien auftreten, erfolgt automatisch eine Meldung.

Blitzmesssysteme

Daneben registrieren und dokumentieren funkgesteuerte Blitzmesssysteme erhöhte Stromimpulse. Die Dokumentation ermöglicht eine vereinfachte Ursachenermittlung. Anlagenbetreiber wissen dadurch, wie hoch die Belastung der Schutzelemente ist und wann diese gegebenenfalls ausgetauscht werden müssen. Bei neuen Blitzmesssystemen wird der Blitz optisch durch eine Lichtleitphase gemessen.

Blitze mit einer Spannung von 30 kV sind in der Regel eher harmlos und wenig problematisch. Doch höhere Spannungen können ernsthafte Schäden verursachen. Mit Hilfe des Systems lassen sich mit der Zeit Erfahrungswerte ermitteln und Handlungsempfehlungen ableiten. Die Vorteile: Gerade bei Offshore-Anlagen muss bei geringen Blitzeinschlägen noch kein teures Serviceteam ausrücken.

Optische Dehnungsmessstreifen (kurz DMS) erfassen Formveränderungen, Dehnungen und Stauchungen des Materials an der Oberfläche von Bauteilen. Stellt das System Abweichungen fest, leitet es umgehend geeignete Maßnahmen ein. Bei herkömmlichen kupfergebundenen Lösungen würde sich die Spannung im Fall eines Blitzeinschlags zum Beispiel auf die Elektronik übertragen. Bei neuen Lösungen erfolgt die Auswertung hingegen über ein optisches Signal. Auch Unregelmäßigkeiten und Unwuchten können so erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Anti-Icing-Systeme

Anti-Icing-Systeme an der Vorderkante des Rotorblatts garantieren die maximale Verfügbarkeit auch an frostigen Tagen und in kalten Regionen. Sie schalten sich bei entsprechenden Wetterbedingungen automatisch ein und enteisen die Rotorblattkante. In Frostregionen kann Eisbildung am Rotorblatt zu Ertrags­ausfällen führen, da die höheren Lasten den Rotor in Unwucht bringen können. Dadurch verringert sich die Lebensdauer der Komponenten. Zudem reduziert eine veränderte Dynamik die Effizienz der Anlage. Die Folge sind Ertragsausfälle durch kostspielige Stillstandzeiten. Zudem können sich Betreiber von Wind­energieanlagen mit Anti-Icing-Systemen darauf verlassen, dass ihre Anlagen in kalten Regionen sichere Erträge liefern und maximal verfügbar sind: Die Lösung hat den Energieertrag in den Frostmonaten um 25 Prozent erhöht.

Herausforderungen meistern

Zu den größten Herausforderungen der Branche zählt momentan, dass die Anlagen unabhängig von staatlicher Förderung wie der Einspeise-Vergütung lu­kra­tiv sein müssen. In Zukunft werden daher auch Errichtungszeiten eine zentrale Rolle spielen, um die Zeiten bis zur Inbetriebnahme zu verkürzen und Stillstände zu reduzieren. Anlagen müssen zukünftig mehr als 30 Jahre eine sichere Energieerzeugung bereitstellen. Das stellt auch eine Herausforderung für die Verfügbarkeit der Ersatzteile dar. Ein weiterer bestimmender Trend ist die wachsende Nachfrage in Frankreich und den USA – bedingt durch die jüngsten politischen Entwicklungen. Die Umsetzung der Reformpakete wird der Branche einen zusätzlichen Anschub verleihen.

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