Die Wartung von Windenergieanlagen und die Erkennung möglicher Schwachstellen ist teuer und aufwändig, besonders bei Offshore-Anlagen im Meer. Rotorblätter werden daher oft vorsorglich ausgetauscht, was mit hohen Kosten verbunden ist. Eine Lösung, mit der sich Risse und Brüche im Inneren der Blätter frühzeitig aus der Ferne erkennen lassen, wurde nun vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES entwickelt.
Mit Körperschallsensoren Schäden detektieren
Risse, Brüche oder Erosionen in Rotorblättern führen immer wieder zu Ausfällen in Windenergieanlagen. Vor allem Offshore-Windparks sind gefährdet, da sie im Meer besonders starken Winden, Regen und Unwettern ausgesetzt sind. Aufgrund der schweren Zugänglichkeit sind Inspektionen aufwändig und teuer, weshalb Rotorblätter teilweise bereits auf Verdacht ausgetauscht werden. Die Kosten können sich dabei je Blatt und Schadensfall auf deutlich mehr als 200.000 Euro belaufen.
An einer Lösung arbeitet ein Institutsteil des Fraunhofer IIS gemeinsam mit dem Fraunhofer IWES: „Wir möchten Schäden in Rotorblättern mithilfe von Körperschallsensoren zuverlässig aus der Ferne überwachen – und so dazu beitragen, die Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit von Windenergieanlagen sicherzustellen“, beschreibt Björn Zeugmann, Gruppenleiter im Bereich analoges integriertes Schaltungsdesign am Fraunhofer IIS, das Ziel des Projekts.
Gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen hat der Wissenschaftler dafür einen speziellen Chip entwickelt, der im Körperschallsensor zum Einsatz kommt. Die von innen auf die einzelnen Rotorblätter geklebten Sensoren nehmen Schallwellen auf, die durch die Struktur der Blätter wandern. Herausfordernd ist dabei, dass das Material – anders als etwa bei einem Stahlträger – nicht homogen ist, da Rotorblätter aus unterschiedlichen Schichten bestehen. Der neu entwickelte Chip erfasst Signale, sogenannte Oberflächenwellen, die im Falle eines Schadens, wie etwa einem Riss, entstehen. Anschließend übermittelt er sie beispielsweise via Mobilfunk.
„Unser Chip lauscht permanent“
Die Besonderheit dabei ist, dass im Unterschied zu herkömmlichen Messverfahren wie Radarsystemen oder Drohnen, die die gesamten Rohdaten aufnehmen und versenden, der neue Chip der Dresdner Forschenden ausschließlich auffällige Informationen übermittelt. Björn Zeugmann erklärt: „Wir nutzen ein akustisches System, das Schäden anhand ihrer Geräusche erkennt und so etwa einen in der Entstehung befindlichen Riss im Inneren des Blatts von einem Bruch unterscheiden kann.“
Diese akustische Lösung wurde in einem Vorprojekt vom Fraunhofer IWES entwickelt. Durch die Extraktion charakteristischer Merkmale wird das Datenaufkommen deutlich reduziert, sodass eine Übermittlung via Mobilfunk erst ermöglicht wird. „Unser Chip lauscht permanent und kann mögliche Schäden somit noch im Rotorblatt klassifizieren und übermitteln.“
Damit lässt sich zukünftig einerseits feststellen, ob ein Schaden aufgetreten ist und die Anlage im schlimmsten Fall abgeschaltet werden muss. Andererseits lassen sich unnötige Servicemissionen zu den schwer zugänglichen Offshore-Windparks reduzieren und optimieren. Schäden können über einen längeren Zeitraum hinweg beobachtet werden. Kommt es zu einem Schadenswachstum mit Schallemission, wird diese detektiert. Technikerinnen und Techniker können daraufhin gezielt eine Inspektion durchführen und bei Bedarf eine Reparatur vornehmen.
Im Vergleich zu bisherigen Messverfahren ist die neue Lösung kleiner, energieeffizienter und deutlich datensparsamer, da ausschließlich reduzierte Datenpakete versendet werden. Somit wird auch keine umfangreiche Internetleitung benötigt, um relevante Informationen von den Windparks an Land zu übermitteln.
Künftig Blitzeinschläge und deren mögliche Folgen erkennen
In zwei vorherigen Projekten hat das Fraunhofer IIS gemeinsam mit dem Fraunhofer IWES bereits einen ersten Prototyp des Chips entwickelt, mit dem sich Schäden detektieren lassen. Das Nachfolgeprojekt läuft seit dem 1. Juni. Ziel ist es, das Gesamtsystem auszubauen, um künftig auch Blitzeinschläge und deren mögliche Folgen erkennen zu können. Dies ist bisher nicht möglich, für Windparks im Meer ist diese zusätzliche Information allerdings entscheidend.
Björn Zeugmann freut sich über die bereits erreichte Entwicklung der neuen Technologie: „Mich fasziniert, in einem Zukunftsfeld wie der Energiewende tätig zu sein und damit einen Mehrwert für die Gesellschaft zu schaffen.“
