Wenn Windanlagen ausgedient haben

Unter welchen Voraussetzungen ist ein Pitch-Retrofit wirtschaftlich attraktiver als ein vollständiges Repowering?

Darauf aufbauend ist die Substanz der gesamten Anlage zu bewerten. Ein technisches Assessment untersucht den Zustand von Turm, Fundament, Gondel, Antriebsstrang und Rotorblättern. Es klärt, welche Restnutzungsdauer zu erwarten ist und welche Reparaturen oder Ersatzinvestitionen in diesem Zeitraum voraussichtlich anstehen. Dazu gehört auch die Frage, wie lange Ersatzteile und Service für die bestehenden Systeme verfügbar bleiben. Entscheidend ist, ob die Anlage nach einem Pitch-Retrofit noch ausreichend lange wirtschaftlich betrieben werden kann. Ist die übrige Anlage in einem tragfähigen Zustand und verursacht das Pitch-System einen wesentlichen Teil der vermeidbaren Produktionsverluste, kann ein gezieltes Retrofit wirtschaftlich attraktiv sein. Der Investition stehen zurückgewonnene Stromproduktion, vermiedene Störungen und mögliche Einsparungen bei der Instandhaltung gegenüber. Sind dagegen größere Investitionen in weitere Hauptkomponenten absehbar, müssen diese in die Gesamtrechnung einfließen und mit einem vollständigen Repowering verglichen werden. Für den Business Case zählt die erwartete zusätzliche Jahresproduktion in MWh. Eine Annahme von beispielsweise 3 Prozent zurückgewonnener Jahresproduktion bedeutet keine Erhöhung der technischen Verfügbarkeit um drei Prozentpunkte. Belastbar wird die Bewertung erst durch standortspezifische Betriebs- und Fehlerdaten, realistische Reparatur- und Ersatzteilbeschaffungszeiten, den erzielbaren Strompreis sowie die erwarteten Investitions- und Betriebskosten über die verbleibende Nutzungsdauer.

Welche Kriterien waren ausschlaggebend dafür, die Anlage in Lamar zu modernisieren, statt die Windenergieanlage vollständig zu repowern?

Bei einer Anlage mit nutzbarer Tragstruktur kann eine gezielte Modernisierung der technischen Subsysteme sinnvoller sein als ein vollständiger Austausch. Beim Repowering wird die bestehende Windenergieanlage durch eine neue, meist leistungsstärkere Anlage ersetzt. Dafür sind Rückbau, Materialverwertung beziehungsweise Entsorgung und anschließend die Errichtung der neuen Anlage erforderlich. Die Verbundwerkstoffe der Rotorblätter erschweren das Recycling. Hinzu kommen ein hoher Investitionsbedarf, längere Umsetzungszeiten und häufig neue Genehmigungsverfahren. Beim Retrofit bleiben Fundament, Turm, Gondel und weitere nutzbare Baugruppen erhalten. Modernisiert werden gezielt die Systeme, die die Verfügbarkeit und den Weiterbetrieb begrenzen. Voraussetzung ist, dass der Zustand der Gesamtanlage und ihre verbleibende Nutzungsdauer den Weiterbetrieb rechtfertigen. Bei dem Projekt in Lamar lag der Hauptgrund für den Stillstand im veralteten Pitch-System, das die Verstellung der Rotorblätter übernimmt und damit das aerodynamische Drehmoment, die Rotordrehzahl und die Generatorleistung regelt. Als sicherheitsrelevantes Stellglied muss es die Blätter im Fehlerfall auch bei Ausfall der Netzversorgung in die Fahnenstellung bewegen können. Wiederkehrende Störungen bis hin zum kompletten Stillstand und die eingeschränkte Ersatzteilversorgung der alten Technik sprachen für die Erneuerung dieses Subsystems. Ersetzt wurden Pitch-Motoren, Pitch-Antriebe, Energiespeicher und die speicherprogrammierbare Steuerung (PLC). In Lamar kam unser PitchMasterII+ zum Einsatz. Die Kommunikation wurde von der bisherigen seriellen Anbindung auf CANopen umgestellt. Aus Keba-Sicht war entscheidend, Motor und Antrieb sowie deren Regelung mit der Turbinensteuerung und dem Backup-System zu einem funktionsfähigen Gesamtsystem zusammenzufügen. Ziel war eine höhere Verfügbarkeit durch weniger pitch-bedingte Ausfälle und eine bessere Ersatzteilversorgung. Des Weiteren sollten erweiterte Diagnosemöglichkeiten die Fehlerlokalisierung beschleunigen. Zusätzlich wurde das Gewicht des neuen Motors mehr als halbiert, was die Handhabung beim Einbau und bei Servicearbeiten erleichtert.

Welche technischen Herausforderungen ergaben sich bei diesem Retrofit-Projekt?

Die zentrale technische Herausforderung bestand darin, ein vollständig neues Pitch-System in eine bestehende Windenergieanlage zu integrieren. Dabei mussten der neue Motor, unser Keba-Pitch-Antrieb PitchMasterII+, die Steuerung und die Ultrakondensatoren für die Notstromversorgung als Gesamtsystem aufeinander abgestimmt werden. Es ging sowohl um die Einbindung in die vorhandene Anlage als auch um das Zusammenspiel der neuen Komponenten untereinander. Bei der Inbetriebnahme wurden unter anderem der Drehzahlregler optimiert und die Lageregelung für die Blattverstellung eingerichtet. Die Blattbewegungen wurden schrittweise vergrößert. Parallel wurde ein Fahrprofil für das sichere Verfahren in die Fahnenstellung definiert und getestet. Einzelne Anpassungen der Steuerungssoftware standen noch aus, bevor die Anlagenleistung weiter erhöht werden sollte. Besonderes Augenmerk lag auf der Erprobung unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen. Die 1,5-MW-Anlage wurde zunächst mit einer begrenzten Leistung von 400 KW betrieben. Dieser Betriebspunkt war bewusst gewählt, da das Pitch-System bei dieser Leistungsbegrenzung mehr Regelarbeit leistet, um die Rotordrehzahl einzuhalten. Der Betrieb diente damit zur Erprobung unter anspruchsvollen Bedingungen. Die reduzierte Leistungsfreigabe war ein Schritt der Inbetriebnahme und keine Aussage über die spätere Nennleistung. Eine weitere Herausforderung war der belastbare Nachweis der Verbesserung im laufenden Betrieb. Am Standort Lamar ermöglicht die modernisierte Anlage einen Vergleich mit drei weiteren Anlagen mit bisheriger Technik. Aussagekräftig sind insbesondere pitch-bedingte Ausfälle, deren Dauer und die daraus resultierende Verfügbarkeit. Für eine belastbare Bewertung müssen auch Betriebsbedingungen und Wartungszustand berücksichtigt werden. Zum Zeitpunkt des Interviews lagen erste positive Betriebserfahrungen vor. Eine abschließende Bewertung der langfristigen Verbesserungen steht jedoch noch aus.

Wie lässt sich sicherstellen, dass Komponenten verschiedener Hersteller zuverlässig als Gesamtsystem zusammenarbeiten?

Zuverlässiges Zusammenwirken setzt voraus, dass die Komponenten anhand gemeinsamer Systemanforderungen ausgelegt werden. Dazu gehören die Abstimmung von Motor und Antrieb, die Energieversorgung für die Sicherheitsfahrt sowie die Kommunikation zwischen Pitch-System und Turbinensteuerung. Die korrekte Funktion muss sowohl für den Regelbetrieb als auch für die vorgesehenen Fehlerreaktionen nachgewiesen werden. In Lamar bildete die gute Zusammenarbeit über Unternehmens- und Ländergrenzen hinweg die Grundlage dafür. Die Teams stimmten Schnittstellen und Softwareanpassungen gemeinsam ab. Schulungen am Keba-Entwicklungsstandort in Unna bereiteten die Arbeit mit den Parametrier- und Diagnosetools PitchManager beziehungsweise DriveManager vor. Auf unserem Motorteststand wurde das Zusammenspiel des neuen Motors mit dem Pitch-Antrieb bereits vor der Integration in die Anlage geprüft. Darüber hinaus konnte an unserem Laststand gezeigt werden, dass der Umrichter die geforderten Drehmomente erzeugen kann. Die Tests auf Komponentenebene wurden durch die schrittweise Inbetriebnahme in der Windenergieanlage ergänzt. Dabei wurde die Regelung abgestimmt. Die Blattbewegungen wurden nach und nach vergrößert und das sichere Verfahren in die Fahnenstellung geprüft. Diese Systemtests sind erforderlich, weil ein erfolgreicher Motor-Antriebs-Test allein weder die Einbindung in die Turbinenregelung noch die Funktion der vollständigen Sicherheitskette belegt. Die anschließende Erprobung mit begrenzter Anlagenleistung lieferte Rückmeldungen für weitere Softwareanpassungen. Erst nach deren Abschluss sollte die Leistungsfreigabe schrittweise erhöht werden. Dieses Vorgehen verbindet die Vorprüfung der Komponenten mit der Validierung ihres Zusammenspiels unter realen Betriebsbedingungen. Im laufenden Betrieb unterstützen Diagnose- und Betriebsdaten die Fehlerlokalisierung und die Bewertung der Zuverlässigkeit. Entscheidend ist, auftretende Fehler dem jeweiligen Subsystem zuordnen und ihre Auswirkungen auf das gesamte Pitch-System nachvollziehen zu können.

Unter welchen technischen und wirtschaftlichen Voraussetzungen lässt sich das in Lamar erprobte Retrofit-Konzept auf andere ältere Windenergieanlagen übertragen – und wo liegen seine Grenzen?

Das Retrofit-Konzept ist modular aufgebaut und skalierbar. Motor, Pitch-Antrieb, Backup und Steuerungsanbindung lassen sich auf die Anforderungen der jeweiligen Anlagenplattform auslegen. Unser Engineering-Team unterstützt die Bewertung des Systems, die Dimensionierung von Motor und Backup sowie die Softwareintegration. Für die Übertragung müssen Einbauraum, mechanische Anbindung, elektrische Versorgung und Kommunikation mit der Turbinensteuerung geprüft werden. Die Regelungs- und Sicherheitsfunktionen sind anlagenspezifisch zu validieren. Wirtschaftlich ist der Ansatz besonders interessant, wenn häufige Pitch-Störungen und eingeschränkte Ersatzteilversorgung den Betrieb belasten und die Investition sich innerhalb der verbleibenden Nutzungsdauer amortisieren kann. Die Grenzen ergeben sich aus dem Zustand der Gesamtanlage und dem Integrationsaufwand. Ein Pitch-Retrofit behebt keine Schäden an anderen zentralen Baugruppen und erhöht nicht automatisch die Nennleistung. Sind weitere wesentliche Komponenten stark verschlissen oder reicht die verbleibende Betriebszeit nicht für eine Amortisation aus, kann Repowering sinnvoller sein. Auch bei modularer Technik erfordert jede neue Anlagenplattform eine Prüfung und gegebenenfalls zusätzliche Anpassungen.

Welche regulatorischen Anforderungen und Normen müssen bei einem Retrofit von Windenergieanlagen berücksichtigt werden? Wo liegen dabei die größten Herausforderungen?

Die regulatorischen Anforderungen an einen Retrofit sind stark länder- und marktabhängig. Welche Genehmigungen und Nachweise erforderlich sind, muss deshalb für den jeweiligen Standort und den Umfang der Modernisierung bewertet werden. Als Lösungsanbieter unterstützen wir die Umsetzung mit zertifizierter Sicherheitstechnik und dem Engineering für die konkrete Integration. Unsere Pitch-Antriebe sind TÜV-zertifiziert und bieten Sicherheitsfunktionen nach EN ISO 13849 und IEC 61508. Diese Normen bilden wichtige Grundlagen für die funktionale Sicherheit unserer Produkte. Die Zertifizierung unterstützt den Sicherheitsnachweis für das gesamte Pitch-System, ersetzt jedoch nicht die Bewertung der modernisierten Windenergieanlage. Unsere Pitch-Antriebe wurden entsprechend der 2oo3-Architektur entwickelt. „2oo3“ („two-out-of-three“) bedeutet dabei: Jedes der drei Rotorblätter verfügt über eine unabhängige Pitch-Achse. Das Sicherheitskonzept ist so ausgelegt, dass zwei funktionsfähige Achsen die Anlage auch dann sicher abbremsen können, wenn die dritte Achse ausfällt. Voraussetzung ist, dass dieses Verhalten für die jeweilige Anlage nachgewiesen und das System gemäß den zertifizierten Auslegungs- und Integrationsvorgaben umgesetzt wird. Die größte Herausforderung bei der Integration des neuen Pitch-Systems liegt darin, diese Funktionen korrekt in die bestehende Anlagenarchitektur einzubinden. Motor, Antrieb, Backup und Turbinensteuerung müssen auch im Fehlerfall die vorgesehenen Reaktionen ausführen. Wir unterstützen die Auslegung, die Schnittstellenabstimmung und die Erprobung. Die anlagenspezifische Sicherheitsbewertung und die regional erforderlichen Nachweise müssen dabei auf Ebene des Gesamtprojekts erfolgen.

Welche technologischen oder wirtschaftlichen Trends werden Ihrer Meinung nach die Windbranche in Zukunft besonders beeinflussen?

Wir sehen einen wichtigen Trend darin, bestehende Windenergieanlagen länger zuverlässig und wirtschaftlich zu betreiben. In den USA wurden insbesondere zwischen 2010 und 2012 sowie zwischen 2015 und 2020 große Anlagenbestände aufgebaut. Diese Installationswellen erreichen zeitlich versetzt ein Alter, in dem Verschleiß, veraltete Steuerungs- und Antriebstechnik sowie eingeschränkte Ersatzteilversorgung zunehmend relevant werden. In den kommenden zehn Jahren werden viele dieser Anlagen zur Altersklasse von 15 bis 25 Jahren gehören. Damit wächst der Bedarf an gezielter Instandhaltung und der Modernisierung kritischer Subsysteme. Technologisch gewinnen Diagnosefähigkeit und die Auswertung von Betriebsdaten an Bedeutung. Fehler müssen schneller lokalisiert und Instandhaltungsmaßnahmen gezielter geplant werden können. Kompakte und leichte Antriebe erleichtern Einbau und Service. Für Betreiber zählen die Auswirkungen auf Verfügbarkeit, Instandhaltungskosten und Stromgestehungskosten über die verbleibende Betriebsdauer. Für uns als Lösungsanbieter im Bereich der Pitch-Systeme liegt der Schwerpunkt auf sicherer Blattverstellung, nachvollziehbarer Diagnose und einer Integration, die den Aufwand für Inbetriebnahme und Service begrenzt. Der wirtschaftliche Nutzen muss sich im Betrieb durch weniger Stillstände und einen geringeren Instandhaltungsaufwand belegen lassen.