Echtzeitreaktion der Windturbine auf Belastungsstress wird Standard

Tilman Weber

Fünf Jahre nach Aktualisierung einer Richtlinie des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) zur Messung und Beurteilung von Schwingungen von und in Windenergieanlagen mit Getrieben legt der VDI eine solche Richtlinie auch für getriebelose Direktantriebs-Windturbinen vor. Im Sommer soll Blatt 2 der VDI-Richtlinie 3834 im sogenannten vorläufigen Gründruck erscheinen, später im Jahr vermutlich noch der endgültige Weißdruck. Die Richtlinie definiert, was Stand der Technik der Beurteilung der Schwingungen von Windenergieanlagen ohne Getriebe ist: An welchen Positionen entlang der Hauptwelle, am Generator oder am Maschinenträger sollen Schwingungssensoren eingebaut sein? Welche Frequenzbereiche sind für einen Schwingungsort typisch und ab welchen Abweichungen der Schwingungen sind die Werte in diesen Bereichen als ungeeignet für den Dauerbetrieb einzustufen?

Online-Zustandsüberwachungssysteme – im internationalen Fachsprachengebrauch Condition-Monitoring-Systeme oder CMS – haben sich als Frühwarn-Technologie seit mehr als zehn Jahren zunehmend in der Windenergie durchgesetzt: Schwingungssensoren, aber auch Wärmemesser oder gar Schall- sowie Lichtsender kombiniert mit entsprechenden Empfängern oder auch noch Ölpartikelzähler an unterschiedlichen Orten im Triebstrang einer Getriebeanlagen zeichnen hierbei auf, wie die Anlagekomponenten unter äußeren Wind- und Wetterbedingungen plus vor allem auch unter den eigenen Rotationsbedingungen vibrieren, sich erwärmen, sich dehnen und strecken. Die Zustandsüberwachung gibt damit Auskunft, unter welche Lasten die Komponenten geraten. Das CMS besagt aber auch, ob die Komponenten und ihr Baumaterial wie Stahl und Eisen oder Glasfaserkunststoff unter der dauerhaften Belastung an Stabilität verlieren, Risse bekommen oder gar Ausbrüche verzeichnen. Allerdings fängt damit bereits die Kunst der CMS-Entwickler an: Doch verlässlich sind die Sensoren nur beim Aufzeichnen, wie sich die Schwingungsdaten im Zeitverlauf verändern. Danach müssen entweder erfahrene Experten oder bei Überwachung großer Windturbinenflotten eine CMS-Daten-Analyse in Computern signalisieren, welche Schwingungsveränderungen wirklich auf beginnende Schäden schließen lassen und welche noch zu tolerieren sind. Auch von außen auf die Anlage einwirkende Kräfte muss die CMS-Analyse von den rotationsabhängigen Schwingungswerten trennen können.

Zustandsüberwachung lässt sich zunehmend in Steuerung integrieren

Ziel der Überwachung ist zunächst, immer frühzeitiger beginnende Schädigungen zu erkennen – um die Instandhaltung und Reparatur in der Anlage rechtzeitig planen und mit anderen Reparatureinsätzen im selben Windpark oder an nahe gelegenen anderen Windturbinenstandorten zusammenzulegen. Dies führt zu stark reduzierten Kosten beim Instandhaltungsservice. In Verbindung mit der zunehmenden Digitalisierung lässt sich CMS aber auch allmählich mit der Steuerung der Windturbine direkt verknüpfen. Dadurch wollen Windturbinenhersteller erreichen, dass die Windturbinen hohe und insbesondere sich als schädlich erweisende Belastungen einzelner Komponenten vermeiden. Die Steuerung soll demnach automatisiert durch leichte Änderungen in der Blattverstellung oder beispielsweise der Generatorregelung den Belastungsdruck kurzzeitig zurücknehmen. Vereinfacht erklärt bedeutet dies, dann die Stromerzeugung kurz zurückzunehmen.

Standard für Direktantriebsturbinen nun nachgelegt

CMS-Entwickler verfeinern die Sensoren und deren Analyse-Programme seit Jahren beständig – und sie entwickeln hierbei zunehmend technologieabhängige Maßstäbe. Die VDI-Richtlinien sollen diese Maßstäbe hingegen branchengreifend transparent werden lassen – indem sie ergänzend zur Zustandsüberwachung einen allgemeingültigen Mindeststandard für die Schwingungsmessung und Beurteilung formulieren, der den Nutzen aller CMS erhöht. Für getriebelose Windturbinen hatte der VDI seit 2015 allerdings noch einige Recherchearbeit zu erledigen. Denn anders als bei Getriebeanlagen herrscht in dieser Antriebsdisziplin weniger Wettbewerb. Dominierend ist bei getriebelosen Windenergieanlagen an Land der deutsche Windturbinenbauer Enercon. Der allerdings hatte mit einem eigenen, bisher einmaligen Instandhaltungskonzept EPK die Anlagenüberwachung mitsamt der Reparaturen fast ausschließlich selbst erledigt. Unabhängige Wartungsdienstleister konnte Enercon lange Zeit dadurch raushalten. Die zwei weiteren Anbieter getriebeloser Windturbinen in Deutschland, Siemens Gamesa und Vensys, haben hingegen hierzulande fast noch keine Kapazitäten errichtet. Somit benötigte der VDI bis jetzt, um ausreichend Daten für die neue Richtlinie durch eine Befragung von Windparkbetreibern und inzwischen involvierten Wartungsdienstleistern zu sammeln.

So erklärt es auch der Vorsitzende des Richtlinienausschusses beim VDI, Thomas Gellermann. Der Experte ist hauptberuflich leitender Gutachter der zum Versicherungskonzern Allianz gehörenden Einrichtung AZT, mit der die Allianz die Schäden an Windenergieanlagen untersuchen lässt. Gellermann erklärt die Notwendigkeit einer gesonderten Richtlinie für getriebelose Windturbinen mit deren deutlich geringeren Generatordrehzahl. Denn Direktantriebsturbinen gleichen durch einen größeren Generator mit viel mehr Magnet-Polpaaren die dank Getriebeübersetzung größere Generatordrehzahl der Getriebeanlagen aus: „Wir haben deshalb viel niedrigere Schwingungsfrequenzen“, sagt Gellermann. „Entsprechend definierten wir mehr Kennwerte, die den niederfrequenten Bereich von 0,1 bis 10 Hertz abdecken.“ Die Richtlinie bietet nun die Chance, dass sich auch bei den Direktantriebsturbinen ein Standard zur Schwingungsbeurteilung als für alle transparentes Verfahren mittels CMS durchsetze.

Beckhoff, Bachmann und Co.: Synchrone Datenerfassung in Echtzeit

Die technologische Entwicklung bei CMS trug derweil in den vergangenen Jahren ihren Teil dazu bei, dass bei Beachtung eines einheitlichen Standards allein der Schwingungsmessungen sich inzwischen viel erreichen lässt. So hat das nordrhein-westfälische Automatisierungsunternehmen Beckhoff Automation durch Entwicklung einer Hardware seit Anfang des vergangenen Jahrzehnts erreicht, dass sich alle Signale aus den unterschiedlichen CMS-Disziplinen mit Abweichungen von höchstens einer Mikrosekunde synchron abbilden lassen: Aus der Antriebsstrangüberwachung, der Blattüberwachung, der Blattlagerüberwachung, der Turmschwingung, der Fundamentüberwachung, der Leistungsmessung sowie der Messung anderer Umgebungsdaten sind daher ganzheitlich fundierte Schlüsse möglich. Sind Reaktions- und Schwingungsspitzenwerte von Schäden an der überwachten Komponente selbst, von Schwächen im Material des Gesamtbauwerks Windturbine an einem anderen Ort oder von äußeren Einflüssen verursacht? Zudem lässt die Echtzeitsynchronisierung zu, in Zukunft durch die Anlagensteuerung die Extrembelastungen gezielt zu vermeiden.

Beckhoffs Branchenmanager für Windenergie, Dirk Kordtomeikel, will durch die Beckhoff-Hardware ein großes weiteres Potenzial für das CMS aufgeschlossen haben: „Ein technologischer Vorteil liegt hier unmittelbar auf der Hand: Sämtliche Automatisierungsdaten liegen zeitsynchron mit den Messdaten vor“, sagt er. „Der Königsweg wäre, das Monitoring direkt in die Automatisierung einzubinden.“ Wobei mit Automatisierung eben auch die automatische Regelung der Anlagen gemäß Belastungsdaten gemeint sein dürfte.

Dies ist zumindest das Anliegen auch des CMS- und Automatisierungsunternehmens Bachmann Monitoring. Derzeit erweitert das thüringische Tochter-Unternehmen des österreichischen Konzerns Bachmann sein Datenverarbeitung so, dass drehzahlabhängige Schwingungsfrequenzen eindeutig von Frequenzen getrennt werden, die von der Anlagenbaustruktur abhängen. Weitere Hersteller von Sensoren und CMS sind zudem dabei, Neuentwicklungen marktfähig werden zu lassen, die sogar das Auftreten von Schäden ganz vermeiden sollen, wie eine Recherche des gedruckten Magazins ERNEUERBARE ENERGIEN ergab.

Lesen Sie hierzu auch den aktuellen Trendbericht in unserem gedruckten Magazin ERNEUERBARE ENERGIEN, der insbesondere über die neuen Technologien bei CMS informiert.