Foto: Phoenix Contact

Längere Lebensdauer und mehr Ertrag

Rund ums Rotorblatt: Hightech für Überwachung und Inspektion

Das Rotorblatt entwickelt sich zur Achillesferse der Windturbine. Was können Betreiber gegen frühzeitige Schäden an neuen Flügeln tun?

Inhaltsverzeichnis

Nicole Weinhold

Derzeit steht die Branche vor gewaltigen Herausforderungen. Planungen ziehen sich in die Länge und werden immer teurer - auch wegen einer schleppenden Bürokratie zu Coronazeiten. Betreiber und Betriebsführer sehen sich der Herausforderung gegenüber, die Effizienz ihrer Windenergieanlagen immer weiter erhöhen zu müssen. Bei den neuen Offshore-Windparks etwa müssen sie aufgrund der Ausschreibungsergebnisse mit minimalen Einnahmen auskommen. Und bei den Bestandsanlagen, die Anfang 2021 aus der Vergütung fallen, muss ohnehin jeder Cent zweimal gewendet werden. Dabei rückt das Rotorblatt in den Fokus. Es birgt die größten Herausforderungen, aber auch Chancen.

Hohe Reparaturkosten und Blatttausch

Schäden an den Flügeln können hohe Reparaturkosten bis hin zum Blatttausch, sowie lange Stillstandzeiten mit hohen Ertragsausfällen bedeuten. Gerade die neuen, langen Rotorblätter sind dabei aufgrund ihrer hohen Blattspitzengeschwindigkeit schadensanfällig. An Standorten mit hohen Erosionsbelastungen seien alle neuen Anlagen von Rotorblatt-Schäden betroffen, so Jan Liersch, Geschäftsführer von Key Wind, gegenüber ERNEUERBARE ENERGIEN: „Offshore sind im Prinzip alle Anlagen betroffen.“ Wie können Betriebsführer ihre Windkraftanlagen nun also schützen? Lange hieß es, Rotorblattüberwachungssysteme seien wirtschaftlich schlecht darstellbar. Das hat sich offenbar wegen teurer Schadenshäufungen geändert.

Bachmann, Phoenix Contact, fos4X und Weidmüller

Der Monitoring-Spezialist Bachmann stellt dazu etwa fest, aufgrund einer „enormen Zunahme der Blattlängen bei den neuen Anlagengenerationen und insbesondere durch die Einführung neuer Technologien - wie beispielsweise IPC (individual pitch control) - sei heute eine permanente statische und dynamische Lasterfassung am Rotorblatt“ erforderlich. „Rotorblattschäden sind in der Tat keine Seltenheit. Dabei gibt es eine große Vielfalt an verschiedenen Schadenstypen mit internem sowie externem Ursprung. Blattschadensursachen können zum Beispiel Blitzschläge, der Einfluss von Fremdkörpern oder auch Erosion sein“, betont auch die fos4X GmbH aus München.

Im Laufe der Zeit habe sich das Verhalten der Blätter ebenso wie die Technologien zur Überwachung weiterentwickelt, erklärt die Firma Phoenix Contact. Das Monitoring werde dadurch erst möglich und gestalte sich zudem wirtschaftlicher. Welche Technologie bieten die Experten aus dem lippischen Blomberg an? „Für die Rotorblattüberwachung kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Die Stärke unseres Systems liegt im modularen Aufbau. So können die Anforderungen des Endkunden optimal bedient werden“, erklärt Oliver Pukall, Manager Erneuerbare Energien bei Phoenix Contact. Das zertifizierte Condition Monitoring System (CMS) der Weidmüller Monitoring Systems GmbH, BLADEcontrol, ist lange am Markt etabliert. Mit weit über 3.500 Anlagen im Feld sowie mehr als 12.000 Maschinenjahren an Erfahrung verfügt Weidmüller Monitoring Systems nach eigenen Angaben über umfangreiches Datenmaterial, welches kontinuierlich ausgewertet wird. „Nur diese Erfahrung ermöglicht es uns einen monetären Mehrwert für unsere Kunden zu erzielen, da wir aus diesem Erfahrungsschatz entsprechende Schäden rechtzeitig und zielgenau detektieren können“, so die Firma Weidmüller.

Lars Hoffmann, CEO von fos4X, beschreibt die Technologie aus seinem Haus wie folgt: „Auf Basis der Sensorplattform in Kombination mit intelligenter Software adressieren wir gleichzeitig verschiedene Mehrwerte wie Eiserkennung, Erkennung von Pitch- und Yaw-Fehlstellungen und Rotorblattschadenserkennung.“ Genau diese Kombination aus Funktionen zur direkten Ertragssteigerung der Anlage und der Minimierung von Schadensrisiken führe dazu, dass Rotorblattüberwachungssysteme portfolioübergreifend wirtschaftlich einsetzbar seien. Laut Hoffmann sind von fos4X derzeit über 13.000 aktive Sensoren im Feld. Das technologische Alleinstellungsmerkmal stelle die faseroptische Kerntechnologie in Kombination mit Kompetenz in der Signalanalyse sowie intelligenten Algorithmen dar. Faseroptische Sensorik sei bestens geeignet für den Einsatz in Windenergieanlagen, da Sie über die Laufzeit von 20 Jahren kein Ermüdungsverhalten zeige, die Übertragung in Faserkabeln kaum spezifischen Widerstand aufweise und so genaue Messungen über lange Distanzen möglich seien. Die verwendeten Telekommunikationskomponenten seien robust und resistent gegenüber Blitzschlägen. „Die von fos4X eigens entwickelte Kerntechnologie ist mit 200 Patenten abgesichert“, so Hoffmann.

Lastfreie Abstandsmessung

Holger Fritsch, Geschäftsführer der Bachmann Monitoring GmbH, weist darauf hin, dass seine Firma die mit Dehnungsmessstreifen übliche Dehnungsmessung in eine lastfreie Abstandsmessung überführt habe. Das wird mit einem sogenannten „Cantilever-Sensor“ realisiert. Vorteil unter anderem: das kraftlose Messprinzip garantiert die Langzeitstabilität des Sensors. Wann hat Bachmann mit der Entwicklung des neuartigen Rotorblatt-Monitorings begonnen? Tatsächlich bereis 2013. Das Unternehmen musste in diesem Prozess verschiedene Rückschläge verkraften. Zum einen hat Bachmann u. a. aus preislichen Gründen und aus Gründen der geforderten Robustheit Ende 2017 das Messprinzip von optisch auf induktiv umgestellt. Einen erheblichen Aufwand verursachte laut Fritsch daneben die Entwicklung zuverlässiger Algorithmen für die einzelnen Funktionen. Insbesondere die Eiserkennung und die Strukturanomalie-Erkennung am Rotorblatt. Aktuell laufen zahlreiche Pilotprojekte. Der Einstieg in eine umfassende Vermarktung ist bei Bachmann für 2021 vorgesehen.

Foto: Bachmann

Eine Eiserkennung sorgt dafür, dass die Anlage nicht unnötig lange stehen muss.

CMS und Basiswartung statt Vollwartung

Die Firma Weidmüller fasst die Vorteile von CMS für Rotorblätter treffend zusammen: Betreiber könnten sich beispielsweise eher für einen normalen Wartungsvertrag unter Nutzung von CMS entscheiden als für vergleichsweise teurere Vollwartungsverträge. Zum anderen könnten Service-Dienstleister durch die Einbindung eines CMS ihre Risiken senken und damit die Wartungs- und Instandhaltungskosten minimieren. Weiterer Vorteil: Einerseits ist das meist behördlich geforderte Eisdetektionssystem schon integriert. Andererseits lassen sich die Kosten der Zertifizierung des Weiterbetriebs durch den rechtzeitigen Einsatz eines CMS mindern, da diese Daten eine Alternative zur vor Ort Begehung darstellen können.

Wo liegen die Condition Monitoring Systeme preislich? Der geplante Einstiegspreis soll bei der Bachmann Monitoring GmbH für die Ausrüstung einer Anlage unter 9.000 Euro liegen. Die anderen CMS-Unternehmen verzichten auf eine Benennung der Kosten. Fos4X sagt, je nach Bedürfnis des Kunden biete man verschiedene individuelle Pakete des Funktionsumfangs an, die sich hinsichtlich Datenservice, erweiterten Analysen, Funktionalitäten und Monitoring-Dienstleistungen konfigurieren lassen. Phoenix Contact äußert sich ähnlich: Das System sei modular aufgebaut und werde an die Bedürfnisse des Kunden angepasst, sodass die Kosten entsprechend variieren. Je nach Paket-Umfang variieren die Preise für die Rotorblatt-Überwachung also bei den Anbietern.

BerlinWind: Blattwinkelmessung

Welche Möglichkeiten haben Betriebsführer außerdem, um ihre Anlagen im Bereich der Rotorblätter zu optimieren, sodass diese bessere Erträge bei längerer Lebensdauer erzielen? Überlastete, oft verschleißende Bremsen und Motoren der Windrichtungsnachführung sind ein typisches Zeichen für Blattwinkelfehler, weil sie durch die umlaufenden Unwuchtkräfte periodisch bei jeder Rotorumdrehung beansprucht werden. Die BerlinWind GmbH hat durch statistische Auswertung von Messungen an über 2.000 Windenergieanlagen festgestellt, dass rund 80 Prozent der Windturbinen im Feld eine falsche Blattwinkeljustage haben und/oder bei diesen Anlagen ist das Auswuchten des Rotors notwendig.

Foto: BerlinWind

In dieser Grafik von BerlinWind sieht man: Das Auswuchten des Rotors verkleinert sichtbar den unwucht-bedingten Schwingweg-Orbit der Gondel (blau: starke Schwingungen). Messungen unter gleichen Betriebsbedingungen, Mittelwert-bereinigtes 10min-Signal.

Werden diese Fehler korrigiert, erhöht sich die Lebenserwartung von Anlagenkomponenten. Die Erträge verbessern sich um bis zu 4,5 Prozent. BerlinWind bietet eine schrittweise Messkampagne mit Unwuchten-Check an. Nur Anlagen, die bei einer ersten Messung auffällig waren, werden dann nochmal einer längeren Messkampagne unterzogen. Bei der optischen Blattwinkelmessung des arretierten Rotors mit Kamera vom Boden aus mit statistischer Auswertung von Fotos ist eine sehr hohe Messgenauigkeit von 0,1 Grad möglich. Kunden, die nur ein Teilmodul der gesamten Messkampagne buchen, lernen das sorgfältige Vorgehen schnell schätzen, gerade wenn die schwingungsoptimierte Blattwinkeljustage verbleibende Blattwinkelfehler beseitigt und teilweise dann klar wird, dass gar keine Massenunwucht vorliegt - also eine Fehldiagnose und das Einbringen fehlerhafter Massen in den Blättern verhindert wird.

Wie teuer sind die entsprechenden Dienstleistungen? „Wir schätzen aufgrund einer eigenen Studie zusammen mit einem Betreiber für einen Windpark mit zehnmal Zwei-MW-Anlagen Messkosten, Unwucht-Prüfung und gegebenenfalls Auswuchten pro Windenergieanlagen 500 bis 1.000 Euro pro Jahr“, so Christoph Heilmann, R&D-Chef bei BerlinWind. „Es ergab sich in der Studie ein Kosten-Nutzen-Verhältnis von 1:10 bis 1:30 zwischen Aufwand für periodische Unwucht/Blattwinkel-Messungen in 20 Jahren und den vermiedenen Ertragseinbußen, Schadenskosten, Stillständen und gegebenenfalls verkürzter Windturbinen-Nutzungsdauer aufgrund eines zu teuren Großkomponenten-Schadens kurz vor Ende.“

ROBUR und Aero Enterprise: Drohnen

Die Firma ROBUR WIND betont die Bedeutung der Inspektion für die Lebensdauer: Das Thema Rotorblattschäden sei oft in der Vergangenheit vernachlässigt und als nicht so kritisch angesehen worden. Dabei sei das Blatt diejenige Komponente, die „gesund“ laufen müsse, da ansonsten durch Unregelmäßigkeiten zum Beispiel bei der Einstellung der Blätter oder durch Schäden der geplante Ertrag nicht erreicht werde und zudem durch Vibrationen Schäden im Rest der Anlage entstehen könnten. „Kostenintensive Folgeschäden an anderen Komponenten wie etwa dem Getriebe oder lange Stillstandzeiten können durch eine regelmäßige Rotorblatt-Wartung vermieden werden“, so ROBUR. Die Turbinen-Hersteller versuchten nach Ansicht der Wartungsfirma immer kurzfristiger neue Varianten mit längeren Blättern zur Erhöhung der Ertragskraft der Anlage in den Markt zu bringen. „Das bedeutet, dass das Engineering der Hersteller unter besonderem Druck steht und andererseits die Produktion der Blätter nach wie vor sehr von manuellen Arbeitsprozessen geprägt ist“, erklärt Kyriakos Kosmidis, Sprecher der Business Unit von ROBUR WIND. Ohne eine Automatisierung in der Produktion bei immer kürzerer Markteintrittszeit lasse sich keine wiederholbare Qualität gewährleisten. „Dadurch stellen wir als Blatt-Service-Dienstleister neben den Angriffspunkten von Erosionen an den Vorderkanten immer mehr Serienschäden vor allem im Innenbereich des Blatts fest“, betont Kosmidis.

Foto: Aero Enterprise GmbH

Stillstandzeiten vermeiden

Größere Reparaturen seien sehr aufwendig, führten zu längeren Stillstandzeiten und seien daher unbedingt zu vermeiden, betont die Inspektionsfirma Aero Enterprise GmbH aus Linz, Österreich. Daher sollten die Rotorblätter laufend inspiziert und gewartet werden. „Die Behörden in Deutschland und Österreich schreiben ein vierjähriges Inspektionsintervall für Onshore-Anlage vor, die meisten Unternehmen untersuchen die Rotorblätter öfter, insbesondere im Offshore-Bereich. Nach neuersten Studien sind dort die Inspektionsintervalle deutlich kürzer – zwischen sechs Monaten und zwei Jahren“, so Peter Kurt Fromme-Knoch, Geschäftsführer von Aero Enterprise. Seine Firma sei Technologieführer im Bereich der luftgestützten Inspektion von Windkraftanlagen. „Unsere Hardware Aero-SensorCopter und das Aero-Software-Package wurde in vier Jahren im eigenen Haus entwickelt“, betont er. Bei Aero Enterprise kommen Hard- und Software aus einer Hand. Die Firma übernimmt Auswertung, Interpretation und digitales Reporting unter Einsatz von Künstlicher Intelligenz. Sie liefert ein kontinuierliches Bildprofil entlang der Rotorblätter, der Gondel und auch des Turmes mit rund 300 hochauflösenden Normal- und Infrarot- Bildern.

Aber worauf legt eigentlich der Kunde besonderen Wert?

Laut Aero Enterprise ist für den Kunden entscheidend:

• Flexibilität in der Inspektion vor Ort (Zeit, Wetter etc.)

• Hohe Datenqualität: kontinuierliches Profil ohne Lücken, hochauflösende, scharfe Bilder

• Erfassung auch kleinster Anomalien (inkl. Vermessung der Größe)

• Bestimmung der Schadensart nach internationalen Richtlinien (mittels KI)

• Digitales Reporting – auch direkt in das ERP-System des Kunden transferiert

• Und natürlich das einzuhalten, was man verspricht und womöglich die Kundenerwartungen zu übertreffen.

Roboter im Rotorblatt

Für visuelle Inspektionen habe sich durch Digitalisierung und Robotics die Entwicklung sehr schnell auf die Drohne konzentriert, um Bilder, Daten und Berichte bereitzustellen – auch bei ROBUR WIND. „Wir glauben, dass fast jede Reparatur am hängenden Blatt durchgeführt werden kann - auch Offshore. Durch die größeren Turbinen mit längeren Blättern und immer weiteren Abständen zum Turm sind unter dem Aspekt von Sicherheit und Qualität bei Reparaturen hängende Arbeitsbühnen wie ROBUR WIND sie nutzt derzeit alternativlos. Hier werden die Bühnen-Hersteller gezwungen sein, die Bühne an sich flexibel zu entwickeln, um sich neuen und größeren Blattstrukturen flexibel genug anpassen zu können.“

Blick ins Innere des Flügels

Neben der externen Inspektion durch eine Drohne werden die internen Blattinspektionen immer wichtiger. „Für bestimmte Blatttypen und vor allem für die Bereiche, in die sich unsere Kollegen nicht mehr hineinbewegen können, setzen wir verstärkt auch im Innenblatt-Bereich Roboter für die visuellen Inspektionen ein“, so Kyriakos Kosmidis von ROBUR WIND.

Fazit

Zwar erhöht sich die Zahl der Rotorblattschäden mit wachsender Flügellänge und Geschwindigkeit bei der Entwicklung neuer Rotorblätter. Aber gleichzeitig verfügen die Condition-Monitoring-Firmen über immer bessere Methoden zur Überwachung der Rotorblätter. Darüber hinaus bietet sich den Betriebsführern die Möglichkeit der Blattwinkelmessung und der Justage bei falschem Blattwinkel sowie des Auswuchtens. Auch auf diese Weise lassen sich Erträge verbessern, schwere Schäden vermeiden und die Lebensdauer verlängern. Und letztendlich sind die neuen Möglichkeiten der Rotorblatt-Inspektion sehr viel wert. Drohnen und künftig wohl auch andere Formen von Robotics liefern in kürzester Zeit Bildmaterial und Daten für eine Zustandsanalyse. Wer all diese Möglichkeiten nutzt, muss keine böse Überraschung durch massive Schäden an den Flügeln erleben.

Die genannten Unternehmen

CMS-Firmen:
Bachmann: 0421/5262 9970 47
fos4X: 089/999542-13
Phoenix Contact: 05235/3-1 20 00
Weidmüller: 0351/213916-63

Blattwinkelvermessung:
BerlinWind: 030/6883337-60

Inspektion:
Aero Enterprise: +43/732/210330
ROBUR WIND: 0160/93165337

Dieser Text ist Teil eines Specials rund um Rotorblätter in unserem aktuellen Printheft. Dort finden Sie weitere Informationen rund um das Thema.

Wollen Sie neue Erkenntnisse zur Windkraft-Technik im Blick behalten? Dann abonnieren Sie doch unseren kostenlosen Newsletter! Hier können Sie sich anmelden.