Windfarm

Windturbinen-Regelung der Zukunft

Höher, extremer, zuverlässiger: Parallel zu den wachsenden Anforderungen an Windturbinen, wachsen die Anforderungen an Windsensoren zur Überwachung der Anlagen. Doch wie können Windsensoren-Hersteller diese Wünsche bedienen? Und welche Wünsche an die Windsensoren der Zukunft gibt es überhaupt? Mithilfe der aktuellen Rahmenbedingungen und Tendenzen auf dem Windenergiemarkt, hat unser CEO Klaus Hirzel eine Wunschliste an die Windsensoren der Zukunft zusammengestellt.

Rahmenbedingungen

Mehr als 200.000 Windturbinen wurden in den letzten Jahren weltweit im Zusammenhang mit der Energiewende installiert. Inzwischen ist China der größte Markt, gefolgt von USA, Japan, dem Vereinigten Königreich, Indien und Deutschland. Der Markt für erneuerbare Energien wird in den kommenden Jahren global weiter wachsen.

Die Risiken für die Installationen nehmen zu: immer höher, immer extremer. Das „Extreme“ in dieser Anwendung bezieht sich sowohl auf Kälte als auch auf die Offshore-Anwendungen in salzigen Umgebungen.

Die Turbinen müssen sehr lange einwandfrei funktionieren. Denn ungeplante Wartungsarbeiten sind besonders aufwändig und teuer. Nutzer und Investoren erwarten garantierte Nutzungsdauern von über 10 Jahren in Verbindung mit einer garantierten Energieernte. Das Denken der Hersteller kreist somit weniger um proaktive Wartung, die früh und eventuell unnötig sein kann, sondern beschäftigt sich bereits mit „predictive maintenance“ und „reliability centered maintenance“.

Die Umgebungsbedingungen werden künftig durch mehr Extremwetter in Form von Unwetter geprägt. Ähnlich wie an der Börse nimmt die „Volatilität“ des Wetters zu. Rechtzeitige Abschalt- und Positionsanpassungen für die Turbine werden immer wichtiger. Ultraschall-Windsensoren können heute bis zu 300 km/h schnelle Windspitzen messen. Das Erkennen von Vereisungsansätzen an den Flügelspitzen bei nahezu Schallgeschwindigkeit ist messtechnisch immer noch eine Herausforderung.

Umfeld-Informationen

Immer noch arbeiten mehr als 50% der auf Turbinen installierten Windsensoren mit mechanisch beweglichen Teilen. Auf modernen Turbinen wird dagegen die Ultraschall-Technologie mit extrem schnellen Ansprechzeiten eingesetzt. Leider setzen Turbinenbetreiber diese wichtigen Sensoren selten redundant ein. Allerdings führt ein defekter Windsensor dann zum Kontroll-Verlust. Deshalb wird eine extrem hohe Verfügbarkeit von 99.99% seitens der Hersteller gefordert.

Hersteller, die redundante Ausführungen im technischen Design einplanen, verwenden in vielen Fällen zwei Mal denselben Sensor. Da sich in der Regel identische Sensoren bei identischen Bedingungen gleich verhalten, werden bei Vereisungsproblemen beide Sensoren gleichzeitig keine Messdaten mehr liefern. Insofern machen Hybrid-Anwendungen mehr Sinn, in denen entweder zwei Ultraschall-Sensoren verschiedener Hersteller oder ein Ultraschall-Sensor mit einem dynamischen Sensor kombiniert werden.

Für die rechtzeitige Positionsanpassung der Turbine, wird der Wind zu spät „hinter den Flügeln“ gemessen. Der nachvollziehbare Wunsch ist, den Wind in einer Entfernung von bis zu 2 km vor der Turbine zu erfassen und damit die Turbine immer korrekt in den Wind zu stellen.

Vereisungssensoren sind nötig, um die Turbinenflügel vor Unwucht und Destabilisierung zu schützen. Vereisung beginnt häufig an den Flügelspitzen, eine direkte Detektion ist die sicherste Methode. In den heutigen Anlagen wird die Vereisungsgefahr an diesen Punkten in der Regel nicht gemessen.

Sichtweitesensoren sind für die Beleuchtung notwendig. Hier kommen optische Verfahren mit Vorwärtsstreulicht zum Einsatz. Nachteil dieser Verfahren ist, dass die Sensoren nicht wartungsfrei arbeiten. Niederschlags- sowie Luftdruckmesser liefern optional und der Vollständigkeit halber weitere Informationen.

Produktanforderungen

In Bezug auf die Gehäusekonstruktion gilt: kein Plastik! Seewasserfestes, korrosionsfestes Aluminium ist die einzig richtige Wahl. Außerdem sind Vibrationstests vor dem Feldversuch unverzichtbar.

Die verschiedenen Sensortechnologien (Radar, Ultraschall, Laser und andere) sollen langzeitstabil, idealerweise driftfrei funktionieren. Sensor-Hersteller geben auf Anfrage diese Informationen an Anwender weiter, Standard-Datenblätter enthalten diese wichtige Information allerdings nur in Ausnahmefällen.

Genauigkeiten sollen durch Laborkalibrierungen belegt sein. Ein Abgleichpunkt genügt in der Regel nicht, da sich ein Sensor in den seltensten Fällen linear verhält. Ein qualifiziertes Hersteller-Zertifikat enthält somit verschiedene Messvergleiche über den gesamten Messbereich.

Die Sensorik soll einfach in verschiedene Controller-Umgebungen eingebunden werden können und über offene (Standard-)Protokolle verfügen. Über den eingebauten Mikroprozessor sind Parametrierungen, Diagnosen und Messwert-Abfragen heute sehr einfach möglich.

Wartung der Umfeldsensorik

Das herkömmliche Konzept einer reaktiven Wartung, die nur nach einer Störung stattfindet, ist für die Windenergie-Branche nicht ausreichend. Die Service- und Austauschkosten sind in diesen Fällen zu hoch, die Ausfallzeit der Turbine ist nicht akzeptabel.

Bietet sich alternativ eine proaktive Wartung an? In vielen Fällen erfolgt ein präventiver Austausch des Windsensors nach z.B. 5 Jahren. MTBF-Tests (Mean Time Between Failures) der Hersteller zeigen allerdings, dass ein solcher Sensor mehr als 10 Jahre zuverlässig funktioniert. Damit wird für Sicherheit in diesem Fall zu viel Geld ausgegeben.

Optimaler funktioniert das Konzept einer prognostischen Wartung, sofern der Sensor über Diagnose-Fähigkeiten verfügt. Oder im Zusammenspiel mit den anderen Umfeld-Sensoren auf der Turbine. Hier erkennen Controller, dass einer der Sensoren demnächst zu tauschen ist. Hierbei handelt es sich um einen idealen Anwendungsfall der sogenannten Industrie 4.0, in der smarte Sensoren mit smarten Controllern verhandeln, wann der ideale Ersatzzeitpunkt ist.

Ein weiterer Ansatz für intelligente und rechtzeitige Wartung ist der Begriff „reliability-centered maintenance“.

Alle diese Wartungskonzepte setzen voraus, dass ein Stabilitätsverlust des Sensors rechtzeitig erkannt wird.

 

Zusammenfassung

Bis heute gibt es noch keine spezielle Sensorfamilie auf dem Markt, die ausschließlich für Turbinenanwendungen konzipiert wurde. Viele Windsensoren entwickelten sich z.B. aus meteorologischen oder militärischen Anwendungen heraus und verbessern sich von Zeit zu Zeit immer mehr.

Warum hat eigentlich noch nie ein Turbinenhersteller den idealen Umweltsensoren-Baukasten eingefordert? Die jährlichen Stückzahlen lassen diesen Anspruch zu und das Ergebnis wäre intelligent, modular und preiskonform.

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