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Elektronische Welten / Archiv | Beitrag vom 23.07.2012

Das intelligente Windrad

Elektronische Steuerung macht Mechanik effizienter

Von Dirk Asendorpf

Defekte Anlagen machen Ärger und kosten Geld
Defekte Anlagen machen Ärger und kosten Geld (AP)

Ein ausgefallenes Windrad kostet den Betreiber pro Stunde über 1000 Euro. Deshalb versuchen Techniker, die mechanischen Belastungen an Achse und Getriebe so gering wie möglich zu halten. Aus der Forschung kommt dafür immer intelligentere Leistungselektronik.

Zwei Stunden dauert die Fahrt auf der Windforce-One, einem schnittigen Katamaran, von Norddeich Mole hinaus zu Deutschlands erstem Offshore-Windpark Alpha Ventus.

"Das Schiff kann bis zu einer signifikanten Welle von 1,50 Meter fahren. Wenn wir eine Störung an den Anlagen haben, die dann zwingend behoben werden muss, dann können wir auch mit dem Heli die Leute da rausbringen und die dann auf den Anlagen abholsten dann."

Tjado de Groot ist für die Koordination aller Wartungsarbeiten an den zwölf Windrädern zuständig, die gute 60 Kilometer vor der ostfriesischen Küste mitten in der Nordsee stehen. Im Vergleich zu einem Windpark an Land ist das wesentlich aufwendiger - und teurer. Steht eine der gigantischen Anlagen still, verliert der Betreiber allein durch den nicht erzeugten Strom jede Stunde über 1000 Euro.

"Die Transporte kosten natürlich auch Geld, der Heli ist noch etwas teurer wie das Schiff. Dann wartet man halt ab, sammelt die Einsätze und wenn mal Schiffswetter wieder möglich ist, bringt man die Leute dann raus."

Viel besser wäre es natürlich, wenn ein Schaden gar nicht erst entstünde. Intelligente Elektronik kann dazu beitragen. In einem Forschungsprojekt der Bremer Universität wird sie entwickelt. Der Elektroingenieur Christian Mehler hat dafür das Innenleben eines Windrads als Versuchsanlage nachgebaut.

"Das ist praktisch ein vielfach eingesetzter Generator in Windenergieanlagen. So 60 bis 70 Prozent, die heutzutage draußen im Feld stehen, werden mit diesem Generatortyp betrieben. Statt Wind werfen wir hier einen Motor an, der Motor wird so angesteuert, dass es realen Windverhältnissen entspricht, sodass wir das Verhalten eines Windrades nachbilden können in Abhängigkeit von unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten zum Beispiel, um die Leistung, die auf den Triebstrang übertragen wird, entsprechend zu ändern."

Bringen Sturmböen Triebstrang oder Getriebe in zu starke Schwingung, lässt der nächste Schaden nicht lange auf sich warten. Wird die Windradleistung dagegen rechtzeitig gedrosselt, kann das vermieden werden. Doch die nötigen Sensoren, um die mechanische Belastung direkt zu messen, sind mit über 10.000 Euro pro Stück so teuer, dass nur Testanlagen damit ausgestattet werden können. Christian Mehler hat deshalb eine Software entwickelt, die die mechanische Belastung aus der erzeugten elektrischen Leistung indirekt ableiten kann. Ein Oszilloskop zeigt beide Werte - die gemessene und die errechnete Belastung - als violette beziehungsweise hellblaue Kurve. Im Normalbetrieb verlaufen sie parallel.

""Und wenn man jetzt den Triebstrang beschleunigt, kann man ganz gut erkennen, dass das gemessene Drehmoment hier oben sehr gut mit dem beobachteten Drehmoment übereinstimmt. Das heißt also, wir haben die Möglichkeit, über unsere mathematischen Modelle die Belastung im Triebstrang selber zu bestimmen, ohne dass in einer realen Windenergieanlage so ein kostenintensiver Messflansch vorhanden ist."

Das klingt wenig spektakulär, hat aber großes wirtschaftliches Potenzial, sagt Holger Raffel. Der Chef des Bremer Zentrums für Mechatronik hatte das Forschungsprojekt vor zwei Jahren in die Wege geleitet und kümmert sich jetzt um die Vermarktung der Ergebnisse.

"Wir haben einmal die Möglichkeit, durch Einsatz der Software beginnenden Schaden zu erkennen, das heißt in bestimmten Wartungsintervallen kann dann auf diesen Schaden reagiert werden. Auf der anderen Seite haben wir die Möglichkeit, eben belastungsminimierten Betrieb zu fahren, um die Anlage zu schonen und dann eben konstantere Leistungseinspeisung zu gewährleisten."

Und das auch in Industriebereichen, die mit der Windenergie überhaupt nichts zu tun haben. Schwer messbare mechanische Belastungen aus leicht zu erfassenden elektrischen Leistungsschwankungen zu bestimmen, kann für sehr unterschiedliche Maschinen nützlich sein.

"Man kann in die Textilindustrie schauen, da ist es eben auch wichtig, dass der Stoff mit gleichbleibender Qualität, gleichen Geschwindigkeiten sehr konstant verarbeitet wird. Man kann sich vorstellen, dass wenn irgendwo der Herstellungsrhythmus gestört wird, dass sich dann eben auch Fehler im Stoff abbilden. Das muss vermieden werden. Man kann auch überlegen, ob man im Zuge der Elektromobilität in Fahrzeuge schaut, also da sind ja ganz viele Möglichkeiten offen."

Auch private Haushalte können derartige Technik nutzen. Einige intelligente Stromzähler messen nicht nur den Gesamtverbrauch eines Stromkreises, sondern bestimmen anhand der jeweils typischen Lastkurve auch den Verbrauch einzelner Geräte. So kann jeder leicht ausrechnen, ob sich der Austausch seines alten Kühlschranks, der Heizungspumpe oder Waschmaschine durch ein modernes Energiespargerät tatsächlich lohnt.