Condition Monitoring zur Erhöhung der Verfügbarkeit von Windenergieanlagen

Die Schadensentwicklung an mechanischen Komponenten von Windenergieanlagen im Zeitraum 2000 – 2002 veranlasste einige größere Versicherungsgesellschaften zur Änderung ihrer Versicherungsbedingungen durch Formulierung einer so genannten Revisionsklausel. Diese Klausel sah vor, dass die Wälzlager der Hauptkomponenten des Antriebsstranges, unabhängig von ihrem Zustand, turnusmäßig zu tauschen sind. Die finanziellen Aufwendungen für die Erfüllung dieser Forderung wären für die Betreiber der Anlagen so erheblich gewesen, dass nach Alternativen gesucht werden musste [1, 2]. Eine Alternative bot hier die Messung und Analyse des Körperschalls dieser Hauptkomponenten, da diese Technologie bereits seit längerer Zeit in anderen Industriezweigen sehr erfolgreich zur Fehlerfrüherkennung eingesetzt wurde. In den letzten Jahren wurden dazu zwei Wege beschritten:

Abbildung 3: Verlauf der Ausfallwahrscheinlichkeit von verschleißbehafteten Bauteilen

Inzwischen zeigt die mehrjährige Erfahrung, dass die online Messung eine wesentlich höhere Diagnosesicherheit bietet als die offline Messung. Betrachtet man die spezifischen Randbedingungen von Windenergieanlagen, wird dieses Ergebnis leicht verständlich.

Der folgende Beitrag wird sich neben genau diesen spezifischen Randbedingungen mit den verschiedenen Aspekten befassen, die zu einer erfolgreichen Fehlerfrüherkennung erforderlich sind. Hier gilt es allerdings zunächst die Begriffe Condition Monitoring (CM) und Condition Monitoring System (CMS) weiter zu fassen als dies zurzeit geschieht, da unter diesen Begriffen in der Vergangenheit meist nur die schwingungstechnische Untersuchung bzw. die Überwachung der Hauptkomponenten des Antriebsstranges einer WEA verstanden wurde. Condition Monitoring als kontinuierliche Gesamt-Zustandserfassung der Windenergieanlage und der verantwortungsvolle Umgang mit dem Wissen um diesen Zustand wird den Betrieb dieser Anlagen in der Zukunft prägen. Der Schwerpunkt des Beitrages wird deshalb auf der Seite der permanenten Überwachung liegen, viele der angeführten Aspekte sind hierbei exemplarisch zu verstehen.

2. Entwicklungen in der technischen Betriebsführung

Viele Betreiber (Eigentümer) von Windenergieanlagen in Deutschland lassen ihre Anlagen von Serviceunternehmen betreuen, die im Interesse des Betreibers die kaufmännische und technische Betriebsführung übernehmen.

Die technische Betriebsführung hat vom Betreiber das Mandat für den optimalen wirtschaftlichen Betrieb der Windenergieanlagen erhalten. Die Betonung liegt hierbei auf „wirtschaftlichem Betrieb“, das heißt, dass der Betriebsführer neben einer möglichst hohen Energieerzeugung der Anlage auch abwägen muss, ob ihr Betrieb unter bestimmten Bedingungen nicht andere Nachteile erzeugt. Ein Beispiel zur Verdeutlichung dieser Aussage: Die nicht optimale Schmierfilmbildung im unteren Leistungsbereich der Anlage kann erhöhten Verschleiß der Komponenten hervorrufen, so dass wesentlich höhere Instandhaltungskosten zu erwarten sind, die den Ertrag aus der Energieerzeugung später zunichte machen. Der professionelle technische Betriebsführer kennt diese und andere wichtige Zusammenhänge und kann deshalb entscheiden, die Parameter der Anlaufbedingungen anzupassen.

In der Vergangenheit fehlten die geeigneten Werkzeuge, die es der Betriebsführung ermöglichen, Windenergieanlagen verschiedener Hersteller effizient zu betreiben. In den letzten zwei Jahren fanden bei verschiedenen technischen Betriebsführungen intensive Prozesse für die Auswahl einer herstellerunabhängigen Softwarelösung statt, die den besonderen Anforderungen der technischen Betriebsführung im Windenergiesektor genügen. In einigen Fällen führten diese Prozesse sogar zu Auftrags- oder zu Eigenentwicklungen. Das Ziel der Betriebsführungen ist es, mit diesen Softwarewerkzeugen ein mächtiges Hilfsmittel in die Hand zu bekommen, mit dem sowohl die Parameter und Messgrößen aus den typenspezifischen Anlagensteuerungen überwacht und eingestellt werden können sowie gleichzeitig eine detaillierte Analyse von Fehlermeldungen aus den Anlagen realisierbar wird. Integraler Bestandteil dieser oft modular aufgebauten Softwarelösungen sind in der Regel automatisierte Tools für die Wartung und Instandhaltung. Benutzerfreundliche Oberflächen dieser immer datenbankbasierten Softwarelösungen erleichtern die individuelle Anpassung an die Bedürfnisse der technischen Betriebsführung. Die aktive Nutzung der angeführten Werkzeuge durch die technische Betriebsführung wird verstärkt dazu beitragen, vorhandene Schwachstellen in der Anlagentechnik zu lokalisieren und insbesondere in älteren Anlagen sogar aktiv gegenzusteuern. Auch die Hersteller von Windenergieanlagen können von diesen Prozessen erheblich profitieren, falls es gelingt, die Kommunikation zwischen allen Beteiligten auf eine nachhaltige, zielorientierte Basis zu stellen.

3. Betriebsführung und erfolgreiches Condition Monitoring

Es ist schnell verständlich, dass mit der beschriebenen Entwicklung hin zu einer professionalisierten technischen Betriebsführung mit geeigneten Werkzeugen gleichzeitig wesentliche Grundlagen für ein erfolgreiches Condition Monitoring – im weitesten Sinne des Wissens um den Gesamtzustand der Anlagen - geschaffen werden. Die Vielzahl der bereits in der Steuerung vorhandenen Informationen können in adäquaten Zusammenhängen (insbesondere grafisch) dargestellt werden und das Verständnis kausaler Zusammenhänge wesentlich erhöhen sowie auf Unterschiede in den Anlagen aufmerksam machen. Weitere Teilsysteme und Sensorik zur Überwachung der Anlagen, zur Fehlerfrüherkennung beispielsweise an den Rotorblättern oder am Antriebsstrang, dem Getriebe- oder Hydrauliköl oder von Bauwerkskomponenten können sukzessive integriert werden. Voraussetzungen hierfür sind einheitliche Schnittstellen, die Kompatibilität der auszutauschenden Datenstrukturen¹ sowie eine schnelle interne und externe Parkkommunikation. Stabile, schnelle Parkkommunikationslösungen spielen eine Schlüsselstellung für die für eine moderne technische Betriebsführung erforderliche hohe Datenübertragungsrate. Gerade für diese Grundvoraussetzung sind noch viele Defizite aus der planerischen Vergangenheit vieler Windparks in Deutschland zu beseitigen, allerdings werden am Markt auch hierfür bereits probate Lösungen angeboten. In anderen Ländern wird eine adäquate Windparkkommunikation (intern und extern) neben der Netzanbindung immer auch eine besondere Herausforderung darstellen, die es möglichst schon bei der Umsetzung der Projekte zu lösen gilt und deshalb unbedingt bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden muss.

Die bisherigen Ausführungen zeigen deutlich, dass die technische Betriebsführung eine Schlüsselstellung für den profitablen Betrieb der Anlagen besetzt. Im Windenergiesektor übernimmt sie die Funktion einer Integrationsplattform der verschiedenen Lieferanten und Dienstleister und verwaltet gleichzeitig die Schnittstellen zu den Herstellern der Anlagen und zu den Betreibern. Die intensive Moderation dieser Kommunikation, der widerstrebenden Interessen von Herstellern und Betreibern durch eine verständige Betriebsführung ist von immenser Bedeutung und bestimmt den Erfolg des „modernen“ Condition Monitoring. Alte Strukturen aus einem bereits heute überholten Verständnis von den „klassischen“, rein verwalterischen Aufgaben der Betriebsführung werden deshalb sehr wahrscheinlich schon in naher Zukunft zunehmend verschwinden.

¹ IEC 61400-25 "Communications for monitoring and control of wind power plants" Das Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) in Kassel setzt sich für die Integration von Normen zur Fehlerfrüherkennung an WEA in den angeführten IEC-Standard ein.

4. Möglichkeiten für mehr Condition Monitoring

Nach einer Anfangseuphorie im Windenergiesektor zur vermuteten Verbreitung von geprüften und zertifizierten Condition Monitoring Systemen hat in Bezug auf die Verbreitungsgeschwindigkeit eine gewisse Ernüchterung Einzug gehalten [4]. Das hat natürlich wie immer viele Ursachen: Neben dem wichtigen finanziellen Aspekt, dass ein nachträglicher Einbau oft die kurzfristige Liquidität einiger Beteibergesellschaften in Frage stellt, ist es die zumeist fehlende Transparenz monetäre Nutzen mit diesen Systemen konkret verbunden ist (http://www.my-sen.de/presse.htm). Obwohl auf der technischen Seite viel Aufklärungsarbeit durch die CMS-Anbieter geleistet wurde, finden sich bei der Betrachtung einiger Randbedingungen durch den Betreiber und oft auch durch den Betriebsführer im Zusammenhang mit Fehlerfrüherkennung und den Ersatzleistungen von Versicherungen verfestigte Meinungen und Standpunkte, die sich zum Teil aus verschiedenen Missverständnissen der Beteiligten nähren. Zu dem gesellt sich ein Informationsdefizit beim Betreiber, der bei Geschäftsabschluss mit dem Windenergieanlagen-Hersteller zu Recht erwartete, dass die Zuverlässigkeit der gewählten Anlagentechnik einen hinreichenden Stand erreicht hatte. Das erwähnte Informationsdefizit bezieht sich vor allem auf die Anwendung der zur Verfügung stehenden Methoden der präventiven Instandhaltung. Diese Methoden können nicht ad hoc die vorhandenen Konstruktionsmängel bereits aufgestellter Anlagen beseitigen, können aber die tatsächliche energetische (!) Verfügbarkeit (Stromproduktion bei vorhandenem Angebot an Windenergie) deutlich erhöhen und damit den Einsatz zusätzlicher Technik und personellen Aufwandes leicht rechtfertigen.

Grundsätzlich ist festzustellen, dass das bisherige Informationsangebot aus der Anlagensteuerung allein nicht ausreicht, um eine effiziente Fehlerfrüherkennung bzw. die Vermeidung von Fehlern zu gewährleisten, da diese Steuerungen bisher nahezu ausschließlich den bereits eingetretenen Fehler/Anlagenstillstand melden. Aufgrund der angesprochenen Finanzknappheit der Betreibergesellschaften (windschwache Jahre bzw. zu optimistische Windgutachten bis hin zu den daraus resultierenden überteuerten Projekten mit hohen Zinszahlungen) können diese sich ergänzenden Methoden meist nicht gleichzeitig einsetzen, wie z. B. CMS und Ölmonitoring durch Partikelzähler oder Schwingungsmessung und Endoskopie, Monitoring der Rotorblätter und des Antriebsstranges usw.. Diese Situation der Betreiber kennen natürlich auch die Anbieter der jeweiligen Methoden mit den zugehörigen Diagnosesystemen und stiften in dieser Situation oft selbstverschuldet Verwirrung, in dem sie die Methoden gegeneinander ausspielen und die Priorität nicht im Sinne des Betreibers an den inhaltlichen Erfordernissen ausrichten. Deshalb ist die Rolle der aufgeklärten technischen Betriebsführung besonders wichtig und das gerade auch mit Blick auf die Interessenvertretung des Betreibers gegenüber den verschiedenen Herstellern und Versicherern.

Neben der technischen Betriebsführung kann sich der Hilfe suchende Betreiber aber auch an unabhängige Berater (an das IBH, www.conditioncontrol.de) wenden, denn jeder für eine gute Beratung ausgegebene Euro verhindert oft nachträglich erhebliche Kosten, z.bei einer notwendigen Reparatur der Anlage.

5. Fazit

Die professionelle Betriebsführung und unabhängige Sachverständige stellen dem Betreiber die Entscheidungsgrundlagen zur Verfügung, um mit Hilfe anerkannter Verfahren, Diagnosesysteme und probater Hilfsmittel, die vorhandenen Potentiale seiner Windenergieanlagen besser zu nutzen.

Das ist insbesondere für bereits existierende Windparks von essentieller Bedeutung, die aufgrund des schwachen Windangebots der letzten Jahre in Deutschland bei gleichzeitig häufigen und teuren Schäden an den Hauptkomponenten des jeweiligen Antriebsstranges vor besonderen Herausforderungen stehen. Der Einsatz von geprüften CMS sowie anderer Systeme und Methoden verlangt die detaillierte Betrachtung der zutreffenden Randbedingungen (z.Anlagenanzahl/–leistung, vorhandene Parkkommunikation) sowie der finanziellen Möglichkeiten der Betreibergesellschaften.

Die Erfahrung der letzten Jahre zeigt, dass mit CMS unerwartet hohe finanzielle Möglichkeiten durch die Reduzierung von bisher anfallenden Reparatur- und Folgekosten erschließbar werden, so dass im Allgemeinen der Zeitraum für die Amortisierung der geprüften CMS zwischen zwei und fünf Jahren liegt. Allerdings ist die Einbindung der Systeme in ein schlüssiges Gesamtkonzept (technische Betriebsführung, Wartung, Instandhaltung und Versicherung) eine unabdingbare Voraussetzung für den Erfolg.

6. Quellen