Alles geregelt – auch bei Wind und Wetter

In den letzten Jahren hat die Windkraft in Deutschland zunehmend an Bedeutung gewonnen. Knapp gewordener Platz auf dem Festland und höhere Windausbeute treiben die Branche auf die offene See. Aber Offshore-Anlagen verlangen eine ausgeklügelte Mess- und Regeltechnik sowie ein modernes Condition-Monitoring, da hier Serviceeinsätze deutlich teurer ausfallen als an Land. Jumo bietet dafür ein umfangreiches Sortiment an Temperatur-, Druck- und Feuchtemesstechnik an und verfügt darüber hinaus über langjähriges Know-how im MSR-Bereich.

Mit der Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2000 hat die Bundesregierung beschlossen, die nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung, durch eine verbesserte Vergütung für die Stromeinspeisung, zu fördern. Ziel des Gesetzes ist es, den Anteil der erneuerbaren Energien bis 2020 auf mindestens 20% zu erhöhen. Einen wichtigen Beitrag leistet hier die Windenergie: So hat sich Deutschland seit 2000 zur führenden Nation beim Einsatz von Windkraftanlagen (WKA) entwickelt. Wetterbedingt sind die bevorzugten Standorte in den exponierten Höhenlagen der Mittelgebirge und im Küstenbereich. Da die Flächen an Land knapp werden, geht man „offshore" und errichtet Windparks auf dem Wasser. In Ost- und Nordsee gibt es erste positive Erfahrungen – weitere Großanlagen sind in Planung, im Bau oder schon in Betrieb.

Genau hier entsteht aber das Problem des Zugangs. Wie alle technischen Systeme sind auch Windkraftanlagen so konstruiert und mit Mess- und Regeltechnik (MSR) bestückt, dass ein nahezu vollautomatischer Betrieb gewährleistet ist. Treten Störungen auf, kann der Service an Land relativ einfach durchgeführt werden. Bei Offshore-Anlagen ist dies nicht so einfach möglich, daher muss die WKA umfassend aufgerüstet werden. Dabei ist ein wochenlanger automatischer Betrieb zu gewährleisten, da Serviceeinsätze nur langfristig vorgesehen und dann nur per Schiff bei akzeptablen Wetterbedingungen möglich sind.

Um die Überwachung der WKAs zu optimieren, werden akustische Körperschallmessungen durchgeführt. Ist deren Verbreitung bei den Anlagen an Land aufgrund der Kosten gering, setzen Betreiber von Offshore-Anlagen verstärkt auf diese Systeme. Selbst Versicherungen empfehlen das Condition-Monitoring und gewähren Preisnachlässe bei den Prämien. Auch wenn die Systeme noch nicht perfekt sind, liefern sie doch frühzeitig Hinweise auf Verschleiß oder baldige Störung. Somit tragen sie langfristig zur Betriebssicherheit bei und ersparen dem Betreiber unnütze Kosten für zu frühen oder auch zu späten Service sowie für Wartung und Reparatur.

Zahlreiche Parameter sind zu überwachen

Für den Betrieb einer WKA sind zahlreiche Parameter relevant. Damit die Anlage angefahren werden kann, muss ein Minimum an Wind wehen. Windgeschwindigkeit, Windrichtung – und damit verknüpft – Luftdruck, -temperatur und-feuchtigkeit sind außen wirksame Messgrößen. Ist das Windpotenzial hoch genug, wird die Gondel mit dem Rotor als Luv-Läufer in den Wind gedreht. Die Rotorblätter werden über eine Pitch- oder eine Stallregelung auf den optimalen Betriebswinkel angestellt. Hydraulische Systeme für Positionssensorik mit Druck- und Temperatursensoren übernehmen diese Aufgabe.

Bei klimatisch ungünstigen Bedingungen kann es zu einer Vereisung der Rotorblätter kommen, die zu Unwucht im Rundlauf sowie zu asymmetrischen Lagerbelastungen führt und somit zu vermindertem Ertrag durch schlechte Anströmung. Als Lösung bieten sich Rotorblatt-Heizsysteme an, welche ebenfalls temperaturüberwacht und geregelt werden. Anlege- oder Einsteck-Widerstandsthermometer von Jumo können die Temperaturmessung übernehmen.

Bei WKAs unterscheidet man zwischen drei Systemen: getriebelos, mit regelbarem Getriebe und mit hydraulischen Kupplungen. Bei getriebelosen Systemen sitzen die Polschuhe auf dem Rotor und der Stator ist das vordere ringförmige Gondelgehäuse. Der drehzahlvariable Energieeintrag wird über elektronische Hochleistungs-Wechselrichtersysteme spannungs- und phasengleich am Netzanschluss eingespeist. Überwacht werden die Polschuhe mit einzelnen, bei der Herstellung integrierten einfachen Temperatursensoren mit Anschlusslitzen oder durch mehrere Pt100-Temperatursensoren, die zwischen die dreipoligen Wicklungsstränge des Stators eingelegt und mit vergossen wurden. Großanlagen ab 5 MW erreichen Statorring-Durchmesser von mehr als 12 m! Da direkt zwischen den Wicklungslagen gemessen wird, können die Anlagen bis zur Leistungsgrenze und maximalen Temperaturbelastung der Isolierung der Kupferleitungen sicher betrieben werden. Die Hochleistungs-Wechselrichter erzeugen ebenfalls Verlustwärme, welche aus den Schaltschränken und der Gondel abgeführt werden muss. Temperatur- und Drucksensoren werden zur Regelung und Überwachung von Filtern und Lüftersystemen benötigt.

Bei Windkraftanlagen mit regelbarem Getriebe passen diese Getriebe windabhängige Rotordrehzahlen an die notwendige konstante Drehzahl des separat in der Gondel aufgestellten Generators an. Die enormen Belastungen an den Zahnflanken der Getriebe werden durch eine ausgeklügelte Schmiertechnologie kompensiert. Verlustwärme, entstanden durch Reibungskräfte, bringt das Öl thermisch an die physikalischen Grenzen. Deshalb ist hier eine Ölstandsmessung mit Öldruck- und -temperaturmessung unumgänglich. Damit Maximalwerte nicht überschritten werden, wird bei Starkwind der Anstellwinkel der Rotorblätter verändert oder gar mechanisch per Bremse die Drehzahl begrenzt. Die Temperaturmessung in den großen Getrieben erfolgt durch längenvariable Einsteck- oder Einschraub-Widerstandsthermometer mit gefederten Messspitzen oder Verschraubungssystemen. Moderne Versionen sind dabei mit Zweileiter-Messumformer mit 4 bis 20 mA oder mit CAN-Ausgang versehen.

Neben den hochwertigen gefederten Varianten, teilweise mit integrierter Elektronik, setzt man in den USA besonders auf einfache gefederte und längenvariable Widerstandsthermometer mit Bajonettverschluss. Eingebaut im direkten Kontakt mit den Kugel- und Rollenlagern, widersteht die Bauform allen widrigen Bedingungen. Die schwingungs- und erschütterungsempfindlichere Elektronik bleibt dabei geschützt im Schaltschrank. Im klimatisch sauberen Umfeld kann die Abwärme zur Temperierung von Gondel und Turm genutzt werden. Überschüssige Energie wird einfach durch Luftaustausch ins Freie befördert.

WKAs mit hydraulischen Kupplungen setzen die unregelmäßige Rotordrehzahl auf eine konstante Generatordrehzahl um. Für die kritische Öltemperatur- und Öldruckmessung stehen bewährte Einschraub-Widerstandsthermometer mit Steckersystem oder auch mit CAN- oder Zweileiter-Messumformer mit einem Ausgang für 4 bis 20 mA oder 0 bis 10 V zur Verfügung.

Die salzhaltige Seeluft ist eine große Herausforderung

Die Klimatisierung der Gondel im Offshore-Bereich ist dagegen eine größere Herausforderung. Wegen der relativ salzhaltigen und feuchten Seeluft kann kein direkter Luftaustausch erfolgen. Deshalb ist die Gondel als vollständige geschlossene Einheit gebaut und stellt so innerhalb des Gehäuses eine kontrollierte Klimazone dar. Salzablagerung und Korrosion würden sonst intern zu großen Schäden an wesentlichen Baugruppen im Maschinenraum führen. Ebenfalls wäre die notwendige Isolations- und Hochspannungsfestigkeit nicht mehr gewährleistet. Für die Nutzung der kühlen Außenluft werden Luft/Luft-Kreuzstrom-Wärmetauscher verwendet. Diese ermöglichen es, die Umgebungsluft nur durch den äußeren Teil zu leiten und damit das interne Klima zu beeinflussen. Als Sensoren werden Außen- und Innentemperaturfühler sowie Sensoren für die relative Feuchte und den Taupunkt verwendet. Zusätzlich wird durch einen Einstecksensor die mögliche Vereisung des Wärmetauschers überwacht.

Die Bodentemperatur der Gondel wird ebenfalls durch die Außentemperatur beeinflusst. Um Taupunktunterschreitungen am Boden der Gondel zu verhindern, wird die Bodentemperatur mit vier Anlege-Widerstandsthermometern in einer Heizplatte überwacht und geregelt. Reicht die natürliche Kühlung nicht aus, werden Kühlaggregate dazugeschaltet. Um Korrosion von Metallen zu verhindern, ist der einfachste Weg, die Luftfeuchtigkeit unter 60% rF zu halten. Hierzu werden als Feuchteregler mechanische Miniatur-Hygrostate mit 10-A-Mikroschaltern eingesetzt.

Der Turm oder Mast ist der Träger der bis zu 400 t schweren Gondel. Außen durch korrosionsfeste Anstriche gegen Schäden geschützt, muss der Stahlturm auch innen klimatische Bedingungen aufweisen, die Schäden durch Feuchteablagerung und damit verbundene Korrosion verhindern. Manchmal ist daher ein zusätzlicher Entfeuchter im kritischen Bereich des Turmfußes untergebracht, falls die natürliche Lüftung nicht ausreicht, den Turm unter 60% rF zu entfeuchten.

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Dipl.-Ing. Karl Sauer ist Produktverantwortlicher im Vertrieb International Sales and Applications bei der Jumo GmbH & Co. KG in Fulda (www.jumo.net)