Wie Windanlagen durch innovative Messtechnik länger Strom erzeugen können

Der Ausbau der Stromerzeugung durch Windkraft boomt bei uns seit 20 Jahren. Genauer: Seitdem es das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gibt. Erst diese Anfang 2000 eingeführte Förderung hat die nachhaltige Stromgewinnung so richtig vorangebracht. Doch bald läuft die auf zwei Jahrzehnte begrenzte Hilfe für die ersten Windkraftanlagen aus.

Weil sie inzwischen finanziell abgeschrieben sind, könnten viele Anlagen kostengünstig weiter Strom einspeisen. Für die Betreiber wäre das ein zusätzlicher Ertrag, denn sie hatten mit einer Laufzeit von nur 20 Jahren kalkuliert. Ob eine Anlage allerdings technisch für den Weiterbetrieb geeignet ist, muss eindeutig beantwortet werden.

Weiterbetrieb durch zuverlässige Daten

Ohne geeignete Messverfahren können Betreiber aber nicht genau wissen, ob die Anlagen nicht doch das Ende ihrer technischen Lebenszeit erreicht haben. Konkrete Daten würden ihnen zum Beispiel helfen, die notwendigen Sicherheitsreserven geringer anzulegen. Bislang fehlen diese Daten meistens. Dabei könnten sie zuverlässiger als heute zeigen, wie sehr die Anlagen in den vergangenen Jahrzehnten durch Wind und Wetter belastet wurden.

Zum Teil werden ältere Windräder deshalb rückgebaut, obwohl ihr Weiterbetrieb eine attraktive Alternative wäre. Das junge Unternehmen fos4X aus München hat für diesen Bereich eine Lösung entwickelt. Mit seinen Sensoren lässt sich genau feststellen, welchen Kräften ein Rotor ausgesetzt ist. Aus diesen Informationen werden Modelle erstellt. Sie liefern eine wichtige Grundlage für die Beurteilung, wie lange sich die Anlage weiter betreiben lässt. In der Konsequenz könnten viele Windanlagen länger Strom produzieren.

Faseroptischer Messtechnik für Windenergieanlagen

Anders als bei den meisten üblichen Messinstrumenten fließt in diesen Sensoren kein Strom, sondern Licht. fos4X verwendet faseroptische Sensoren, die die Veränderung von Wellenlängen erfassen. Das macht sie überlegen: Gewitter und Blitzschlag können die Übertragung nicht stören, deshalb lassen sich die Sensoren direkt im Rotorblatt befestigen. Dort messen sie verlässlich die einwirkenden Kräfte und berechnen aufgrund dieser Daten die tatsächlichen Belastungen der Anlage.

Was bedeutet das Auslaufen der EEG-Förderung für Hersteller, Betreiber und Zulieferer?

Die mit der Frage des Weiterbetriebes verbundene Unsicherheit treibt im Moment alle Beteiligten in der Wertschöpfungskette um. Uns Unternehmern bieten die bevorstehenden Veränderungen primär Chancen für neue Geschäftsmodelle. Nicht nur für die Steigerung des Anteils erneuerbarer Energie in unserem Energiemix spielt die Situation eine große Rolle.

Zunächst finde ich es daher wichtig, den möglichen Rückbau ins Verhältnis zum geplanten Zubau zu setzen. Wenn tatsächlich alle Anlagen zurückgebaut und die Ausschreibungsmengen in Deutschland umgesetzt würden, gäbe es zwischen 2020 und 2025 lediglich einen Nettozubau von ungefähr 2,5 GW. Das ist weniger als die Ausschreibungsmenge eines Jahres. Der weitere Betrieb älterer Anlagen wäre also ein wichtiger Beitrag für mehr erneuerbare Energien in Deutschland.

Wer kann über den möglichen Weiterbetrieb einer Windanlage entscheiden, und von welchen Faktoren hängt diese Entscheidung ab?

Der Eigentümer der Anlage muss zunächst eine Investitionsentscheidung treffen und das möglichst faktenbasiert, also datengetrieben. Bevor die technischen Fragen im Zusammenhang mit dem möglichen Weiterbetrieb im Detail analysiert werden muss also eine kaufmännische Entscheidung fallen. Die Vorlage dafür kann sehr effizient und strukturiert erarbeitet werden. Dabei spielen verlässliche Daten über die Betriebsbedingungen der Anlage eine wesentliche Rolle.

Es ist also klar, dass der Weiterbetrieb sich wirtschaftlich rentieren würde und daher sinnvoll ist. Wie geht es weiter?

Nun wird die technische Begutachtung beauftragt. Sie besteht aus einem praktischen und einem analytischen Teil und wird von einem unabhängigen Sachverständigen übernommen. Der praktische Teil wird typischerweise im Rahmen wiederkehrender Prüfungen durchgeführt und kann deshalb kosteneffizient umgesetzt werden.

Im analytischen Teil werden Berechnungen zur Gesamtnutzungsdauer aufgestellt. Hierbei berücksichtigt man insbesondere die Betriebsbedingungen am Standort. Dazu gehören Betriebsstunden, Lastniveau oder effektive Turbulenzintensitäten.

Mit Hilfe von über mehrere Jahre erfassten Lasteinwirkungen und deren Strukturantworten kann der analytische Teil fundierter und kosteneffizienter werden. Die Messung führt dazu, dass Abschläge geringer ausfallen und die berechnete Gesamtnutzungsdauer in der Regel höher ist als ohne eine solche Datenbasis. Grundlage dafür ist, neben der Erfassung und Berechnung der relevanten Einflussgrößen, auch die automatisierte Erstellung der Analysen durch oder für den Sachverständigen.

Wie kann fos4X die Entscheider in diesem Prozess unterstützen?

Unser Ansatz ist der eines digitalen Unternehmens. Wir liefern Informationen und Erkenntnisse, die eine kaufmännische und technische Entscheidung über den Weiterbetrieb wesentlich faktenbasierter ermöglichen.

Das Geschäftsmodell funktioniert so: Unsere Partner, Anlagenhersteller (OEM) und Independent Service Provider (ISP), statten Anlagen der Baujahre 2002 bis 2010 mit unserer Sensorplattform fos4Blade zu einem niedrigen Initialpreis aus. Auf Basis der dynamischen Lastdaten der Rotorblätter sowie der Turmschwingungen werden im Betrieb Spannungszeitreihen, Steifigkeitsabnahmen und weitere wichtige Indikatoren für Anregungen, Lasten und Tragfähigkeit in unserem Real-Time Digital Twin auf der Anlage berechnet.

Aggregierte Daten aller ausgerüsteten Anlagen werden direkt in unsere Industrial IoT-Plattform übertragen. In der Cloud werden dann mittels künstlicher Intelligenz weitere relevante Erkenntnisse abgeleitet. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur den Weiterbetrieb faktenbasiert vorzubereiten, sondern auch in der verbleibenden Entwurfslebensdauer den jährlichen Energieertrag zu steigern und die Betriebs- und Wartungskosten zu senken.

Wie wirkt sich dieses neue Wissen über die Anlage in der Praxis positiv aus?

Ein gutes Beispiel dafür ist unsere Software Rotor Ice Control, die eine verbesserte Steuerung unter Eiseinfluss ermöglicht. Für diesen Service und den uneingeschränkten Datenzugang zahlt der Betreiber ab Installation eine monatliche Lizenzgebühr an seinen OEM oder ISP. Auf diese Weise amortisiert sich die Investition für den Eigentümer schnell.

Steht dann die Entscheidung über den Weiterbetrieb an, liegt nicht nur eine sehr gute Datengrundlage vor. Es existiert auch ein Benchmark mit anderen Anlagen gleichen Typs, und wir bieten direkte Entscheidungsempfehlungen an.

Schon bald werden mit optischen Sensoren und cleveren Algorithmen eine Reihe weiterer Anwendungen zur Optimierung von Windkraftanlagen und ganzen Windparks realisiert werden. Künftige Windräder werden dank Edge Computing und einer Vielzahl an Sensoren viel intelligenter.