Fit für die zweite Halbzeit?

Titelstory

Retrofit - Immer mehr Windenergieanlagen sind zehn Jahre und mehr am Netz. Das entspricht rund der Hälfte der durchschnittlichen Lebensdauer einer WEA. Automatisierungsspezialisten bieten Betreibern jetzt eine Modernisierung der WEA-Elektronik sowie der Software an, um die Anlagen fit zu machen für die nächste Dekade.

23. Oktober 2014

Der deutsche Markt für Windenergieanlagen an Land wuchs im ersten Halbjahr 2014 stärker als vielfach vorhergesagt. Das verdeutlichen Zahlen des VDMA und des Bundesverbands Windenergie (BWE). An Land wurden demnach in den ersten sechs Monaten in Deutschland rund 1.723MW Leistung neu installiert. »Im Vergleich zum Vorjahreszeitraum mit knapp 1.038 Megawatt neu installierter Leistung entspricht dies einem Wachstum von 66 Prozent«, heißt es in einer gemeinsamen Mitteilung der beiden Verbände.

Seit Mitte der Neunziger wächst der Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung kontinuierlich an; die kumulierte Leistung der WEA an Land betrug Ende 2013 mehr als 35GW. Ab 1995 wurden Jahr für Jahr neue WEA in Betrieb genommen. Mit anderen Worten: Der Bestand an Onshore-WEA in Deutschland kommt langsam in die Jahre. Immer mehr WEA erreichen ihre Lebensdauer und werden entweder runderneuert oder abgebaut. Im Vorjahr betrug nach Angaben der Deutschen Windguard die durch Repowering neu installierte Leistung rund 700 MW. Im Jahr davor waren es zwischen 400 und 500 MW. Die Summe der jährlich abgebauten Leistung stieg 2013 auf circa 100 MW, heißt es in einer Erhebung der Deutschen Windguard im Auftrag des BWE.

Künftig immer mehr alte Bestandsanlagen

Dieser Trend wird sich weiter verstärken: je älter der Bestand, umso mehr WEA werden in den nächsten Jahren modernisiert oder außer Dienst genommen. Repowering ist in der Regel sehr aufwendig und beinhaltet unter anderem die Erneuerung des Maschinenhauses sowie des Rotors. Automatisierungsspezialisten bieten Betreibern jetzt als Alternative zum Repowering ein sogenanntes Retrofit an.

Erneuerung der Elektronik und der Software

Es beinhaltet eine Modernisierung von Teilen der WEA-Elektronik sowie der Software. Damit soll die Anlage fit gemacht werden für die nächste Dekade. »Tausende von Windenergieanlagen im Markt sind bereits seit zehn und mehr Jahren in Betrieb, Ersatzteilgarantien sind ausgelaufen, Wartungsverträge müssen erneuert werden«, heißt es in einer Mitteilung von Bachmann Electronic. Das Unternehmen aus Feldkirch in Vorarlberg bietet Betreibern von WEA Retrofit als Dienstleistung an. »Für Betreiber stellt sich in diesem Zusammenhang die Frage, wie die Betriebssicherheit ihrer Turbinen weiterhin gewährleistet werden kann«, so Bachmann. »Dabei lohnt es sich, ein ganz neues Kapitel aufzuschlagen.«

Verfügbarkeiten von Komponenten, erschwerte Servicemöglichkeiten durch intransparente Turbinendaten und Parameter oder auch neue gesetzliche Rahmenbedingungen erfordern laut Bachmann häufig Anpassungen der Turbine. Mit einem intelligenten Retrofit kann dabei nicht nur die Lebensdauer verlängert, sondern auch der Ertrag einer Windenergieanlage verbessert werden, so das Unternehmen. Der Markt ist da, und er wird wachsen, soviel lässt sich bereits absehen: 2000 wurden in Deutschland WEA mit mehr als 1,6GW neu installiert, 2001 waren es mehr als 2,6GW, 2002 sogar mehr als 3GW.

Heute sind diese Anlagen mindestens dreizehn Jahre am Netz. Anstelle der kapitalintensiven Neuerrichtung von WEA entscheiden sich immer mehr Betreiber dafür, ihren vorhandenen Maschinenbestand zu modernisieren und damit deren Lebensdauer zu verlängern, heißt es bei Bachmann Electronic.

Beim Retrofit werden kritische Komponenten ersetzt und so die Anlagenzuverlässigkeit erhöht. Gleichzeitig lassen sich mit modernen Technologien und Steuerungssystemen in Kombination mit Überwachungslösungen wie beispielsweise Condition Monitoring weitere Potenziale zur Ertragssteigerung des Kraftwerks erschließen. Bachmann Electronic verfügt nach eigenen Angaben über mehr als 15 Jahre Condition-Monitoring-Erfahrung in der Windbranche. Ein großer Vorteil von Retrofit: Es erfordert im Gegensatz zum Repowering kein neues Genehmigungsverfahren für die WEA. Allerdings gestaltet sich die individuelle Auf- und Umrüstung eines Windrades durch den Betriebsführer mitunter schwieriger als gedacht.

Manche Altanlage gleicht einer Black Box

Die gesamte Anlage stellt nicht selten eine Black Box dar, deren Geheimnisse nur dem Hersteller bekannt sind, so Bachmann. So können demnach beispielsweise nicht mehr erhältliche Originalkomponenten nicht durch ähnliche ersetzt werden, da dies in den allermeisten Fällen einer Neuparametrierung der Steuerung bedarf.

Deren Software oder Parametersätze sind jedoch dem Betreiber in der Regel nicht offengelegt. Deshalb ist es laut Bachmann empfehlenswert, im Rahmen des Retrofits die gesamte Steuerungstechnik der WEA durch ein modernes und transparentes System zu ersetzen. »Damit hält man später auch alle Möglichkeiten zur Optimierung der Anlage in der Hand«, so der Automatisierungsspezialist aus Feldkirch in einer Mitteilung. Bei der Um- oder Nachrüstung von Windenergieanlagen ist eine Frage zentral: Wie lassen sich die Kosten hierfür minimieren? Und: Wann kann die Windturbine wieder ans Netz? Vorhanden sein müssen in jedem Fall ausführliche Dokumentationen zu den technischen Daten der Anlage, zu Sensoren und Aktoren sowie die Lastberechnungen.

Ein erfahrener Partner wird dann eine Ist-Aufnahme der vorhandenen Installation durchführen und die Verkabelung sowie Montagemöglichkeiten in den Schaltschränken der Windenergieanlage im Hinblick auf eine möglichst weitreichende Wiederverwendung prüfen.

Sechs Monate Laufzeitfür Retrofit einplanen

Weitergehende Fragen, beispielsweise zur Netzanschaltung, werden geklärt und anschließend der Umbau geplant: »Wir rechnen mit einer durchschnittlichen Projektlaufzeit von etwa einem halben Jahr zur Analyse, Konzeption und Implementierung des steuerungsseitigen Retrofits einer Turbine«, sagt Gabriel Schwanzer, Direktor der Geschäftseinheit Wind bei Bachmann Electronic. »Entsprechend vorbereitet nimmt die eigentliche Aufrüstung der Anlage mit einem neuen Steuerungssystem in Hard- und Software dann nur wenige Tage in Anspruch, an denen die Turbine nicht am Netz ist«, so Schwanzer.

Entscheidend sind den Angaben zufolge vor allem der Aufbau und die Implementierung der Turbinensoftware. Diese beinhaltet unter anderem die Schnittstellen zu den Turbinenkomponenten, den generellen Ablauf der Turbine und die Regelung der zu erbringenden Leistung. Sie gibt auch Auskunft über den Zustand der Maschinenkomponenten, überwacht und reagiert auf Alarme und Fehlerzustände und sorgt für optimalen Energieertrag.

Software-Framework Wind Turbine Template

Bachmanns Software-Framework Wind Turbine Template (WTT) umfasst laut Herstellerangaben die wichtigsten Strukturen und Funktionen der Betriebsführungssteuerung einer WEA und sorgt unter Verwendung von Basis-Softwaremodulen für eine rasch konfigurierbare Umsetzung. »In WTT haben wir über 15 Jahre Erfahrung in der Automatisierung, der Regelungstechnik und Betriebsführung von Windenergieanlagen konzentriert«, erklärt Gabriel Schwanzer.

Basierend auf den IEC61400-25-Datenstrukturen stellt das Template dem Anwender alle Anlagenkomponenten wie Nacelle, Rotor, Converter und Generator zur Verfügung. Zudem sind Funktionen für Datenaufzeichnungen, Trends, Windrose, Power-Curve, Login, Fehler und Alarmhandling bereits integriert.

»Die Strukturen sind dabei so offen gestaltet, dass der Anwender jederzeit eigene Funktionen implementieren oder bestehende abändern kann«, heißt es in einer Produktbeschreibung.

Schnittstellen definieren per Konfigurator

Sensor- und Aktor-Schnittstellen werden laut Bachmann über einen Konfigurator definiert und können damit ganz flexibel auf die jeweiligen Gegebenheiten der Anlage angepasst werden. »Damit werden erheblich Zeit und Kosten gespart«, so Bachmann Electronic in einer Produktbeschreibung. In der Regel erweitern Betreiber bei einem Retrofit die Anlage auch um weitere Funktionen, die bislang nicht genutzt werden konnten.

Dazu zählen unter anderem Condition-Monitoring-Systeme, welche als präventive Maßnahme immer mehr zum Einsatz kommen. Mit ihnen lassen sich aufkommende Schäden an Windenergieanlagen frühzeitig erkennen und kostenoptimiert beheben. »Hierfür stellen wir eine direkt in die Steuerung integrierte Systemlösung zur Verfügung, bei der die Aufzeichnung, Analyse und Bewertung des Anlagenzustandes parallel zum Steuerungsprogramm ausgeführt werden«, sagt Gabriel Schwanzer.

Die genannten Funktionen sind Teil des Bachmann-M1-Automatisierungssystems.

Alternativ gibt es auch eine Retrofit-Version, welche unabhängig von der jeweiligen Steuerungsumgebung entweder als komplette ›Stand-alone‹-Lösung oder als ›Top-Box-Variante‹ in einem vorhandenen Schaltschrank installiert wird.

Moderne Visualisierung per Template

Mit dem Retrofit kann auch eine moderne Visualisierung realisiert werden. Das ›Wind Turbine Template‹ bietet dem Anwender eine konfigurierbare Turbinenvisualisierung und die Schnittstellen OPC UA/DA und IEC61400-25 zu SCADA-Systemen. Jede M1-Steuerung wird so zum zentralen Server für fest installierte oder mobile HMI-Geräte. An ›M1 WebMI Pro‹ können nach Unternehmensangaben beliebige Visualisierungsgeräte wie Smartphones oder Bedienterminals angekoppelt werden.

Schnittstellen und Weblösungen

Mit Wind Power SCADA (WPS) bietet Bachmann nach eigenen Angaben auch ein auf IEC61400-25-Datenstrukturen basiertes SCADA-Produkt, welches von einzelnen Turbinen bis hin zu überregionalen Parks eingesetzt werden kann.

Insbesondere bei Retrofit-Lösungen ergänzt WPS das System über die Turbine hinaus und bietet standardisierte Schnittstellen und webbasierte Technologie. »Mit einem transparenten System hat der Betriebsführer alle Trümpfe in der Hand und einen weitestreichenden Investitionsschutz«, sagt Schwanzer.

Turbinensoftware

Wind Turbine Template (WTT)

- Strukturierung nach IEC61400-25

- Statusmaschine mit konfigurierbaren Schnittstellen zu Turbinenkomponenten

- Open-source bringt Flexibilität für Anwender

- Modularität und Unittests für mehr Performance im Engineering

Funktionen Ready-to-use

- Vollständige Toolbox

- Konfigurator im Solution-Center

- Fertiges Softwaremodul für die Steuerung

- Bibliothek für eigene Implementierungen

- Visualisierung für kleinformatige Panels

Eventsystem

- Flexible Konfiguration von Ereignissen

- Flexible Auswahl von Anlagenreaktionen

- Sprachumschaltbare Beschreibungstexte in der Visualisierung

- Lückenlose und zuverlässige Protokollierung

Statistische Auswertungen

- Power Curve

- Windrose

- Ereignis- und Energiezähler

- Automatische Abtastung der Messpunkte

- Normkonforme statistische Behandlung

- Grafische Darstellung in der Visualisierung out-of-the-box

- Weiterführung der Werte auch nach Software-Update

Zugriffskontrolle

- Definition von Benutzerrollen

- Vergabe der Benutzerrechte auf Monitor- und Parameterwerte in der Konfiguration

- Protokollierung aller Schreibzugriffe

Software-Update

- Zuverlässiges Steuerungs-Update aus Image

- Rollback-Mechanismus für Fehlerzustände nach dem Update

Erschienen in Ausgabe: 09/2014