Ganz nah am Wind

Titelstory

Nicht nur Google und eBay können großvolumige Daten auswerten. Prüfer von TÜV SÜD nutzen eine App bei der Arbeit an Windenergieanlagen. Die Algorithmen zur Auswertung der Prüfdaten haben die Experten selbst entwickelt. Davon können auch Anlagenbetreiber und Betriebsführer profitieren.

30. August 2017

Die Inspektion ist abgeschlossen. Der Mitarbeiter schließt die Tür zur Windenergieanlage und der Sachverständige steckt sein Smartphone zurück in die Jackentasche. Damit ist die Arbeit getan, denn der Prüfbericht ist schon fertig. Aber nicht nur dieses wichtige Dokument liegt auf dem Server als PDF zum Download bereit: Auch alle Daten und Fotos, die der Sachverständige über den Touchscreen erfasst hat, sind dort hinterlegt und können – je nach Bedarf – einfach sortiert, zusammengefasst, dargestellt oder ausgewertet werden.

Was nach Zukunft klingt, ist seit rund einem Jahr betriebliche Praxis bei TÜV SÜD. Ermöglicht wurde die Entwicklung des innovativen Prüfprozesses und der zugrundeliegenden Software durch eine Kennzeichnungssystematik des europäischen Fachverbandes für die Strom- und Wärmeerzeugung, kurz VGB. Mit Teil 32 des ›Reference Designation System for Power Plants (RDS-PP)‹ hat der VGB bereits vor einigen Jahren ein bewährtes System auf Windenergieanlagen übertragen. Es vereinheitlicht die Bezeichnungen für die einzelnen Bauteile, Komponenten und ihre Einbauorte und ordnet diesen einen eindeutigen Code zu.

Synoyme Begriffe

Das Kürzel MDL10 steht beispielsweise für das Azimut-Antriebssystem, das auch Yaw-Antrieb genannt wird. Diese synonym verwendeten Fachbegriffe waren ein wesentliches Hindernis für die einheitliche und systematische Erfassung und Auswertung der Zustandsdaten.

Nun sind die Synonyme im Auswahlmenü der benutzerfreundlichen App von TÜV SÜD hinterlegt. Damit ist es unerheblich, ob der Sachverständige den Azimut-Motor oder den Yaw-Antrieb auswählt, um einen Mangel zu dokumentieren. In der Datenbank wird lediglich der RDS-PP-Code MDL10 hinterlegt, der das Bauteil zweifelsfrei benennt und lokalisiert.

Über weitere Eingaben werden die Komponentenebene und auch die Funktion des Bauteils genauer erfasst. Weist beispielsweise das Getriebe (gleich Komponente) des ersten Azimut-Antriebs (gleich Bauteil) einen Mangel auf, dann wird der Code zu MDL10 MZ010-TL001 erweitert. Wie ein Barcode erleichtert diese Kennzeichnung die Zuordnung erheblich. Gleichzeitig ist das systematische Vokabular die zwingende Voraussetzung dafür, dass die Daten einheitlich erfasst und ausgewertet werden können.

Vorteile für Betriebsführer

Von diesem Vorteil profitieren vor allem Betriebsführer, die ein größeres Portfolio verwalten. Auch sie und ihre Mitarbeiter können die App von TÜV SÜD bei ihren regelmäßigen Begehungen der Windenergieanlagen nutzen und Mängel, Auffälligkeiten oder Defekte einfach dokumentieren.

Die Datensätze, die sie dabei erzeugen, werden in einer Datenbank hinterlegt und können jederzeit ausgewertet werden. 

Mit wenigen Mausklicks lassen sich so beispielsweise gehäufte Mängel eines Bauteils identifizieren, die auf einen Serienfehler bei der Herstellung hindeuten.

Im nächsten Jahr wird TÜV SÜD die App um ein weiteres Kennzeichnungssystem ergänzen, um nicht nur die Bauteile selbst, sondern auch Zustände, kritische Ereignisse und Ursachen für Defekte und Mängel einheitlich und standardisiert zu erfassen. Grundlage ist die Technische Richtlinie Teil 7 ›Instandhaltung von Kraftwerken für Erneuerbare Energien‹ der Fördergesellschaft Windenergie, kurz FGW.

Sie beschreibt in der Rubrik D2 den sogenannten Zustands-Ereignis-Ursachen-Schlüssel für Erzeugungseinheiten (ZEUS). Damit wird es möglich, die RDS-PP-Codes um wichtige Informationen zu ergänzen.

Defekt durch Blitzschlag

So kann bei einer defekten Flugbefeuerung (XSD10) beispielsweise durch ein Auswahlmenü vermerkt werden, dass ein eingeschlagener Blitz die Ursache ist, der Schaden bei einer Begehung bemerkt wurde und das Bauteil unverzüglich in Stand gesetzt werden muss, weil ein erhebliches Risiko für den Luftverkehr besteht.

So erleichtert die App das Monitoring der Windenergieanlagen, denn die wesentlichen Informationen zum Zustand, den notwendigen Reparaturen und Instandhaltungsmaßnahmen liegen im persönlichen Nutzerkonto des Anlagenbetreibers bereit und sind in kurzer Zeit übersichtlich zusammengestellt. Gleichzeitig sorgen die Sachverständigen, Betriebsführer und andere Nutzer der App dafür, dass die Datenbank auf demTÜV-SÜD-Server kontinuierlich und systematisch mit standardisierten Informationen befüllt wird. Aus den gesammelten Datensätzen der Nutzer, die der Verarbeitung ihrer Daten ausdrücklich zugestimmt haben, können die Windexperten anonymisierte Mängelstatistiken für jeden einzelnen WEA-Typ erstellen. Die daraus generierten Diagramme lassen beispielsweise auf einen Blick erkennen, dass bei einem bestimmten Anlagentyp gehäuft Mängel am Fundament und am Turmfuß auftreten.

Diese anonymisierten Mängelstatistiken kann bei Bedarf jeder Nutzer einsehen, der seinerseits zugestimmt hat, dass seine Daten in die Mängelstatistik einfließen. Jeder Betreiber kann die Nutzung seiner Daten für die anonymisierten Mängelstatistiken untersagen und lediglich den eigenen Account für die Auswertungen seiner eigenen Anlagen nutzen. Das schließt allerdings die Zugriffsrechte auf die Mängelstatistiken und erweiterten Zusatzfunktionen aus.

Analyse auf einen Blick

Die Datenbank liefert ein Benchmarking, welches das eigene Portfolio eines bestimmten WEA-Typs mit dem bundesweiten Anlagenbestand vergleicht. Das hilft Betreibern und ihren Betriebsführern, den Fokus auf kritische Bauteile zu richten und vorausschauend zu planen. Zeigt die Gegenüberstellung beispielsweise, dass die eigenen Anlagen im Vergleich zum bundesweiten Bestand eher weniger Mängel an Fundament und Turmfuß aufweisen, dann können diese Bauteile künftig genauer untersucht werden.

Denn hier ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass ein bestehender Mangel noch nicht entdeckt wurde beziehungsweise dass sich bald Schäden an diesen Bauteilen zeigen werden. Damit fällt die Entscheidung über mögliche Präventivmaßnahmen und ihre Budgetierung leichter. Denn bei der genaueren Analyse kann deutlich werden, dass die spätere Sanierung der zu erwartenden Schäden aufwendiger und teurer sein wird als die sofortige und wirksame Gegenmaßnahme.

Daten richtig interpretieren

Diese Beispiele zeigen, wie Big-Data-Analysen schon heute helfen, die Betriebsführung zu optimieren und die Wirtschaftlichkeit der Anlagen zu steigern. Ein wichtiger Aspekt dabei: Für die oben genannten Mängel und Schäden braucht es eine menschliche Schnittstelle, also eine regelmäßige Begehung vor Ort – vorgenommen mit Sachverstand und Erfahrung. Denn für eine große Vielzahl kritischer Anlagenzustände bedarf es einer Bewertung der konkreten Situation durch den Menschen. Das trifft auch für die riesigen Datenmengen zu, welche WEA automatisch durch elektronische Bauteile wie Sensoren, Messfühler und Datenlogger erzeugen. Diese Daten liegen auf anderen Datenbanken, die durch entsprechende Zugriffsrechte geschützt sind. Auch für diese Betriebsdaten haben die TÜV-SÜD-Experten spezielle Analysemethoden und Algorithmen entwickelt, um gemeinsam mit den Betreibern die richtigen Schlüsse daraus abzuleiten. Bringt die WEA die garantierte Leistung? Wie steht es um die Verfügbarkeit und um kritische Anlagenzustände? Arbeiten alle Systeme ordnungsgemäß? Gibt es Einstellungen in der Steuerung, welche die Erträge unnötig mindern?

Informationsstrom

Die Antworten auf diese Fragen fallen nicht leicht, denn unzählige Sensoren protokollieren in Echtzeit eine Vielzahl von Parametern, etwa Temperaturen, Wetterdaten, Fehlermeldungen, Vibrationen oder Anstellwinkel. Auch hier sind Windenergieexperten gefragt, um aus diesem Datenstrom die entscheidenden Informationen herauszufiltern und die richtigen Schlüsse zu ziehen. Ein gutes Beispiel ist die Leistungskennlinie, die für jede Windenergieanlage charakteristisch ist und angibt, wie viel Strom sie bei welcher Windgeschwindigkeit liefert. In der Theorie ist das stets eine filigrane Linie, die der Hersteller zur Beschreibung der WEA in einem Diagramm abbildet. Die real gemessenen Daten, die von der Anlage alle zehn Minuten protokolliert werden, ergeben häufig eine unscharfe, chaotische Punktwolke.

Regelmäßig steht deshalb die Frage im Raum, ob es spezifische Faktoren oder Ereignisse gibt, welche die Leistung der WEA unnötig und vom Betriebsführer unbemerkt herabsetzen. Ein Fehler bei der Programmierung der Steuerung beim Errichten der WEA oder während der Wartung kann dazu genauso führen wie der Defekt eines Sensors, der beispielsweise die Anstellwinkel der Rotorblätter kontrolliert. Systematische Analysen von unabhängigen Experten helfen, diese Faktoren und Ereignisse zu erkennen beziehungsweise auszuschließen. Die Erfahrung zeigt: Fast in jedem Datensatz, den die Betreiber zur Analyse bereitgestellt haben, konnten Parameter identifiziert werden, um die Leistung und damit die Erträge signifikant zu steigern.

Expertise zählt

In der Regel ist der nächste Schritt mit vergleichsweise wenig Aufwand und minimalen Kosten verbunden. Denn meistens geht es lediglich darum, den Fehler zu finden und zu beheben. Um Betreiber und Betriebsführer dabei zu unterstützen und den Einstieg in die Big-Data-Analyse zu erleichtern, stellt ihnen TÜV SÜD seine Wind-App zur Verfügung und zwar kostenlos.

Dipl.-Ing. Peter Herbert Meier

TÜV SÜD Industrie Service

Husum Wind: Halle 4, Stand B07

Interview

"Es ist an der Zeit"

In Deutschland und Europa müssen neutrale Plattformen mit Sicherheitsstandards

her, fordert BWE-Präsident Hermann Albers.

Herr Albers, welche Chancen bietet die Digitalisierung für die Windenergie?

Die Digitalisierung begleitet die Energiewende und insbesondere den Ausbau der Windenergie seit Jahren. Digitale Technologien leisten den entscheidenden Beitrag, um die flexiblen und dezentralen Erzeugungsstrukturen innerhalb des künftigen Erneuerbaren Energiesystems zu organisieren.

Mit den digitalen Technologien eröffnen sich insbesondere für die Systemdienlichkeit der Windenergie breite Anwendungsmöglichkeiten. Um diese besser zu erschließen, braucht die Digitalisierung einen handhabbaren gesetzlichen Rahmen und Freiräume, die die Akteure ausgestalten können. Da muss die nächste Bundesregierung noch einmal aktiv werden. Dies haben wir Ende Mai auf einer Konferenz in Berlin deutlich gemacht.

In welchen Bereichen erwarten Sie die größten Veränderungen?

Aktuell erleben wir unter dem Schlagwort prädiktive Wartung einen starken Trend zur kontinuierlichen Anlagenüberwachung über Sensoren im Rahmen von Condition-Monitoring-Systemen, kurz CMS. Wartungstermine und Servicearbeiten werden dabei anhand der Sensordaten geplant und durchgeführt.

Die schnellere und effektivere Behebung von Störungen führt zu einer höheren Verfügbarkeit der Anlagen. Voraussetzung ist, dass die bei ständiger Analyse der Anlagenflotte anfallenden Datenmengen mittels intelligenter Software handhabbar gemacht werden.

Durch die so erreichbareOptimierung des Anlagenbetriebs wird die bereits kostengünstige Windenergie noch effizienter.

Ist Deutschland richtig aufgestellt, um in der Digitalisierung mitzuhalten?

Wasser, Ernährung, Energie und Mobilität sind Schlüsselfelder der Wirtschaft. Die Digitalisierung verschiebt Wertschöpfungsketten. Gewinne werden womöglich bald vor allem im Handling der Daten realisiert. Das Feld der digitalen Nutzung und der Plattformen ist weitgehend US-amerikanischen Unternehmen überlassen. Jetzt beginnt China aufzuholen.

Es ist an der Zeit, dass Deutschland und Europa sich um unabhängige Plattformen und Tools mit eigenen Sicherheitsstandards kümmern.

Es ist denkbar, dass die Energieerzeugung in unseren Kraftwerken, auch denen der Erneuerbaren, nur noch einen kleinen Teil der Wertschöpfung ausmacht. Informationen und Daten sind die Grundlage künftigen Erfolges.

Was tut der BWE, um die Digitalisierung der Windenergie voranzubringen?

Digitalisierung ist für uns weder ein Schlagwort noch ein Selbstzweck. Schon früh haben die Akteure der Branche digitale Technologien insbesondere für den sicheren und vor allem störungsfreieren Anlagenbetrieb genutzt.

Hierzu findet in unseren Betreiberforen ein intensiver Dialog mit Herstellern und Zulieferern statt. Fast lassen sich diese Plattformen als ausgelagerte Forschungslabore der innovationsstarken und exportstarken Branche bezeichnen.

Unsere Publikationen wie das Jahrbuch Windenergie oder Tagungen wie Digitalisierung in Betrieb und Instand-haltung von Windenergie-anlagen tragen das Wissen in die Branche.

Erschienen in Ausgabe: 07/2017