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Automatisierung

Vernetzte Intelligenz

Windparks sind keine Inseln, sie sind eingebunden in das Energiesystem und müssen unter anderem zur Netzstabilität beitragen. Eine zukunftsfähige Windparkregelung ist gefragt. Doch wie kann diese aussehen?

30. August 2018

Die Stromproduktion mit Windenergieanlagen – onshore und offshore – ist in unserem Energieversorgungssystem nicht mehr wegzudenken. Ein Drittel der Bruttostromerzeugung 2017 stammt aus erneuerbaren Energiequellen, davon knapp die Hälfte aus Windenergieanlagen an Land und auf See«, so Professor Kurt Rohrig vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE). Er ist Herausgeber des Windenergie Report Deutschland 2017, aus dem diese Zahlen stammen.

Mit dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien müssen auch Windenergieanlagen Verantwortung für die Stabilisierung der Stromnetze übernehmen. »Bislang sorgen vor allem die Schwungmassen konventioneller Kraftwerke dafür, dass die Frequenz im deutschen Stromnetz gehalten wird«, sagt Dr. Boris Fischer vom Fraunhofer IEE. Er ist Leiter des Forschungsprojektes Gridloads.

Die Schwungmassen der Rotoren von Windenergieanlagen könnten diese Aufgabe übernehmen, so der Forscher. »Ihre Kapazitäten wären ausreichend für die Stabilisierung der Frequenz. Sie müssten dazu elektrisch mit dem Netz gekoppelt werden.«

Gerade bei Netzstörungen wie Kurzschlüssen oder Teilnetzabspaltungen ist dabei eine sehr schnelle Reaktion gefordert, wie das Institut mitteilt. Übertragungsnetzbetreiber würden schätzen, dass die Wirkleistung von Windenergieanlagen im Falle einer Bildung von Teilnetzen im europäischen Verbundnetz mit Gradienten von bis zu fünfzig Prozent pro 200 Millisekunden reduziert werden müsste.

Eine solche Dynamik kann den Triebstrang und die Tragestruktur der Anlagen in Schwingung versetzen, so das IEE. Das führe zu einer starken mechanischen Belastung der Komponenten. »In unserem Forschungsprojekt untersuchen wir, wie die netzbildenden Maßnahmen so gestaltet werden können, dass die Anlagen so wenig wie möglich belastet werden«, erläutert Fischer. Unter anderem wollen die Forscher ein Analysemodell schaffen, mit dem sich die Einflüsse einer frequenzstützenden Generatorregelung auf die mechanische Struktur der Windkraftanlage untersuchen lassen.

Beitrag zum Netz

Noch ist das Ganze ein Forschungsthema, das Projekt läuft bis 2020. Trotzdem müssen die Anlagen auch heute schon auf Anforderungen der Stromnetzbetreiber reagieren und zum Beispiel ihre Leistung reduzieren oder Blindleistung einspeisen. Außerdem lassen sich Windparks in virtuelle Kraftwerke einbinden und können neben der Direktvermarktung auch am Regelleistungsmarkt Erlöse erzielen. Damit leisten sie heute schon einen Beitrag zur Netzstabilität.

Die Anforderungen an die Anlagen haben sich dabei im Laufe der Zeit gewandelt. Und sie werden sich weiter wandeln, wenn Lastmanagement, Speicher und Power-to-X-Anwendungen verstärkt am Energiesystem teilhaben und ihren Beitrag leisten. »Heute sprechen wir nicht von einer einzelnen Windkraftanlage, die 100 oder 500kW Leistung erbringt, sondern von einem Windpark, der ganze Regionen mit Energie versorgt. Und das im Verbund mit anderen Energiequellen und künftig eingebunden in ein Smart Grid«, sagt Gabriel Schwanzer, Leiter Geschäftsbereich Windenergie bei Bachmann electronic.

»Die Herausforderung liegt darin, regionale Intelligenz im Netz zu bieten und die Belastungen für das Netz so gering wie möglich zu halten.« Die Technologie bestehe schon. »Die Möglichkeiten, das Ganze umzusetzen, bieten wir auch.«

Das von Bachmann entwickelte Konzept Windenergie 5.0 bedeutet, dass fünf Komponenten in einer Automatisierungslösung zusammenarbeiten, um die Windenergie kostengünstig und effizient in das Energiesystem einzubinden: Turbinensteuerung, Condition-Monitoring-Systeme, Smart Grid, Leitstandsüberwachungen und Big-Data-Portale.

Ein Windpark sei dann besonders kostengünstig, wenn jede einzelne Turbine so läuft, dass sie optimal eingestellt ist auf die individuellen Bedingungen in der Anlage, so der Experte. »Mein Kollege Holger Fritsch von Bachmann Monitoring sagte einmal: Oft wird heute ein guter Wind weniger dazu verwendet, viel Strom zu produzieren, sondern vielmehr dazu, das Getriebe zu beanspruchen.«

Bei einer Optimierung im Sinne des Konzeptes Windenergie 5.0 entscheidet die Turbine selbstständig, wie sie fährt, und zwar aufgrund der Daten, die sie erhält zum Beispiel über den Zustand ihres Getriebes oder über die Netzstabilität. Wenn die Messdaten gleich in der Turbinensteuerung zusammenlaufen, sei damit ein direktes Agieren online möglich, so Schwanzer.

Cost of Energy im Blick

Die Wirkung lasse sich an einem konkreten Rechenbeispiel zeigen: Bei einer 3-MW-Anlage und zwei Prozent Mehrertrag durch die Optimierung und einem Preis von vier Cent pro kWh ist das im Jahr pro Turbine ein Plus von etwa 20.000 Euro. »Zudem kann die Verfügbarkeit und die Lebensdauer der Anlage verbessert werden.«

Den Kunden gehe es in Summe darum, die Cost of Energy zu reduzieren, also Leistung und Verfügbarkeit des Anlagenparks zu erhöhen. »Der Windpark ist in der Regel ja kein gallisches Dorf. Da sind mehrere Akteure, etwa der Netzbetreiber, der Anlagenhersteller, Parkbetreiber, Servicedienstleister,…« Alle Agenten kommunizieren miteinander. Insofern ähnelt das Energiesystem dem Industrial Internet of Things (IIoT) oder Industrie 4.0.

»Auch bei Windenergie 5.0 gilt, je enger die Partner ihre Daten miteinander vernetzen, desto bessere Qualität des Systems. Je mehr Prozesse und Entscheidungen automatisiert ablaufen, desto schnellere Anpassungsfähigkeit. Je mehr virtuell getestet und vorausberechnet wird, desto kostengünstiger ist die Stromproduktion.« Schwanzer sieht weitere Parallelen zu IIoT und Industrie 4.0: Auch Windenergie 5.0 sei die konsequente Anwendung und Kombination bereits bestehender Technologien – in dem Fall der fünf bereits erwähnten. »Fast jeder Agent hat Teile davon schon umgesetzt und in seine Arbeit integriert. Es geht jetzt darum, diese Einzellösungen miteinander zu verbinden zu einem Netzwerk.«

Die Vernetzung mit dem Energiesystem rückt also immer mehr in den Fokus: Die Anlagen werden in komplexe Datenkommunikationen eingebunden, unter anderem spielen Wetterdaten, Netz- und CMS-Sensordaten eine Rolle. »Die Informationen, die wir direkt auf der Turbine erfassen, stehen in Echtzeit bereit, sodass die Turbine unmittelbar reagieren kann.«

Messen und Überwachen integriert

Bachmann bietet Herstellern von Windkraftanlagen und Betreibern von Windparks zum Beispiel eine Parkregelung an. Eine Automatisierungslösung basierend auf dem Bachmann-M1-System mit Regelung und Datenschnittstelle, ergänzt um Netzmessungs- und Schutzmodule der Familie GMP232/x, bildet die Basis der Hardware-Ausstattung. Je nach Bedarf lassen sich verschiedene Bausteine und Ausbaustufen der Parkregelung modular miteinbeziehen.

»Die Kombination von Anlagensteuerung und Netzmessung/Netzschutz in einer Einheit, senkt dabei Initial- und Lebenszykluskosten und erleichtert die Handhabung«, so Schwanzer. Mit den Steuerungsmodulen GMP232/x biete man eine vollständige Lösung zur Messung und Überwachung elektrischer Drehstromnetze integriert in das M1-System.

Messwerte wie Spannung, Strom, Leistung oder Frequenz stehen unmittelbar im Steuerungsprogramm zur Verfügung. »Der Netz- und Anlagenschutz wird über eine intuitive grafische Oberfläche konfiguriert und anschließend autonom vom Modul ausgeführt. Die direkte Schaltung von zwei Auslösekreisen ist über integrierte Relaisausgänge realisiert.«

Das Modul, am Netzübergabepunkt installiert, misst ständig die aktuelle Leistung des Parks und liefert somit die Ist-Kenngröße für den Regler. Neben dem Reglermodul kommt ein sogenanntes Distributor-Modul für die Berechnung der Sollwerte der einzelnen Anlagen zum Einsatz. Hier können einfache, gleich verteilte Leistungs-Sollwerte an alle Turbinen des Parks abgebildet werden, bis hin zu komplizierten Regelalgorithmen, welche etwa Wartung oder Verschleiß mit berücksichtigen. Ein weiteres, nachgeschaltetes Software-Modul übernimmt das Senden der zuvor berechneten Sollwertvorgaben an die Turbinen.

Der Datenaustausch findet über gängige Energieprotokolle statt, sodass die Kommunikation zum Energieversorger oder Direktvermarkter durch entsprechende Konfiguration der bereitzustellenden Daten gelöst ist. Ebenso ist der Datenaustausch der Parksteuerung zu den einzelnen Turbinen im Park über diese Protokolle möglich.

Datenaustausch in Echtzeit

»Das Thema Kommunikation und Cybersicherheit der einzelnen Turbine gewinnt an Wichtigkeit«, erläutert der Experte einen weiteren Aspekt des Themas. »Hier ist eine Steuerung von Vorteil, die Sicherheitsfeatures integriert hat. So kann jede Turbine selbst entscheiden, wer zugriffsberechtigt ist, wer welche Daten einsehen darf, wer Änderungen vornehmen darf.«

Wenn die Anforderungen an die Performance der Regelung des Parks höher sind, lässt sich zum Beispiel das Parkvernetzungsprotokoll Bluecom von Bachmann einsetzen. »Es basiert auf Standard-Ethernet-Technologie und stellt eine kostengünstige und rasch implementierbare Kommunikationstechnik für den schnellen und zuverlässigen Informationsaustausch in Echtzeit dar«, so Schwanzer.

»Das Übertragungsprotokoll wurde eigens hinsichtlich der spezifischen Anforderungen zukunftsfähiger Energiesysteme optimiert.« Im Vordergrund stehe, durch rasche Reaktionsfähigkeit von Energieparks und virtuellen Kraftwerken die Stromnetzstabilität aufrechtzuerhalten.

Das Protokoll kann hohe Datenmengen in kurzen Zyklen zwischen vielen Teilnehmern austauschen. Für die Kommunikation wird dieselbe physikalische Infrastruktur der bereits vorhandenen Datenleitungen verwendet. Zudem ermöglicht die Technologie, Netzwerk-Redundanzen aufzubauen und somit eine Erhöhung der Kommunikationssicherheit bei Unterbrechungen.

»Das Energiesystem besteht in Zukunft aus autonom agierenden Windturbinen beziehungsweise Energieerzeugern und -speichern. Das bedeutet, das bestehende Anlagen günstig nachzurüsten sein müssen«, so Schwanzer abschließend. Für das Steuerungssystem heiße das, dass es modular aufgebaut sein sollte und eine große Offenheit bezüglich Schnittstellen aufweist. So lassen sich alle möglichen Maschinen und Software, die man vorfindet, anschließen und einbinden. »Die Modularität und Offenheit unseres Automatisierungspaketes für Windenergieanlagen ist angesichts der Dynamik der technischen Innovation ebenso für neue Anlagen von Vorteil.« Es entspreche den bestehenden Anforderungen, sei zudem aber offen, flexibel und somit für zukünftige Bedarfe gerüstet. mwi

Global Wind Summit Hamburg, Stand A4-221

Erschienen in Ausgabe: Nr. 07 /2018