Biege- und Schwingungstest von Rotorblättern im September 2022 beim Windenergieforschungsinstitut Fraunhofer Iwes. Die Blätter sind mit rund 250 Sensoren ausgestattet und dienen einem Projekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt.
Sparen bei der Zustandsüberwachung kommt oft teuer. Der Vorteil von CMS ist bekannt, der Preis wenig wirksamer Systeme ist es nicht.
Condition-Monitoring-Systeme (CMS) zur Messung des Zustands von Windenergieanlagen sind heute in vielen Fällen vorgeschrieben, insbesondere im Offshore-Bereich. Die Vorteile eines wirksamen CMS sind bei den Fachleuten unumstritten, die Risiken bei der Anschaffung eines vermeintlich günstigen und weniger wirksamen CMS sind dagegen weit weniger bekannt.
In der Regel kann man bei einem Windpark innerhalb von drei Jahren nach der Implementierung eines CMS mit einem ROI (Return Of Investment) rechnen. Allerdings gibt es große Qualitätsunterschiede zwischen den verschiedenen CMS-Lösungen. Um vermeintlich bei den Investitionskosten am Zustandsüberwachungssystem ein paar tausend Euro zu sparen, entscheiden sich die Einkaufsteams leider zu oft für das billigste System. Es verursacht am Ende jedoch weit mehr Gesamtkosten als eine höherwertige Alternative.
Billige CMS fallen öfter aus
Ursprünglich lag der Schwerpunkt von CMS auf der Überwachung des Zustands des Antriebsstrangs, aber mit zunehmender Anzahl der Anlagen wird die Überwachung des Zustands der Rotorblätter immer wichtiger, ebenso wie SHM (Structural Health Management) zur Überwachung des Zustands von Turm und Fundamenten, insbesondere im Offshore-Bereich.
Derzeit liegen die Kosten für ein einfaches Acht-Kanal-System mit Messumformern zwischen 3.000 und 8.000 Dollar pro Turbine. Eine Installation – einschließlich des Erzeugungsausfalls während der Installation – kostet etwa 2.000 Dollar pro Turbine.
In eine realistische Gesamtkalkulation sollten darüber hinaus auch sogenannte Folgekosten einfließen: In der Zustandsüberwachung berechnet man die Zuverlässigkeit eines Systems im Allgemeinen durch eine Ausfallrate, die in Ausfällen pro 100 Stückjahre gemessen wird. Bei durchaus typischen acht Sensoren pro Turbine in einem Windpark mit 50 Windenergieanlagen haben wir bei einer Lebensdauer von 20 Jahren rechnerisch eine Gesamtlaufzeit von 8.000 Sensorjahren.
Bei einem hochwertigen CMS darf mit einer wahrscheinlichen Ausfallrate von besser als 1 pro 100 Sensorjahren gerechnet werden. Bei einem billigen CMS muss ein Wert von 2 pro 100 Sensorjahren einkalkuliert werden. Dieser scheinbar kleine Unterschied bedeutet, dass das billige CMS über die gesamte Lebensdauer der Anlage 80-mal öfter ausfallen wird als das hochwertige CMS.
Einen Sensor zu reparieren, ist relativ einfach, erfordert aber dennoch außer der neuen Hardware den Besuch eines Technikers. Vor allem für Offshore-Parks kann das sehr teuer werden. Wir schätzen die Kosten für 80 zusätzliche Reparaturen an Land auf 24.000 Dollar. Sie setzen sich wie folgt zusammen: Für die Technikerzeit 100, für die Hardware 200 Dollar – und für den hier nicht inkludierten Transport zum Standort sind mindestens zehn notwendige Besuche anzunehmen. Für Reparaturen an Land betragen die Reisekosten schätzungsweise 200 Dollar, bei Arbeiten auf See verzehnfachen sie sich mindestens.
Schlechte Qualität bedeutet Ungenauigkeit
Zu den Folgekosten einer billigen CMS-Lösung trägt auch die geringere Genauigkeit der Überwachung bei. Ein fortschrittliches CMS kann im Falle eines Kommunikationsausfalls eine bessere Verfügbarkeit und größere Speicherkapazität bieten. Dies kann zu einer Verbesserung der Fehlererkennung führen.
Bietet ein hochwertiges CMS zum Beispiel eine Verbesserung der Fehlererkennung um ein Prozent und treten in der Regel bei zehn Prozent der Turbinen pro Jahr Fehler unterschiedlicher Schwere auf, wird es in einem Windpark mit angenommen 50 Turbinen in 20 Jahren Laufzeit 100 Ausfälle geben. Je nach Art des Ausfalls kann das Einsparpotenzial zwischen 1.000 und 100.000 Dollar pro Ausfall liegen. Bei einer einprozentigen Verbesserung von drohenden Ausfällen können konservativ gerechnet in unserem Beispielwindpark bis zu 5.000 Dollar pro Jahr eingespart werden, also 100.000 Dollar bei einer Betriebszeit von 20 Jahren.
100 Tausend Dollar, was aktuell 92.000 Euro entspricht, lassen sich schon bei ein Prozent weniger Komponentenausfällen infolge eines besseren Condition-Monitoring-Systems in der Laufzeit eines großen Windparks sparen. Diese Kalkulation geht von 50 Windenergieanlagen und jährlich bei zehn Prozent der an Turbinen auftretenden Fehlern aus.
Nach der Erfahrung der CMS-Experten bei Bachmann sind der mit der Überwachung verbundene Aufwand und somit auch die Kosten umso geringer, je besser die Überwachungsausrüstung ist. Betragen die Folgekosten nach dem Einbau einer billigen CMS-Lösung jährlich 1.000 Euro und dieselben Folgekosten bei einer höherwertigen Lösung 500 Euro, dann ergibt sich über die 20-jährige Lebensdauer einer Windenergieanlage ein Kostenunterschied von 10.000 Euro pro Turbine. Das ist mehr als die ursprünglichen Hardwarekosten des hochwertigen CMS.
Gutes System überwacht mehr Turbinen
Und was ist, wenn ein Anbieter ein internes Zustands- überwachungsteam hat? Auch hier gilt, dass fortgeschrittene CMS-Funktionen den Umfang der Nacharbeiten reduzieren und genauere Ergebnisse liefern, die leichter zu interpretieren sind und schnellere Reaktionen auf drohende Ausfälle möglich machen.
Wir nehmen an, dass ein Mitarbeiter mit einem hoch qualitativen System im Flottenmonitoring 500 Turbinen an einem Tag überwachen kann, während der oder die Mitarbeitende mit einer schwächeren Software nur 350 Turbinen täglich bewältigen. Pro 1.000 Turbinen würde das Unternehmen mit dem schwächeren Rechenprogramm also einen Mitarbeiter mehr beim Monitoring einsetzen müssen.
Man muss bei der Anschaffung zudem bedenken, dass schlechtere Sensoren möglicherweise nicht über die für Windenergieanlagen erforderliche Leistungsfähigkeit oder nutzbare Reichweite verfügen. Dies gilt nicht nur für den Niederfrequenzbereich, sondern auch den Hochfrequenzbereich des Signals. Für die Hüllkurvenanalyse wird routinemäßig eine Abtastung mit zehn Kilohertz (kHz) verwendet. Einige Messumformer (vor allem solche auf MEMS-Basis) haben jedoch eine begrenzte Ansprechfrequenz von weniger als fünf kHz, so dass sie für die Überwachung von Windenergieanlagen ungeeignet sind.
Billiger Sensor, aber teure Software
Einige Lastüberwachungssensoren übermitteln Daten, die sofort vom Steuerungssystem des Windparks erfasst werden können und somit allen entsprechenden Überwachungs- und Scada-Systemen zur Verfügung stehen. Nehmen wir zum Beispiel einen Dehnungsmessstreifen/IPC-Sensor: Auf dem Markt sind kostengünstige Modelle erhältlich, die nach der Installation ein teures Softwaremodul (rund 4.000 Dollar) für die Anbindung an das Steuerungsmodul benötigen. Die versteckten Kosten der Sensorintegration treiben somit den Preis solcher Billiggeräte massiv in die Höhe, unabhängig noch von den zusätzlichen Kosten für die kompliziertere Inbetriebnahme und Fehlerbehebung.
Fazit: Obwohl ein vorausschauender Wartungsansatz durch ein effektives Condition-Monitoring- System großes Einsparpotenzial bietet, sehen viele Eigentümer und Betreiber das CMS immer noch nicht als kritische Betriebskomponente ihres Windparks an. Wenn ein CMS gut funktioniert, sind die potenziellen Kosteneinsparungen jedoch beachtlich. Funktioniert dieses nicht optimal, dann wird es schnell zum Kostentreiber.
Foto: bachmann
Montagearbeiten an Sensoren auf einer Offshore-Windenergieanlage
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