Siemens: Windkraft maximal nutzen

Windkraft spielt im heutigen Energie-Mix eine entscheidende Rolle: In Deutschland wird bereits ein Zehntel des Stroms aus Windenergie erzeugt – mit steigender Tendenz. An Land und auf See entstehen zunehmend groß dimensionierte Anlagen mit enormer Leistung. Die elektrotechnische Ausstattung mit aufeinander abgestimmten Systemen und Komponenten trägt maßgeblich dazu bei, die Anlagen sicher, wirtschaftlich und damit nachhaltig nutzen zu können und so das Maximum aus Wind heraus zu holen.

Die Investitionen in Windkraft sind beträchtlich: Weltweit wurden im Jahr 2011 über 36 Milliarden Euro in Windenergieanlagen investiert, in Deutschland waren es mehr als zwei Milliarden Euro. Pro Anlage variieren die Kosten nach der jeweiligen Nennleistung – für eine 2,5 MW-Anlage werden bis zu 2,5 Millionen Euro ausgegeben. Zu den Anfangsinvestitionen kommen Nebenkosten, etwa für die Netzanbindung, sowie Betriebskosten für Wartung, Versicherungen, Steuern und Pachtgebühren hinzu. Umso wichtiger ist es, die Lebenszykluskosten zu minimieren und die Verfügbarkeit der Anlagen möglichst über ihre gesamte, heute durchschnittliche Lebensdauer von 20 Jahren sicherzustellen. Grundvoraussetzung für einen effizienten und ausfallsicheren Betrieb ist eine durchdachte, integrierte Elektro- und Leittechnik im Inneren der Windturbine, inklusive standardisierter und kommunikationsfähiger Komponenten sowie eines umfassenden Brandschutzkonzepts.

Mit einer durchdachten, integrierten Elektro- und Leittechnik im Inneren der Windturbine lassen sich Windenergieanlagen sicher, wirtschaftlich und damit nachhaltig nutzen.

Engineering optimieren

Spezialanfertigungen oder aufwändige Anpassungen der Elektrotechnik an wind- und herstellerspezifische Anforderungen können bei der Planung und Errichtung der Anlagen vermieden werden – mit standardisierten Komponenten, die sich bereits in rauer Umgebung bewährt haben und sich individuell kombinieren lassen. Systemtests der Hard- und Software durch den Hersteller stellen bereits im Vorfeld das Zusammenspiel der Produkte und Systeme sicher. Damit entfallen auch aufwändige Systemtests beim Anlagenbetreiber. Einheitliche Engineeringtools reduzieren den Aufwand für Programmierung sowie Inbetriebnahme zusätzlich und minimieren das Fehlerrisiko. Ein Beispiel ist die Simatic-Wind-Library von Siemens, eine eigens für die Automatisierung von Windanlagen entwickelte Software-Bibliothek, in der 80 Prozent aller Funktionen einer Windenergieanlage hinterlegt sind.

Lückenlos kommunizieren

Im laufenden Betrieb der Anlage ist eine lückenlose Überwachung und exakte Steuerung aller Anlagenteile zu empfehlen, um zum Beispiel Störungen präventiv entgegenzuwirken oder diese frühzeitig zu erkennen. Eine durchgängige Kommunikation der elektrischen Funktionskomponenten macht dies möglich und gibt die relevanten Informationen an die übergeordnete Leitwarte. Auch in Extremsituationen kann so schnell und präzise reagiert werden, um Personen- oder Anlagenschäden abzuwenden.

Ein präventives Schutzkonzept mit kommunikationsfähigen Komponenten stellt sicher, dass auch in Extremsituationen schnell und präzise reagiert werden kann, und verhindert, dass Personen oder Anlagen zu Schaden kommen.

Ergänzend lassen sich durch vorbeugende und vorausschauende Wartungs- und Instandhaltungskonzepte reparaturbedingte Stillstandzeiten minimieren oder ganz vermeiden, was zusätzlich Ertrag sichert.

Feuer präventiv vermeiden

Gerade Windenergieanlagen sind aufgrund ihrer exponierten Lage besonders durch Blitzschläge gefährdet. Daneben können auch technische Defekte Brände verursachen. Das Versagen von Leistungsschaltern oder Steuerungselektronik, falsch dimensionierte Bauteile der Leistungselektronik, ein unzureichendes elektrisches Schutzkonzept, das keine Isolationsfehlererkennung beinhaltet, oder ein heiß laufendes Getriebe sind nur einige der möglichen Brandursachen. Entwickelt sich ein Brand, ist es vielfach zu spät: Die Feuerwehr kann aufgrund der enormen Höhe der Turbinen nur schwer eingreifen und es droht Totalverlust.

Ein präventives Brandschutzkonzept sowie integrierte Brandmelde- und Löschanlagen sind bereits heute Stand der Technik und daher unbedingt zu empfehlen. Konkret gehört dazu ein dem jeweiligen Anlagentyp angepasster Blitz- und Überspannungsschutz mit entsprechenden Blitzstrom- oder Überspannungsableitern. Zum Überlastschutz der elektrischen Anlagen werden unter anderem Sicherungen, Leistungsschalter oder Differenzstrom-Überwachungsgeräte eingesetzt, die in der Lage sind, Fehler selektiv zu erkennen und fehlerhafte Teile des Netzes oder einzelne elektrische Betriebsmittel wie Transformatoren, Kabel und Leitungen oder den Generator im Falle eines Brands unverzüglich abzuschalten. Darüber hinaus müssen die Schutzsysteme ein sofortiges, geregeltes Abschalten der Windkraftanlage mit allpoliger Trennung vom Netz sicherstellen. Lösen Schutzeinrichtungen aus, wird eine Störmeldung an die Fernüberwachung übermittelt. Entwickelt sich trotz Präventionsmaßnahmen ein Feuer, können automatische Brandmelde- und Löschanlagen den Schaden minimieren und damit die Ausfallzeit verkürzen.

Durchgängiges Wind-Portfolio

Das Siemens-Portfolio umfasst das gesamte Spektrum an Produkten und Systemen für die elektrotechnische Ausrüstung von Windenergieanlagen – vom elektrischen Antriebsstrang über die Automatisierung und Turbinensteuerung mit Simatic-Steuerungen bis hin zur Energieverteilung in Windenergieanlagen. Die Geräte sind für den Einsatz in Windenergieanlagen geprüft und arbeiten reibungslos zusammen.

Das Scada-System Simatic WinCC Open Architecture gewährleistet eine optimierte Betriebsführung und effiziente Stromproduktion. Die Kommunikation und Datenübertragung an die Leitwarte erfolgt durchgängig über Profinet. Scalance-Kommunikationsgeräte und der IO-Link-Standard ermöglichen zudem die Anbindung intelligenter Sensoren und Aktoren aus der Sirius-Produktfamilie an das Automatisierungssystem. Sitop-Netzgeräte versorgen die Automatisierungssysteme zuverlässig mit Strom. Pitch- und Yaw-Systeme basieren ebenfalls auf Simatic-Automatisierungsystemen, Sirius-Schalttechnik und Sinamics-Frequenzumrichtern und garantieren eine sichere und effiziente Rotorblattverstellung und Gondelnachführung. Die speziell für Windkraftanlagen geprüfte Schalttechnik sorgt im Notfall für das sichere Drehen der Flügel in die stabile Ruheposition. Durch die in Sinamics integrierte Rückspeisefähigkeit wird die Energieeffizienz der gesamten Windenergieanlage erhöht. Für die sichere, effiziente Niederspannungs-Energievertei-lung in der Windenergieanlage werden aufeinander abgestimmte Schutz-, Schalt-, Mess- und Überwachungsgeräte aus der Sentron-Familie eingesetzt. Als Energietransporter zwischen Gondel und Übergabestation bietet Siemens die Stromschienenverteiler-Systeme Sivacon 8PS an, die sich unter anderem durch ihre geringe Brandlast auszeichnen. Über die Öl- oder Trockentransformatoren Tumetic und Geafol und den Mittelspannungs-Schaltanlagen Nxplus C Wind bzw. 8DJH 36 wird die Windenergieanlage zuverlässig mit dem Stromnetz verbunden. Generatoren für die Turbinen – mit oder ohne Getriebe – optimieren den Energieertrag. Zum Portfolio gehören zudem die modularen Windumrichter Dynavert XL sowie das System Simocode Pro, mit dem sich die zahlreichen Motoren sicher schalten, schützen, starten und überwachen lassen. Die insgesamt reduzierte Anzahl an Komponenten vereinfacht nicht zuletzt die Planung, Inbetriebnahme und Wartung der Windturbine.

Von der Einzel- zur Serienfertigung

Herstellern von Windkraftanlagen bietet Siemens außerdem Hard- und Softwaresysteme, die den Übergang zur optimierten Serienfertigung unterstützen und so zu einer nachhaltigen Optimierung der Entwicklungs- und Fertigungsprozesse beitragen. Die Product-Life-Cycle-Management-Software von Siemens vereinfacht die Fertigungsautomatisierung von Windturbinen: Beispielsweise optimiert sie das Layout der Turbinenproduktion bereits in der Planungsphase. Einsparpotenziale werden automatisch erkannt und somit Engpässe in der späteren Produktion vermieden. Darüber hinaus sorgt die Software für Transparenz über den gesamten Lebenszyklus und dient als zentrale Datenquelle für sämtliche Produkt- und Prozesskenntnisse in der Turbinenproduktion. Mit spezieller Konstruktions-Software werden neue Windturbinen entwickelt und modifiziert. Vielfältige Simulationsmöglichkeiten helfen, Szenarien richtig zu bewerten und ersetzen teure, aufwändig herzustellende Turbinen-Prototypen.

Höhere Wettbewerbsfähigkeit

Zusammengefasst profitieren Windanlagenbetreiber und -hersteller beim Einsatz standardisierter, integrierter und kommunikationsfähiger Systeme und Komponenten von effizienteren Prozessen von der Planung bis zum Betrieb der Windenergieanlagen, einer hohen Verfügbarkeit sowie deutlichen Kosten- und Zeitersparnissen.