Perfektes Zusammenspiel: Produkte und Lösungen für Automatisierung und Energieverteilung in Windenergieanlagen

Ganz entscheidend für den weltweiten Ausbau der Energieerzeugung aus Windkraft sind sinkende Kosten. Noch ist die Stromerzeugung aus Windenergieanlagen im Allgemeinen teurer als Kohlestrom. Vor allem bei Offshore-Windkraftwerken bündeln Anlagenhersteller, Betreiber, Zulieferer und Bauunternehmen ihre Kräfte, um die Kosten der Installation und des Betriebs der Anlagen zu senken. Siemens will seine Technologie so weiterentwickeln, dass Windenergieanlagen auf hoher See schon 2020 Strom für 10 Cent pro Kilowattstunde erzeugen können.

Hersteller von Windenergieanlagen haben bislang ihre Kaufentscheidungen oft preisoptimiert für jede einzelne Anlagenkomponente getroffen. Die anfängliche Kostenersparnis kann jedoch früher oder später durch mangelnde Verfügbarkeit der Anlage ins Gegenteil verkehrt werden, weil der Integrationsaufwand der Komponenten von verschiedenen Herstellern unterschätzt wurde. Andererseits ist die Alternative, nämlich alles aus einer Hand zu beziehen, oft nicht gewünscht. Durch eine Allround-Lösung könnten höhere Kosten und Abhängigkeiten von einem einzigen Lieferanten entstehen, so die verbreitete Meinung. Als Mittelweg bietet sich eine Paketierung und Modularisierung einzelner Bauteile an.

Zusammenspiel – Kernthema des Siemens-Messeauftritts auf der WindEnergy Hamburg 2014

Vorbild für das optimale Zusammenspiel von Bauteilen durch Modularisierung ist die Autoindustrie: Hier wird mit einer gemeinsamen Plattform für unterschiedliche Modelle und mit möglichst vielen gemeinsamen Systemkomponenten gearbeitet. Was für Autos gilt, lässt sich auch auf die Herstellung von Windturbinen übertragen.

Siemens bietet Herstellern von Windenergieanlagen deshalb auf der Grundlage von Plattformstrategien, Modularisierung und Standardisierung ein umfassendes, zukunftsfähiges Produktportfolio: angefangen von der Automatisierungs-, Visualisierungs- und Leittechnik über die Kommunikation, Schalttechnik und Energieverteilung bis zu Pitch- und Yaw-Antrieben sowie den Generatorsystemen zur Energieerzeugung. Hinzu kommen Sicherheitstechnik und Brandschutz. Durch das optimale Zusammenspiel aller Produkte und Systeme ist die Effizienz und Zuverlässigkeit der Windenergieanlagen gewährleistet.

Wie wichtig Siemens das fehlerfreie Zusammenspiel sämtlicher Komponenten einer Windenergieanlage nimmt, wurde auf der Branchenmesse WindEnergy Hamburg (23. bis 26. September 2014) deutlich. Denn für stetig hohe Stromerträge bei zugleich minimalen Lebenszykluskosten müssen Komponenten und Systeme perfekt aufeinander abgestimmt sein. Die technische Voraussetzung für die strukturierte Vernetzung der Komponenten in der Windturbine bis hin zu ganzen Windparks bildet die industrielle Kommunikation auf der Basis von Industrial Ethernet, wie sie Siemens mit den Netzwerkkomponenten der Reihe Scalance anbietet.

Der Nachbau einer Leitwarte veranschaulichte am WindEnergy-Messestand, wie das Zusammenspiel aller Anlagenkomponenten funktioniert. Die Leitwarte arbeitet mit dem Visualisierungssystem WinCC OA, der skalierbaren, offenen und durchgängigen SCADA Software für den optimalen Betrieb von Windturbinen und Windparks. Simulierte „Use Cases“ – in der Praxis auftretende Anwendungsfälle – können realitätsnah ausgelöst werden, die Reaktion des Systems lässt sich dann live mitverfolgen.

Sichere, effiziente Energieverteilung für Nieder- und Mittelspannung

Einen weiteren Schwerpunkt des Siemens-Messeauftritts in Hamburg bildete die Energieverteilung in Windenergieanlagen. Das heißt konkret: die sichere und effiziente Verteilung der erzeugten Energie im Hauptstromkreis und den Nebenstromkreisen bis zur sicheren Einspeisung ins Netz.

Die sichere und verlustarme Energieübertragung und -verteilung in der Anlage übernehmen Schienenverteiler-Systeme vom Typ Sivacon 8PS. Im Vergleich zu PVC isolierten Kabeln weisen die Stahlblechgehäuse der Stromschienen eine deutlich niedrigere Brandlast auf. Eine hohe Kurzschlussfestigkeit bei den Abgangskästen und eine größere thermische Belastbarkeit bei Blitzschlägen sind weitere Pluspunkte der Stromschienen.

Für die Niederspannungs-Energieverteilung stehen exakt aufeinander abgestimmte Schutz-, Schalt-, Mess- und Überwachungsgeräte aus der Sentron-Familie zur Verfügung: So sorgt der offene Leistungsschalter 3WL für einen zuverlässigen Schutz im Hauptstromkreis. Er schützt Generator und Umrichter gegen Kurzschluss und Überlast. Eingebunden in das Leitsystem der Turbine, kann der Schalter fernabgefragt oder fernbedient werden. Darüber hinaus schützen im Hauptstromkreis die Halbleiterschutzsicherungen Sitor die Leistungshalbleiter von Umrichtern vor unkontrolliertem Versagen – erhebliche Folgeschäden werden damit vermieden. Das Siemens-Schutzkonzept im Hauptstromkreis umfasst zugleich einen auf den jeweiligen Anlagentyp ausgelegten Überspannungsschutz für eine hohe Funktionssicherheit bzw. Anlagenverfügbarkeit.

Ein besonderes Highlight für die Einspeisung der Nebenstromkreise einer Windturbine wurde ebenfalls auf der Branchenmesse in Hamburg vorgestellt: Der neue Kompaktleistungsschalter 3VA schützt zuverlässig Leitungen und elektrische Verbraucher der Nebenstromkreise vor Schäden und Ausfällen durch Kurzschluss und Überlast, indem er bei Störungen den Strom sicher abschaltet. Aufgrund der optimierten Selektivitätseigenschaften des Kompaktleistungsschalters 3VA wird eine erhöhte Anlagenverfügbarkeit erreicht: Es werden nur Anlagenteile abgeschaltet, die tatsächlich von einer Störung betroffen sind.

Kompaktleistungsschalter der Baureihe 3VA2 sind mit einer elektronischen Auslöseeinheit (ETU) inklusive einer Messfunktion ausgestattet, die Strom-, Spannungs- und Energiewerte erfasst. Ebenso können Schalterzustand, Grenzwerte und Wartungsinformationen an das Leitsystem der Windturbine und das Windparkmanagement weitergeleitet werden. Eine Fernbetätigung mittels eines Motorantriebs ist ebenfalls möglich.

Als Knotenpunkt für die Mittelspannungs-Energieverteilung kann die gasisolierte Mittelspannungsschaltanlage 8DJH 36 in verschiedenen Windenergie-Anwendungen eingesetzt werden. In Onshore- und Offshore-Windparks überzeugt sie mit besonderen Vorteilen: So ist die Anlage durch Verwendung von wartungsfreien Schaltgeräten, durch Einsatz eines Anlagenbehälters als hermetisch abgeschlossenes Drucksystem sowie durch Verwendung von feststoffisolierten abgesteuerten Kabelendverschlüssen wartungsfrei auf Lebenszeit. Darüber hinaus zeichnet sich die 8DJH 36 durch ihre Kompaktheit und Flexibilität aus. Durch ihren modularen Aufbau können Funktionen sowohl innerhalb eines Schaltfeldblocks als auch in komplexeren Schaltanlagenlayouts variabel angeordnet werden.

Schalten, Schützen oder Starten von Motoren und Antrieben

Sicherheit und Effizienz sind auch bei der Ansteuerung von Motoren und Antrieben gefragt. Dies betrifft nicht nur die Motoren der Pitch- und Yaw-Systeme einer Windenergieanlage, sondern auch die zahlreichen Hilfsfunktionen wie z. B. Lüfter- oder Hydrauliksysteme. Sirius-Schaltgeräte bieten in diesem Zusammenhang vielfältige Funktionen zum Schalten, Schützen oder Starten von Motoren. Zusätzlich zeichnen sie sich durch eine hohe Kontaktzuverlässigkeit und ihre kompakte Bauweise aus. Sie überzeugen außerdem durch eine besondere Robustheit und Langlebigkeit – selbst unter extremen Umgebungsbedingungen. Produkte zum Überwachen und Steuern, Erfassen, Befehlen, Melden sowie Versorgen runden das Spektrum des Sirius Systembaukastens ab.

Nicht zuletzt bieten Sirius-Schaltgeräte Fernabfrage- oder Fernwirkmöglichkeiten über das SCADA System einer Windturbine oder eines Windparks. Und das zahlt sich aus: Entstehende Schäden können frühzeitig erkannt und durch präventive Wartungsmaßnahmen verhindert werden. Weil die Steuerung per Fernschaltung erfolgt, muss kein Wartungspersonal zur Turbine geschickt werden – gerade bei Offshore-Anlagen ein ganz erheblicher Kostenvorteil.

Sicheres Trennen vom Netz bei Wartungsarbeiten

Der neue Lasttrennschalter 3KD stellt einen zuverlässigen Personenschutz und eine hohe Anlagenverfügbarkeit sicher. Stromunfälle bei Wartungsarbeiten werden damit konsequent unterbunden, denn der Lasttrennschalter 3KD verhindert unberechtigtes Schalten durch eine Abschließvorrichtung. Darüber hinaus lässt sich dank transparenter Kontaktabdeckungen die Kontaktstellung jederzeit fehlerfrei erkennen. Der variabel einsetzbare Lasttrennschalter 3KD eröffnet vielfältige Anwendungen in der Windturbine, ob als Haupt-, NOT-AUS- oder Reparaturschalter.

Steuerungs- und Simulationssoftware für Windenergieanlagen

Eine hohe Anlagenverfügbarkeit wird durch sichere Energieverteilung in der Turbine erreicht. Um zugleich eine optimale Leistung jeder einzelnen Turbine in einem Windpark zu erzielen, bedarf es einer leistungsfähigen Simulations- und Steuerungssoftware. Arbeiten diese beiden Softwarekategorien in Windenergieanlagen ohne Probleme zusammen, ergeben sich spürbare Vorteile für Anlagenhersteller und -betreiber. Mit der Anpassung der echtzeitfähigen Soft-SPS WinAC RTX von Siemens an das bekannte Simulationsprogramm Matlab/Simulink ergänzen sich zwei weltweit führende, ausgereifte Systeme perfekt: Während die Simulationssoftware die Anlagensteuerung optimiert, meldet letztere Erkenntnisse aus dem Anlagenbetrieb zurück.

Mit Siemens-Lösungen für die gesamte Automation von Windenergieanlagen lässt sich die Anlagensteuerung individuell an den Gegebenheiten vor Ort ausrichten: Rundlauf, Blattlänge, Blattdesign, Unwuchten, Stark- und Schwachwindbedingungen, Böen und weitere Faktoren erfahren exakte Berücksichtigung, um einen bestmöglichen Anlagenbetrieb und damit maximale Stromerträge zu gewährleisten.

Je genauer die Steuerung auf die tatsächlichen Wind- und Betriebsverhältnisse eingehen kann, desto detaillierter kann wiederum die Konstruktion von Windenergieanlagen optimiert werden, um in Zukunft weitere Kostensenkungen zu erzielen: Die Rückmeldungen aus der Steuerungsebene in die Simulation bieten Konstrukteuren und Entwicklern von Windenergieanlagen den Vorteil, dass sie bestimmte – teils auch selten auftretende Ereignisse – wahrnehmen und gezielt darauf reagieren können.

Jederzeit mobil auf Anlageninformationen zugreifen

Für das Betriebsmanagement von Windenergieanlagen und Windparks hat Siemens die Software-Anwendung Multilevel Wind SCADA Center auf Basis von Simatic WinCC Open Architecture entwickelt. Das Multilevel Wind SCADA Center ist mit seiner skalierbaren, offenen und durchgängigen Softwarestruktur sowohl ein leistungsfähiges Windpark-SCADA für das optimale Bedienen und Beobachten von Windturbinen und Windparks, als auch ein vielseitiges Serviceportal für Windturbinen.

Mit der App Simatic WinCC OA OPERATOR lässt sich die Anlage sogar einfach mit dem Smartphone überwachen und steuern. Das Bedienpersonal hat damit jederzeit online auf die Anlage Zugriff. Durch die sofortige Alarmierung kann es auch augenblicklich reagieren. Das spart wertvolle Zeit und erhöht in weiterer Folge auch die Verfügbarkeit der Anlage. Die mobile Anwendung zeigt die Prozessdaten, die Anlagenverfügbarkeit sowie den Status der Anlage. Ein vollständiger Alarmschirm mit Filter- und Sortiermöglichkeiten, individuell definierbare Listen mit Werten und Befehlen und eine Karte mit definierten Anlagenstandorten und jeweils gefilterten Alarmen gewährleisten dabei den optimalen Überblick.

Stationärer Energiespeicher

Dezentrale erneuerbare Energiequellen wie Windenergieanlagen führen bekanntermaßen zu neuen Herausforderungen auf den Gebieten Netzstabilität, Integration dieser Quellen ins Netz, Regelenergiereserven, Spannungs- und Versorgungsqualität sowie Lastspitzenmanagement. Mit stationären Energiespeichern der Reihe
Siestorage bietet Siemens auch dafür Lösungen. Die stationäre und modulare Speicher-Lösung wurde in Zusammenarbeit mit einem der weltweit größten Hersteller von Lithium-Ionen-Akkumulatoren (Li-Ionen) entwickelt. Mit einem kompakten Batterie- und Umrichtermodul als kleinste Einheit kann das Siestorage-Energiespeichersystem auf Kapazitäten im Bereich von zwei Megawattstunden (MWh) und Leistungen von acht Megawatt (MW) ausgebaut werden.

Fazit

Alle Produkt- und Systemangebote, die Siemens für Windenergieanlagen bietet, spielen perfekt zusammen und gewährleisten damit ein Höchstmaß an Anlagentransparenz und -verfügbarkeit. Sie kommunizieren nahtlos über alle Ebenen – vom kleinsten Schalter bis zur übergeordneten Leitwarte. Alle Anlagenteile lassen sich somit lückenlos überwachen und optimal steuern. Auch in Extremsituationen kann schnell und effektiv reagiert werden, um Schäden von der Anlage abzuwenden. Hersteller und Betreiber von Windenergieanlagen profitieren deshalb von maximaler Verfügbarkeit und Effizienz, niedrigen Produktions- und Wartungskosten, einer Zeitersparnis bei Engineering und Inbetriebnahme sowie einer verkürzten Markteintrittszeit für neue Windturbinen.