bachmann: Lebensdauermanagement von Windkraftanlagen

Für die Konstruktion von Windenergieanlagen (WEA) der ersten Generationen wurden einfache Bemessungsverfahren mit entsprechenden Materialreserven eingesetzt. Allerdings erfordert die rasante Entwicklung neuer Anlagen der Multi-Megawattklasse genauere Bemessungsverfahren, um den erforderlichen Materialeinsatz und die Dimensionierung der WEA in Verbindung mit den dafür entstehenden Kosten in noch handhabbaren Größenordnungen zu halten. Auf der anderen Seite hätte eine Unterdimensionierung insbesondere im Offshore-Bereich das Potential für enorme negative Konsequenzen.

Eine weitere wichtige Motivation der Entwicklung von Turmschwingungsmodulen, die für unterschiedliche messtechnische Aufgaben zu konfigurieren sind, ist der mögliche Weiterbetrieb von Anlagen über die jetzige Auslegungsgrenze von 20 Jahren hinaus.

Motivation der Entwicklung

Repowering ist nicht für jede Anlage und jeden Standort ein lukratives Geschäft. Insbesondere kann es gerade unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sehr gewinnbringend sein, Anlagen mehr als 20 Jahre zu betreiben. Dafür ist beispielsweise die Bestimmung der Restlebensdauer von Stahlrohrtürmen notwendig. Eine messtechnische Möglichkeit zu deren Bestimmung bietet hier die Aufzeichnung richtungsabhängiger Beschleunigungen und deren geeignete Rainflow–Klassierung [1, 2, 3, 4, 5].

Dazu müssen allerdings auch alle ‚Lebensphasen‘ des Turmes berücksichtigt werden, weil z.B. Stahlrohrtürme bei ihrer Errichtung und noch ohne Maschinenhaus besonders großen Belastungen ausgesetzt sein können. Damit können sie zudem in relativ kurzen Zeiträumen überproportional viel ihres Lebensdauervorrates verbrauchen. Es ist dabei durchaus realistisch von Zeiträumen auszugehen, die mehrere Monate betragen.

Anforderungen und technische Umsetzung

Die angenommene Dauer der spannungsfreien Zeit hat zur Folge, dass ein Turmschwingungsmodul für die Bestimmung der Restlebensdauer einige besondere Anforderungen erfüllen muss:

• Datenaufzeichnung und Speicherung mit autarker Energie- versorgung (mit geeigneten Akkumulatoren/ Funktionalität eines Datenloggers)
• Entwicklung als Low Power Device, um eine spannungsfreie Zeit von min. 80 Tagen zu überbrücken.

Insgesamt lassen sich drei Phasen der Lebensdauer eines Stahlrohrturms unterscheiden:

1. Errichtung und Montage (spannungsfreie Zeit)
2. Inbetriebnahme (Montage des Maschinenhauses, Spannungs- und Netzwerkanschluss)
3. Betriebsphase (Datenaufzeichnung erfolgt kontinuierlich)

In der ersten Phase zur Errichtung und Montage des Turms wird das Turmschwingungsmodul vor Ort eingebaut und definiert manuell aktiviert. Das manuelle Auslesen ist in dieser Zeit über eine Ethernet-Schnittstelle möglich. Mit der Inbetriebnahme (2. Phase) werden die Spannungsversorgung und die Netzwerkverbindung hergestellt. Das Auslesen der Daten aus dem Sensormodul erfolgt, ohne die laufende Aufzeichnung zu beeinträchtigen. In der dritten Phase, der Betriebsphase, erfolgt eine kontinuierliche Datenaufzeichnung. Spannausfälle in dieser Zeit durch nicht vorhersehbare Ereignisse (Netzeinbrüche, Blackouts) können mehrere Tage überbrückt werden, ohne die weitere kontinuierliche Datenaufzeichnung und Datenspeicherung zu gefährden.

Im Folgenden werden die wichtigsten technische Daten des Turmschwingungsmoduls SVM300 angeführt:

• Integrierter 3 Achsen MEMS
• kleinster noch zu detektierender Wert > 2mg
• Auflösung ≥ 0,25mg /@ max. +/- 2g
• 25 Hz Abtastung
• 2GB interner Speicher (Ringspeicher)
• 10/100 MBit/s Ethernet
• temperaturkompensierte RTC
• Versorgung typisch 12V (7V ... 34V)
• 2 LED‘s (Power, Run, Memory)
• IP67 Gehäuse mit Montageflansch
• Ethernet

Ausblick

Das Turmschwingungsmodul zur Restlebensdauerbestimmung von Stahlrohrtürmen wird in diesem Jahr in die ersten Türme schon während ihrer Errichtung im oberen Turmsegment appliziert. Zukünftig ergibt sich durch die Integration solcher Messmodule die Möglichkeit von der reinen Bestimmung der Restlebensdauer zum Lebensdauermanagement zu gelangen. Hierzu ist allerdings ein ganzheitliches Konzept notwendig. Die Voraussetzungen sind insbesondere bei WEA-Steuerungen gegeben, die über ein tatsächliches (zertifiziertes) integriertes Condition Monitoring verfügen, weil es damit zukünftig möglich sein wird, nicht nur aufzuzeichnen und auszuwerten, sondern auch steuernd einzugreifen, um beispielsweise den längeren Aufenthalt in Strukturresonanzbereichen gezielt zu verhindern und damit den Lebensdauervorrat schneller als notwendig zu verringern. Zusätzlich wird damit auch der Betrieb von konstruktiv optimierten WEA der Multi-Megawatt-klasse sicherer.

Im Offshore-Bereich lassen sich u.a. damit die Projektkosten für die notwendigen wiederkehrenden Prüfungen deutlich reduzieren, ohne dabei an der Sicherheit der Anlagen Abstriche machen zu müssen.

Referenzen

[1] Matsuishi, M., Endo, T.: Fatigue of metals subjected to varying stress. Jap Soc Mech Engin, Fukuoka, Japan (1968)

[2] Dowling, M.E.: Fatigue failure predictions for complicated stress-strain-histories. J. of Mats. 7 (JMLSA). 7, 71–87 (1972)

[3] Krüger, W., Petersen, J.: Rekonstruktion von stochastischen Beanspruchungszeitverläufen aus extrapolierten Rainflow-Matrizen. VDI-Bericht 552: 319 ff., 9. GESA-Symposium, Berlin (1985)

[4] Krüger, W., Scheutzow, M., Beste, A., Petersen, J.: Markov- und Rainflow-Rekonstruktionenstochastischer Beanspruchungszeitfunktionen. VDI Fortschrittsberichte Reihe 18 Nr. 22,. VDI, Düsseldorf (1985)

[5] Schijve, J.: Fatigue of Structures and Materials. Springer (2009)

Das Windmesse Technik-Symposium 2013 findet am 16. Mai 2013 im Hotel Hafen Hamburg statt: Zum Programm.