Telemedizin für Windräder

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Condition-Monitoring-Systeme diagnostizieren Schäden an Windkraftanlagen frühzeitig. In Zukunft sollen sie auch dabei helfen, die Anlagen zu optimieren und die Ausbeute zu erhöhen.

Eigentlich sollte der Videomonitor drehende Windräder des Offshore-Windparks Alpha Ventus zeigen. Heute jedoch ist nur ein gleichmäßiges Grau zu sehen, das gut zu den schmucklosen Wänden der Alpha-Ventus-Leitzentrale in der ostfriesischen Stadt Norden passt. Hier, in einem schlichten Klinkerbau, dessen einzige architektonische Extravaganz ein asymmetrisches Pultdach ist, liegt das Nervenzentrum des ersten deutschen Windparks auf hoher See, etwa 40 Kilometer nordwestlich von Borkum.

Auch wenn, wie im Moment, dichter Nebel über der Deutschen Bucht liegt, können sich die Betriebsleiter von der Leitzentrale aus ein detailliertes Bild vom Befinden jeder einzelnen der zwölf Windkraftanlagen machen. Insgesamt 13 Monitore informieren mit Grafiken und Zahlenkolonnen unter anderem über Windgeschwindigkeit, Leistungsabgabe, Drehzahl, Öltemperatur und Ausrichtung der Gondeln. Radarschirme melden Schiffe in der Nähe des Parks, ferngesteuerte Kameras verfolgen bei Bedarf die Einsätze von Monteuren. "Wir übernehmen hier einen ganz wesentlichen Teil der Anlagenüberwachung", sagt Claus Burkhardt, beim Energieerzeuger EWE verantwortlich für den Betrieb des Parks.

Doch die Überwachungsmöglichkeiten beschränken sich bei Alpha Ventus nicht auf das Hier und Jetzt wie bei einem Autofahrer, der Drehzahl und Motortemperatur am Armaturenbrett angezeigt bekommt. Die Mannschaft von Alpha Ventus kann darüber hinaus dank eines sogenannten Condition-Monitoring-Systems (CMS) schon lange im Voraus wissen, wann etwa welches Lager verschlissen sein wird, oder wie lange die Zahnräder in welchem Getriebe noch halten werden. Dies ist entscheidend für die Wirtschaftlichkeit der Anlage – Teile können schon getauscht werden, wenn sich Schäden anbahnen, und nicht erst, wenn der Defekt da ist. So vermeidet man teure Betriebsausfälle und aufwendige Hauruck-Reparaturaktionen.

Entstanden ist das Condition Monitoring von Windrädern vor rund zehn Jahren auf Initiative der Versicherungen. Thomas Gellermann vom Allianz Zentrum für Technik spricht von einer "nicht tragbaren Schadenssituation", mit der die Versicherer damals zu kämpfen hatten. Die sich häufenden Schäden im Antriebsstrang türmten sich seinerzeit zu horrenden Summen auf. Versicherer führten in ihren Verträgen daraufhin die sogenannte Revisionsklausel ein, die den Lageraustausch und die Instandsetzung der Verzahnungen in festen Intervallen vorschreibt. 2003 veröffentlichte das Allianz Zentrum für Technik dann gemeinsam mit dem Germanischen Lloyd Richtlinien, nach denen sie Condition-Monitoring-Systeme für Windkraftanlagen zertifizieren. Seitdem lassen Versicherungen auch die zustandsorientierte Instandhaltung mittels eines zertifizierten CMS gelten. Seitdem gilt diese Form der Ferndiagnose als Nonplusultra für die permanente Zustandskontrolle von Windkraftanlagen, stehen sie nun auf hoher See oder in der arabischen Wüste.

Die Sinnesorgane solcher Systeme sind unter anderem Dehnungsmessstreifen sowie Beschleunigungs- und Körperschallsensoren. Letztere erfassen Erschütterungen ab wenigen Milli-g – ein paar Tausendstel der Erdanziehung. So lassen sich frühzeitig beschädigte Zahnräder erkennen, die sich durch einen unruhigen Lauf verraten. Oder beginnende Unwuchten im Rotor und in der Antriebswelle, die später zu ausgeschlagenen Lagern führen können. Schwingungen von Fundament, Turm oder Nebenaggregaten wie Ölpumpen oder Lüftern werden ebenfalls von den Sensoren identifiziert. Ergänzt werden diese Daten durch einen sogenannten Partikelzähler – ein Sensor, der den Materialabrieb misst, indem er ein Magnetfeld aufbaut, das durch metallische Teilchen im Schmieröl verändert wird. Schwimmt viel Metall im Öl, deutet das auf einen fortgeschrittenen Verschleiß hin.

Per Telefon-, Internet- oder Satellitenverbindung – je nachdem, was am jeweiligen Standort zur Verfügung steht – werden die Rohdaten an die Leitwarten übertragen. Was dort ankommt, ist zunächst wenig aussagekräftig. Die Sensoren liefern bestenfalls Trendverläufe – zackige Linien, die mal mehr, mal weniger stark ausschlagen. Bei bewegten Teilen wie Wellen und Zahnrädern erscheinen Frequenzspektren. Doch wie lassen sich konkrete Handlungsanweisungen aus dieser Datenflut herauslesen? "Manche Werte können wir noch nicht so gut interpretieren", sagt Claus Burkhardt. Das Auswerten überlässt er deshalb Spezialisten wie Holger Fritsch. In dessen Unternehmen "µ-Sen" im thüringischen Rudolstadt fühlen zwölf Mitarbeiter 1300 Windrädern den Puls, die von der Nordseeküste bis Dubai über die ganze Welt verstreut sind – darunter auch sechs Alpha-Ventus-Turbinen vom Typ Areva Multibrid.

"Die Auswertung ist ingenieurstechnisch anspruchsvoll", sagt Fritsch. "Das braucht erfahrene Leute." Um die Signale einer kränkelnden Windkraftanlage deuten zu können, müssen die Ingenieure ihre Lebensäußerungen im gesunden Zustand genau kennen. Jedes einzelne Bauteil hat durch seine sogenannten kinematischen Daten, die sein Verhalten in Bewegung beschreiben, einen eigenen Fingerabdruck. Teilweise liefern die Hersteller der Komponenten diesen Datensatz bereits mit. Meist muss er aber erst erfasst werden. Daher zeichnen die Spezialisten die Schwingungen jeder neu aufgestellten Anlage individuell auf und definieren Grenz- werte. Verlässt ein Wert diesen Grenzbereich, schlägt das CMS Alarm. "Schäden kündigen sich meistens in Form einer ansteigenden Kurve an", erklärt Fritsch.