Sicher durch jeden Wind

Windparkbetreiber setzen verstärkt auf Condition-Monitoring-Konzepte für ihre Anlagen. Treiber sind die hohen Kosten bei einem Ausfall, der Mangel an qualifiziertem Fachpersonal für Reparaturen sowie der Wunsch nach mehr Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung. Im Fokus stehen dabei typischerweise die Rotorblätter, die Generatoren und die Getriebe. Das Azimut-System wird zwar ebenfalls als kritische Komponente eingestuft, jedoch häufig aus Condition-Monitoring-Strategien ausgeklammert, weil Störungen im Vergleich seltener auftreten.

Das kann schwerwiegende Folgen haben. Kommt es in diesem Bereich dennoch zu einem Schadensfall, entstehen oft besonders hohe Kosten – verbunden mit langen Stillstandzeiten und aufwendigen Reparaturen, vor allem bei Offshore-Anlagen. „Angesichts der steigenden Verfügbarkeitsanforderungen und der wirtschaftlichen Risiken ungeplanter Ausfälle wird die Überwachung des Azimut-Systems zu einem Schlüsselfaktor für verlässlichen Windparkbetrieb“, betont Daniel Steinhoff, Key Account Manager bei der Nabtesco Precision Europe, und ergänzt: „Unser Condition-Monitoring-System mit Fail-Safe-Funktion (CMFS) bietet das entscheidende Plus an Sicherheit.“

Das Azimut-System: Der Schlüssel zu langfristiger Sicherheit

Das Azimut-System übernimmt die horizontale Windrichtungsnachführung und stellt sicher, dass die Gondel jederzeit optimal im Wind steht – eine zentrale Voraussetzung für maximale Energieausbeute. Prozess- und applikationsbedingt kommt es in der Regel zu einer ungleichmäßigen Lastverteilung zwischen den einzelnen Azimut-Antrieben. Dadurch ist vorzeitiger Verschleiß vorprogrammiert und das Ausfallrisiko steigt.

Muss das Azimut-System ausgetauscht werden, muss geschultes Fachpersonal die komplizierten und kostenintensiven Reparaturen durchführen. Bei Offshore-Anlagen, die deutlich schwerer zugänglich sind, kommen häufig Spezialschiffe oder sogar Hubschrauber zum Einsatz – mit entsprechend hohen Kosten. Diese Risiken lassen sich deutlich reduzieren, wenn die Lasten gleichmäßig auf alle Antriebseinheiten des Azimut-Systems verteilt werden. Das schafft die Basis für einen sicheren, langlebigen und wirtschaftlichen Betrieb der Windkraftanlage.

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Philip Bittermann

Herkömmliche Conditon-Monitoring-Systeme für das Azimut-System arbeiten meist mit virtueller Sensorik. Dabei werden über die Drehmomentmessung am Motor Rückschlüsse auf die Belastung des gesamten Antriebsstrangs gezogen. Das funktioniert jedoch nur, solange sich der Motor dreht – also nicht in den Phasen, in denen die Gondel im Wind steht und das System hält. „Über einen Großteil der Betriebszeit werden die Belastungen also gar nicht erfasst“, so Daniel Steinhoff und macht deutlich: „Belastungen im Stillstand können jedoch ebenso hoch sein wie während der Verstellung, denn auch dann wirken Winddruck und Turbulenzen in erheblichem Maß auf die Verzahnung des Azimut-Zahnkranzes.“ Neben dem indirekten Ansatz gibt es Systeme, die reale Sensoren nutzen, um das Drehmoment zwischen Motor und Getriebe zu messen – doch auch sie erfassen lediglich die Beanspruchungen während der Verstellbewegung, nicht die oft kritischen Lasten im Stillstand.

Permanente, lückenlose Zustandsüberwachung

Mit dem Condition-Monitoring-System mit Fail-Safe-Funktion (CMFS) von Nabtesco steht eine Lösung zur Verfügung, die die Grenzen herkömmlicher Ansätze deutlich erweitert. Sie ermöglicht eine permanente, lückenlose Zustandsüberwachung des Azimut-Systems von Windkraftanlagen – sowohl während des Betriebs als auch in den Phasen, in denen die Azimut-Antriebe nicht aktiv bewegt werden. Das System überwacht die einzelnen Antriebseinheiten, erkennt Überlastsituationen und stellt automatisiert eine gleichmäßige Lastverteilung sicher. Darüber hinaus erlaubt es die Identifikation der am stärksten belasteten Zähne sowie die Berechnung der Lebensdauer der Zahnräder – und damit eine zuverlässige Prognose geeigneter Wartungszeitpunkte und notwendiger Austauschmaßnahmen.

Das CMFS besteht aus vier Komponenten – Schrauben-Dehnungssensor, Signalwandler, Steuergerät sowie Stromversorgungseinheit – und ist innerhalb kurzer Zeit eingebaut. Der hochpräzise Dehnungssensor misst die externen Kräfte. Diese werden durch das Steuergerät verarbeitet und analysiert. Übersteigen die Werte kritische Parameter, sorgt das Steuergerät selbsttätig durch kurzzeitiges Lösen der elektromagnetischen Bremse an der betroffenen Antriebseinheit für eine Reduzierung der Belastung. Alle Daten werden regelmäßig in die Cloud gesendet, sodass der Anwender jederzeit via PC, Handy oder Tablet Echtzeit-Informationen über die Belastungszustände erhält. Eine nachträgliche Installation in bestehende Windräder ist durch den einfachen Austausch der Befestigungsschrauben durch die Dehnungssensor-Schrauben einfach möglich. Steuergerät und Stromversorgungseinheit werden pro Anlage nur einmal benötigt.

84 % weniger Überlastsituationen

Zwei Referenzprojekte zeigen eindrucksvoll das Potenzial des Condition-Monitoring-Systems mit Fail-Safe-Funktion (CMFS). „Beide Windparkbetreiber betreiben ihre Anlagen an Standorten mit sehr anspruchsvollen Windbedingungen. Mithilfe unseres CMFS konnten wir eindeutig identifizieren, welche Zähne der jeweiligen Zahnkränze am stärksten belastet sind. Diese Bereiche waren in der Vergangenheit überdurchschnittlich häufig von Reparaturen betroffen und werden durch das installierte CMFS nun gezielt entlastet“, erzählt Daniel Steinhoff und ergänzt: „Bei einem der Kunden haben wir das CMFS zunächst ohne aktive Bremsenregelung betrieben, also ausschließlich zur Zustandsüberwachung. Anschließend wurde die Fail-Safe-Funktion zugeschaltet. In der Auswertung konnten wir die Anzahl der Überlastsituationen nachweislich um 84 % reduzieren. Das wirkt sich direkt positiv auf die Lebensdauer der mechanischen Komponenten im Antriebsstrang aus – insbesondere auf den Zahnkranz auf dem Schwerlastring, dessen Austausch im Schadensfall mit sehr hohen Kosten verbunden ist.“

Im Zuge der Energiewende übernehmen Windparks immer mehr Systemverantwortung für eine stabile, zuverlässige Stromversorgung. Das setzt voraus, dass alle kritischen Komponenten – einschließlich des Azimut-Systems – dauerhaft verfügbar bleiben. Die gezielte Überwachung der Belastungen im Azimut-System ermöglicht es, Überlastspitzen zu reduzieren, die Beanspruchung der Verzahnung gezielt zu steuern und damit Lebensdauer, Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Windenergieanlagen deutlich zu verbessern.

„Unser CMFS verlängert die Lebensdauer der Windräder, verhindert Ausfälle bei der Stromerzeugung und sorgt für eine signifikante Reduzierung der Reparatur-, Wartungs- und Betriebskosten“, bringt Daniel Steinhoff die Vorteile auf den Punkt. Nabtesco arbeitet bereits eng mit großen Windkraftanlagenherstellern, Service-Dienstleistern und Windparkbetreibern zusammen, um das CMFS als festen Bestandteil moderner Betriebs- und Instandhaltungsstrategien zu etablieren. „Als Partner der Branche möchten wir gemeinsam mit unseren Kunden dazu beitragen, die Energieerträge ihrer Windparks nachhaltig zu steigern“, so Daniel Steinhoff.