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Windenergieanlagen im Smart Grid: Die Automatisierung wächst mit

Der Anteil der Windenergie am Energiemix nimmt stetig zu. Entspre­chend schreitet die Entwicklung von Windenergieanlagen (WEA) voran, um bessere Erträge zu ermöglichen. Auch Automatisie­rungs­technik­anbieter sind bei Weiterentwicklungen gefragt. Dabei müssen sie teilweise über den Tellerrand hinausblicken.

Windenergie wird langfristig in immer mehr Ländern zu einem zentralen Element der Energieversorgung. Der Global Wind Energy Council geht in einem Szenario seines „Global Wind Energy Outlook 2012“ davon aus, dass im Jahr 2030 rund 20 % des globalen Stromverbrauchs durch Windenergie gedeckt werden können. 2011 lag dieser noch bei ca. 3,5 %.
In Deutschland hatte die Windenergie im letzten Jahr den größten Anteil des aus erneuerbaren Energien erzeugten Bruttostroms, nämlich 7,3 %. (Photovoltaik: 4,6 %, Wasserkraft: 3,3 % und Biomasse: 6,6 %, Quelle: BDEW, Stand 12/2012).
Diese Zahlen belegen, dass die Windenergiebranche derzeit zwar eine „Verschnaufpause“ eingelegt hat, mittel- bis langfristig aber wieder an Fahrt aufnehmen wird. Hersteller und Zulieferer nutzen die Zeit, sich neuen ­Herausforderungen anzunehmen.

Aktuelle Herausforderungen
Der Trend bei WEA ging in den letzten Jahren in Richtung immer größerer und leistungsfähigerer Anlagen, die zunehmend im Offshore-Bereich installiert werden. Pa­rallel ist der Anspruch nach deren Sicherheit, Langlebigkeit und Hochverfügbarkeit gestiegen. Weitere Betreiberwünsche gehen in Richtung schneller Inbetriebnahme, ein­facher Wartbarkeit und ortsunabhängiger Zugriffsmöglichkeit. Zudem sollen die dezentralen Energieerzeuger ihren Strom stabil und Grid-Code-konform in das Netz einspeisen. Kommt es zu kritischen Fehlersituationen müssen diese schnellstmöglich erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dazu ist ein entsprechendes Vernetzungskonzept erforderlich.
„Mit den gestiegenen Anforderungen von Betreiber­seite haben sich auch die Anforderungen an die Automatisierungstechnik, die innerhalb einer Anlage zum Einsatz kommt, massiv verändert“, sagt Gabriel Schwanzer, Direc­tor Business Unit Wind bei Bachmann Electronic. „Parallel mussten auch wir als auf den Windbereich spezialisierte Automatisierungstechnikanbieter unser Know-how um neue Themenfelder, wie die Netz­einspeisung und die Energieparkvernetzung, ausweiten“, ergänzt er.
Bachmann bietet seit mehr als 40 Jahren Automatisierungstechnik an und ist seit 15 Jahren erfolgreich in der Automatisierung von Windenergieanlagen tätig. „Bis heute haben wir weltweit mehr als 60 000 Anlagen mit unserer Technik ausgestattet und sind damit weltweit führend in der Automation im Windbereich“, so G. Schwanzer. Dabei werden Windenergieanlagen von 700 kW bis 7 MW Leistung mit einem PC-basierten, modularen M1-Automatisierungssystem ­gesteuert.
Um auch zukünftig eine weltweite Spitzenposition in diesem Segment zu belegen, haben die Spezialisten ihr Portfolio in den letzten Jahren sukzessive ausgebaut. Dazu wurden auch Zukäufe und Mehrheitsbeteiligungen getätigt. „Dadurch haben wir unser Angebot um die wichtigen Themengebiete Condition Monitoring und webbasierte Visualisierung bzw. Scada ergänzt“, informiert der Branchenleiter. Zudem wurden aus eigener Kraft Lösungen für eine stabile und normkonforme Netzeinspeisung sowie eine Kommunikationslösung für die Parkvernetzung entwickelt.

Normkonforme und stabile Stromerzeugung
Die Netzverträglichkeit von WEA war schon immer ein großes Thema, das aber in den letzten Jahren um viele neue Lösungsansätze ergänzt wurde. „Dezentrale Stromerzeuger, wie Windenergieanlagen, müssen stabil und den Grid-Codes entsprechend betrieben werden“, stellt G. Schwanzer grundlegend heraus. Dazu gilt es, alle relevanten Daten in einem Dreiphasen-Drehstromnetz präzise erfassen und kritische Netzzustände zuverlässig erkennen zu können. Mit dem GMP232 (Grid Measurement and Protection Module) steht ein Netzmessungs-, Netzüberwachungs- und Netzschutzmodul zur Verfügung, mit dem die notwendigen Schutz- und Überwachungsfunk­tionen in die ,klassischen‘ Steuerungsaufgaben integriert werden. „Durch die Positionierung des GMP232-Moduls direkt am Netzeinspeisepunkt eines Windparks können kritische Fehler­situationen frühestmöglich erkannt werden. Der mit dem Modul verbundene Park-Controller kann dann die entsprechenden Sollwertvorgaben direkt an die einzelnen Energie-Erzeugungseinheiten weiterleiten. Dadurch ist gewährleistet, dass an den jeweiligen Generatortyp angepasste Wirk- und Blindleistungsvorgaben schnellstmöglich übertragen und die entsprechenden Gegenmaßnahmen zeitnah eingeleitet werden“, sagt G. Schwanzer.

Das richtige Vernetzungskonzept
Für schnelle Reaktionszeiten innerhalb eines Windparks hat Bachmann Bluecom entwickelt. Dabei handelt es sich um eine speziell für intelligente Energienetze ausgelegte Kommunikationslösung, die auf Standard-Ethernet-Technologie basiert. „Grundlage für die Systemspezifikation von ,bluecom‘ bildeten die für das Kommunikationsnetz relevanten Prozesse beim Aufbau, der dynamischen Erweiterung und dem sicheren und effizienten Betrieb von dezentralen Energieerzeugern“, erklärt G. Schwanzer. Mit dem Protokoll erfülle man zudem die Anforderung nach reibungsloser Koexistenz der Echtzeitkommunikation im Energiepark parallel zu Ethernet-basierten Protokollen und darauf aufbauenden Diensten und Applika­tionen (zum Beispiel FTP, MMS oder OPC). „Dadurch ist auch der Einsatz von Netzwerk-Switchen erlaubt, was die Einteilung großer Netze in Subnetze ermöglicht. Diese Möglichkeit nutzt ,bluecom‘ zur Optimierung der Datenübertragung durch die automatische Aggregation der Daten­pakete“, so G. Schwanzer.
Die gesammelten Daten der WEA werden in dem auf dem M1-Automatisierungssystem implementierten MMS-­Server zusammengefasst. Er vereinfacht die standardkonforme Kommunikation nach den Normenreihen DIN EN 61850 und DIN EN 61400-25. Zudem können über OPC-UA/DA das Bachmann -Scada-System „atvise“ oder externe Scada-Systeme integriert werden. Ferner sind alle Möglichkeiten zur Vernetzung über industrielle Feldbusse gegeben.

Alles aus einer Hand
Die Bachmann -Strategie im Windbereich lautet, alles aus einer Hand anbieten zu können. Neu hinzukommende Funktionen werden in der Regel mit entsprechenden Hardwaremodulen realisiert, die in das M1-Automatisierungssystem integriert werden. Die gesamte Hardware ist entsprechend der Cold-Climate-­Bedingungen ausgelegt und in einem Temperaturbereich von –40 °C bis 70 °C einsetzbar. Sicherheits-Baugruppen decken beispielsweise die Anforderungen nach funktionaler Sicherheit ab. Ebenfalls steuerungsintegriert wird das Thema Condition ­Monitoring bedient. Bereits im vergangenen Jahr hat der Germanische Lloyd (GL) das System Ω-Guard weltweit erste steuerungsintegrierte Lösung zertifiziert. „Erstmalig kann mit der von uns realisierten Lösung die komplette Aufzeichnung, Analyse und Bewertung parallel zum Steuerungsprogramm mit dem integrierten AIC212-Modul ausgeführt werden“, erklärt G. Schwanzer und weist ferner darauf hin, dass – ohne die Verwendung von doppelter Sensorik – zusätzliche Funktionen zur Überwachung von Struktur und Rotorblatt in das CMS bzw. die Steuerung integriert werden können.
Eine weitere Lösung, mit der die Effizienz der Anlage und ihre Lebensdauer erhöht werden können, wird mit dem Structural Vibration Monitor SVM300-Modul angeboten. Es dient der sicheren Erkennung von Turmschwingungen. Mit ihm lassen sich Belastungen am mechanischen Aufbau einer Anlage messen und aufzeichnen.
„Um die Anlagendaten überall und jederzeit einsehen zu können, bieten wir mit ,atvise‘ eine Scada-Lösung in ,reinster‘ Webtechnik. Damit können Informationen zum Betriebszustand einer Anlage von allen Endgeräten und Browsern abgerufen werden. Funktionen für Alarm-, Event-, Fehlerhandling und Historisierung der Daten stehen ebenso wie grafische Anlagenkomponenten zur Verfügung“, so der Director Business Unit Wind.
Für eine schnelle Konfiguration und Inbetriebnahme sorgt das Solution Center. Mit dieser Software-Komplettlösung werden alle Aspekte des Engineeringprozesses abgedeckt: Projektierung, Programmierung, Parametrierung, Visualisierung, Kommunikation, Regeln, Bewegung, Sicherheit sowie Test und Inbetriebnahme. Zusätzlich bietet die neue Version von M-Target for Simulink dem Anwender des Simulationswerkzeugs Matlab/Simulink viele hilfreiche Funktionalitäten für ein leichteres und schnelleres Engineering. Offline-Simulationsmöglich­keiten der M1-Steuerung sowie Online-Monitoring und -Debugging im Simulink-Tool machen das Engineering noch effizienter.

Fazit
Mit seinem heutigen Angebotsspektrum im Windbereich sieht sich Bachmann gut für den Markt gerüstet. „Windenergieanlagen, die zuverlässig mit unseren Lösungen gesteuert werden, erzeugen derzeit insgesamt mehr als 90 000 MW Leistung. Über 50 Millionen Haushalte auf der Welt beziehen ihren Strom daraus“, bilanziert G. Schwanzer und rechnet um: „Im Vergleich zur Stromerzeugung aus Kohlekraftwerken bleiben unserer Atmosphäre so Jahr für Jahr mehr als 150 Mio. t CO~2~ erspart. Oder anders ausgedrückt: Die mit Bachmann -Lösungen installierten WEA ersetzen bereits heute die Leistung von 20 Atomreaktoren. Und weitere Projekte befinden sich derzeit in der Umsetzung …“ (ih)

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