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Zustandsüberwachung von Windkraftanlagen mit kostengünstigen Sensoren

Ein neues Kontrollsystem verwendet kostengünstige Sensoren, um die Struktur und die Leistung von Windkraftanlagen effizient zu überprüfen und zu überwachen. Dies könnte für eine längere Lebensdauer dieser wichtigen erneuerbaren Energiequelle sorgen.

Klimawandel und Umwelt

Im Rahmen ihrer umfassenden Bemühungen zur Reduzierung der CO2-Emissionen und zur Eindämmung des Klimawandels sucht die EU nach Alternativen zur Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen. Erneuerbare Energie, insbesondere Windenergie, ist eines der nachhaltigsten Mittel der Wahl. Die Windenergieerzeugung macht fast die Hälfte der weltweiten Erzeugungskapazität erneuerbarer Energiequellen aus. Sie ist sowohl sauber als auch nachhaltig. Nachteile von Windkraftanlagen sind allerdings ihre relativ kurze Lebensdauer und ihre hohen Betriebs- und Wartungskosten. „Da eine Reihe von Windkraftanlagen das Ende ihrer Auslegungslebensdauer erreichen, sehen Interessengruppen und politische Entscheidungstragende den Bedarf an zuverlässigen Methoden zur Lebenszyklusanalyse“, erklärt Eleni Chatzi, Professorin für Strukturmechanik und Monitoring an der ETH Zürich. „Da vorhandene Instrumente leider noch nicht mit der Ausgereiftheit der Windkrafttechnologie Schritt gehalten haben, bleiben Sichtkontrollen und Offline-Auswertungen die Norm.“ Hier kommt das vom Europäischen Forschungsrat unterstützte Projekt WINDMIL (Smart Monitoring, Inspection and Life-Cycle Assessment of Wind Turbines) ins Spiel. Unter der Leitung von Chatzi entwickelt das Projekt eine effizientere und kosteneffektivere Methode zur Überwachung von Windkraftanlagen. Das Ergebnis ist die WINDMIL Suite: eine Methode zur Langzeitüberwachung, die kostengünstige Sensoren verwendet und über den gesamten Nutzungszyklus hinweg in Echtzeit eine Rückmeldung über den Zustand der Struktur gibt.

Fehlerdiagnose bei Windkraftanlagen

Laut Chatzi verfügen die meisten heutigen Windkraftanlagen über sogenannte SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition). „Während diese Systeme eine Reihe von Größen überwachen, einschließlich der Umdrehungen pro Minute, der erzeugten Leistung und der Windeigenschaften, liefern sie keine wichtigen strukturellen Informationen, z. B. zu Schäden, Materialermüdung und Verschleiß“, erläutert sie. Um diese Lücke zu schließen, hat das WINDMIL-Projekt strukturelle Informationen in die Bewertungsschleife für Windkraftanlagen aufgenommen. „Durch Messung der Strukturantwort und der Gesamtleistung der Turbine können wir ihren Zustand diagnostizieren“, beschreibt Chatzi. „Dies ermöglicht es uns, den Betrieb und die Wartung optimal zu planen und infolgedessen möglicherweise die Lebensdauer vorherzusagen, wenn nicht sogar zu verlängern.“ Das WINDMIL-Diagnose- und Vorhersagemodul wurde mithilfe verschiedener Datensätze validiert. Dazu gehörten Datensätze, die über große numerische Simulationen erstellt wurden, Labordaten aus einem kleinen Windkraftanlagenmodell, SCADA-Daten aus Windparks in ganz Europa und Strukturdaten aus der Zustandsüberwachung mit Sensoren, die an Windkraftanlagen installiert sind.

Neue Daten, neue Ergebnisse und neue Möglichkeiten in Sicht

Aufgrund einer kürzlich erfolgten Anschaffung besitzt Chatzis Labor nun eine kleine Windkraftanlage, die als Versuchsanlage dient. „Mit direkten Messungen der Antwort von Bauteilen wie Rotorblättern, Turm und Fundament zeigen wir das Potenzial von WINDMIL, die Instandhaltungs- und Wartungskosten zu senken und Schäden zu vermeiden“, erklärt Chatzi. Das Projekt ist noch nicht abgeschlossen und liefert weiterhin neue Daten und Ergebnisse. Zudem hat es mehrere Folge- und Kooperationsprojekte angeregt. So arbeitet die ETH Zürich derzeit mit der Fachhochschule Ostschweiz zusammen, um ein erstes mikroelektromechanisches, systembasiertes Oberflächendruck- und intelligentes akustisches Messsystem zur Überwachung der Rotorblätter zu entwickeln. „WINDMIL hat eine florierende Forschungsrichtung mit zahlreichen Möglichkeiten geschaffen, um unsere Ergebnisse in die Praxis umzusetzen“, schließt Chatzi.

Schlüsselbegriffe

WINDMIL, Windkraftanlagen, erneuerbare Energie, Klimawandel, Windenergie

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3 Februar 2021