Structural Health Monitoring für Windenergieanlagen – Zustandsüberwachung von Fundament, Turm und Rotorblatt

zur Schadensfrüherkennung, Lebensdauerprognose und Optimierung des Windparkbetriebs

Standortunabhängig wird eine nachhaltige Senkung der Betriebskosten bei gleichzeitiger Steigerung der Erträge immer wichtiger. Es gilt also mehr denn je, Strukturschäden frühzeitig zu erkennen, um gravierendere Schäden zu vermeiden. Structural Health Monitoring (SHM) an Fundament, Turm und Rotorblatt und das klassische Condition Monitoring (CMS) am Triebstrang gewinnen in diesem Zusammenhang immer mehr an Bedeutung.

„Der fortschreitende Stand der Technik bietet neue Möglichkeiten, den Ertrag nachhaltig zu steigern“, sagt Dr. Carsten Ebert, Leiter Windenergie bei Wölfel. „Unsere intelligenten Algorithmen basieren auf neuesten technologischen Ansätzen und stellen den Grundstock für die Datenanalyse und die direkte Optimierung in Echtzeit dar."

Wölfel ist europäischer Marktführer im Bereich der Strukturüberwachung von Offshore-Windparks und hat insbesondere in der Signalanalyse über Jahrzehnte eine im Markt einmalige Kernkompetenz aufgebaut. Von der Fachberatung über die Lieferung und Montage schlüsselfertiger Monitoring-Systeme bis hin zur Datenauswertung bieten wir Ihnen eine umfassende und individuelle Betreuung.

Mit unserer Sensorik erfassen wir reale Beanspruchungen und filtern aus der Datenflut anschließend die wirklich relevanten technischen Aussagen heraus. Durch integrierte Frühwarnsysteme kann zukünftig sogar die Anzahl der behördlich geforderten Inspektionen im Rahmen der wiederkehrenden Prüfungen (beispielsweise Unterwasserprüfungen mit Tauchrobotern) reduziert werden.

Ausgehend von der detaillierten Systemzustandsanalyse können Sie vorausschauend planen, die Betriebsweise Ihrer Windenergieanlagen optimieren und deren Lebensdauer verlängern – der Betrieb Ihres Windparks wird effizienter und wirtschaftlicher.

Unsere Leistungen

  • Entwicklung und Konzeption schlüsselfertiger Monitoring-Systeme, inklusive Abstimmung mit Behörden und Zertifizierungsgesellschaften
  • Ausrüstung Ihrer Anlagen mit speziell entwickelter, robuster Messtechnik mit direkter Schnittstelle zur WEA-Steuerung und zum SCADA-System
  • Datenerfassung und Datenanalyse durch intelligente Algorithmen und erfahrene Fachingenieure
  • Visualisierung der Ergebnisse in den Webportalen MIC.Foundation, MIC.Tower und MIC.Blade, inklusive Warn- und Alarmsystem
  • Reporting der Monitoring-Ergebnisse mit individuellem Detaillierungsgrad – zur Einreichung bei Behörden, Designvalidierung und als Grundlage für eine Lebensdaueroptimierung
  • Entwicklung von WKP-Konzepten, bei denen der notwendige Prüfumfang durch Einbindung von Monitoring-Ergebnissen optimiert ist

SHM.Foundation® – Intelligentes System zur Früherkennung von Turm- und Fundamentschäden und für optimierten Weiterbetrieb

Erhöhte Sicherheit

Ob Rissbildung im Beton, eine Entkopplung von Fundament und Turm oder ein gelockertes Fundamenteinbauteil – Turm- und Fundamentschäden sind ein relevanter Risikofaktor. Werden sie nicht frühzeitig erkannt, drohen gravierende Folgeschäden, aufwändige Instandsetzungen und lange Ausfallzeiten.

Unser Monitoring-System SHM.Foundation detektiert und überwacht entstehende Schäden sicher und effizient. Der kontinuierliche Vergleich der aktuellen RMS-Werte mit den geltenden Normen – z.B. ISO 10816-21 und VDI 3834 – ermöglicht es, problematische Windenergieanlagen (WEA) unter extremer Belastung sofort zu identifizieren. Der Betreiber wird alarmiert und kann entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten. Werden Grenzwerte dauerhaft überschritten, deutet dies auf einen fehlerhaften Zustand oder einen fehlerhaften Betrieb der WEA hin.

Reduktion der visuellen Inspektionen und Verlängerung der Lebensdauer

Ohne ein geeignetes Monitoring-System können Schäden nur durch regelmäßige visuelle Inspektionen detektiert und überwacht werden. Diese sind in der Regel aufwändig und teuer. Das Monitoring von Größen wie Verschiebungen, Verformungen, Bauteilspannungen oder Frequenzen wird daher einhellig empfohlen und im Fall von Offshore-Windparks sogar vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) vorgeschrieben. In zahlreichen Projekten hat sich bisher allerdings nur die Überwachung von zehn Prozent aller Anlagen etabliert.

Da jede WEA individuelle Eigenschaften und Schäden aufweist, verfolgen wir einen umfassenderen Ansatz und empfehlen, alle Anlagen eines Windparks mit einem System zur Überwachung der Turm- und Fundamentstruktur auszurüsten. In Offshore-Windparks statten wir in der Regel zehn Prozent der Turbinen zur Erfüllung der BSH-Auflagen mit dem umfassenden System SHM.Foundation individual und 90 Prozent der Turbinen mit dem kostengünstigen Standardsystem SHM.Foundation aus. Diese Kombination macht es möglich, von den bisher üblichen zeitbasierten Inspektionen auf zustandsbasierte Inspektionskonzepte umzustellen.

Auch für Onshore-Windparks ist eine ganzheitliche Überwachung sinnvoll. Sie ermöglicht es, den Betrieb auf allen Ebenen zu optimieren und so die Betriebskosten zu reduzieren. Ein zusätzlicher Vorteil ist die exakte Aussage über die insgesamt verbrauchte Lebensdauer. Damit fußt die Bewertung zum Weiterbetrieb der Anlage auf den real aufgetretenen Ermüdungslasten. Im Gegensatz zur Bewertung mit konventionellen Methoden kann so das gesamte Weiterbetriebspotenzial ausgeschöpft werden.

Künstliche Intelligenz (KI) ermöglicht noch präzisere Ergebnisse

Durch Korrelation mit EOC/SCADA-Daten wird die Abhängigkeit der Schadensindikatoren gegenüber den Betriebsbedingungen kompensiert. Zusätzlich kann durch eine erweiterte Kompensation mit KI-Methoden die Genauigkeit erheblich erhöht werden.

Die Konfiguration von SHM.Foundation

Unsere Monitoring-Systeme werden mit robuster Elektronik im Industriestandard ausgerüstet. Für die Überwachung benötigen wir nur wenige, kostengünstige Sensoren im gut zugänglichen Turm-/TP-Bereich. Durch unser Virtual Sensor-Konzept auf Basis eines Digital Twins erhalten Sie trotzdem Informationen über die gesamte Tragstruktur. SHM.Foundation erfasst über einen Beschleunigungssensor im Turm die dynamische Bewegung der Turmstruktur. Ein Neigungssensor am Turmfuß detektiert und überwacht die globale quasistatische Schiefstellung des Turms infolge eines schadhaften Fundaments.

Die Vorteile einer ganzheitlichen Überwachung mit SHM.Foundation auf einen Blick:

Optimierte
Weiterbetriebsdauer

Einsparung und Optimierung
von visuellen Inspektionen

Erhalt des
Asset-Wertes

Identifizierung von
schwarzen Schafen

Monitoring von
Fundamentschäden


SHM.Foundation individual – Ein individuell konfigurierbares System zur umfassenden Überwachung von Baugrund, Gründung und Tragstruktur im Offshore-Bereich

Mit dem Monitoring-System SHM.Foundation individual kann das Strukturverhalten Ihrer Windenergieanlagen und Umspannstationen richtlinienkonform erfasst, nachverfolgt und ausgewertet werden. Der Fokus liegt dabei auf der detaillierten Analyse von Maximal- und Ermüdungsbeanspruchungen, den einwirkenden Wind- und Wellenlasten, dem Tragwerkszustand und der sich daraus ergebenden Restlebensdauer sowie der Detektion von Korrosion und Kolkbildung.

Die Konfiguration von SHM.Foundation individual

Sowohl bei der notwendigen Hardware als auch bei der Software zur Datenanalyse wird die Konfiguration von SHM.Foundation individual gezielt an Ihren Projektanforderungen ausgerichtet. Auf Basis unserer langjährigen Erfahrungen beraten wir Sie auf dem Weg zu der individuell für Sie passenden Ausgestaltung des Systems.

Wir begleiten Sie aber nicht nur bei Konzeption, Installation und Inbetriebnahme, sondern über den gesamten Monitoring-Prozess hinweg. Im Rahmen der Signalanalyse extrahieren wir die für Sie wesentlichen Informationen, vergleichen die erfassten Beanspruchungen mit Design-Annahmen, berechnen den Lebensdauerverbrauch, erstellen Berichte für Genehmigungsbehörden und identifizieren Optimierungspotenziale.


MIC.Foundation – Web-Portal zur Fernüberwachung

Die mittels unserer Monitoring-Systeme erhobenen Struktur- und SCADA-Daten werden direkt in einem Monitoring Intelligence Center ausgewertet. Die Ergebnisse der Analyse und alle wichtigen Indikatoren stehen dem Anwender jederzeit übersichtlich aufbereitet zur Verfügung. Er kann auf den ersten Blick erkennen, ob Grenzwerte eingehalten werden, ob und wo ein Problem auftritt, was die Ursache hierfür sein kann und welche Maßnahmen einzuleiten sind, um den Fehler zu beheben oder ein Fortschreiten des Schadens zu verhindern.

Eventgesteuerte Benachrichtigungen und Alarme können individuell konfiguriert werden. Sie erhalten keine Standardauswertungen, sondern ein auf Ihre Anforderungen zugeschnittenes Dashboard. Zusätzlich kann ein automatisiertes Reporting (optional mit Expertenbeurteilung) erfolgen, das auch behördliche Anforderungen erfüllt.

Die Sicherheit der sensiblen Messdaten steht dabei immer im Vordergrund. Durch ein Rechenzentrum in Deutschland, eine gesicherte Internetverbindung und ein dreistufiges User Management (Administrator, Editor, Nutzer) wird sichergestellt, dass nur berechtigte Personen Daten und Ergebnisse einsehen und Einstellungen vornehmen können. Ist eine Datenanbindung dennoch nicht gewünscht oder auf Grund der gegebenen Bedingungen vor Ort nicht möglich, können alle Monitoring- und Datensicherungsfunktionen auch auf einen zentralen Windparkserver ausgelagert werden.

Je nach Konfiguration können folgende Indikatoren in MIC.Foundation visualisiert werden:

  • Lebensdauer
  • Eigenfrequenzen
  • Korrosion
  • Momente, Lasten und Spannungen
  • Kolk

Wissensbibliothek

Das Potenzial eines Windparks bestmöglich ausschöpfen – das ist nicht nur das übergeordnete Ziel von Herstellern und Betreibern, sondern auch im Hinblick auf eine möglichst schnelle Energiewende essenziell. Erfahren Sie in unseren White Papern in den Kategorien Erträge steigern, Inspektionen optimieren und Lebensdauer verlängern, wie Sie die Effizienz Ihrer Windenergieanlagen nachhaltig erhöhen können.

Referenzen

Case Study "Strukturüberwachung Offshore Windpark Arkona" 1.98 MB
Case Study "Strukturüberwachung Offshore Windpark Arkona"

Arkona ist der bislang leistungsfähigste Windpark in der Ostsee: Vor der Küste der Insel Rügen erbringen 60 Windenergieanlagen auf einer Fläche von 39 Quadratkilometern eine Gesamtleistung von 385 Megawatt. Mittels eines individuellen Strukturüberwachungskonzepts von Wölfel soll sichergestellt werden, dass die Anlagen so kontinuierlich und effizient wie möglich ins Netz einspeisen, möglichst geringe Kosten für Wartung und Betrieb verursachen und dabei den behördlichen Anforderungen entsprechen.

Publikationen

Fachartikel "Probabilistic Approach for Detection of Scour on Monopile Substructures Using Measured SHM Data" 826.66 KB
Fachartikel "Probabilistic Approach for Detection of Scour on Monopile Substructures Using Measured SHM Data"

Substructures of offshore wind turbines have to reliably withstand environmental conditions, operational and extreme loads during their design lifetime that may exceed the time period of 25 years. Within their lifetime, they may experience damage and structural changes. This study proposes a novel, data-driven approach for the quantification of probability of detection (POD) for the structural change due to scour on a monopile substructure. To achieve this aim, numerical analyses with finite elements are combined with real measured vibration data from an offshore wind farm.

SHM.Tower® – Intelligentes und zertifiziertes System zur Überwachung von Turmschwingungen und zur Maximierung der Weiterbetriebszeit

Schwingungsmonitoring ermöglicht proaktive Optimierung

Abhängig von Standort und Betriebsweise einer Windenergieanlage (WEA) variiert die Schwingungsbeanspruchung – insbesondere des Turms – stark. Das Monitoring-System SHM.Tower erfasst diese Beanspruchungen über einen integrierten Sensor. Durch den permanenten Abgleich der aktuellen RMS-Werte mit den geltenden Normen – z.B. ISO 10816-21 und VDI 3834 – ist der Zustand der Anlage jederzeit auf den ersten Blick erkennbar. Turbineneinstellungen und Betriebsweise können kontinuierlich und proaktiv optimiert werden. Bei Überschreitung von im Vorhinein definierten Schwellwerten gibt das System Warnmeldungen aus. WEA mit übermäßiger Beanspruchung werden so sofort identifiziert, Gegenmaßnahmen können eingeleitet werden.

Fundierte Lebensdauerprognose und optimierte Weiterbetriebsgutachten

Windenergieanlagen werden üblicherweise für eine Lebensdauer von 20 Jahren entworfen. Am Ende dieser Entwurfslebensdauer existiert aber häufig ein großes Potenzial für eine Laufzeitverlängerung. Die Entscheidung darüber erfolgt im Rahmen eines Weiterbetriebsgutachtens. Bisher basieren diese üblicherweise auf historischen Betriebs- und Winddaten sowie Turbulenzgutachten. Durch konservative Lastannahmen und die unzureichende Berücksichtigung der Windrichtung – und damit der Verteilung des Lebensdauerverbrauchs auf den Turmquerschnitt – wird das gesamte Potenzial für einen möglichst langen Weiterbetrieb jedoch oftmals deutlich unterschätzt.

SHM.Tower berechnet die real auftretenden und über den Turmquerschnitt verteilten Lasten anhand der im Turm gemessenen Beschleunigungen und ermöglicht so eine exakte Aussage über den tatsächlichen Lebensdauerverbrauch. Auch kritische Extrembedingungen werden direkt erfasst. Somit basiert die Lebensdauerprognose nicht mehr nur auf Annahmen. Die Weiterbetriebsdauer kann maximiert und das gesamte Ertragspotenzial erschlossen werden.

SHM.Tower wurde bereits 2019 von der WindGuard Certification GmbH als Condition Monitoring-System zertifiziert. In 2020 ist auch die implementierte Methodik zur Lastrekonstruktion erfolgreich begutachtet worden. Es konnte nachgewiesen werden, dass SHM.Tower eine Lasterfassung mit einer sehr hohen Genauigkeit ermöglicht und sich daher sehr gut für den Einsatz im Rahmen von Weiterbetriebsgutachten eignet:

„Nachdem gezeigt werden konnte, dass die mit SHM.Tower aufgezeichneten Schwingungsprofile sehr gut die für eine Ermüdung relevante Systemdynamik abbilden, ergeben sich tatsächlich wertvolle Möglichkeiten zur Beurteilung der Weiterbetriebsfähigkeit bei modernen WEA. Zum einen können die aus Schwingungen abgeleiteten DELs zur Validierung und Optimierung des dynamischen Berechnungsmodells herangezogen werden, um damit konservative Sicherheitsfaktoren abzuschmelzen. Zum anderen kann durch die gemessene Lastverteilung im Turmquerschnitt die ermittelte Schädigung von Fundament und Turm reduziert werden. Daraus ergibt sich real eine deutliche Verlängerung des Lebensdauerhorizontes ohne Einbußen an Prognosesicherheit. Das haben wir im Gutachterverfahren nachgewiesen.“

Frank Weise, Geschäftsführer der WindGuard Certification GmbH

Einsatz von Beginn an oder als Retrofit

Sensorik und Elektronik von SHM.Tower sind in einem kompakten Gehäuse verbaut und erlauben eine einfache Installation im Turmkopf der Anlage. Wird das System von Beginn an eingesetzt, werden der Betriebszustand und die verbrauchte Lebensdauer über alle Nutzungsphasen hinweg exakt erfasst – durch den energieautarken Modus selbst während der Errichtung und bei Netzausfällen. Aber auch wenn SHM.Tower als Retrofit nachgerüstet wird, liefert das System – obwohl die Schwingungen der ersten Betriebsjahre nicht vorliegen – im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden signifikant verbesserte Lebensdauerbewertungen. Extrapolationen ermöglichen die Beurteilung über die gesamte Betriebsdauer hinweg.

Nach dem ersten Weiterbetriebsgutachten können Sie die Restlebensdauer Ihrer WEA durch kontinuierliche Überwachung der Schwingungspegel und Turmlasten optimal begleiten.

Die Vorteile von SHM.Tower auf einen Blick:

Maximierte
Weiterbetriebsdauer

Optimierter
Betrieb

Warnmeldungen
bei Schwellwert-
überschreitungen

Fundierte
Asset-Bewertung

Identifizierung von
schwarzen Schafen

Funktionen:

Betriebsoptimierung

  • Messung der Schwingungsbeanspruchung und Ausgabe von Warnmeldungen bei Schwellwertüberschreitungen (ISO 10816-21/VDI 3834)
  • Häufigkeitsverteilung von RMS-Werten (z. B. Jahresgang)
  • Parkmonitoring zum Auffinden von stark beanspruchten Turbinen
  • Monitoring der Eigenfrequenzen (Tracking, Langzeitüberwachung und Trend-Analyse) zur Verifikation der strukturellen Integrität
  • Unwuchtindikator für aerodynamische Unwucht und Massenunwucht (für Windparkmonitoring)

Lebensdauerprognose

  • Lebensdauerprognose für jedes Turmsegment
  • Klassifikation der Beanspruchungen nach Betriebszuständen
  • Trend Lebensdauerverbrauch
  • Valide Aussagen für den Weiterbetrieb der Anlage (auch bei Retrofit)

Performance

  • Energieautarke Monitoring-Funktion (Recording bis zu 3 Monate ohne Energieversorgung)
  • Anbindung an das Wölfel Monitoring-Portal MIC.Tower
  • Schnittstelle für externe Sensorik (dreikanalig, 4-20 mA)
  • Frequenzbereich: 0,1 – 10 Hz
  • Messbereich: ± 2 g

MIC.Tower – Web-Portal zur Fernüberwachung

Die mittels unserer Monitoring-Systeme erhobenen Struktur- und SCADA-Daten werden direkt in einem Monitoring Intelligence Center ausgewertet. Die Ergebnisse der Analyse und alle wichtigen Indikatoren stehen dem Anwender jederzeit übersichtlich aufbereitet zur Verfügung. Er kann auf den ersten Blick erkennen, ob Grenzwerte eingehalten werden, ob und wo ein Problem auftritt, was die Ursache hierfür sein kann und welche Maßnahmen einzuleiten sind, um den Fehler zu beheben oder ein Fortschreiten des Schadens zu verhindern.

Eventgesteuerte Benachrichtigungen und Alarme können individuell konfiguriert werden. Sie erhalten keine Standardauswertungen, sondern ein auf Ihre Anforderungen zugeschnittenes Dashboard. Zusätzlich kann ein automatisiertes Reporting (optional mit Expertenbeurteilung) erfolgen, das auch behördliche Anforderungen erfüllt.

Die Sicherheit der sensiblen Messdaten steht dabei immer im Vordergrund. Durch ein Rechenzentrum in Deutschland, eine gesicherte Internetverbindung und ein dreistufiges User Management (Administrator, Editor, Nutzer) wird sichergestellt, dass nur berechtigte Personen Daten und Ergebnisse einsehen und Einstellungen vornehmen können. Ist eine Datenanbindung dennoch nicht gewünscht oder auf Grund der gegebenen Bedingungen vor Ort nicht möglich, können alle Monitoring- und Datensicherungsfunktionen auch auf einen zentralen Windparkserver ausgelagert werden.

Folgende Indikatoren werden in MIC.Tower visualisiert:

  • Lebensdauer
  • Eigenfrequenzen
  • Rotorunwuchten
  • Momente, Lasten und Spannungen

Wissensbibliothek

Das Potenzial eines Windparks bestmöglich ausschöpfen – das ist nicht nur das übergeordnete Ziel von Herstellern und Betreibern, sondern auch im Hinblick auf eine möglichst schnelle Energiewende essenziell. Erfahren Sie in unseren White Papern in den Kategorien Erträge steigern, Inspektionen optimieren und Lebensdauer verlängern, wie Sie die Effizienz Ihrer Windenergieanlagen nachhaltig erhöhen können.

Publikationen

White Paper "Maximierung der Weiterbetriebszeit mit SHM.Tower" 641.92 KB
White Paper "Maximierung der Weiterbetriebszeit mit SHM.Tower"

Bisher basieren Weiterbetriebsgutachten üblicherweise auf historischen Betriebs- und Winddaten sowie Turbulenzgutachten. Durch konservative Lastannahmen und die unzureichende Berücksichtigung der Windrichtung wird das Potenzial für einen möglichst langen Weiterbetrieb jedoch oftmals deutlich unterschätzt. SHM.Tower berechnet die real auftretenden und über den Turmquerschnitt verteilten Lasten anhand der im Turm gemessenen Beschleunigungen und ermöglicht so eine exakte Aussage über den tatsächlichen Lebensdauerverbrauch. Die Weiterbetriebsdauer kann maximiert und das gesamte Ertragspotenzial erschlossen werden. Diese Methodik wurde jetzt von der Deutschen WindGuard erfolgreich begutachtet. In unserem White Paper erfahren Sie alles über die Funktionsweise, das Validierungsprojekt und die Einsatzgebiete.

SHM.Blade® – Intelligentes System zur Zustandsüberwachung von Rotorblättern zur Detektion von Strukturschäden, Vereisung und Aerodynamischen Unwuchten

Rotorblätter von Windenergieanlagen sind extremen Umweltbedingungen sowie starken dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. Gleichzeitig entscheiden sie aber über den Energieertrag und damit maßgeblich über die Wirtschaftlichkeit einer Windenergieanlage. Entstehende Schäden müssen so früh wie möglich erkannt und von normalen Einflüssen aus Umgebung und laufendem Betrieb unterschieden werden. Durch die zu diesem frühen Zeitpunkt noch vergleichsweise kostengünstigen Reparaturmaßnahmen kann gravierenderen Schäden vorgebeugt werden. Stillstandszeiten in Folge von nicht oder zu spät erkannten Schäden sind vermeidbar, der Energieertrag kann erhöht werden. Periodisch wiederkehrende Prüfungen sind für die frühzeitige Detektion von Schäden nicht ausreichend. Eine permanente Überwachung gewährleistet eine höhere Sicherheit.

Die Lösung von Wölfel: SHM.Blade zur Detektion von Strukturschäden

SHM.Blade ist ein in der Praxis erprobtes und vom DNV GL zertifiziertes System, das Strukturschäden an Rotorblättern frühzeitig detektieren kann. Hierzu wird auf einen Referenzzustand zurückgegriffen, der unmittelbar nach Inbetriebnahme von SHM.Blade vollautomatisch und ohne äußeres Zutun für jedes einzelne Rotorblatt individuell bestimmt wird. Eine solche blattspezifische Lernphase gewährleistet trotz fertigungsbedingter Massen- und Steifigkeitstoleranzen eine hohe Schadenssensitivität.

Nach Abschluss der Lernphase werden kontinuierlich Zustandsindikatoren berechnet, die jederzeit Informationen über den aktuellen Blattzustand geben. Mittels eines zweistufigen Warn- und Alarmierungskonzeptes kann die Anlagensteuerung reagieren – Folgeschäden sind dadurch vermeidbar.

IDD.Blade® – Eiserkennung mit automatischer Wiederanlauffunktion

Vor allem an sogenannten „Cold-Climate“-Standorten entstehen weitere witterungsbedingte Risiken. Behörden fordern, dass eine Windenergieanlage (WEA) bei vorliegender Rotorblatt-Vereisung angehalten werden muss, um das Umfeld vor Eisabwurf zu schützen. Außerdem stellen durch Vereisung bedingte erhöhte Beanspruchungen einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf die Lebensdauer der WEA dar. Die Messung des Schwingverhaltens hat sich als sichere und effiziente Methode zur Eiserkennug erwiesen.

Mit der Option IDD.Blade kann Vereisung zuverlässig erkannt werden

  • Automatische Eiserkennung (auch im Stillstand)
  • Automatisches Abschalten bei Vereisung
  • Automatisches Wiederanlaufen bei Eisfreiheit
    = Reduziertes Risiko des Eisabwurfs

    + Frühzeitige Erkennung von Schäden

Da die Sensoren in den Rotorblättern den tatsächlichen Vereisungszustand direkt erfassen, sind die Ergebnisse wesentlich zuverlässiger als bei einer Beurteilung auf Basis meteorologischer Größen.  IDD.Blade reduziert die Stillstandszeiten somit auf die Zeitpunkte tatsächlicher Vereisung.

SHM.Blade zur Detektion von Aerodynamischen Unwuchten

Fast 50 Prozent aller Windenergieanlagen haben unzureichend ausgewuchtete Rotoren. In mindestens 30 Prozent aller Fälle handelt es sich dabei um Aerodynamische Unwuchten. Dadurch ergeben sich stärkere Vibrationen, die zu einer höheren Beanspruchung und damit einem erhöhten Lebensdauerverbrauch von Antriebsstrang, Rotorblättern sowie Turm und Fundament führen. Der aerodynamische Wirkungsgrad und damit auch die erzeugte elektrische Leistung der Windenergieanlage kann sich reduzieren. Zusätzlich können erhöhte Geräuschemissionen auftreten.

Mit Hilfe des von SHM.Blade berechneten Unwuchtindikators können Aerodynamische Unwuchten frühzeitig und präzise erkannt werden. So ist ein schwingungsoptimierter und komponentenschonender Betrieb sichergestellt. Eine Verringerung der Leistung wird vermieden und das Risiko für einen Anlagenstopp reduziert. Durch die integrierte Pitchwinkel-Überwachung wird zusätzlich die Lebensdauer der Antriebsstrangkomponenten und der Tragstrukturen verlängert.

MIC.Blade – Web-Portal zur Fernüberwachung

Die mittels unserer Monitoring-Systeme erhobenen Struktur- und SCADA-Daten werden direkt in einem Monitoring Intelligence Center ausgewertet. Die Ergebnisse der Analyse und alle wichtigen Indikatoren stehen dem Anwender jederzeit übersichtlich aufbereitet zur Verfügung. Er kann auf den ersten Blick erkennen, ob Grenzwerte eingehalten werden, ob und wo ein Problem auftritt, was die Ursache hierfür sein kann und welche Maßnahmen einzuleiten sind, um den Fehler zu beheben oder ein Fortschreiten des Schadens zu verhindern.

Eventgesteuerte Benachrichtigungen und Alarme können individuell konfiguriert werden. Sie erhalten keine Standardauswertungen, sondern ein auf Ihre Anforderungen zugeschnittenes Dashboard. Zusätzlich kann ein automatisiertes Reporting (optional mit Expertenbeurteilung) erfolgen, das auch behördliche Anforderungen erfüllt.

Die Sicherheit der sensiblen Messdaten steht dabei immer im Vordergrund. Durch ein Rechenzentrum in Deutschland, eine gesicherte Internetverbindung und ein dreistufiges User Management (Administrator, Editor, Nutzer) wird sichergestellt, dass nur berechtigte Personen Daten und Ergebnisse einsehen und Einstellungen vornehmen können. Ist eine Datenanbindung dennoch nicht gewünscht oder auf Grund der gegebenen Bedingungen vor Ort nicht möglich, können alle Monitoring- und Datensicherungsfunktionen auch auf einen zentralen Windparkserver ausgelagert werden.

Folgende Indikatoren werden in MIC.Blade visualisiert:

  • Eis
  • Schäden
  • Pitchwinkelmonitoring
  • Rotorunwuchten
  • Dynamische Lasten

Wissensbibliothek

Das Potenzial eines Windparks bestmöglich ausschöpfen – das ist nicht nur das übergeordnete Ziel von Herstellern und Betreibern, sondern auch im Hinblick auf eine möglichst schnelle Energiewende essenziell. Erfahren Sie in unseren White Papern in den Kategorien Erträge steigern, Inspektionen optimieren und Lebensdauer verlängern, wie Sie die Effizienz Ihrer Windenergieanlagen nachhaltig erhöhen können.

Forschungsprojekte

ZIM-Erfolgsbeispiel "Mehr Leistung für Windräder" 354.40 KB
ZIM-Erfolgsbeispiel "Mehr Leistung für Windräder"

Bei der Umwandlung von Wind in elektrische Energie wird der mechanische Aufbau von Windkraftanlagen in hohem Maße beansprucht. Zur Optimierung dieses Prozesses wurde ein System entwickelt, das ideale technische Voraussetzungen zur Verbesserung der Energiegewinnung und des Wartungsaufwandes von Windrädern bietet.

Referenzen

Case Study "Eiserkennung mit IDD.Blade – Keine Ertragsverluste durch unnötigen Stillstand" 347.54 KB
Case Study "Eiserkennung mit IDD.Blade – Keine Ertragsverluste durch unnötigen Stillstand"

Bildet sich Eis an den Rotorblättern einer Windenenergieanlage, muss diese entsprechend der behördlichen Vorgaben abgeschaltet werden, um das Umfeld vor Eisabwurf zu schützen. Kritischer Eisansatz muss also mittels technischer Maßnahmen sicher erkannt werden. Im Windpark Hamwiede war von Beginn an ein meteorologischer Sensor zur Eiserkennung installiert. Es zeigte sich allerdings bereits im ersten Winter, dass die Eisabschaltung sehr unpräzise erfolgte. Fehlalarme und unnötiger Stillstand häuften sich. Das Potenzial des Windparks konnte in den besonders ertragreichen Wintermonaten somit nicht voll ausgeschöpft werden. Erfahren Sie in unserer Case Study, wie die Stillstandszeiten im Windpark Hamwiede mit Hilfe von IDD.Blade® von Wölfel deutlich und sicher reduziert werden konnten.

Rotorblattprüfung durch öffentlich bestellten und vereidigten Sachverständigen

In der Produktion: Third Party Inspection (TPI)

Die sorgfältige Produktion von Rotorblättern ist von großer Bedeutung für die Blattqualität und damit für die Lebensdauer und den zu erzielenden Energieertrag einer Windenergieanlage. Durch den hohen manuellen Fertigungsanteil in der Produktion stecken oft Mängel im Rotorblatt, die sich im laufenden Betrieb zu gravierenden Schäden entwickeln können. Nach Expertenschätzungen haben etwa vier von fünf Schäden im Feld fertigungsbedingte Ursachen. Als unabhängige Experten prüfen wir im Auftrag des Betreibers die Blattfertigung direkt beim Hersteller und erstellen eine lückenlose Dokumentation der Qualitätsabweichungen.

Unser Konzept der TPI hat sich in der Praxis bewährt und bereits viele Betreiber erfolgreich unterstützt. Es besteht aus drei aufeinander aufbauenden Stufen:

  1. Allgemeine Überwachung der Blattfertigung im Rahmen von Prozess-Audits
  2. Spezifische Überwachung der Produktion der Blätter für das konkrete Kundenprojekt im Rahmen unseres Witness-Point-Konzepts
  3. Endabnahme: Die Projekt-Rotorblätter werden von innen und außen auf Herz und Nieren geprüft, inkl. der Blitzschutzeinrichtung und aller Anbauteile.

René Kaufmann, Project Manager Wind Turbines, Sandbank Offshore Wind GmbH:

"Die Zusammenarbeit mit den Inspektoren der Firma Wölfel zeichnete sich durch ein sehr hohes Maß an Fachkompetenz, Zuverlässigkeit und Teamfähigkeit aus. Neben einer systematischen und Verantwortungsbewussten Arbeitsweise, ist auch das besondere Engagement der Inspektoren hervorzuheben, welches Maßgeblich zum Projekterfolg beigetragen hat. Auch die gezeigte Flexibilität bei kurzfristig aufkommen Sonderthemen sind als äußerst positiv zu bewerten."

Im Betrieb: Wiederkehrende Prüfung (WKP) – Onshore und Offshore

Die hohen Beanspruchungen von Rotorblättern führen im laufenden Betrieb zu Schäden, deren Ursprung in vielen Fällen bereits in der Blattfertigung liegt. Deshalb sind die wiederkehrenden Inspektionen im laufenden Betrieb notwendig, um auftretende Schäden am Rotorblatt frühestmöglich zu detektieren und bestmöglich die Blattqualität zu sichern.

  • Wiederkehrende Inspektion an der Anlage
  • Außeninspektionen des Rotorblatts
  • Inneninspektionen inklusive Kamerabefahrungen
  • Blitzschutzmessungen
  • Weitere Prüfungen und Inspektionen nach Bedarf (z. B. Thermografie)
  • Inspektion vor Ablauf der Gewährleistungsfrist (i.d.R. nach fünf Jahren offshore, vollständige Überprüfung der Blätter inkl. Blitzschutzsystem)
  • Reparaturüberwachung
  • Umfassende Dokumentation (inkl. Rotorblattgutachten, Schadensgutachten)

Alexander Schneeweiß, Teamleiter Windenergieanlagen und Logistik, EnBW Energie Baden-Württemberg AG:

"In den Bereichen Auditierung der Rotorblattfertigung Überwachung der gesamten Fertigungslinie, vom Wareneingang bis zum Transport der Rotorblätter Überwachung und Prüfung der Reparaturen und werksinternen Qualitätsabnahmen Dokumentenprüfung, fachliche Abstimmungen und Absprachen 'auf Augenhöhe' mit dem Rotorblatthersteller haben die Wölfel-Inspektoren Ihre sehr hohe fachliche und soziale Kompetenz unter Beweis gestellt. Das hohe Maß an Flexibilität und Einsatzbereitschaft sowie die stetig lösungsorientierte Vorgehensweise runden die Kompetenz von Wölfel ab."

Unsere Leistungen rund um die Strukturüberwachung (SHM/CMS) und die Rotorblattinspektion (TPI/WKP)

Seit mehreren Jahren sind wir im Bereich Offshore Windenergie tätig und haben eine umfangreiche Expertise in folgenden Leistungsfeldern:

  • Design von Monitoring-Systemen zur Lebensdauerüberwachung
  • Entwicklung und Installation der Messtechnik
  • Windparkspezifische Datenerfassung und Datenanalyse
  • Überwachung, Monitoringzentrale und Berichterstattung
  • FE-Modellierung und Simulation des Tragverhaltens der Strukturen
  • Automatisierte Datenanalyse und Überwachung
  • Lebensdaueranalyse und Bewertung
  • Rotorblatt-Inspektion – von der Third Party Inspection (TPI) bis hin zur Wiederkehrenden Prüfung (WKP)
  • Verknüpfung von Monitoring mit Wartung und Inspektion (WKP)

Structural Health Monitoring Systems (SHMS) will reduce Levelized Cost of Energy (LCOE)

An inspection strategy, which is based on the deep knowledge of the structural integrity of your assets, enables and ensures the necessary cost reductions especially in offshore wind industry. The optimized evaluation process of the windfarm allows to switch from periodic to conditioned based inspections and further on extend the liftetime of your wind turbines:

Of the annual operating costs, approximately 4,500 euros per MW are spent on underwater and tower inspections. From our experience, these inspection costs can be reduced by 50 percent. Furthermore, the use of SHMS makes it possible to objectively achieve a lifetime extension of around 4-8 years. The investment costs are thus spread over a 20 percent longer period of use, which significantly reduces the levelized cost of energy (LCOE).

"A [...] route to reduce OPEX, and subsequently LCOE, is through the optimisation of the inspection and maintenance strategies. This optimisation is carried out by switching periodic or risk-based inspection regimes to a condition-based regime. In order to do so, periodic inspections can be postponed or directly taken out of the scope of works whenever the condition of the assets is proven to be appropriate. SHMS are currently the best approach to gain confidence in the assets’ integrity without actually deploying offshore."

(Source: Martinez-Luengo, M.; Shafiee, M.: Guidelines and Cost-Benefit Analysis of the Structural Health Monitoring Implementation in Offshore Wind Turbine Support Structures. Energies 2019, 12(6), 1176; https://doi.org/10.3390/en12061176)

In our interactive calculation tool, you will discover your individual potential for cost savings and lifetime extension by implementing SHMS. All incurred costs are included except unscheduled activities.

REDUCTION OF YOUR LEVELIZED COST OF ENERGY (LCOE) DUE TO SHMS

By moving the black dots you can calculate the reduction of your individual Levelized Cost of Energy (LCOE):

4.9 %*
WACC real
50 %
Potential reduction of inspection costs due to SHM

Kontaktieren Sie uns gerne persönlich

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Wir unterstützen Sie gerne beim Lösen Ihrer Aufgabe rund um „Schwingungen von Windenergieanlagen“ und beraten Sie bei Fragen zu unserem System- und Dienstleistungsangebot in den Bereichen Structural Health Monitoring, Schwingungsminderung, Schall und Lärm sowie Strukturdesign.

Dr.-Ing. Georg Enß

+49 40 524715-262
enss@woelfel.de
Formular

Timo Klaas

+49 40 524715265
klaas@woelfel.de
Formular

Dipl.-Ing. Bernd Wölfel