Load-Sense-Pin, Bild: Schaeffler

Der Load-Sense-Pin, oben mit vergossener Sensorbeschichtung, ergänzt in der Windenergieanlage vorhandene Sensordaten wie Schwingung, Temperatur und Ölqualität um Messwerte zur Verformung im Lager, um Last und Vorspannung zu ermitteln. Bild: Schaeffler

Die Windenergie wird erwachsen. Nicht unbedingt im technischen Sinn, da sind die Konzepte mittlerweile sehr ausgereift. Eher im wirtschaftlichen Sinn: Immer mehr Windenergieanlagen sind so lange in Betrieb, dass sie aus den staatlichen Förderprogrammen herausfallen.

Flanschlager, Bild: Schaeffler
Das Flanschlager für Wind-Rotoren mit typischen Durchmessern von rund drei Metern wird wird als fertige Rotorlagereinheit mit der Umgebung verschraubt, was die Montage deutlich vereinfacht. Allerdings muss die Lagervorspannung möglichst genau eingehalten werden. Bild: Schaeffler

Das hat zur Folge, dass sie ihren Strom ohne Subvention zu echten Marktpreisen anbieten müssen, sie also mit allen anderen Energieträgern in echten Wettbewerb treten. Unter diesem wirtschaftlichen Druck treten die Stromgestehungskosten immer mehr in den Vordergrund.

Die Betriebskosten haben hierbei einen signifikanten Anteil an den Gesamtkosten, über den Lebenszyklus eines Windrads gerechnet. Hauptkostentreiber bei bestehenden Anlagen sind Wartung und Instandhaltung. Insbesondere ungeplante Ausfälle können schnell massiv zu Buche schlagen – vor allem Offshore. Eine Reparatur ist dort durch den Einsatz von Schiffen und wetterbedingt lange Ausfallzeiten meist sehr kostenintensiv. Doch auch an Land ist der Einsatz von großen Krananlagen kein Schnäppchen.

Traditionell viel Sensorik verbaut

Load-Sense-Pin in Originalgröße, Foto: ke NEXT / bf
Der Load-Sense-Pin in Originalgröße. Da er nicht nur in riesigen Windenergieanlagen Platz finden soll, sondern auch in Lagern geringerer Baugrößen, wurde er vergleichsweise klein dimensioniert. Foto: ke NEXT / bf

Nun ist dieses Problem lange bekannt. Schon immer sind Windenergieanlagen verteilt weit draußen aufgestellt worden, schon immer wollten Betreiber möglichst genau über den Zustand ihrer Anlagen Bescheid wissen. Deshalb ist in vielen von ihnen schon historisch gesehen vergleichsweise viel Sensorik verbaut. Drehzahlen, Betriebsstunden, Temperaturen, Ölqualität und Vibrationen werden mehr oder minder intensiv erfasst. In einer modernen Anlage ab zwei Megawatt aufwärts finden sich gut und gerne 150 Sensoren. Condition Monitoring ist hier serienmäßig.

Das Problem dabei: In der Regel lassen sich mit diesen Daten nur schon vorhandene Unregelmäßigkeiten oder bereits aufgetretene Schäden feststellen. Ziel sollte es aber sein, noch einen Schritt früher zu wissen, wo Probleme entstehen könnten, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleiten zu können, wie zum Bespiel die Änderung der Betriebs- oder Wartungsstrategie. Eine Schlüsselkomponente hierzu sind die verschiedenen Lager, von denen in einer Windenergieanlage entlang des Antriebsstrangs eine ganze Menge verbaut sind. Um Anlagenbauern und Betreibern mehr Sicherheit zu ermöglichen, bietet Schaeffler spezielle Services und Produkte an.

Die Toolkette umgedreht

Denn zur Auslegung seiner Lager hat Schaeffler viel Expertise sowie eine Reihe von eigens entwickelten Berechnungstools im Einsatz. Die Überlegung war nun folgende: Wenn man das Knowhow, das aus der Designphase vorhanden ist, für Predictive Maintenance nutzt, wenn man also die vorhandenen Modelle mit realen Felddaten füttert und in die Simulationswerkzeuge gibt, dann lassen sich daraus Empfehlungen ableiten. Diese können Hinweise zur Wartung sein, Vorschläge für den Einsatz alternativer Komponenten bis hin zu Entwicklungstipps für nachfolgende Generationen von Anlagen.

Ein Beispiel für eine solche Vorgehensweise ist die Kooperation von Schaeffler mit dem Getriebebauer ZF. Die beiden Zulieferer der Windkraft-Industrie kombinierten ihre Entwicklungsarbeit in digitalen Lösungen für den Windkraftsektor. Das System überwacht das Getriebe des Windrads während des Betriebes. Hierfür wird ein digitaler Zwilling des Getriebes ausgebaut, der mit realen Felddaten versorgt wird. Dank der cloudbasierten Lösung  wird es künftig möglich, für vernetzte Getriebe anhand der verfügbaren Daten immer den aktuell besten Betriebsmodus zu errechnen. Damit lässt sich die Energiegewinnung standortspezifisch und bei jeder Wetterlage optimieren, notwendige Wartungsarbeiten können vorhergesehen und besser geplant, die aktuelle Auslastung des Getriebes abgestimmt werden. Durch die erhöhte Effizienz und kürzere Ausfallzeiten sinken die Kosten für Hersteller und Betreiber. ZF bringt installierte Windkraftgetriebe mit einer Gesamtkapazität von mehr als 100 Gigawatt in die gemeinsame Cloud-Plattform ein. Schaeffler erweitert diese Basis mit dem Schaeffler Smart Ecosystem, einer skalierbaren, sicheren IT-Infrastruktur. Diese verfügt über standardisierte Schnittstellen und verschlüsselten Datenverkehr. Das erlaubt Cloud-to-Cloud-Lösungen, über die Schaeffler den Part der Lageranalyse übernimmt. Schaeffler hat hierbei keinen Zugriff auf die einzelnen Windenergieanlagen, sondern nutzt lediglich die von ZF vorverarbeiteten Daten für seine Analysen der Getriebelagerungen. Diese werden in die Cloud zurückgespielt und der Betreiber der Anlage kann sie im ZF-Dashboard einsehen.