Windenergie

Den (unsichtbaren) Schaden im Blick

Michael Hahn, 07.07.21
Um teure Ausfälle von Windenergieanlagen zu vermeiden ist es wichtig, Schäden zu erkennen, bevor sie zum Problem werden. Dabei helfen optische Verfahren, auch im laufenden Betrieb. Zudem wollen Forscher auch innere Schäden an Rotorblättern leichter erkennbar machen.

Bei der Reparatur von Windenergieanlagen geht es um viel Geld. Vor allem der Tausch von Großkomponenten wie Getriebe oder Rotorblättern ist mit hohen Kosten verbunden. Oft muss ein Kran anrücken. Ist das passende Ersatzteil nicht sofort verfügbar oder spielt das Wetter nicht mit, droht die Anlage lange stillzustehen. Das führt zu Ertragsverlust, der auf die Reparaturkosten obendrauf kommt. Für Betreiber wird es besonders ärgerlich, wenn der Servicevertrag diesen Fall nicht abdeckt.

Ideal ist es daher, solche Einsätze möglichst weit im Voraus planen zu können. Dafür ist es wichtig, den Zustand der Bauteile zu überwachen, Stichwort Condition Monitoring. Das funktioniert über allerlei Sensoren, die in den Komponenten angebracht werden – oder auch mit optischen Verfahren. Forscher und Unternehmen arbeiten unentwegt daran, Schäden bereits frühzeitig zu erkennen und zu dokumentieren, wie sie sich entwickeln. Bevor der Totalschaden eintritt, wird das Teil ersetzt oder repariert.

Besonderes Augenmerk erfahren die Rotorblätter. Sie müssen enormen Belastungen standhalten, sind Regen, Hagel, Sturm und Blitzen sowie mancherorts auch Salzwasser ausgesetzt. Schäden kommen nicht selten vor, regelmäßige Inspektionen sind dringend erforderlich. Um kosten- und zeitaufwendige Klettereinsätze der Servicemitarbeiter zu vermeiden, setzt die Branche mittlerweile vermehrt auf Drohnen. Sie sind mit hochauflösenden Kameras ausgestattet und können so die gesamte Anlage in Augenschein nehmen. Die Aufnahmen werden hinterher von Fachleuten ausgewertet (neue energie 01/21).

Doch auch dabei muss die Anlage stillstehen. Das könnte auch anders sein. Das Berliner Unternehmen Nawrocki Alpin hat in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung ein Verfahren entwickelt, mit dem der äußere Zustand der Rotorblätter vom Boden aus im laufenden Betrieb untersucht werden kann. Das Unternehmen ist bislang im Bereich der Industriekletterei tätig und bietet unter anderem Servicedienstleistungen für Windenergieanlagen wie die Reparatur von Rotorblättern an. Die patentierte Technik „Romotion Cam“ ist nach eigenen Angaben eine Weltneuheit.

„Es handelt sich um ein Kamerasystem, das auf einem dreibeinigen Stativ montiert ist“, erläutert René Harendt, Technischer Leiter bei Nawrocki Alpin. „Insgesamt sind zwei Kameras verbaut. Durch einen drehbaren Kopf sind die Kameras in der Lage, die Drehung der Anlage genau nachzuverfolgen und dabei hochauflösende Aufnahmen der Rotorblätter zu machen.“ Außerdem könnten sie sich an Geschwindigkeitsänderungen des Rotors anpassen, wenn der Wind stärker oder schwächer weht.

Fehlersuche durch Fotovergleich

„Das Gerät wird vor und anschließend hinter der Anlage positioniert und ausgerichtet“, erläutert Harendt. Die Dokumentation dauere zehn Minuten pro Seite. „Die aufgenommenen Fotos werden in Echtzeit in der zugehörigen Software dargestellt und automatisch dem jeweiligen Rotorblatt und der Anlage zugeordnet. Wenn es bereits Aufnahmen eines Blatts gibt, werden die neuen Fotos der vorhergegangenen Dokumentation automatisch gegenübergestellt.“ Bei einem Schaden lasse sich so dessen Verlauf sichtbar machen und dokumentieren.

Letztendlich gehe es darum, den Zeitpunkt zu bestimmen, wann das Blatt repariert oder ausgetauscht werden muss. Die kontinuierliche Datenerfassung bei den Inspektionen ermögliche zudem Big-Data-Anwendungen. Durch die Auswertung der gesammelten Informationen könne man etwa über eine längere Zeitspanne hinweg wichtige Erkenntnisse über das Verhalten der Rotorblätter gewinnen.

Pro Tag könnten mit einer Romotion Cam bis zu zehn Anlagen eines Windparks inspiziert werden. Dieser Effizienzgrad sei mit keiner anderen Art der Inspektion – Drohnen oder Klettereinsätzen – zu erreichen, ist Harendt überzeugt. Im Gegensatz zu den beiden genannten Verfahren könne die Romotion Cam beispielsweise auch bei höheren Windgeschwindigkeiten eingesetzt werden. Weitere Vorteile seien der geringe Personalaufwand und die hohe Sicherheit, weil niemand die Anlage direkt betreten müsse.

Was genau das Ganze kosten soll, dazu kann Harendt aktuell noch keine Angaben machen. Er rechnet jedoch mit einer Ersparnis von bis zu 60 Prozent gegenüber anderen Inspektionsmethoden: „Je mehr Anlagen in einem Windpark untersucht werden, desto günstiger wird es.“ Noch kommt die Romotion Cam allerdings nicht im Feld zum Einsatz. Man befinde sich gerade in Gesprächen mit Anlagenherstellern und Serviceunternehmen, um das System in den Markt zu bringen – auch im Offshore-Sektor. Zudem sei eine Weiterentwicklung der Technik denkbar, etwa in dem die Möglichkeit zur Thermografie implementiert wird, sagt Harendt.

Im Gegensatz zur hochauflösenden Oberflächenerfassung kann damit auch das Innere der Blätter von außen auf Schäden oder Unregelmäßigkeiten geprüft werden. „Mit einer Infrarotkamera werden vom Boden oder aus der Luft die Rotorblätter einer Windenergieanlage erfasst. Aus den räumlichen und zeitlichen Temperaturverläufen auf der Blattoberfläche können wir Informationen über verborgene Schäden oder innere Strukturmerkmale ableiten“, erläutert Rainer Krankenhagen das Prinzip. Er ist Experte für Thermografie und forscht bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) an dem Thema.

„Treten in den Wärmebildern Unregelmäßigkeiten auf, könnte das mit einem unterbrochenen Wärmefluss im Material und damit mit einem inneren Schaden zusammenhängen“, sagt Krankenhagen. Dazu zählten etwa beginnende Risse, Fehler in der Laminierung oder sich lösende Verklebungen. Diese seien von außen selbst aus nächster Nähe oft nicht erkennbar. Die betroffenen Stellen könnten anschließend von Industriekletterern genauer inspiziert und bestenfalls repariert werden. So könnten Schäden rechtzeitig erkannt und kostenintensive größere Reparaturen oder Totalausfälle vermieden werden.

Zwar wird die Technik auch heute schon in der Praxis eingesetzt, die Ergebnisse seien aber bislang eher uneinheitlich und deshalb wenig zufriedenstellend, sagt der BAM-Experte. Die wissenschaftlichen Grundlagen würden fehlen. Das soll sich durch das dreijährige Projekt EvalTherm (Evaluierung der passiven Thermografie für den Nachweis von Rotorblattschäden an Windenergieanlagen) ändern, das im August 2020 gestartet worden war.

Marktreife angestrebt

Partner des Verbundvorhabens sind unter anderem das Fraunhofer-Institut für Holzforschung und das Unternehmen Infratec, das eine spezielle drohnentaugliche Infrarotkamera entwickeln soll. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert das Projekt mit insgesamt 1,1 Millionen Euro. Ziel ist es, die passive Thermografie zur Marktreife zu bringen.

Im Gegensatz zur aktiven Thermografie, bei der das zu untersuchende Bauteil beispielsweise mit einem Heizstrahler oder einem Laser erwärmt wird, wird bei der passiven Variante darauf verzichtet. „Bei großen Komponenten wie Rotorblättern ist das aktive Verfahren zu aufwendig und unpraktikabel“, so Krankenhagen.

Bei der passiven Thermografie werden dagegen die Sonneneinstrahlung, der Temperaturverlauf des Tags sowie weitere klimatische Einflüsse genutzt. „Entscheidend ist, genau dann zu messen, wenn der Temperaturkontrast zwischen intaktem Bereich des Bauteils und einem Bereich mit einem inneren Fehler am größten ist. Nur so lässt sich der an sich sehr schwache Effekt feststellen.“ Gute Zeitpunkte seien etwa der sonnige Morgen nach einer frostigen Nacht oder der Abend eines warmen Sommertags.

Auch darum soll es im EvalTherm-Projekt gehen: „Wir wollen die Wetterlagen identifizieren, bei denen die Thermografie am besten eingesetzt werden kann“. Die Forscher wollen dabei auch verstehen lernen, wie sich äußere Einflüsse wie die wechselnde Sonneneinstrahlung, Temperaturschwankungen oder Veränderungen der Windverhältnisse auf den Prozess auswirken, erklärt Krankenhagen. „Ein Rotorblatt hat eine große Oberfläche. Wenn drei Stunden die Sonne darauf scheint, hat das einen Einfluss auf die Messung.“

Größter Bestandteil des Projekts seien Messkampagnen im Feld zu verschiedenen Tages- und Jahreszeiten. Zusätzlich sollen laut Krankenhagen auch Simulationen mit aktuellen Wetterdaten und Wettervorhersagen durchgeführt werden, um die Messergebnisse besser interpretieren zu können.

Der Wissenschaftler erhofft sich durch die Thermografie eine „sichere, zuverlässige und zugleich kostengünstige Methode zur Inspektion von Rotorblättern.“ Daneben brauche es jedoch weiterhin das fotografische Verfahren, um äußere Schäden auf der Blattoberfläche erkennen zu können. Ein gutes System sollte also beides können.

Der BAM-Experte sieht vor allem im Offshore-Bereich großes Potenzial für die Thermografie. Vermutlich werde sie sich dort als erstes durchsetzen, weil Reparatureinsätze auf dem Meer aufwendig und teuer sind. Diese würden dadurch nicht überflüssig, könnten aber deutlich besser geplant werden.

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