Vor Eis warnen, bevor es sich bildet

Eiserkennung bei Windkraftanlagen ist insbesondere in der Nähe von öffentlichen Straßen notwendig.

Eiserkennungssysteme für die Rotorblätter von Windenergieanlagen sind auf dem Vormarsch. Sie sollen verhindern, dass Anlagen mit dicken Eisplatten und Unwuchten laufen oder umherfliegende Teile Mensch und Umwelt gefährden.

Der nächste Winter kommt bestimmt. Wenn eine Vereisung der Rotoren droht, müssen Anlagen so lange still stehen, bis die Sensorik wieder grünes Licht für das eisfreie Anfahren der Maschinen gibt. Solche Vorgaben zum Schutz gegen Eisabwurf finden sich beispielsweise im Merkblatt für die Genehmigung von Windkraftanlagen in Rheinland-Pfalz, aber auch in Österreich, der Schweiz oder in Skandinavien gibt es diesen Trend. Daher wächst der Markt für entsprechende Systemlösungen. Um lange Stillstandzeiten zu vermeiden, besteht die Kunst darin, den realen Eisansatz sowie die Eisfreiheit der Blätter möglichst zuverlässig zu detektieren.

System warnt bevor sich überhaupt Eis bildet

In dieses Geschäft will auch die Leine-Linde Systems GmbH einsteigen und wird dazu auf der Messe Husum Wind im September ein überarbeitetes Eiserkennungssystem vorstellen. Das Unternehmen entwickelt und verkauft schon länger Eissensoren, die beispielsweise an Autobahnen vor Glatteis warnen. Dafür werden keine Frequenzen, sondern die Temperaturen und die Luftfeuchtigkeit erfasst. Weil sich das Eis an den Rotoren überwiegend im Betrieb bildet, werden aus den Umgebungsbedingungen Parameter für eine mögliche Vereisung und den besten Zeitpunkt der Abschaltung gebildet. Überprüfen lassen sich die Informationen durch eine zusätzliche Kamera am Maschinenhaus. Bisher hat Leine-Linde 30 Systeme bei Kunden im Test. Prüfen soll das Konzept ein unabhängiges Institut. „Unser System warnt schon, bevor sich überhaupt Eis bildet“, sagt Verkaufsmanager Jürgen Millhoff.

Aus der Pflicht zur Eiserkennung will eine ganze Reihe von Anbietern gleich die Kür machen und Sensoren für die komplette Strukturüberwachung der Rotorblätter nutzen. Analog zum Condition Monitoring (CMS) für den Triebstrang lassen sich so auch beginnende Schäden und Eis an den Flügeln mit einem System erfassen. „Die Blattüberwachung ist der nächste Schritt. Dafür wird die Verschiebung der Eigenfrequenzen der Rotoren mit Sensoren gemessen. Das Know-how liegt klar in der Auswertung der Signale, um den Eisansatz zuverlässig zu detektieren und auch Inspektionskosten im Rahmen der wiederkehrenden Prüfungen zu sparen. Solche Systeme gewinnen an Bedeutung, weil der Nutzen die Kosten überwiegt“, sagt Karl Steingröver vom Industrial Service des Germanischen Lloyd.

Drei Systeme sind bereits zertifiziert

Das Prüfinstitut hat bisher drei Anbietern die Tauglichkeit ihrer Systeme zertifiziert. Dazu gehören neben Bosch Rexroth seit Kurzem auch die fos4X GmbH sowie die Wölfel Beratende Ingenieure GmbH. Das IDD Blade von Wölfel hat pro Blatt einen Sensor, der auf Änderungen in der Eigenfrequenz der Blätter reagiert und bereits zusätzliche Massen zwischen 10 und 20 Kilogramm detektiert. Das System wird zunächst auf der Maschine angelernt, um die Referenzwerte für jedes Blatt zu bestimmen. Das betrifft die Steifigkeit, die Masse und Toleranzen der Flügel zueinander. Danach warnt es die Betriebsführer durch eine Ampel oder schaltet die Maschine über festgelegte Parameter in der Steuerung automatisch ab. Zuverlässig arbeiten soll die Technik bereits ab Windgeschwindigkeiten von 2 Meter je Sekunde (m/s). „Wir können auch bei Stillständen oder im Trudelbetrieb messen, weil die Anregung durch den Wind bereits ausreicht. Außerdem ist das IDD in der Lage, Risse ab einer Größe von 10 Zentimetern zu erfassen, weil Änderungen in der Struktur die Steifigkeit des Blattes und damit die Frequenzen beeinflussen“, sagt Bernd Wölfel vom Projektmanagement. Dabei meldet das System hinterher auch die Eisfreiheit der Flügel und ist für den automatischen Neustart der Anlage zugelassen. So entfallen direkte Sichtkontrollen im Windpark. Bis Ende 2015 hat der Anbieter noch einen exklusiven Vertrag mit Nordex.

In die gleiche Richtung zielt das System von fos4X, das ab Windgeschwindigkeiten von 3 m/s erkennt, ob sich Eis am Flügel bildet oder nicht. Die Zertifizierung ist bereits abgeschlossen. Grundlage für die Eiserkennung des fos4X Blade BID-Systems sind zwei faseroptische Sensoren für die Messung der Beschleunigung und Dehnung in jedem Blatt. Sie brauchen keine elektrische Energie, weil die Signale per Lichtwellenleiter und Glasfaser übertragen werden. Diese faseroptische Sensorik ist das Kerngeschäft des 2010 gegründeten Unternehmens. Weil die Messtechnik immer gleich ist, soll die Eiserkennung aufgestockt werden. „Wir wollen auch die Blattlasten und sich abzeichnende Schäden erfassen und die Verstellung der einzelnen Blätter in Echtzeit ermöglichen“, so Stefan Eichhorn von fos4X. Dazu laufen bereits Testreihen mit mehreren Herstellern.

Der Nutzen für Betreiber liegt einerseits darin, dass sie mit solchen Systemen ein CMS für Rotorblätter an die Hand bekommen. Andererseits können sie damit behördliche Auflagen erfüllen längere Stillstände vermeiden. Die Kosten sollen sich vor allem in Zonen mit häufigen Vereisungen schnell rechnen. Für den automatischen Neustart muss die Sensorik zweifelsfrei detektieren, dass die Blätter wieder eisfrei sein. „Die Informationen werden über Schnittstellen an die Steuerung übertragen. Es gibt aber auch Behörden, die für einige Windparks einen jährlichen Funktionstest verlangen. Bisher werden solche Systeme nur in Rheinland-Pfalz verlangt. Diese Anforderungen werden aber auch in anderen Bundesländern Schule machen“, schätzt Dr. John Reimers von der Bosch Rexroth Monitoring Systems GmbH, die bereits 1000 Systeme verkauft hat.

 WID Redaktion