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Wann Windenergieanlagen nach der Entwurfslebensdauer weiterbetrieben werden können

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Deutlich anders sieht das Schwingverhalten bei einem Notstopp wegen eines Pitchsystemfehlers während des Nennlastbetriebs aus (Bild 4). Solche Fehler dürfen wegen der hohen Lasten nur wenige Male pro Jahr auftreten. Der schnelle Zusammenbruch des Schubs bewirkt hohe, lang andauernde Axialschwingungen (rot) sowohl des Turms als auch der Blätter.

Bild 5 zeigt für einen im Turmkopf installierten DMS das Lastkollektiv für die 10-min Zeitreihe ab 5 min vor dem Notstopp wegen des Pitchsystemfehlers sowie das Lastkollektiv für den 10-minütigen Normalbetrieb davor. Die Maximalschwingungen durch den Notstopp liegen deutlich höher, die großen Amplituden haben höhere Lastwechselzahlen. Bei der Auswertung werden die Maximalamplituden wegen gleichzeitigen Blattschwingungen ohne geeignete Filterung stark unterschätzt. Dies zeigt, dass Stoppvorgänge bei der Beurteilung des Weiterbetriebs beachtet werden sollten. Ohne eine zugehörige Betriebsdatenaufzeichnung sind solche ermüdungsrelevanten Sonderereignisse in ihrer Häufigkeit jedoch nicht abschätzbar, was bei der Unsicherheitsanalyse der ermittelten Restnutzungsdauer berücksichtigt werden sollte.

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Erkenntnisse zur Übertragbarkeit auf Nachbar-WEA

Für den Vergleich mit der baugleichen Nachbar-WEA liegen die simultan ermittelten 10-min-Betriebsdaten vor. Für Windgeschwindigkeit, Rotordrehzahl und Leistung sind außer dem Mittelwert auch die Minimal- und Maximalwerte aufgezeichnet, was bei wenigen WEA-Typen der Fall ist. In Bild 6 sind die Werte eines 17-tägigen Zeitraums, inklusive des Sturms am 31.3.2015, dargestellt. Je Messgröße ist auch die lineare Trendlinie hinzugefügt.

Bild 6 zeigt, dass die untersuchte Windenergieanlage mit ihrem Gondel-Anemometer zeitgleich zwar eine höhere Windgeschwindigkeit misst, jedoch wegen ihrer angepassten Kennlinie deutlich niedrigere Drehzahlen fährt. Dies bedeutet, dass die Nachbar-WEA im gleichen Zeitraum deutlich höhere drehzahlbedingte Lastwechselzahlen aufweist und verschieden oft in der Resonanz fährt. Im Sturm am 31.3.2015 sind beide Anlagen ungestört angeströmt und schalten nicht ab. Das Gondel-Anemometer der untersuchten WEA misst eine extreme Betriebsbö von über 50 m/s, die Nachbar-WEA simultan nur maximal 28 m/s. Dies zeigt, dass selbst benachbarte WEA nicht nur durch Nachlaufeffekte deutlich unterschiedliche externe Windeinwirkung erfahren.

Solche extremen Betriebsböen sind für das Lastkollektiv relevant. Für die meisten WEA-Typen werden jedoch die Maximalwerte nicht gespeichert, sodass diese Betrachtungen nicht möglich sind. Dies verdeutlicht, dass es für die Beurteilung des Weiterbetriebs sehr sinnvoll ist, einen möglichst großen Umfang an Betriebsdaten der WEA auszuwerten – trotz des erforderlichen Zeitaufwands.

Obwohl bezüglich der simultan gemessenen mittleren und maximalen Leistung (Bild 7), die Nachbar-WEA niedrigere Werte aufweist, hat sie im betrachteten Zeitraum einen um 0,4 % höheren Energieertrag und laut Betreiber stets eine etwas höhere Energieproduktion pro Jahr. Die untersuchte Anlage weist deutlich höhere Leistungsspitzen auf. Außerdem verzeichnet die Nachbar-WEA im Zeitraum der Lastmessung keine Abschaltungen wegen Turmschwingungen, die untersuchte WEA hingegen über 40 s, vor allem im durch nachlauf gestörten Windsektor.

Tagung zu Schwingungen und Dynamik von Windenergieanlagen

Dies verdeutlicht, dass die Übertragung von Ergebnissen einer Lastmessung auf Nachbar-WEA detaillierte Untersuchungen erfordert. Weiterhin sollten einige repräsentative Beschleunigungsmessungen in beiden WEA-Gondeln durchgeführt werden, um beispielsweise die Eigenfrequenzen und andere ermüdungsrelevante Parameter (Massenunwucht und Blattwinkelfehler) zu bestimmen und die Übertragbarkeit von Lastmessdaten zu analysieren. Auch für die korrekte Parametrierung einer analytischen Neuberechnung sind solche Messungen sehr zu empfehlen. Das Forschungsprojekt zeigt klar den Nutzen von Messungen an der individuellen WEA im Rahmen der Beurteilung des Weiterbetriebs.

Wie sich die wirtschaftliche Restlebensdauer einer WEA abschätzen lässt und welche Voraussetzungen, Messverfahren und Auswertungen hierzu nötig sind, führt Dr.-Ing. Christoph Heilmann von der Berlinwind GmbH im Detail auf der VDI-Tagung „Schwingungen und Dynamik von Windenergieanlagen“ aus. Diese findet am 7. und 8. Juni 2016 in Bremen statt. Hersteller, Zulieferer, Dienstleister und Betreiber diskutieren Lösungen zu den Themen Schwingungsmessungen, -analyse und Simulation. Schwerpunktthemen sind weiterhin die Schallemissionen von WEA, die Variation von WEA-Eigenfrequenzen aufgrund von Alterung, Fertigungstoleranzen und Betriebsbedingungen sowie Schwingungsbeurteilung und deren Integration in die Überwachung großer Anlagenpopulationen.

* Dipl.-Ing. R. Kamieth ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Prof. Dr.-Ing. Robert Liebich ist Leiter des Fachgebiets Konstruktion und Produktzuverlässigkeit am Institut für Konstruktion, Mikro- und Medizintechnik der TU Berlin. Dr.-Ing. Christoph Heilmann ist Leiter der Forschung und Entwicklung bei der Berlinwind GmbH in 12161 Berlin. Dipl.-Phys. Andreas Mühlbauer ist freier Journalist in Heidelberg.

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