Nach Analysen der Deutschen Energie-Agentur (Dena) lag die installierte Kapazität der Windenergie im On- und Offshore-Bereich Ende 2012 weltweit bei 282GW. Der überwiegende Teil davon befindet sich onshore in 77 Staaten. In 22 davon lag die kumulierte installierte Leistung bei über einem Gigawatt. Interessant sei laut Dena vor allem die steigende Zahl von Wachstumsmärkten insbesondere in Asien und Lateinamerika. Abgesehen von dieser Tendenz zeigen die Ergebnisse aber auch, dass neben der zunehmenden Bedeutung von außereuropäischen Staaten Europa hinsichtlich der Windenergie nach wie vor eine dominierende Rolle spielt. Bis 2020 soll vor allem in Deutschland, Spanien, Frankreich, Großbritannien und den Niederlanden ein umfassender Ausbau erfolgen. Parallel dazu entwickelt sich der Offshore-Windenergiemarkt sukzessive weiter. So war nach Dena-Angaben Ende 2012 eine Kapazität von über 5,4GW in entsprechenden Anlagen installiert. Auch hier gingen die größten Impulse für die Entwicklung neuer Windenergieanlagen von Europa aus. Zu den drei größten Märkten gehören demnach Großbritannien, Dänemark und Belgien. Außerhalb Europas ist China der wichtigste Offshore-Markt und auch Japan gehört zu den interessanten Märkten in diesem Bereich. Entscheidend für die weitere Ausbreitung dieser ökologischen Form der Energieerzeugung wird die Kostensenkung sein. Dena-Experten halten es aufgrund jüngster Untersuchungen für möglich, bis zum Jahr 2023 Kostensenkungen von rund 30% pro erzeugter Kilowattstunde zu erzielen.
Steuer- und Simulationssystem im direkten Dialog
Einen nicht unbedeutenden Anteil daran kann die zunehmende Standardisierung in Verbindung mit robusten und bewährten Komponenten bekommen. So bietet beispielsweise Siemens für die gesamte Automation von Windenergieanlagen aufeinander abgestimmte Systeme an, die leistungsfähig über Industrial Ethernet und den Profinet-Standard kommunizieren und entsprechend einfach im Aufbau sowie in der Handhabung sind. Hierzu gehört unter anderem die Anlagensteuerung, die sich individuell an die Gegebenheiten vor Ort anpassen lässt. Je genauer die Steuerung auf die tatsächlichen Wind- und Betriebsverhältnisse eingehen kann, desto besser kann die gesamte Konstruktion von Windenergieanlagen abgestimmt werden, um besagte Kostensenkungen zu erreichen. Um diesen Prozess zu vereinfachen, kommuniziert die echtzeitfähige Soft-SPS Simatic WinAC RTX von Siemens direkt mit der Simulationsumgebung Matlab/Simulink. Deren Anbieter ist ein weltweit vertretener Entwickler und Anbieter technischer Software für mathematische Berechnungen und modellbasierte Entwicklung. Das Zusatzmodul Simulink ist eine Blockdiagrammumgebung für die Mehrdomänen-Simulation und für Model Based Design. Mit dieser führenden Software entwickeln die Hersteller von Windenergieanlagen ihre individuellen Programme zum möglichst effizienten Betrieb und damit für eine möglichst hohe Energieausbeute – abhängig vom jeweiligen Aufstellort und der Windsituation. Was mithilfe der Simulation angepasst und ausgelegt wird, kann im Anschluss ohne Weiteres auf die Simatic-Anlagensteuerung übertragen werden. Hierzu wird der in der Simulations-Software generierte C-Code einfach per Ethernet-Leitung transferiert.
PID-Regler direkt an die Anlagensteuerung schicken
Dabei arbeitet die Soft-SPS in der Regel auf einem leistungsfähigen Standard-IPC des Typs 427 von Siemens. Die Echtzeitsteuerung ist so konfiguriert, dass sie das Target von Simulink, also die Methodik zur Kommunikation mit externen Systemen, problemlos versteht. Rundlauf, Blattlänge, Blattdesign, Unwuchten, Stark- und Schwachwindbedingungen, Böen sowie Strömungsverhältnisse und vieles mehr können so berücksichtigt werden, damit ein störungsfreier Anlagenbetrieb und gleichzeitig eine maximale Energieausbeute möglich werden. Nach erfolgter Parametrierung wird der neu berechnete PID-Regler aus der Simulations-Software über das erwähnte Target an die Simatic-Anlagensteuerung übertragen. Erwähnenswert ist, dass derselbe Graph auf der Steuerungsebene in Echtzeit dargestellt und von einem Servicetechniker vor Ort begutachtet werden kann. Sieht er die Notwendigkeit, weitere Anpassungen vorzunehmen, kann er dies auf der Steuerungsebene durchführen und so den ursprünglichen PID-Regler weiter optimieren, ohne dass er Matlab/Simulink benötigt.
Rückmeldungen aus der Steuerungsebene in die Simulation
Anschließend kann die Parametrierung des PID-Reglers in die Simulations-Software übernommen werden, sodass durch diese Art der Rückmeldung gewissermaßen ein geschlossener Regelkreis entsteht. Für Konstrukteure und Entwickler von Windenergieanlagen liegt darin der Vorteil, dass sie bestimmte – teils auch selten auftretende Ereignisse – wahrnehmen und gezielt darauf reagieren können. Ergo: Selbst wenn alle Anlagen in einem Windfeld mit derselben Basisparametrierung des PID-Reglers versehen sind, kann im Anlagenbetrieb entsprechend einfach eine individuelle Auslegung jeder einzelnen Windturbine durchgeführt werden. Bis zu zehn Prozent der mechanischen Kosten sollen auf diese Weise gespart werden können, schätzen Experten. Je individueller nämlich die Anpassung der Regelparameter erfolgt, desto gezielter kann die Auslegung mechanischer Komponenten wie Flügelgeometrien oder Lager erfolgen. Durch die stetigen Rückmeldungen aus der Anlagensteuerung lassen sich im Gegenzug wichtige Rückschlüsse auf Probleme im Anlagenbetrieb wie zum Beispiel erhöhte Betriebstemperaturen, Bauteilschwingungen oder Einbußen in der Netzqualität ziehen. Solche Informationen eignen sich hervorragend zur Bewertung der bisher genutzten Simulationsparameter.
