Wellenbewegungen im Meer enthalten hydrokinetische Energie. Und davon eine beachtliche Menge: Nach Angaben des Ocean Energy Council setzt eine Welle, die auf einer Länge von einer Meile entlang der Küste bricht, knapp 36.000kW an Leistung frei. Mit sogenannten Wellenenergiekonvertern, die im Meeresboden verankert werden, lässt sich das Potenzial nutzen. Sie wandeln die Energie in Strom um und transportieren ihn dann über ein Kabel zur Küste. Marcus Lehmann, der Gründer und CEO von CalWave arbeitet seit 2012 an seiner Version für erneuerbare Energie: dem Wellenenergiekonverter xWave. Mit an Bord ist die Automatitechnik von Bachmann Electronic.
Modellbasierte Entwicklung
Calwave entschied sich für den Ansatz der modellbasierten Entwicklung mit Simulink. So konnte das Unternehmen bereits anhand des Simulationsmodells die wechselseitigen Beeinflussungen der Wellen mit den mechanischen und elektrischen Komponenten exakt untersuchen. Parallel dazu wurden in Simulink auch die Regelungsalgorithmen, die Signalverarbeitung sowie der Zustandsautomat für die Maschine entworfen. Dies ermöglichte es, die komplette Regelung der finalen Maschine in der Simulation zu testen und einen Proof of Concept durchzuführen, noch bevor die ersten realen Komponenten verfügbar waren. Mit M-Target for Simulink ließen sich in Folge die Software-Applikationen für das Bachmann-Steuerungssystem direkt aus Simulink heraus generieren und anschließend parallel zu den weiteren C++-Programmen abarbeiten. Innerhalb des Steuerungs- und Regelungsprogramms wurden die Sensor- und Aktorsignale direkt über die Bachmann-Hardwareblöcke angebunden. Auch der über Ethercat verbundene Antriebsstrang bis hin zum Trigger eines Mailservers waren im Simulink-Modell integriert.
Macht flexibler: Teilapplikationen kapseln
Um möglichst flexibel zu sein, wurde das Simulink-Programm in einzelne Teilapplikationen gekapselt. Dazu wurden z.B. die Signalerfassung, die Maschinenregelung, der Zustandsautomat und die Signalausgabe in eigene Referenced Models gekapselt und einzeln abgenommen. Mit Hilfe des Model Builders, einem Block aus der M-Target-Bibliothek, ließen sich eigenständige Softwaremodule generieren und auf der MC220-CPU installieren. Diese Architektur erwies sich als entscheidender Vorteil. Sie ermöglichte es CalWave, durch Nachladen einer neuen Software beispielsweise den bestehenden Regelungskern durch eine neuere Variante zu ersetzen. Alle restlichen Software-Komponenten blieben von der Änderung unberührt. Die Anlage war dabei weiterhin in Betrieb, denn die Steuerung musste nicht neu gestartet werden.
Erster Langzeitversuch zur Nutzung von Wellenenergie
Einen halben Kilometer vor der Küste von San Diego startete das Unternehmen schließlich einen ersten Langzeitversuch zur Nutzung von Wellenenergie in Kalifornien. Dabei war es ein großes Anliegen, das System rund um die Uhr autonom in Betrieb zu halten. „Mit der Bachmann-Steuerung konnten wir mehr als 99 Prozent Verfügbarkeit des Gesamtsystems während des zehnmonatigen Pilotprojekts unter Realbedingungen erreichen“, erklärt Thomas Boerner, CTO bei CalWave. Während des Projekts seien keinerlei Eingriffe nötig gewesen.
Bachmann-Hauptstation mit MC220-Prozessor
Das xWave-System mit 15kW Nennleistung wurde über eine Bachmann-Hauptstation mit MC220-Prozessormodul gesteuert, die über Fastbus mit mehreren abgesetzten Unterstationen für die Antriebe verbunden war. Die Kommunikation zu den Antrieben erfolgte über Ethercat. Das GM260-Netzerfassungsmodul maß zuverlässig und schnell die relevanten Drehstromgrößen. Die Prozessorlast wurde geschickt auf die vier Kerne der CPU verteilt. Boerner zeigt sich beeindruckt: „Obwohl für die komplexen Regelungen mehr als 1000 Variablen zwischen den parallellaufenden Applikationsprogrammen ausgetauscht werden, übertraf die Systemlast der MC220-CPU selbst bei Nutzung eines einzelnen der vier verfügbaren Rechenkerne nie die 50-Prozent-Marke.“
Anlagenstatus stets im Blick
CalWave hatte während der gesamten Projektdauer den aktuellen Status der Pilotanlage stets im Blick: Mit dem Software-Oszilloskop Scope3 von Bachmann wurden die Systemdaten aufgezeichnet und historisiert. Die Visualisierung mit WebMI pro ermöglichte von jedem beliebigen Ort aus eine umfassende Anlagendiagnose und die gezielte Steuerung aller wichtigen Parameter. „Dank des zwölfstündigen Daten-Samplings aller relevanten Signale konnten wir die Vorgänge auf der Plattform ganz bequem und ohne Post-Processing verfolgen, wobei eine detaillierte Analyse mit hoher Datenrate natürlich weiterhin möglich bleibt“, ist Boerner erfreut.
Hilfreich: Simulink und C++
Eine Herausforderung bei der Entwicklung stellte die Komplexität des Antriebsstrangs und der Steuerung sowie die Signal- und Datenorganisation dar. Hier sei es sehr hilfreich gewesen, dass die Bachmann-Steuerung neben mit Simulink kompiliertem Code auch die Programmiersprache C++ unterstützt. „Diese Parallelität ist schon extrem stark. Wir haben keine andere Plattform gefunden, in der das so nahtlos integriert ist“, sagt Boerner.
Simulation in Echtzeit
Zukünftig wird CalWave sein mit SimScape-Blöcken aufgebautes Maschinenmodell auf der Bachmann-Steuerung in Echtzeit simulieren. Damit soll das Modell als eigenes Softwaremodul parallel zum restlichen Steuerungs- und Regelungscode auf der Betriebssteuerung abgearbeitet werden. Das Unternehmen verspricht sich davon unter anderem entscheidende Vorteile für seine Hardware-in-the-Loop-Tests. Einige Anlagenteile wie beispielsweise der Antriebsstrang werden real aufgebaut und über die I/O-Schnittstelle an das Bachmann-Automatisierungssystem angebunden. Physisch nicht vorhandene Komponenten werden dabei durch das Maschinenmodell simuliert.
100kW-Testanlage für Wellenenergie
Als nächsten Schritt planen die Spezialisten für Wellenenergie den Bau einer 100kW-Version der xWave-Architektur. Diese soll zwei Jahre lang in PacWave South betrieben werden – der ersten akkreditierten, netzgekoppelten und genehmigten Testanlage für Wellenenergie auf offenem Meer in den USA. Über vorinstallierte Kabel sollen von dort aus 20MW Leistung in das lokale Netz auf dem Festland gespeist werden. Hierbei möchte CalWave dann mit einem digitalen Zwilling arbeiten. Regelung und Simulationsmodell sollen in Echtzeit parallel laufen und die Ergebnisse des realen Systems mit denen der Simulation verglichen werden. „So können wir verschiedene Regelungskonzepte testen, bevor sie im realen System zum Einsatz kommen. Dieser datengetriebene Ansatz soll es uns schließlich auch ermöglichen, Systeme im Blick zu haben, die nicht mit Sensoren ausgestattet sind – und auch um xWave vorausschauend zu warten“, wagt Boerner einen Ausblick. Und dabei geht er sogar davon aus, dass er die dazu benötigte Rechenleistung parallel auf der MC220-CPU unterbringen wird.
CalWave´s Vision von der Kraft der Meereswellen
Das kalifornische Unternehmen CalWave Power Technologies hat es sich zur Aufgabe gemacht, zuverlässige, kosteneffiziente Meereswellentechnik für einen nachhaltigen Energiezugang zu entwickeln. Wellenenergie ist beständiger, vorhersehbarer und hat im Vergleich zu anderen Formen erneuerbarer Energien eine 20 bis 60 Mal höhere Energiedichte. Die patentierte Lösung wandelt diese Energie in Elektrizität um und will damit Küstengemeinden mit sauberer, zuverlässiger und kosteneffizienter Energie versorgen.
