Längeres Leben für Windkraft : Müssen Windkraftanlagen nach 20 Jahren stillgelegt werden?

In Deutschland müssen ohne eine Verlängerung der Betriebsgenehmigung in den nächsten Jahren etwa 12 Gigawatt installierter Windkraft-Leistung vom Netz genommen werden – fast ein Drittel der gesamten Kapazität. Die Kapazität in Österreich beträgt vergleichsweise bescheidene 3.500 Megawatt, aber auch hierzulande erreichen immer mehr Anlagen das kritische Alter. Mithilfe von „Structural Health Monitoring“ (SHM) lässt sich die Lebensdauer in vielen Fällen verlängern. Hinter dem Begriff steckt die Überwachung des Zustands von Turm und Fundamenten einer Anlage.

Mit Erreichen der in der Typenprüfung festgelegten Lebensdauer erlischt die Betriebserlaubnis einer Turbine. Für Betreiber stellt sich damit die Frage: Was tun? Ersatzlos abbauen oder eine neue Anlage errichten, idealerweise mit einer inzwischen verfügbaren höheren Leistung – Stichwort: Repowering? An den wenigsten Standorten wird dies jedoch möglich sein.

Ambitionierte Klimaschutzziele erfordern überdies den raschen Umbau der Energieversorgung auf erneuerbare Quellen. Damit spielt die nachhaltige Nutzung vorhandener Erzeugungskapazitäten eine immer größere Rolle. Zwar steigt dadurch die Wahrscheinlichkeit ermüdungsbedingter Schäden, aber oftmals haben die Anlagen noch Lebensdauerreserven. Wenn Daten aus einem CMS (Condition Monitoring System) vorliegen, kann der Betreiber im Rahmen einer sogenannten „Life Time Extension“ (LTE), zu Deutsch: Verlängerung der Lebensdauer, seine Anlagen in vielen Fällen länger betreiben.

Im analytischen Teil der BPW können Sachverständige mithilfe von Daten nachweisen, ob eine Komponente weniger Last erfahren hat, als bei ihrer Auslegung angenommen wurde. Liegen solche Daten nicht vor, müssen die standortspezifischen Lasten seit Inbetriebnahme auf Grundlage der Windverhältnisse und der verfügbaren Informationen unter Anwendung hoher Sicherheitsfaktoren zum Beispiel aus dem SCADA-System ermittelt werden. Obwohl dieser konservative Ansatz oftmals einen Weiterbetrieb unter Einhaltung von Auflagen ermöglicht, bleiben Potenziale für eine verlängerte Restlebensdauer meist ungenutzt, beispielsweise durch den Austausch von Komponenten und wiederkehrende Inspektionen.

Diese Potenziale möchte Bachmann zusammen mit Gutachtern durch eine Messdaten-gestützte, analytische Bewertung heben – unter Verwendung tatsächlich gemessener Lastdaten anstelle geschätzter standortspezifischer Lasten. Die Verwendung von Messwerten aus CMS und SHM ermöglicht einer Ermittlung der verfügbaren Restlebensdauer mit deutlich weniger konservativen Annahmen. Saathoff: „Anhand externer Bedingungen und Betriebsbedingungen der Anlage selbst berechnen wir Lasten und leiten die Ermüdung von Bauteilen sowie daraus die rechnerische Restnutzungsdauer ab.“

Die externen Bedingungen werden auf Basis statistischer Größen berechnet, die unter anderem aus Betriebsdaten der Anlage (zum Beispiel Richtungs- und Häufigkeitsverteilungen der Windanströmung sowie Turbulenzintensitäten) abgeleitet werden. Die in der Typenprüfung vom Hersteller eingerechneten Reserven werden zum Teil von Normen gefordert, fangen aber auch Toleranzen im Design der Anlage ab. Im Idealfall sind die Lasten am Standort kleiner als in der Typenprüfung zugrunde gelegt, woraus sich eine Restnutzungsdauer ergibt.

Ziel der Lifetime Extension (LTE) ist es, die einkalkulierten Sicherheitsfaktoren durch Messdaten-gestützte Betrachtung zu reduzieren und vorhandene Design-Reserven optimal zu nutzen. Hier kommt die Erfassung von Lastmessdaten mittels CMS und SHM ins Spiel. Idealerweise wird die erforderliche Sensorik bereits bei der Anlagenerrichtung installiert. Aber auch durch Nachrüstung lassen sich lebensverlängernde Potenziale besser ausschöpfen.

Ein triaxialer Beschleunigungsaufnehmer liefert Signale zur Beurteilung von Rotorblatt-Unwuchten, zur Überwachung des Strukturzustands und zur Bewertung der Eigenfrequenz von Türmen. Ein Cantilever-Sensor erfasst Lasten an den Turm- und Gründungsstrukturen. Nach der Datenerfassung geht es mit Software-Unterstützung an die Weiterverarbeitung. Mittels Rainflow-Zählverfahren etwa werden schadensäquivalente Lasten ermittelt.

„Je präziser die Grundlagen sind, auf die sich Sachverständige stützen, umso einfacher und zuverlässiger sind Potenziale zu identifizieren“, so der Bachmann-Experte Saathoff. „Structural Health Monitoring liefert dabei einen entscheidenden Mehrwert.“