Sicherheit für kritische Systeme: USVs sorgen für sichere Windenergieanlagen

Nach einem Expertenausblick von Herstellern unterschiedlicher Stromerzeugungstechnologien soll die Windenergie bis 2030 fast 25 Prozent zur gesamten Stromproduktion in der EU beitragen. In Deutschland wird im selben Zeitraum mit einer Verdreifachung, in der EU sogar mit einer Verfünffachung der Windenergiekapazitäten gerechnet. Doch von der Planung und Entwicklung über die Errichtung bis zum sicheren und wirtschaftlichen Betrieb werden große Windenergieprojekte von zahlreichen Herausforderungen begleitet: finanziell, rechtlich und natürlich auch technisch. Ohne USV funktioniert nichts Eine dieser technisch anspruchsvollen Herausforderungen ist die Gewährleistung der Stromversorgung innerhalb der Windenergieanlage. Um dies zu erreichen, werden USV-Anlagen eingebaut, die im Ernstfall sicherstellen, dass kritische Systeme steuerbar bleiben und die Anlage sicher ist. So gibt der Gesetzgeber beispielweise vor, dass Flughindernisse bei Tag und Nacht kenntlich gemacht werden. Am Tag erfolgt die Markierung in der Regel durch Farbe, für die Nachtkennzeichnung ist ein Hindernisfeuer oder Gefahrenfeuer vorgesehen. Ebenfalls gesetzlich vorgeschrieben ist die Absicherung gegen Lampenschaden und Stromunterbrechung. Überdies dürfen Bremsanlagen oder die Steuerung der Drehung der Rotorblätter in ihrer Längsachse, der sogenannte Pitch, keinesfalls ausfallen. Die Betreiber von Windenergieanlagen gehen kein Risiko ein. Wenn die USV einen Ausfall meldet, zum Beispiel, weil die Akkus defekt sind, wird die Turbine in dieser Anlage gestoppt, bis der Fehler behoben ist. Das verursacht selbstverständlich Kosten. Die USV ist auch für das Monitoring von essenzieller Bedeutung. Denn ohne Strom liefert die Windenergieanlage keine Sensordaten mehr, die für einen sicheren Betrieb unbedingt notwendig sind. Neben dem Auffangen eines Totalausfalls hat eine USV die Aufgabe, starke Schwankungen, sowohl in der Spannung als auch in der Frequenz, auszugleichen. Schafft das die USV, ohne in den Batteriemodus zu schalten und damit die Batteriereserven anzugreifen, erhöht das die Lebensdauer der Akkus und verbessert die Verfügbarkeit des Gesamtsystems. Die USVs der PMC-Serie von Rittal sind beispielsweise in der Lage, einen Frequenzbereich zwischen 35 und 70 Hertz ohne Rückgriff auf die Akkus abzufangen. Schnelle Informationen notwendig Ein wachsender Sektor im Bereich der Windenergie sind Offshore-Anlagen. Besonders hier gelten hohe Anforderungen an die Technik, weil zur Wartung längere Strecken über Wasser zurückgelegt werden müssen. Trotzdem benötigen die Techniker jederzeit aktuelle Zustandsdaten der USV, deren Ausfälle aus Sicherheitsgründen zum sofortigen Stopp der Turbine führen. Alle Systeme, darunter auch die USVs, haben eine Netzwerkanbindung, die über SNMP Statistikdaten und Zustände an den Leitstand liefert. Es ist daher wichtig, dass die ausgewählten USV-Anlagen zunächst einmal überhaupt über eine SNMP-Schnittstelle verfügen und zum anderen streng am Standard ausgerichtet sind. Die SNMP-Implementation der Leitstandsoftware muss perfekt zum SNMP-Protokoll der USV passen. Das ist nicht beim jedem USV-Hersteller selbstverständlich. Um einen weiteren Sicherheitskanal für den Informationsfluss zu haben, nutzen die Anlagenanbieter von Windenergiesystemen auch einen drahtgebundenen Signalweg. Jede USV ist über potenzialfreie Kontakte \’hart\‘ mit der Leitzentrale verkabelt. Damit werden die wichtigsten Notsignale wie \’Defekter Akku\‘ übermittelt, aber auch ein Shutdown eingeleitet, wenn die USV zu lange vom Netz getrennt ist, beispielsweise bei einem länger dauernden Ausfall. Liefert die USV bis zum \’letzten Tropfen\‘ Strom, würden die Akkus in die Tiefentladung fahren und Schaden nehmen. Die resultierende Lebensdauer sinkt dann dramatisch. Modulares Konzept erleichtert Einbau und Austausch Für den Einsatz in einer schwer zugänglichen Umgebung, zu der Lasten nur über eine Winde oder einen Lastenaufzug transportiert werden können, ist ein geringes Gewicht der USV-Anlage wichtig und beim Kauf ein enormes Entscheidungskriterium. Hier sind transformatorlose USV-Systeme, die auch von Rittal angeboten werden, klar im Vorteil. Durch den fehlenden Ausgangstrafo sinken nicht nur die elektrischen Verluste, sondern auch das Gewicht. Je kompakter und leichter eine USV ist, desto einfacher wird es für die Entwickler der Windenergieanlage, Platz für das Gerät in der engen Gondel zu finden. Der zweite große Gewichtsfaktor in einer USV sind die verwendeten Akkus. Weil es sich dabei um Verschleißteile handelt, sind deren Position und Zugänglichkeit besonders wichtig. Rittal baut die Akkus in spezielle Rack-Schubladen ein, mit denen sich ein Tausch bequem und schnell durchführen lässt. Bei größeren Anlagen sind auch modulare Konzepte mit einem redundanten n+1-Aufbau möglich. Dort teilen sich mehrere Leistungsmodule die Versorgung der Last. Fällt ein Modul aus, übernehmen die anderen Einschübe dessen Rolle. Servicetechnikern erleichtert diese Bauweise den Einsatz: Es wird getauscht statt repariert. Die Mean-Time-To-Repair (MTTR) wird dadurch deutlich reduziert. Besonders vorteilhaft: Auch der Windenergieanlagenhersteller kann das fehlerhafte Modul austauschen, ohne dass ein Technikereinsatz von Rittal notwendig wird. Die meisten Hersteller von Windenergieanlagen legen neben der Batterielebensdauer ihren Auswahlschwerpunkt auf Größe und Wartungsfreundlichkeit der USV. Je kompakter das Gerät ist und je schneller und einfacher ein Austausch bei Fehlern durchgeführt werden kann, desto besser. Längere Wartungsintervalle gefragt Die Gondel einer Windenergieanlage ist für eine USV kein optimaler Aufstellort. Denn in kleineren Anlagen gibt es keine aktive Kühlung, nur Filterlüfter sorgen für den Luftaustausch. Die USV ist der Umgebungstemperatur mehr oder weniger schutzlos ausgesetzt. Für die verbauten Akkus sind das keine guten Nachrichten, ihre Lebensdauer und Zuverlässigkeit hängt maßgeblich von der Temperatur ab. Standard-USVs erreichen die zugesicherten Standzeiten nur bei einer konstanten Umgebungstemperatur von 20°C. Weichen die Werte stark davon ab, wird aus einem 3-Jahres-Wartungsintervall schnell ein ungeplanter Austausch nach 10 Monaten. Ein Weg, um diese Problematik anzugehen, ist der Einsatz von Rittals TempExtend-Technologie: Diese Batterien haben eine höhere Toleranz gegenüber Temperaturabweichungen, im Nennbetrieb können sie mit bis zu 15 Jahren Lebensdauer spezifiziert werden. Bei den stark schwankenden Temperaturen in der Gondel – der Bereich geht von -30 bis +60°C – sind jedoch in der Praxis immer noch Wartungsintervalle von 3 Jahren und mehr möglich. Zwar sind TempExtend-Akkus teurer als handelsübliche Batterien, doch die Mehrkosten fallen bei den enormen Aufwendungen für Wartungseinsätze einer Windenergieanlage nicht ins Gewicht. Würde eine Offshore-Turbine durch so einen Akkuausfall zwangsgestoppt, müsste sie bis zum nächsten regulären Wartungseinsatz stillgelegt bleiben. Verfügbarkeit und Lebensdauer von Akkus erhöhen Ein anderer Weg, um die Verfügbarkeit und Lebensdauer von Akkus zu erhöhen, ist die Kontrolle der Umgebungsbedingungen: Von Rittal gibt es Batterielösungen in kleinen Gehäusen, die mittels einer Schrankklimatisierung auf 20°C-Umgebungstemperatur gehalten werden. Um die Knallgasentwicklung zu vermeiden, kommt eine Zentralentgasung zum Einsatz. Dieses Konzept könnte auch im größeren Rahmen für Vorteile beim Hersteller von Windenergieanlagen sorgen. Denn die Schranksysteme lassen sich mit den elektrischen Anlagen und elektronischen Steuersystemen bestücken. Dadurch ließe sich die Diversität vieler unterschiedlicher Zulieferer deutlich reduzieren. Selbst wenn die USV nur ein Element im komplexen System Windenergieanlage ist, kommt ihr doch eine entscheidende Bedeutung für die Verfügbarkeit zu. Bei einem Ausfall steht die Turbine, erzeugt keinen Strom und macht einen äußerst kostspieligen Serviceeinsatz notwendig. Wenn der USV-Hersteller durch Schaltungsdesign und Materialauswahl die Verfügbarkeit erhöhen kann, sollten etwaige Mehrkosten schlichtweg keine Rolle spielen. Halle 2, Stand G 12