Kleinwind-Energieanlagen Baukastenlösung sorgt für die schnelle Automatisierung

Autor / Redakteur: Carsten Schröder / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Im Bereich der Windenergie gilt Deutschland als Vorreiter. Dies trifft allerdings nicht auf das Feld der Kleinwind-Energieanlagen (KWEA) zu. Während Deutschland die Heimat vieler Hersteller von Multimegawatt-Anlagen sowie ihrer Zulieferer und Technologie-Lieferanten ist, sind die meisten KWEA-Anbieter im Ausland ansässig. Für alle Unternehmen stellt Phoenix Contact einen umfangreichen Baukasten an Komponenten, Systemen und Dienstleistungen zur Verfügung, mit dem sich die Anlagen schnell und wirtschaftlich automatisieren lassen.

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(Bild: Phoenix Contact)

Der Grund für die Konzentration der KWEA-Hersteller in anderen Ländern liegt in den unterschiedlichen Fördervoraussetzungen. In Deutschland werden den Betreibern sowohl kleiner wie auch großer Windenergieanlagen neun Cent für eine Kilowattstunde vergütet. Im Gegensatz dazu fördern zahlreiche Staaten gezielt Anlagen, deren Leistung unterhalb eines bestimmten Werts angesiedelt ist. Trotz dieses finanziellen Nachteils wächst auch in der Bundesrepublik die Anzahl der installierten KWEA. Dies resultiert nicht nur aus ihrer zunehmenden Effizienz, sondern ebenso aus den steigenden Strompreisen. Indem der erzeugte Strom selbst verbraucht werden kann, erhält der Betreiber nicht die Einspeisevergütung von neun Cent als Gegenwert. Diese entspricht vielmehr den eingesparten Stromkosten, die in der Regel deutlich über dem Betrag rangieren.

Genaue Anpassung an die jeweiligen Anforderungen

Vor diesem Hintergrund ist die Zahl der in Europa beheimateten Hersteller von KWEA ebenfalls erheblich gewachsen. Denn gemäß einer Prognose der Small Wind Manufacturers Worldwide Distribution wird sich die jährliche Neuinstallation von KWEA in den nächsten fünf Jahren mehr als verzehnfachen. Von derartigen Aussichten beflügelt, engagieren sich immer neue Unternehmen in der Entwicklung einer Kleinwindenergieanlage. Die beteiligten Betriebe kommen dabei aus den verschiedenen Bereichen des Maschinenbaus oder sind Spezialisten im Umfeld der Aerodynamik. Die Komplexität der Lösungen hat sich jedoch in den letzten Jahren stetig erhöht. Da die meisten Entwickler nicht auf die Konzeption und Umsetzung von WEA spezialisiert sind, müssen sie die eigenen Kompetenzen ausschöpfen und für die Bereiche, in denen kein Know-how vorliegt, fachkundige Unterstützung suchen.

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Einheitliche Serienlösung ist nicht möglich

Phoenix Contact arbeitet schon seit längerem mit KWEA-Herstellern zusammen und hat somit ein umfassendes Wissen hinsichtlich der Automation entsprechender Anlagen aufgebaut. Diese Expertise ist jetzt in einer modularen Lösung zusammengefasst worden, mit der sich nahezu jeder Kleinwindenergieanlagen-Typ innerhalb kurzer Zeit automatisieren lässt. Die Herausforderung ergibt sich dabei aus der Schaffung eines kostengünstigen Serienansatzes. Aufgrund der unterschiedlichen Konzepte der einzelnen KWEA-Hersteller erweist es sich allerdings als unmöglich, eine einheitliche Serienlösung zur Verfügung zu stellen, die von allen Anbietern eingesetzt werden kann. Deshalb lässt sich der von Phoenix Contact entwickelte Ansatz mittels einfacher Modifikationen an die Anforderungen fast jeder KWEA-Variante anpassen.

Modulare Zusammenstellung der Hard- und Software-Komponenten

Das umfangreiche Produkt-Portfolio des Blomberger Unternehmens ermöglicht den Aufbau einer flexiblen Automatisierungslösung. So kann der KWEA-Hersteller die Leistungsfähigkeit der verwendeten Steuerung genau an den Anforderungen der Anlagenregelung ausrichten (Bild 1). Gleiches gilt für das Überspannungsschutz-Konzept, das exakt auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anlage abgestimmt wird. Durch diese Wahlmöglichkeiten lassen sich auch Kleinserien kostengünstig produzieren.

Software-Bibliothek bildet das Herzstück

Das Herzstück der Automatisierungslösung bildet die Wind Power Control Library (WPCL). Die Software-Bibliothek, die inzwischen in einer zweiten, vollständig überarbeiteten Version vorliegt, umfasst im Grundlagen-Paket sämtliche Basisfunktionen, welche der Anwender zur Betriebsführung einer Kleinwindenergieanlage benötigt. Neben den Hauptfunktionen für die Regelung von Drehzahl und Drehmoment sowie der Windnachführung ist die gesamte Zustandsmaschine in der Haupt-Bibliothek WPCL enthalten. Zur Steuerung eines neuen Anlagentyps müssen nur noch die relevanten Bausteine zusammengefügt und die Parameter der Anlage entsprechend adaptiert werden.

Modulares Hardwarekonzept begegnet allen Anforderungen

Bei der Hardware bietet Phoenix Contact ebenfalls ein modulares Konzept, um allen Anforderungen der verschiedenen KWEA-Typen gerecht zu werden. Als Beispiel seien die Inline-Steuerungen genannt, die mit einer unterschiedlichen Anzahl an ankoppelbaren I/O-Punkten, unterstützten Teilnehmern und Ethernet-Ports sowie verschiedenen Bearbeitungsgeschwindigkeiten, Programm- und Datenspeichern erhältlich sind. Mit dem beschriebenen Automatisierungsansatz lässt sich selbst eine Multimegawatt-Anlage realisieren, wobei die vielfältigen Erfahrungen, die Phoenix Contact in diesem Umfeld gewonnen hat, auch in die Umsetzung von KWEA einfließen.

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Die Inline-Steuerungen eignen sich insbesondere für Kleinwindenergieanlagen, weil sie je nach Version bereits ein GSM-Modul beinhalten. Sollte sich der Anwender für eine andere Inline-Steuerung entschieden haben oder einen DSL-Anschluss bevorzugen, kann das System um ein entsprechendes Modem ergänzt werden. Die Geräte der Produktfamilie MGuard verfügen über eine integrierte Firewall inklusive einer VPN-Nutzerverwaltung. Auf diese Weise gestaltet sich der Zugriff via Internet nicht nur schnell, sondern auch zugriffssicher.

Hohe Verfügbarkeit und Sicherheit der Applikation

Selbst wenn bei vielen KWEA nicht die Notwendigkeit einer Rund-um-die-Uhr-Überwachung besteht, möchten zahlreiche Betreiber aus der Ferne auf sie zugreifen können. Die Portal-Lösung von Phoenix Contact ermöglicht daher einen solchen Fernzugriff über ein effizientes proprietäres Protokoll auf Basis von Ethernet TCP/IP. Neben einer Vielzahl von Statistik- und Service-Funktionen unterstützt das System die Einbindung von mobilen Geräten wie Tablet-PCs oder Smartphones.

Kleinwindenergieanlagen müssen ebenso wie die größeren WEA-Typen die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG erfüllen. Das stellt viele Hersteller vor eine Herausforderung, da sie keinerlei Erfahrung in diesem Bereich haben. Deshalb umfasst das Dienstleistungs-Spektrum von Phoenix Contact nicht nur eine Risikobeurteilung der Anlage, sondern begleitet den KWEA-Anbieter über den gesamten Sicherheitslebenszyklus bis zur Zertifizierung. Darüber hinaus wird ein umfassendes Portfolio an Safety-Komponenten angeboten, mit dem sich alle sicherheitsgerichteten Anforderungen einfach und schnell umsetzen lassen. Das Spektrum, das von einfachen Sicherheitsrelais bis zur integrierten Sicherheitssteuerung reicht, ist dabei stets genau auf die individuellen Bedürfnisse ausgerichtet.

USV sorgen für sicheren Betrieb

Fällt das Netz aus, sollte die Windenergieanlage noch so lange mit Strom versorgt werden, bis die SPS fehlerfrei heruntergefahren und die Anlage in einen sicheren Zustand gebracht ist. Dazu wird die Steuerungslösung mit modularen unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) und Batteriesystemen ausgestattet. Die Geräte lassen sich je nach Energiebedarf in der passenden Baugröße einplanen. Sie sind für starke Vibrationen sowie extreme Temperaturbereiche ausgelegt, damit die Notstromversorgung jederzeit sichergestellt ist.

Zusätzliche Informationen durch autarke Messgeräte

Falls in der Umgebung der Kleinwindenergieanlage ein Blitz einschlägt, muss die empfindliche Elektronik der in ihnen verbauten Geräte – wie der Umrichter – vor auftretenden Überspannungen geschützt werden. Zu diesem Zweck wird die Steuerung optional mit entsprechenden Komponenten ausgerüstet. Für jede Spannungsklasse ist der passende Ableiter erhältlich, sodass sich die Automatisierungslösung immer an die jeweiligen Gegebenheiten adaptiert. Auf Wunsch beinhalten die Überspannungsschutz-Geräte einen Monitoring-Ausgang, der von der Steuerung überwacht werden kann. Auf diese Weise wird dem Betreiber bereits in der Fernüberwachung angezeigt, wenn ein Ableiter vorgeschädigt oder sogar defekt ist.

Autarke Messegeräte liefern aktuelle und kumulierte Daten

Viele KWEA sind so einfach konstruiert, dass keine separate SPS benötigt wird. Trotzdem möchte sich der Betreiber oftmals mehr Daten über die erzeugte Energie anzeigen lassen, als er den monatlichen Abrechnungen des Energieversorgers entnehmen kann. Daher stellt Phoenix Contact eine Auswahl an Messgeräten zur Verfügung, die autark in der Kleinwindenergieanlage installiert werden und direkt vor Ort oder über die Steuerung weitere aktuelle und kumulierte Daten liefern. In Kombination mit den Steuerungen und entsprechender Software, I/O-Modulen, Modems, Stromversorgungen sowie Safety- und Überspannungsschutzgeräten liegt somit ein Baukasten vor, mit dem sich jeder KWEA-Typ schnell und wirtschaftlich automatisieren lässt. (mz)

* Dipl.-Wirt.-Ing.(FH) Carsten Schröder Mitarbeiter im Industry Management Wind Energy, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont

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