Drehgeber Kostendruck bei Windkraftanlagen und höchste Ansprüche passen zusammen

Die Kübler Gruppe entwickelt und stellt Drehgeber für alle Drehzahl- und Positionierungsaufgaben einer Windenergieanlage her. Diese Produkte zeigen, dass Kostendruck bei Windkraftanlagen und höchste Ansprüche kein Widerspruch sein müssen.

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Kübler Gruppe

Regenerative Energien haben Hochkonjunktur. Dieser Satz galt in den vergangenen Jahren, und er hat auch heute noch seine Berechtigung. Allerdings gehört die Phase des ungebremsten Wachstums, bei dem die Frage nach den Kosten weitgehend ausgeklammert wurde, der Vergangenheit an. Sowohl die Energiepreise für die Verbraucher, aber eben auch die Aufwendungen für den Bau einer solchen Anlage, stehen in der Diskussion.

Der Druck hat sich eindeutig erhöht. Um weiter erfolgreich am Markt reüssieren zu können, müssen die Akteure diesem Trend Rechnung tragen. Gerade bei Windkraftanlagen wirkt sich dieser Preisdruck aus, der mittlerweile von vielen Experten schon als Preisverfall tituliert wird.

Die Kübler Gruppe hat darauf reagiert und zeigt, dass Kostendruck bei Windkraftanlagen und höchste Ansprüche kein Widerspruch sein müssen. Das Unternehmen entwickelt und stellt Drehgeber für alle Drehzahl- und Positionierungsaufgaben einer Windenergieanlage her. Die Positionierungsaufgaben erfüllt der neue Sendix-Multiturn-Drehgeber im 58er Gehäuse.

Diese vielseitige und robuste Geberfamilie wird in Pitch-Systemen eingesetzt, direkt am Motor oder als alleinstehender Blattgeber inklusive Messritzel und Montagewinkel. Dabei sind auch Sonderlösungen möglich, wie beispielsweise der Drehgeber Sendix 58 mit integriertem Resolver. Der Sendix F36 wiederum wird dank seiner kompakten Bauform häufig in die Getriebeendschalter für Pitch- oder Azimut-Systeme integriert.

Drehgeber von Kübler zur Drehzahlregelung leisten in Windenergieanlagen an mehreren Stellen im Antriebsstrang ihren Dienst. Lagerlose Magnetsysteme können die Drehzahl direkt an der Nabe messen. Die Messung der Rotordrehzahl- und Lage wird durch Sendix Drehgeber im Schleifring erledigt. Für die schnell drehende Generatorwelle bietet Kübler eine komplette Produktpalette an Hohlwellendrehgebern mit isolierter Welle an.

Ein weites Feld für einen großen Markt: Allein 2011 kamen weltweit annähernd 37 GW Energie aus neuen Windkraftanlagen dazu. Bei der durchschnittlichen Leistung von 1,8 MW wurden in dieser Zeit also rund 20.000 neue Windräder in Betrieb genommen.

In China rasant auf dem Vormarsch

Neben den ursprünglichen Märkten wie Deutschland hat die Windkraft gerade in China rasant an Bedeutung gewonnen. Planmäßig wurde in Fernost die neue Branche gefördert, mit dem Ergebnis, dass heute vier chinesische Hersteller unter den Top 10 rangieren. Sie belegen die Plätze 2, 3, 8 und 10. Einzig der dänische Hersteller Vestas konnte seine Spitzenposition verteidigen.

Zwar beliefern die chinesischen Hersteller bislang vor allem den heimischen Markt, doch ihre verstärkten Exportbestrebungen erzeugen einen extrem starken Preisdruck rund um den Globus.

Das Thema Funktionale Sicherheit gewinnt immer mehr an Bedeutung. Das gilt auch und gerade für Windenergieanlagen.

Kein Wunder, wenn man sich die absoluten Zahlen ansieht. 2011 forderten Hersteller aus Europa und den USA noch eine Million Euro pro Anlage; die Chinesen dagegen verlangten nur 330.000 Euro. Die Preise befinden sich im Sinkflug; seit dem Höchststand im Jahr 2009 gingen sie bis heute um 23 Prozent zurück. Tendenz fallend.

Kein Wunder also, dass neben der Steigerung der Effizienz die Senkung der Kosten im Mittelpunkt der Strategie eines jeden Herstellers steht. 20 bis 30 Prozent sind als Ziel ausgegeben. Jedes Teil kommt auf den Prüfstand, das gilt natürlich auch für die Sensorik. Und das, obwohl der Kostenanteil von Drehgebern in einer Windenergieanlage unter einem Prozent liegt. Doch sie bilden ein Steinchen im Mosaik, um am Ende die angepeilte Ersparnis zu erreichen.

Kosten sparen und höchsten Ansprüchen gerecht werden

Kosten sparen und gleichzeitig höchsten Ansprüchen gerecht zu werden – geht das zusammen? Für die Positions- und Bewegungssensorik antwortet Kübler mit einem eindeutigen Ja. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wendet das Unternehmen unter anderem drei wichtige Lösungsansätze an:

1. Lean Design: Material- und Kosteneinsatz optimieren

Unter dem Begriff Lean Design werden bei Kübler alle Maßnahmen zusammengefasst, die zu einer Verschlankung der Funktionalitäten des Sendix 58 Multiturn-Drehgebers mit optischem Getriebe führen. Verschlankung bedeutet hier keinesfalls Minderung, vielmehr handelt es sich dabei um Individualisierung. Alle Komponenten des Drehgebers wurden nach Funktionalitäten aufgelistet.

In einem zweiten Schritt wurde analysiert, welche der Funktionalitäten für Windanlagen erforderlich sind. All jene, die es nicht braucht, wurden weggelassen, der Drehgeber entsprechend umkonstruiert. Daraus entstand ein nachhaltiger Prozess, bei dem permanent auf gleichbleibende Qualitätsmerkmale geachtet wird.

Das Resultat ist ein Portfolio an absoluten Multiturn-Drehgebern mit individuellem Zuschnitt: Dazu gehören der kompakte Sendix F36, ein voll-optischer Drehgeber mit elektronischem Multiturn im 36er-Gehäuse, der effiziente Sendix F58, ebenfalls ein voll-optischer Drehgeber mit elektronischem Multiturn im robusten 58er-Gehäuse sowie der variable Sendix 58, der voll-optische Getriebe-Multiturndrehgeber.

2. Design To Cost (DTC)

Auch hier geht es um die passgenaue Entwicklung eines Drehgebers, damit Streuverluste und höhere Kosten vermieden werden können. Die Kosten werden neben technischen Leistungen und Terminen zu einem wichtigen Entwurfsparameter.

Auch diese Strategie hat sich die Kübler Gruppe auf ihre Fahnen geschrieben und die bestehende Produktreihe an Hohlwellen-Inkrementalgebern um einen Geber erweitert, der genau auf die Anforderungen der Generatordrehzahl in Windanlagen zielt. Dabei wurden – nach eingehenden Marktrecherchen – die geforderten Funktionalitäten nicht nur übernommen, sondern sogar verbessert. So führte die intensive Suche nach Spezifizierung zu Alleinstellungsmerkmalen der Kübler-Produkte.

Dazu gehört der Drehgeber Sendix 5020, kompakt und daher für Anwendungen bei eingeschränktem Platz prädestiniert, wobei die Wellenisolation über Isoliereinsätze erfolgt. Ebenso der A02H mit großer Hohlwelle. Bei diesem handelt es sich um einen schlanken Geber mit großen Kugellagern für erhöhte Lagerlast und großem Wellen-Durchmesser. Die Wellenisolation vollzieht sich über Isolierhülse mit Stahlinsert.

Das Trio komplettiert der Sendix Heavy Duty H120 für Anwendungen mit großen Lagerlasten und starken Lagerausgleichsströmen. Die Wellenisolation mit voll isoliertem Lageraufbau reicht bis 2,5 kV.

3. Intelligente Lösungen zur Erfüllung neuer Richtlinien (MRL 2006/42/EG)

Die neue Gesetzgebung erfordert eine sicherheitstechnische Betrachtung und gegebenenfalls die Aufrüstung von neuen Windenergieanlagen. Windanlagenbauer können auf bestehende Sicherheitsprodukte zurückgreifen und von Erfahrungen aus anderen Branchen profitieren. Hierfür bietet Kübler ein Portfolio aus sicheren Inkremental- und Absolut-Drehgebern, die passenden Sicherheitskompaktsteuerungen zur Überwachung von Drehzahl und Position wie auch aller anderen Sicherheitsmessgrößen einer Windanlage und die zugehörigen Erweiterungen wie BUS-Kommunikationsmodule.

Lange bevor die Maschinenrichtlinie (MRL 2006/42/EG) eine sicherheitstechnische Betrachtung von WEA gesetzlich bindende erforderte, wurde die Nabendrehzahl als die wichtigste Sicherheitskenngröße betrachtet.

Demnach wurde die Drehzahl neben der Betriebssteuerung durch ein getrenntes Drehzahlmodul und über Initiatoren, überwacht die eine Lochscheibe oder Schraubenköpfe an der Nabe abtasten. Weitere Kenngrößen wie Kabelverdrillung, Turmschwingung, Windrichtung, Not-Halt-Taster oder Rotorverblockung wurden von der Betriebssteuerung teilweise redundant ausgewertet und führten zum Herunterfahren der Windanlage.

Steuerungen haben häufig keine Drehgeberschnittstelle

Seit die Maschinenrichtlinie gesetzlich bindend durchgesetzt wurde, bieten namhafte Steuerungshersteller auch Sicherheitssteuerungen mit an. Diese überwachen sicher Eingangssignale, wie sie von den Endschaltern oder den Schwingungssensoren kommen. Meist haben sie allerdings keine Drehgeberschnittstelle und können hochfrequente Drehzahlsignale nicht auswerten. Daher mussten Hersteller zur Betriebsführung redundante und niederfrequente Sensoren verbauen, um die Rotordrehzahl sicher zu überwachen, oder weiterhin mit einem getrennten Drehzahlmodul arbeiten.

Beim Einsatz der SIL-Drehgeber von Kübler können die Drehgebersignale zur Betriebsführung wie auch zur Sicherheitsüberwachung verwendet werden. Die Signale können gesplittet werden, die Sicherheitssteuerung synchronisiert sich auf den SSI-Takt zwischen Drehgeber und Betriebssteuerung und überwacht sicher Drehzahl und Position. Das gilt für die Drehgeber an der Nabe, am Generator wie auch für die Azimut- oder Pitch-Verstellung.

Mit den sicheren digitalen und analogen Eingängen können die Safety-M-Module alle weiteren sicherheitsrelevanten Messungen einer Windenergieanlage überwachen. Dazu gehören Kabelverdrillung, Turmschwingung, Not-Halt Taster, Windrichtung, Verblockung und Wartungsluke, um nur einige zu nennen.

Kosten senken zu Lasten der Qualität wird abgestraft

Der Kostendruck wird bei Windanlagen weiter steigen, und das bei steigenden Sicherheitsanforderungen. Daher müssen die Hebel an vielen Stellen angesetzt werden, auch bei der Sensorik. Für Kübler steht fest, dass dieser Kostendruck und höchste Ansprüche sich nicht widersprechen. Wenn Anwendungswissen von Kundenseite und technisches Produktwissen von Lieferantenseite zusammengebracht werden und daraus eine passgenaue Lösung entsteht, dann können beide Ziele erreicht werden.

Und eines ist klar: Kostensenkung durch Einsparung unnötiger Funktionalität wird von Kunden dankbar angenommen, Kostensenkung zu Lasten der Qualität dagegen abgestraft. Diskussionen gibt es auch um den Einsatz von Sicherheitstechnik. Sie hat den Ruf des Preistreibers. Zu Unrecht: Richtig eingesetzt kann sie redundante Sensorik und redundante Auswertungen einsparen und somit Kosten senken. Zwei Voraussetzungen müssen allerdings gegeben sein, um all diese anspruchsvollen Ziele zu erreichen: Ein aktives Branchenmanagement und methodisches Vorgehen. (jv)

Link: Drehgeber von Kübler für Windenergieanlagen

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