Rotorblätter auszutauschen ist kostspielig

In den optischen Fasern, integriert beispielsweise in einem Rotorflügel, verändert sich die Ausbreitung von Lichtwellen schon bei kleinsten Verformungen. Diese Änderungen lassen sich sehr gut messen. Genau und zuverlässig offenbaren sich so unerwünschte Vibrationen oder Unwuchten im Rotorlauf.

Ein Vorreiter dieser Technologie ist das Münchener Startup fos4X, das 2020 von dem dänischen Technologieunternehmen Polytech übernommen wurde. Für Betreiber von Windkraftanlagen lohnt das Investment in mehr Sensorik und eine ausgeklügelte Regelung. Denn es verringert das Risiko für Schäden an den Rotorblättern, die im Extremfall weit vor Ablauf einer 20-jährigen Betriebsdauer kostspielig ausgewechselt werden müssten.

"Der Trend weist definitiv zu immer intelligenteren und ausgefeilteren Einzelanlagen", sagt Frank Lemmer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Windenergie der Universität Stuttgart. Auch alle namhaften Hersteller von Vestas über Siemens Gamesa bis Enercon preisen die ausgefeilte Sensorik und Regelungstechnik ihrer Windräder an.

Zu den technischen Details halten sie sich allerdings sehr bedeckt. Wie genau die einzelnen Messgrößen von der Steuerungssoftware für eine optimierte Betriebsführung des Windrads verarbeitet werden, verraten sie nicht. Eine deutliche, die Anlagen schonende Reduzierung der Lasten versprechen alle Hersteller.

So zählt beispielsweise eine schnelle Verstellung der einzelnen Rotorblätter beim Passieren des Turms zum Standard. Bei jeder Rotorumdrehung wird so dreimal der sogenannte Turmvorstau vermieden, der Schwingungen erzeugt und Rotor und Lager belasten würde.

Die individuelle Verstellung des Rotorblattes über die Pitchmotoren ist mit bekannter Rotordrehzahl eine seit langem etablierte Methode. Noch besser wäre allerdings eine vorausschauende Regelung, um Rotorblattstellung und Generatorstrang optimal auf wenige Sekunden später auftreffenden Wind anzupassen. Daher wächst das Interesse der Windkraftbetreiber an Lidar-Systemen.

"Im Augenblick ist Lidar noch zu teuer"

Dieses Verfahren nutzt eine Frequenzverschiebung von reflektierten Laserstrahlen über den Doppler-Effekt. Diese Verschiebung hängt direkt mit der Windgeschwindigkeit zusammen, die sich so zwei bis drei Rotordurchmesser vor einem Windrad bestimmen lässt. Doch liefert ein Lidar nur eine Komponente der Windgeschwindigkeit parallel zum Laserstrahl.

"Man braucht Algorithmen, um daraus das Windfeld in der Rotorebene, also die rotoreffektive Windgeschwindigkeit zu ermitteln", sagt Lemmer. Auch das kleine Unternehmen Sowento, eine Ausgründung der Universität Stuttgart, optimiert Lidar-Algorithmen für eine bessere Windradregelung. Weit verbreitet sind Lidar-Systeme für einzelne Anlagen allerdings noch nicht. "Im Augenblick ist Lidar dafür noch zu teuer", sagt Lemmer.

Doch er sieht durchaus Chancen, dass die Preise in den kommenden Jahren stark fallen könnten. Mehrere Anlagen in einem Windpark könnten dann damit ausgerüstet werden.