Schwimmende Windräder automatisiert

20.08.2021 – Unterstützt durch die offene PLCnext Technology von Phoenix Contact konnte ein innovatives Windkraft-Konzept seine Praxistauglichkeit beweisen.

Um die Stromerträge aus Windkraft nachhaltig zu erhöhen, müssen neue Standorte erschlossen werden. Die aerodyn engineering gmbh hat mit nezzy² ein Konzept für Offshore-Standorte erarbeitet, deren Wassertiefe sich nicht für normale Fundamente eignet. Der jetzige Geschäftsführer und Physiker Sönke Siegfriedsen beschäftigt sich schon seit Anfang der 1980er Jahre mit der Entwicklung von Turbinen, heute konzipiert er gemeinsam mit Kunden innovative Windenergieanlagen. Eines der Projekte ist nezzy², eine auf einem schwimmenden Fundament installierte WEA.

Schwimmende Windenergieanlage Phoenix Contact
nezzy², eine auf einem schwimmenden Fundament installierte Windenergieanlage. Foto: Phoenix Contact Electronics GmbH

Schwimmende Windenergieanlage: Das Konzept von nezzy²

Bei nezzy² befinden sich auf dem Seeboden Betongewichte, die das Zentrum der WEA – eine halbtauchende Struktur – am Ende des Luvarms mit sechs Ankerketten an Ort und Stelle halten. Diese Struktur bildet das schwimmende Fundament der Windenergieanlage. Hergestellt wird sie aus vorgespannten Betonfertigteilen, die zusammen ein liegendes Ypsilon ergeben. Das schwimmende Fundament richtet sich automatisch durch die Windströmung aus. Auf dem Fundament sind die beiden Türme schräg aufgestellt – durch Abspannseile miteinander sowie mit dem Fundament verbunden. Momentan drehen dreiflügelige Rotoren, die alternativ entwickelten Zweiflügler warten noch auf ihre Erprobung. Große gelbe Schwimmer sorgen für die stabile Schwimmlage der Gesamtstruktur an der Wasseroberfläche. Um die Effizienz des Gesamtsystems weiter zu erhöhen, bringt aerodyn engineering hier gleich zwei gegeneinander abgespannte Windenergieanlagen auf der Plattform an. Anders als bei Onshore-WEA drehen bei nezzy2 nicht die einzelnen Gondeln, sondern die gesamte oberseeische Anlage um ein im Luvarm eingebautes Mooring-Lager.

Nach umfangreichen Forschungsarbeiten wurde 2020 ein 1:10-Modell von nezzy², das zweimal 7,5 MW Energie erzeugen kann, gemeinsam mit dem Partner EnBW zuerst in einem See und schließlich im offenen Meer erprobt. Die kleine nezzy2 entspricht in puncto Leistung und Funktionsumfang der 1:1-Version. Ihre geringere Baugröße bietet lediglich den Vorteil, dass sich die Seetauglichkeit der Windenergieanlage einfacher bewerten lässt.

Steuerungstechnik Bojen Schwimmende Windanlage Phoenix Contact
Ein Techniker kontrolliert die Steuerungstechnik in einer der Bojen. (Foto: Phoenix Contact Electronics GmbH)

Herausforderung für die Automatisierung

Neue Anlagenkonzepte erfordern ebenfalls neue Wege bei der Automatisierung. Die besondere Herausforderung beim nezzy2-Konzept liegt im synchronen Betrieb von zwei WEA und der parallelen Regelung. In der Applikation im Maßstab 1:10 setzt sich das Profinet-Netzwerk aus einem in der Messstation verbauten Profinet-Controller sowie zwei jeweils in der Pitchbox und im Umrichter installierten Profinet-Devices zusammen. Steuerungstechnisch hat sich Sönke Siegfriedsen hier für den AXC F 2152 aus dem offenen Ecosystem PLCnext Technology von Phoenix Contact entschieden. „Der AXC F 2152, der sich sowohl als Profinet-Controller als auch als -Device parametrieren lässt, wird im nezzy2-Projekt in dieser Form genutzt. So können bis zu acht Profinet-Devices in das Netzwerk eingebunden werden“, erläutert Dipl.-Wirt.-Ing. Carsten Schröder, Produktmanager Windpower, Phoenix Contact Electronics GmbH.

Für einen optimalen Betrieb der Windenergieanlage sind die beiden Turbinen synchron zu regeln und zu überwachen. Aus diesem Grund haben sich die Experten von aerodyn engineering und Phoenix Contact für den Aufbau zweier komplett identischer Systeme ausgesprochen, die in der Parametrierung ebenfalls stets völlig synchron laufen. „Somit verfügt jede der beiden Turbinen über ein eigenes Automatisierungssystem mit der entsprechenden Performance“, erklärt Schröder. Aufgrund einer speziell entwickelten Web-Visualisierung lassen sich die WEA für den Anwender als ein Kraftwerk darstellen. nezzy2 besteht also aus zwei autark arbeitenden Windenergieanlagen, die als ein System betrachtet werden können.

PLCnext-Steuerung AXC F 2152 Phoenix Contact
Die PLCnext-Steuerung AXC F 2152 lässt sich flexibel um die jeweils benötigten Standard- und Funktionsmodule erweitern. (Foto: Phoenix Contact Electronics GmbH)

Robustes Security-Gerät

Damit sich das komplexe System auch aus der Ferne regeln lässt, ist nezzy2 mit einem Datensammler ausgestattet worden. Die rund 400 Datenpunkte der beiden WEA sowie der Sensoren an den Abspannseilen und dem Fundament werden im Abstand von jeweils zehn Millisekunden abgefragt und synchron verarbeitet. Um diese Datenmenge auffangen und ausführen zu können, kommt eine weitere Steuerung AXC F 2152 zum Einsatz. Der Controller stellt darüber hinaus die Kommunikation zur Security Appliance FL mGuard sicher, welche die Daten anschließend an die Fernüberwachung weiterleitet. Carsten Schröder: „Bei den mGuard-Geräten handelt es sich um robuste Security-Komponenten, die Firewall-, Routing- und VPN-Funktionen zum Schutz vor Cyber-Attacken und ungewollten Störungen umfassen. Durch das engmaschige Remote Monitoring lässt sich die Windenergieanlage bestens kontrollieren und die Parametrierung im Bedarfsfall optimieren.“

Einfache Integration

Wie erwähnt, verwendet aerodyn engineering zur Hauptsteuerung ebenso wie für den Pitch und den Datensammler Controller aus dem Ecosystem PLCnext Technology. „Die Geräte kombinieren die Sicherheit und Zuverlässigkeit der klassischen SPS-Welt mit der Offenheit und Flexibilität intelligenter Komponenten. Daher ist es möglich, Automatisierungsprojekte ohne die Einschränkungen proprietärer Systeme zu implementieren. Die PLCnext Controller bieten die SPS-typische Echtzeitleistung und Datenkonsistenz auch für Hochsprachen und modellbasierten Code“, stellt Carsten Schröder heraus. Sönke Siegfriedsen hat ferner überzeugt, dass sich Open-Source-Software, Apps und zukünftige Technologien einfach in die Steuerungen integrieren lassen. „Wir können die vorhandenen SPSen also schnell an veränderte Rahmenbedingungen anpassen und brauchen nicht ständig neue Geräte anzuschaffen“, so der WEA-Pionier. „Interessant ist ebenfalls die direkte Cloud-Verbindung des AXC F 2152, sodass Daten nicht mehr on the edge gespeichert und analysiert werden müssen.“

Steuerungszentrale Phoenix Contact
In der Steuerungszentrale werden die 180 Sensoren erfasst, überwacht und das Verhalten der Anlage optimiert. (Foto: Phoenix Contact Electronics GmbH)

Zudem erlaubt die PLCnext Technology eine schnelle Anwendungsentwicklung, denn mehrere Mitarbeiter können gleichzeitig und unabhängig voneinander in verschiedenen Programmiersprachen am Projekt arbeiten. Aufgrund ihrer besonderen Architektur lassen sich die PLCnext-Steuerungen darüber hinaus um Safety-Komponenten erweitern. Im nezzy2-Projekt bedeutet das, dass die gesamte Sicherheitskette über die steuerungs- und netzwerkunabhängige SafetyBridge Technology in das Steuerungssystem eingebunden wird. Eine zusätzliche Sicherheitssteuerung ist nicht erforderlich.

Überführung in die Serienreife

Carsten Schröders Fazit: „Bei der Realisierung des nezzy2-Projekts war das Entwicklungsteam mit vielen Herausforderungen konfrontiert, die auch mit Hilfe des offenen Ecosystems PLCnext Technology erfolgreich gelöst worden sind.“ Die schwimmende Windenergieanlage hat ihre Praxistauglichkeit bewiesen und kann nun in die Serienreife überführt werden. Hat sich der Prototyp in Originalgröße bewährt, wird die innovative WEA in Zukunft neben den klassischen Offshore-Turbinen auf dem Meer zu finden sein. Wegen des schwimmenden Fundaments ergeben sich hier zahlreiche neue Standorte, die aufgrund der Wassertiefe bislang nicht für die Windenergie in Frage kamen. Aktuell baut aerodyn engineering in China die erste Anlage in der finalen Größe. (pq)

Phoenix Contact Electronics GmbH
Dipl.-Wirt.-Ing. Carsten Schröder
cschroeder@phoenixcontact.de
www.phoenixcontact.de

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