Schallmessung an Windenergieanlagen

Messdaten drahtlos weiterleiten spart Zeit und Kosten

| Autor / Redakteur: Benjamin Fiene* / Ines Stotz

Damit eine Windenergieanlage in Betrieb gehen kann, müssen Nachweise zur Sicherung der Stromversorgung sowie zum Schutz der Umwelt vorgelegt werden.
Damit eine Windenergieanlage in Betrieb gehen kann, müssen Nachweise zur Sicherung der Stromversorgung sowie zum Schutz der Umwelt vorgelegt werden. (Bild: gemeinfrei / CC0)

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Um einen wirtschaftlichen Betrieb sicherzustellen, müssen Windenergieanlagen regelmäßig geprüft werden. Ein Funksystem kann die Messdaten einfach und schnell übertragen.

Im Jahr 2018 wurde durchschnittlich 38 % des deutschen Stromverbrauchs aus erneuerbaren Energien gewonnen, an Spitzentagen sogar bis zu 75 %. Derzeit tragen Erneuerbare-Energien-Anlagen rund 229 Mrd. kWh zum Stromverbrauch bei. Die Bundesregierung hat noch ambitioniertere Ziele: Bis 2050 sollen statt der bislang etwa 38 % mindestens 80 % der benötigten Energie durch Windenergie-, Photovoltaik-, Geothermie-, Wasserkraft- und Biomasseanlagen erzeugt werden. Aufgrund ihrer weltweiten Verfügbarkeit, niedrigen Kosten sowie des technologischen Entwicklungsstands gilt die Windenergie hier mittlerweile als eine der vielversprechendsten regenerativen Energiequellen. Bis Ende 2018 sind daher in Deutschland Windenergieanlagen (WEA) mit einer Gesamtleistung von 59.300 MW installiert worden.

Seit der Einführung der Richtlinien zur Zertifizierung von Erzeugungsanlagen in Deutschland begleitet die Moeller Operating Engineering GmbH (M.O.E.) deren Umsetzung. Das im Mai 2009 gegründete Unternehmen mit Hauptsitz in Itzehoe hat sich in kurzer Zeit zum Marktführer entwickelt. Zu seinem Leistungsspektrum zählen inzwischen sämtliche regenerativen Energiequellen wie Photovoltaik, Biomasse, Wasserkraft und Wind. Im Bereich Windenergie unterstützen die mehr als 80 Mitarbeiter die WEA von der Entwicklung bis zum dauerhaften Betrieb über den gesamten Lebenszyklus.

Verschiedene Systeme für akustische Messungen

Damit eine Windenergieanlage in Betrieb gehen kann, müssen Nachweise zur Sicherung der Stromversorgung sowie zum Schutz der Umwelt vorgelegt werden. Das M.O.E.-Team führt deshalb auch die erforderlichen Schutzprüfungen und Schallmessungen durch. Darüber hinaus wird die Konformitätserklärung im Rahmen der Anlagenzertifizierung für die jeweiligen Anlagen oder Parks erstellt. Um die Belastung der Umwelt so gering wie möglich zu halten, müssen die im Bundesimmissionsschutzgesetz geregelten Bestimmungen eingehalten werden. Zu diesem Zweck realisiert M.O.E. die akustischen Messungen. Für die Überprüfung der WEA kommen dabei unterschiedliche Messsysteme zum Einsatz. In diesem Zusammenhang werden neben meteorologischen und akustischen ebenfalls Daten aus der Anlagensteuerung erfasst.

Die akustische Messung erfolgt in einer zur Anlagengröße passenden Entfernung. Zur meteorologischen Messung wird ein Mast installiert, dessen Abstand von der WEA sich auf den zwei- bis vierfachen Rotordurchmesser beläuft. Der Mast ist in der Regel etwa 10 m hoch und mit verschiedenen Sensoren bestückt, die in unterschiedlichen Höhen angebracht werden. Eine weitere Messung zur Aufnahme der Anlagendaten wird in unmittelbarer Nähe der Anlagensteuerung vorgenommen. Die erfassten Messdaten dienen der Korrelation mit der Leistung der WEA. Alle Messdaten werden an ein in der Nähe der Anlage geparktes Fahrzeug übertragen und auf einem dort befindlichen Rechner zur späteren Auswertung gespeichert.

Bessere Einhaltung kritischer Erfassungsdaten

„In der Vergangenheit haben wir sämtliche an den Messstellen verbauten Datenlogger sowohl mit Versorgungs- als auch Datenleitungen verdrahtet“, erläutert Christoph Thiel, bei M.O.E. als Leiter des Prüflabors beschäftigt. „Heute verwenden wir dazu akkubetriebene Messboxen.“

In der Box ist neben dem Akku und dem Datenlogger unter anderem ein Funkmodul der Produktfamilie Radioline von Phoenix Contact montiert. „Durch die Nutzung der autarken Messboxen sparen wir beim Aufbau mindestens 20 Minuten Verdrahtungszeit ein“, führt Thiel weiter aus. „Auf diese Weise lässt sich die kritische Zeit zur Erfassung der meteorologischen Daten besser einhalten, denn es sind hier gewisse Windbedingungen notwendig. Des Weiteren erweisen sich die Messboxen arbeitstechnisch als Erleichterung für den Prüfingenieur, weil das Schleppen und Ausrollen von schweren Kabeln entfällt. Ferner treten keine Probleme mit den vielfach eingesetzten Leitungen mehr auf.“

Insgesamt werden drei Messboxen rund um die Windenergieanlage platziert. Eine Box ist am Mikrophon angeordnet, eine in der Nähe der Anlagensteuerung und die letzte schließlich am meteorologischen Sensormast. Die in den Boxen installierten Datenlogger verfügen über eine serielle RS-232-Schnittstelle, die mit dem Pendant des jeweiligen Radioline-Moduls verdrahtet wird. Die Funkkomponenten leiten die aufgenommenen Daten dann drahtlos an ihre entfernten Gegenstationen im geparkten Fahrzeug weiter, die sie an den Rechner übergeben. Dort werden die Daten archiviert oder verarbeitet.

Sicher mit Funktechnologie Trusted Wireless 2.0

Optimale Anpassung an die jeweiligen Rahmenbedingungen

Die Radioline-Module basieren auf der proprietären Funktechnologie Trusted Wireless 2.0, deren Protokoll nicht öffentlich zugänglich ist. Deshalb sind entsprechende Funklösungen grundsätzlich besser vor Angriffen geschützt. Außerdem hat Phoenix Contact zusätzliche Sicherheitsmechanismen in die Technologie implementiert. Die 128-Bit-AES-Verschlüsselung sorgt beispielsweise dafür, dass theoretisch mitgehörte Datenpakete nicht verstanden werden. Darüber hinaus kontrolliert eine Integritätsprüfung die Echtheit des Senders und verwirft Nachrichten, die verändert wurden. Nicht zu vergessen das sogenannte Frequenzsprungverfahren FHSS, das die Robustheit der Kommunikation erhöht.

Die im lizenzfreien 2,4-GHz- sowie im 868-MHz- und 900-MHz-Frequenzband arbeitende Funktechnologie zeichnet sich zudem durch hohe Robustheit und Zuverlässigkeit sowie die Überwindung großer Entfernungen aus. Die Datenrate der Funkschnittstelle kann individuell festgelegt und so die Empfängerempfindlichkeit gesteigert werden. Bei einer niedrigen Übertragungsgeschwindigkeit lässt sich eine wesentlich größere Reichweite überbrücken als bei einer hohen Datenrate.

Der Anwender passt das Radioline-Modul somit optimal an die jeweilige Applikation an. Trusted Wireless 2.0 überzeugt ferner durch gute Diagnosemöglichkeiten sowie die Koexistenz zu anderen im gleichen Frequenzband funkenden Systemen.

Zukünftiger Einsatz auch in anderen Bereichen

„Aufgrund der erheblichen Kosten- und Zeiteinsparung, der einfachen Inbetriebnahme und der zuverlässigen Kommunikation der Messdaten werden wir das Radioline-Funksystem auch zukünftig einsetzen“, stellt Christoph Thiel abschließend fest. Sicher finden sich neben den Messboxen noch weitere Anwendungsbereiche, in denen die drahtlose Lösung ihre Vorteile ausspielen kann.

Funkmodul Radioline: Einfache Inbetriebnahme über ein Rändelrad

Mit dem Radioline-System lassen sich maximal 250 Stationen per Funk vernetzen, wobei eine Entfernung bis 5 km zwischen den einzelnen Teilnehmern überbrückt wird. Da jedes Wireless-Modul als Repeater für die nachgelagerten Stationen fungieren kann, beträgt die Gesamtausdehnung des Netzwerks ein Vielfaches des genannten Werts. Die Netzstruktur reicht hier von einfachen Punkt-zu-Punkt- über Stern-Verbindungen bis zu selbstheilenden Mesh-Netzwerken.

Durch Verwendung des Frequenzhopping-Verfahrens FHSS zeichnet sich die Trusted Wireless-Technologie, auf der Radioline aufsetzt, durch gute Koexistenz-Eigenschaften aus. Mit dem integrierten Blacklisting-Verfahren können zudem maximal zwei WLAN-Kanäle ausgeblendet werden, sodass eine gegenseitige Beeinflussung von parallel funkenden Systemen ausgeschlossen ist.

Je nach Applikationsanforderung lässt sich das Funkmodul einfach um entsprechende I/O-Komponenten ergänzen.
Je nach Applikationsanforderung lässt sich das Funkmodul einfach um entsprechende I/O-Komponenten ergänzen. (Bild: Phoenix Contact)

Möchte der Anwender Sensor-/Aktor-Informationen übertragen, ergänzt er das Funkmodul einfach um entsprechende I/O-Komponenten. Zur Inbetriebnahme werden die Wireless-Stationen über ein eingebautes Rändelrad adressiert, das auch die I/O-Informationen an die korrespondierenden Module im Netz verteilt. Eine zusätzliche Software ist nicht erforderlich.

Optional können die I/O-Informationen im Funksystem in einem Modbus-Register an die Steuerung weitergeleitet werden. Darüber hinaus lässt sich das Radioline-System als Kabelersatz von seriellen RS485-Leitungen nutzen, wie dies bei M.O.E. der Fall ist. Der erweiterte Betriebstemperaturbereich von -40°C bis 70°C erlaubt den Einsatz der Radioline-Module ohne Klimagerät unter extremen Umgebungsbedingungen sowie im Outdoor-Bereich.

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* Benjamin Fiene, Mitarbeiter im Produktmarketing Wireless, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont

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