Verbindungstechnik Stabile Verbindungen für die Daten-, Signal- und Leistungsübertragung in Windenergieanlagen

Die Windenergie hat eine beispiellose Karriere absolviert: Große Anlagenbauer bestimmen den Markt, die komplexe Systeme vermarkten. Dies ist auch ein Erfolg der Harting Technologiegruppe: Systemisches Denken und das Know-how in Netzwerken und Verbindungstechnologie sind ihr Beitrag für die Windenergietechnik.

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HARTING Technologiegruppe

Eine sichere und ausreichende Versorgung mit Energie ist die Basis des Erfolgs der Industriestaaten bis heute. Der nachhaltige Erfolg der deutschen Industrie ist auch der Erfolg eines Energieversorgungssystems, das seit Jahrzehnten preiswerte Energie nach Bedarf zur Verfügung stellt.

Seit einem Jahrzehnt ist das Versorgungssystem, das dem zugrunde lag, jedoch grundlegend verändert worden. Es ruht immer weniger auf großen konventionellen Kraftwerken, die fossile oder nukleare Energiequellen nutzen und die auf der Höchstspannungsebene einspeisen. An dessen Stelle treten einige tausend kleine Einspeiseeinheiten, meist bestehend aus erneuerbaren Energiequellen, die dezentral und auf verschiedenen Ebenen in das Energieversorgungsnetz einspeisen. Das hat eine Reihe von Konsequenzen – einerseits für die einzelnen Anlagen und Anlagenparks, andererseits für die Energie-Versorgungsnetze.

Innovationstreiber: Anlagentechnik in der Windindustrie

Die Anlagen müssen mit leistungsfähigen Leit- und Kontrollsystem ausgerüstet werden, die auf dem neuesten technischen Entwicklungsstand sind. Das Netz selbst muss intelligent gesteuert und verwaltet werden. Das Stichwort „Smart Grid“ gibt hier die Richtung an. Die Harting Technologiegruppe hat in beiden Bereichen durch ihren systemischen Ansatz die Entwicklung mit vorangetrieben. Noch ist Smart Grid nur eine Idee – die Anlagentechnologie in der Windindustrie ist jedoch bereits einer der internationalen Innovationstreiber.

Windenergie hat Zukunft

Dezentralität und Flexibilität, Ökologie und Nachhaltigkeit bilden die Basis der neuen Energieversorgung: Die Windenergie nimmt dabei eine zentrale Rolle ein. Sie liefert mit über 20.000 Windenergieanlagen und knapp 30.000 Megawatt installierter Leistung in Deutschland den größten Beitrag zur Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen. Etwa 40 Prozent der Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energien stammte 2011 aus Windenergie.

In den kommenden zehn Jahren soll sich der Anteil der Windenergie an der Stromversorgung weiter rasant erhöhen: Bis 2020 will die Bundesregierung 35 Prozent der Stromversorgung mit erneuerbaren Energien abdecken. Im Jahr 2050 sollen es sogar 80 Prozent sein.

Technikruck bei den Windenergieanlagen zu erwarten

Das sind ambitionierte Ziele, die nur erreicht werden können, wenn es auf allen Ebenen, die die Energieversorgung berührt, große Anstrengungen gibt – gesellschaftlich, wirtschaftlich und technisch.

Auf die Anlagentechnologie kommen damit außergewöhnliche Anforderungen zu: Die Nennleistung von Standard-Onshoreanlagen beträgt heute 2 bis 3 Megawatt, die Nabenhöhe bis zu 160 Meter und der Rotordurchmesser teilweise mehr als 100 Meter. Windenergieanlagen sind zudem in den vergangenen Jahren zu komplexen Systemen ausgebaut worden, die nicht nur zuverlässig Strom aus kinetischer Energie konvertieren sollen, sondern auch präzise auf die Anforderungen des Netzes reagieren sollen. Außerdem werden zahlreiche Daten über den Zustand der jeweiligen Anlage erhoben, die gespeichert, ausgewertet und kommuniziert werden müssen. Die Anlage, der Windpark, das Netz, in das Anlagen einspeisen, werden heute als komplexe Systeme verstanden, die miteinander verknüpft sind.

Die rauen Umweltbedingungen, unter denen Windenergieanlagen betrieben werden, sollen dabei keine negativen Auswirkungen auf Verfügbarkeit, Langlebigkeit der Anlage und Qualität der eingespeisten Energie haben. Mit dem Ausbau der Leistungsfähigkeit von Leitsystemen sind zudem die Anforderungen an die Datenqualität, Datendichte und Datenmenge weiter gestiegen.

Und genau das ist die Stelle, an der die Kompetenzen der Harting Technologiegruppe greifen.

Zuverlässige Verbindungstechnik sichert den Gesamtbetrieb

In der Anlagentechnologie kommen der Verbindungstechnik heute umfangreiche Aufgaben zu: Mit dem Ausbau des systemischen Ansatzes und dem Bedeutungszuwachs der Informationstechnologie im Anlagenbau, rückt die Verbindungstechnologie mehr und mehr in den Fokus der Entwickler.

Nur eine leistungsfähige und zuverlässige Verbindungstechnologie sichert den langfristigen Betrieb des Gesamtsystems: Die sichere Übertragung von Signalen, Daten und Leistung steht im Fokus des Entwicklungs- und Produktdenkens der Harting Technologiegruppe.

In dem Moment, in dem die Netze in ein Gesamtdesign eingebunden werden, werden Anlagen modularisierbar und steigern Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Ihr Aufbau ist leichter kontrollierbar. Im Feld sind Montage, Service und Wartung deutlich einfacher, schneller und sicherer umzusetzen.

Harting Steckverbinder sind fehlervermeidend zu stecken. Ein speziell im Windenergiebereich eingesetztes Produkt wie Han E Protected macht es sogar möglich, den beidseitigen Berührschutz von spannungstragenden Steckverbindungen auch im geöffneten Zustand sicherzustellen.

Produkte und Konzepte für Windenergieanlagen

Das Espelkamper Unternehmen besitzt jahrzehntelange Erfahrungen unter anderem in der Verbindungstechnologie im Maschinenbau, der Computer- und Netzwerktechnik und in der Automatisierung. Hinzu kommen Produkte und Systeme in der Verkehrstechnik, insbesondere in der Bahntechnik. Alles Anwendungen, die bereits seit Jahren von Harting in die Windenergietechnologie transferiert werden.

Harting Produkte und Konzepte finden dabei auf verschiedenen Ebenen in der Windtechnologie Anwendung: in der Leit- und Signaltechnik, bei der Datenübertragung und Kommunikation sowie in der Leistungsübertragung. Die Stabilität der Verbindung, die Zuverlässigkeit der Daten-, Signal- und Leistungsübertragung stehen dabei im Vordergrund.

Darüber hinaus wurde eine Reihe von Produkten und Konzepten entwickelt, die die Performance der Anlagen weiter verbessern. Harting Produkte werden in enger Zusammenarbeit mit den Kunden auf die spezifischen Anwendungen und Spezifikationen entwickelt.

Enger zusammenarbeiten heißt hier, bessere und passgenaue Produkte zu liefern, die zum Kundenprodukt passen. Kompatibilität von Neuentwicklungen und lange Lieferbarkeit von Produkten gehören zum Kundenpaket. Steckverbinder der Han-Familie werden seit Ende der fünfziger Jahre ausgeliefert und haben einen weltweiten Industriestandard begründet.

Steckverbindungen für raue Umgebungen

Die Betriebsbedingungen von Windenergieanlagen setzen eine belastbare Kapselung der Steckverbindung voraus. Darüber hinaus müssen Steckverbindungen im Feld konfektionierbar sein und im Servicefall schnell und unkompliziert getauscht werden können. Eine Lösung bietet die Schnellanschlusstechnik Quick-Lock, die in vielen Steckverbindern mittlerweile integriert wurde.

Verschiedene Gehäuse

Klimatische Extreme, starke Temperaturschwankungen, Nässe, Hitze, Staub, Vibrationen und Stoßbelastungen sind in der Windenergie die Norm. Das Unternehmen hält zahlreiche Gehäuselösungen vor, die für die Anforderungen der Windenergieindustrie entwickelt wurden. Unter anderem die neue Produktreihe Han-Eco, gefertigt aus Hochleistungskunststoff. Darüber hinaus werden kundenspezifische Lösungen entwickelt und vermarktet, so zum Beispiel Bedienpulte aus Edelstahl.

Der Kundennutzen wird durch Eigenschaften wie modularer Aufbau, Modulprüfungen im Prüffeld, sicheres Stecken durch Fehlsteckschutz und Kodierungsmöglichkeiten weiter gesteigert. Hinzu kommt, dass Leistungs- und Signalkontakte in ein Gehäuse integriert werden können – je nach Kundenanforderung.

Modularität ist die Basis

Neben den Standardlösungen bietet Harting Industriesteckverbinder der Baureihe Han-Modular an. Diese lassen beim Design der Schnittstellen freien Gestaltungsspielraum. Eine Lösung für die Verkabelung innerhalb des Schaltschrankes ist Han-Snap. Beide Lösungen lassen sich jederzeit fehlerfrei stecken und halten auch unter starken Belastungen stand.

Leistungsfähige Leitsysteme

Die Anforderungen an die Steuerung und die Überwachung von Windenergieanlagen sind deutlich gestiegen: Daten und Signale unterschiedlicher Herkunft und Qualität müssen verarbeitet, gespeichert und versandt werden. Windenergieanlagen nehmen zahlreiche Datenreihen über Betriebszustände auf, die präzise über den Status und die Performance der Anlagen informieren. Informationen wie Windgeschwindigkeit und erzeugter Strom werden ebenso erfasst wie Daten über Komponentenzustände und die Funktionsfähigkeit der Anlage.

Condition Monitoring Systeme erfassen Anlagenzustände und verbessern die Planbarkeit von Wartungs- und Reparaturarbeiten oder von Ersatzteillieferungen, was für Anlagen auf See überlebenswichtig ist. Aber auch Onshore-Anlagen verbessern damit ihre wirtschaftliche Situation erheblich.

Belastbare Ethernet Switche

Netzwerkkomponenten müssen deshalb extrem belastbar und betriebssicher sein. Harting Ethernet Switche sind auf diese Anforderung zugeschnitten, vor allem durch ihre hohe Zuverlässigkeit und große Leistungsfähigkeit.

Windparktopologien werden heute als leistungsfähige Kommunikations- und Datennetze konzipiert und in der Regel ringförmig angelegt, um erweiterbar zu sein. Aufgrund der Dimensionen und Distanzen ist ein Teil der Ethernet-Ports für Lichtwellenleiter ausgelegt, mit denen Entfernungen von mehr als 100 Metern überbrückt werden können. Die Ethernet Switche ermöglicht das effiziente Management von Ringtopologien.

Leiter aus Licht für hohe Türme

Im Rahmen der Weiterentwicklung der Anlagentechnologien sind mittlerweile Nabenhöhen von 140 Metern und mehr erreicht worden. Damit fallen Kupferkabel als Übertragungsleitungen zwischen Gondel und Turmfuß weg.

Stattdessen werden Lichtwellenleiter eingesetzt, die jedoch mit der Kupferverkabelung von Gondel und Schaltschränken im Turmfuß gekoppelt werden müssen. Harting liefert und entwickelt seit Jahren unterschiedlichste Lösungen an Glasfaserkabeln in die Windenergie. So ist es möglich, mehrere Fasern in einem Steckverbinder zu integrieren und mit anderen Signal- oder Leistungskabeln zu kombinieren.

Die Kopplung von Glasfaser und Kupferleitungen übernehmen Lichtwellentransceiver, deren Schnittstellen zumeist fest verschweißt werden. Die Varianzen auf der Seite der LWL-Transceiver und der Einfluss der Betriebsumgebung führen in der Regel zu Einsatz von aufwendigen Spezialsteckverbindern.

Anders geht die Harting Lösung vor: Mit dem Einsatz von Harting PushPull Boxen lassen sich deshalb Standardindustrie- und Office-Steckverbinder wie RJ45 verwenden, die ungekapselt nicht für raue Umgebungen geeignet sind.

* Carsten Edler, Market and Application Manager Wind Energy, Harting

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