Whitepaper

Eisdetektion zur Optimierung Ihrer Windenergieanlage

Erfahren Sie, wie Sie mit exakter Eisdetektion den Ertrag Ihrer Windenergieanlage steigern

Eisbildung an Windenergieanlagen hat in der kalten Jahreszeit relevanten Einfluss auf die Betriebsführung. Neben reduziertem Ertrag durch veränderte aerodynamische Eigenschaften ist insbesondere die Sicherheit der Anlage und ihrer Umgebung zentrales Thema.

In diesem Whitepaper erfahren Sie, warum exakte Eisdetektion relevant ist, welche unterschiedlichen Lösungen es zur Eisdetektion gibt und wie sich diese unterscheiden, sowie den Nutzen für Ihre Windenergieanlage bei Verwendung eines Eisdetektionssystems.

Eines vorweg: Exakte Eisdetektion und Temperaturmessung bedeutet mehr Ertrag für Ihre Windenergieanlage.

Wie genau Sie das auch mit Ihrer Anlage erreichen können zeigen wir Ihnen in unserem Whitepaper auf. Hierzu zeigen wir Ihnen Ergebnisse von einigen relevanten Studien auf, so dass Sie sich ein klares Bild machen können.

Überzeugen Sie sich selbst.

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Diese Fragen klären wir unter anderem im Whitepaper Eisdetektion

Es gibt zwei Hauptansätze für Rotorblattheizungen, die von Windenergieanlagenherstellern (OEMs) entwickelt wurden:

• Warmluftheizung im Inneren des Rotorblattes
• Elektrothermische Heizelemente, die in die Blattoberfläche laminiert sind

Bei dieser Methode erzeugt eine Heizgebläse-Einheit einen Luftstrom in bestimmten Kanälen im Rotorblatt. Die heiße Luft strömt dabei an der Vorderkante vorbei, erwärmt die Blattoberfläche auf über 0 °C und taut damit die Eisschicht auf. Das gleiche Gerät kann auch als Enteisungssystem verwendet werden.

• ermöglicht den kontinuierlichen Betrieb
• verhindert Eisbildung

Diese Methode verwendet elektrothermische Heizelemente, die entweder in das Rotorblatt eingebettet oder in die Blattoberfläche laminiert sind. Diese Technologie ermöglicht nicht nur die kontinuierliche Betriebsfähigkeit, sondern verhindert auch effektiv die Bildung von Eis.

Die Betriebsstrategie der Rotorblattheizung spielt bei beiden Systemen eine wesentliche Rolle. Dies sollte berücksichtigt werden, um die Effizienz zu optimieren, Heizkosten zu senken sowie die Überhitzung und Schäden durch Überhitzung zu vermeiden.

Verschiedene OEMs* haben unterschiedliche Ansätze zur Rotorblattheizung entwickelt, um den spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.

Die Technologie von Enercon kombiniert ein Eiserkennungssystem mit einer Heißluftzirkulation im Inneren der Rotorblätter für eine effiziente Enteisung. Die Dauer des Enteisungsprozesses hängt dabei von der Umgebungstemperatur und der Windgeschwindigkeit ab. Sobald der Prozess abgeschlossen ist, kann die Turbine mit eisfreien Rotorblättern wieder den Produktionsbetrieb aufnehmen. Durch das System kann an Standorten mit minimalem Vereisungsrisiko die Enteisung bei laufender Turbine erfolgen.

Wesentliche Merkmale**

• Energieverbrauch zwischen 46kW und 225kW
• erster Prototyp in 1996
• mehr als 3000 installierte Blattheizungen weltweit

Das System von Nordex besteht aus einem Eissensor und elektrothermischen Heizmatten (unterhalb der Blattoberfläche) an der Vorderkante jedes Rotorblatts. Die Sensoren überwachen die Umgebungsbedingungen und melden den Status an das Betriebsführungssystem der Windenergieanlage.
Treten Vereisungsbedingungen auf, bietet das System zwei verschiedene Optionen:

• Stopp der Turbine zum Schutz der strukturellen Integrität oder
• Entfernen des das angesammelten Eises über das Nordex Advanced Anti-Icing system (AAIS)

Siemens Gamesa setzt auf ein Blattheizungssystem** mit einem Eiserkennungssystem, Blattheizelementen (integriert in die Blattfläche) und einem System zur Steuerung der Enteisungsstrategie.

Siemens Windenergie Enteisungsstrategie

• Eiserkennung (durch Verschlechterung der Leistungskurve, Eiserkennungssensor oder Eisdetektor mit geringem Drehmoment) Turbine gestoppt
• die Turbine steht im Stillstand, im statischen Modus oder im Leerlauf (0-2 Rotordrehzahl)
• die Gondel dreht sich so, dass sich der Rotor im Rückenwind oder im sicheren Winkel des Rotors zu nahen Objekten befindet
• die Enteisung ist auf allen drei Flügeln aktiviert
• nach x Minuten, dreht sich die Gondel wieder in den Wind
• sobald die Turbine wieder produziert, wird die Enteisung deaktiviert

Vestas bietet verschiedene Lösungen für Standorte mit kaltem Klima. Das Vestas Anti-Icing System™ kombiniert mehrere unabhängige Heizelemente und -stufen, die – laut Vestas – auf das jeweilige Vereisungsereignis zugeschnittene Anti-Icing-Maßnahme ermöglichen.

Wesentliche Merkmale des Systems

• Individuelle Stromversorgung der Heizelemente, um eine gleichmäßige Energieverteilung dort zu gewährleisten, wo sie benötigt wird
• Kompatibel mit Vestas Ice Control (optionale Funktion des Vestas SCADA-Systems, die die Standardfunktionen für das Drehen und Anhalten der Turbine mit verschiedenen Eisschutzmaßnahmen koordiniert)

Neben den Herstellerlösungen gibt es verschiedene Anbieter, die nachrüstbare Lösungen anbieten. Nähere Details dazu finden Sie in unserem Whitepaper – Blattheizung.

Quellenverweise (sofern nicht im Text verlinkt):

**Charles Godreau (2022): Tackling Icing on Wind Turbines with Ice Protection Systems, Current State -of-the-Art and Future Research, NERGICA, IGW Wind Industry Stakeholder Meeting

*** Will heat be the winner in de-icing turbine blades? | Reuters Events | Renewables. (o. D.). Abgerufen am 20. Oktober 2022, von https://www.reutersevents.com/renewables/wind-energy-update/will-heat-be-winner-de-icing-turbine-blades & Siemens Gamesa. (o. D.). Onshore technological solutions. Abgerufen am 17. September 2022, von https://www.siemensgamesa.com/en-int/-/media/siemensgamesa/downloads/en/products-and-services/onshore/brochures/siemens-gamesa-onshore-tech-solutions-en.pdf

Im Winter, vor allem in nördlichen Regionen oder kälteren Regaionen (so genannten Cool Climate Regions), sind Windenergieanlagen Schnee, Eis und Frost ausgesetzt. Vereisungen können die Performance der Windenergieanlagen erheblich beeinträchtigen. Intelligente Enteisungssysteme minimieren Stillstandzeiten und somit Ertragseinbußen. Im Deutschen spricht man häufig vom alleinigen Begriff der Enteisung, der im Englischen in Anti-Icing und De-Icing unterteilt wird.

Systeme zur Eisbekämpfung lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: Anti-Icing-Systeme (Vereisungsschutz-Systeme) und De-Icing-Systeme (Enteisungssysteme). Anti-Icing-Systeme verhindern, dass sich Eis auf den Rotorblättern ansammelt, während De-Icing-System eine bereits vorhandene Eisschicht von der Rotorblattoberfläche entfernt.

Als Anti-Icing Systeme werden jene bezeichnet, die die Windenergieanlage vor Vereisungen schützen. Konkret bedeutet dies, dass Anti-Icing Systeme die Eisbildung an der Rotorblattoberfläche verhindern. Diese Systeme können in aktive Systeme, wie z. B. elektronische Heizelemente in den Rotorblättern oder Warmluftheizung, sowie in passive Systeme, wie Spezialbeschichtungen, schwarze Lackierung oder Chemikalien unterteilt werden.

Im Gegensatz zu De-Icing Systemen können Windenergieanlagen in Betrieb bleiben, da die Eisbildung an der Rotorblattoberfläche verhindert wird.

De-Icing Systeme sind Enteisungssysteme, die eine bereits vorhandene Eisschicht, die sich auf den Rotorblättern abgelegt hat, entfernt. Auch sie lassen sich in aktive Systeme, wie elektronische Heizelemente in den Rotorblättern oder Warmluftheizung sowie passive Systeme unterteilen. Allerdings muss die Anlage zum Enteisen entweder manuell oder automatisch angehalten werden. Sind die Rotorblätter überprüft und werden als eisfrei eingestuft, kann die betroffene Windenergieanlagen wieder in Betrieb genommen werden.

Ob ein aktives Eisschutz-System als Anti- oder De-Icing-System eingesetzt wird, hängt maßgeblich von der verwendeten Heizungssteuerungsstrategie ab, die wiederum von div. betrieblichen Zwängen abhängt, wie z. B. der Erlaubnis für Turbinen, sich mit Eis auf den Blättern zu drehen, Betriebsbeschränkungen für Windenergieanlagen usw.

Lesen Sie mehr zu unterschiedlichen Heizungssteuerungsstrategien in unserem Whitepaper – Blattheizung.

Windenergieanlagen sind für eine Betriebsdauer von 20 bis manchmal sogar 30 Jahren ausgelegt. In dieser Zeit soll diese zuverlässig und mit höchstmöglicher technischer Verfügbarkeit den maximalen Energieertrag liefern.

Vereisungen können die Performance von Windenergieanlagen in vielerlei Hinsicht aber erheblich beeinträchtigen. Dazu gehören:

• Stillstandzeiten die den Betrieb unterbrechen,
• Ertragseinbußen,
• Schäden an der Anlage selbst,
• Gefährdung der Sicherheit des Service-Teams und anderer Personen durch Eisfall und Eiswurf,
• verkürzte Lebensdauer durch erhöhte Belastungen einzelner Komponenten und
• hohe Kosten für Reparaturen.

Weitere Infos zum Risikofaktor Vereisung finden Sie in unserem Blogartikel Gefahren und Risiken durch Eisbildung an Windenergieanlagen.

Die Notwendigkeit einer Blattheizung , hängt von verschiedenen Faktoren, wie unter anderem Standort, Wetterbedingungen, Turbinengröße ab. Einen guten Indikator bieten die Einnahmeverluste (d.h. wie viel des Jahresenergieertrags gehen durch die Vereisung der Rotorblätter und die damit verbundenen Ausfallzeiten verloren).

Als Faustregel rechtfertigen folgenden Verluste die Integration einer Blattheizung:

• 3-5% AEP Verluste – beim Bau einer neuen Windturbine
• >5% AEP Verluste – für die Nachrüstung bestehender Turbinen (aufgrund des höheren Aufwands für die Nachrüstung von Blattheizungen)

Um die Leistung einer Windenergieanlage zu optimieren, ist es entscheidend, Vereisungen frühzeitig zu erkennen und mit entsprechenden Maßnahmen zu reagieren. Die fortlaufende Überwachung der Rotorblätter, sei es mit oder ohne automatischem Wiederanlauf, kann hierbei maßgeblich sei. Sorgen Sie rechtzeitig für den Schutz Ihrer Anlage vor Vereisungen.

Ein effizienter Betrieb von Windenergieanlagen unter Vereisungsbedingungen erfordert eine genaue Erkennung der Vereisung, sowohl in Bezug auf den Zeitpunkt als auch auf den Schweregrad der Vereisung. Die vier im Zuge des Projektes getesteten Eiserkennungssysteme (IDS) unterscheiden sich hinsichtlich der Art wie Eis am Rotorblatt gemessen wird.

• Die IDS von Polytech (ehemals fos4X), Wölfel und Weidmüller detektieren die Rotorvereisung anhand von Veränderungen im Frequenzspektrum der Blattschwingungen – diese bezeichnet man auch als vibrationsbasierte Systeme
• Das IDS von eologix erkennt die Rotorvereisung anhand der elektrischen Impedanz direkt an der äußeren Rotorblattoberfläche

Polytech (ehemals fos4x) – www.polytech.com

Das System misst und lernt die Eigenfrequenz der Rotorblätter unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Sobald sich Eis auf den Rotorblättern bildet, ändert sich das Schwingungsverhalten der Rotorblätter. Durch dese Veränderung wird Eis auf den Rotorblättern detektiert (misst Eis mit einer Messgenauigkeit von weniger als 9mm oder weniger als 10kg pro Rotorblatt).

Weidmüller – www.weidmueller.de

BLADEcontrol® misst den Grad der Vereisung direkt an den Rotorblättern und basiert auf einem einfachen physikalischen Prinzip: Der Eisansatz verändert durch sein zusätzliches Gewicht das Eigenschwingungsverhalten des Rotorblatts, wodurch sich die Schwingungsfrequenz verringert. Durch hochsensible Sensorik und spezielle Auswertungsverfahren erreicht das System eine Messauflösung der Eisdicke im Millimeterbereich.

Wölfel – www.woelfel.de

IDD.Blade misst mittels Sensoren in den Rotorblättern das Schwingungsverhalten. Wenn sich durch Eisansatz die Masse eines Rotorblatts verändert, verändert sich auch das Schwingverhalten. Somit geben die Schwingungen Auskunft über den aktuellen Vereisungsgrad.

Nach vier Wintern konnte ein Datensatz von rund 5700 Betriebsstunden (gleichzeitiger Betrieb aller vier Systeme) der WEA gesammelt werden, mit ca. 2500 Stunden Vereisung (nur Reif-Eis). Als Referenz dienten mehrere Kameras. Dieser einzigartige Datensatz ermöglicht einen detaillierten Vergleich der vier blattbasierten IDS.

Die Analyse der Vereisungsereignisse zeigte, dass zwischen allen vier IDS und den Kamera-Bildern eine gute Übereinstimmung hinsichtlich des Zeitpunkts der Vereisungsereignisse besteht. Die Anzahl der Vereisungsfälle bei den drei vibrationsbasierten IDS ist sehr ähnlich. Es konnten jedoch Unterschiede in der Gesamtdauer der Turbinenstopps aufgrund unterschiedlicher Empfindlichkeit der Systeme festgestellt werden. Beim System von eologix kam es dabei zu deutlich weniger und kürzeren Stillstandszeiten.

Beispiel eines Eisevents (VGB research project 401; Auszug präsentiert bei der Winterwind 2021) – (Referenz: Comparison of four blade-based ice detection systems installed on the same turbine, Paul Froidevaux, Meteotest AG, Winterwind 2021, April 20, 2021)

Hinsichtlich des eologix Systems wurden die folgenden Punkte als Ergebnisse angemerkt und zusammengefasst:

• eologix ist das erste System das eine Vereisung am Rotorblatt detektiert,
• das eologix-System erfordert die kürzesten Stillstandszeiten (wenn die WEA gemäß den Systemzertifizierungen stoppt),
• das eologix-System hat die WEA rund 2,5-mal kürzer angehalten als die drei anderen IDS,
• eologix als einziges System mit 100% Verfügbarkeit der Eisdetektion während der Produktionsstunden.

Weiters wurde angemerkt, dass die drei vibrationsbasierten Systeme im Gegensatz zum eologix System bei geringen Windgeschwindigkeiten oder im Falle eines Trudelbetriebs keine Vereisung erkennen konnten.

Lesen Sie nachfolgend einen Ausschnitt aus unserem Jahresrückblick 2021.

eologix hat einen Großauftrag für die Ausstattung eines Windparks im skandinavischen Raum erhalten. Wir statten einen Windpark mit mehr als 130 Anlagen mit unserem innovativen Sensorsystem „Made in Styria“ aus. „Dieser Auftrag als einzelner Posten und in dieser Höhe ist außergewöhnlich für uns. Wir erreichen heuer auch den größten Auftragseingang der bisherigen Firmengeschichte. Darauf sind wir richtig stolz.“, bekräftigt Thomas Schlegl.

Bei der diesjährigen HUSUM Wind wurde unsere neue Applikation für kontinuierliche Pitchwinkelmessung präsentiert. Im Gegensatz zu bodenbasierten Systemen erkennt das eologix:align System etwaige
Pitchwinkelfehler durch ein kontinuierliches Monitoring frühzeitig.

Dass es sich rentiert die relativen Blattwinkel einer WEA kontinuierlich zu messen, ist klar – einerseits sind die Auswirkungen bei Fehlstellungen vielfältig und reichen von Ertragsverlusten bis hin zu Schäden, andererseits treten Unwuchten nicht nur nach Blattschäden und Blatttausch auf.

eologix:align bietet Betreibern von WEA neben den relativen Pitchwinkel, auch die Möglichkeit eben genau diese Daten mit den Anlagendaten zu korrelieren. So ist es nicht nur möglich Pitchwinkelfehler frühzeitig zu erkennen, sondern auch etwaige Fehler in unterschiedlichen Pitchstrategien zu erkennen.

Das innovative Sensorsystem arbeitet vollautomatisch, ist auf jeder WEA einsetzbar und misst auch im Volllastbetrieb. Durch automatische Warnmeldungen im Falle von Abweichungen schützt es Ihre Anlagen und vermeidet so Ertragseinbußen und Schäden – für eine optimale Anlageneffizienz.

Das System ist ähnlich wie unser Eisdetektionssystem aufgebaut und besteht aus einem Sensorpaket und einer Basisstation pro WEA.

Die vielfältigen Auwirkungen von Pitchwinkelfehlstellungen, wie:

• reduzierte Lebensdauer
• Ertragsverluste
• Fehldiagnosen
• Schäden

Ein effizienter Betrieb von WEA unter Vereisungsbedingungen erfordert eine genaue Detektion der Vereisung. Im Zuge eines VGB Projekts (VGB Research project 401, Comparison of four blade-based ice detection installed on the same turbine) wurde ein umfassender Feldtest von 2016-2020 durchgeführt, mit dem Ziel alle vier am Markt etablierten Eiserkennungssysteme (IDS) von fos4x (now Polytech), Wölfel, Weidmüller und eologix auf derselben Vestas V-90 zu installieren und über viele Vereisungsereignisse hinweg zu vergleichen (keines der vier IDS steuerte die WEA während des Feldtests). Aus der Messkampagne konnte ein Datensatz von rund 5700 Betriebsstunden (unter Winterbedingungen) der WEA gesammelt werden, mit ca. 2500 Stunden Vereisung (nur Reif-Eis). Als Referenz dienten mehrere Kameras.

Die Analyse der Vereisungsereignisse zeigte, dass zwischen allen vier IDS und den Kamera-Bildern eine gute Übereinstimmung hinsichtlich des Zeitpunkts der Vereisungsereignisse besteht.

Hinsichtlich unseres Eiserkennungssystems wurden die folgenden Punkte als Ergebnisse angemerkt: eologix ist das erste System das eine Vereisung am Rotorblatt detektiert, weiters ist unser System jenes, das die kürzesten Stillstandszeiten erfordert (wenn die WEA gemäß den Systemzertifizierungen stoppt) und zu guter Letzt hat das eologix-System in den drei Wintersaisonen die WEA rund 2,5-mal kürzer angehalten als die drei anderen IDS.

Weiters wurde angemerkt, dass die drei vibrationsbasierten Systeme im Gegensatz zum eologix System bei geringen Windgeschwindigkeiten oder im Falle eines Trudelbetriebs keine Vereisung erkennen
konnten.