Es müssen nicht immer Megawatt sein. Auch kleine Windräder tragen ihren Teil zur Energiewende bei. Aber auch bei ihnen muss die komplexe Regelung einwandfrei funktionieren.

Es müssen nicht immer Megawatt sein. Auch kleine Windräder tragen ihren Teil zur Energiewende bei. Aber auch bei ihnen muss die komplexe Regelung einwandfrei funktionieren.Phoenix Contact

Einer der wenigen heimischen Hersteller von Kleinwindenergieanlagen (KWEA), ist RLE International. Zum Unternehmen gehört auch die in Overath ansässige Gruppe Nova-Wind. Sie konstruieren und vermarktet Kleinwindenergieanlagen. Während der Inbetriebnahme des ersten Prototyps im Juli 2012 erkannten die dortigen Verantwortlichen, dass sie für die Steuerungselektronik einen kompetenten Partner benötigen. In Phoenix Contact fanden sie einen Automatisierungsspezialisten, der in kurzer Zeit eine Lösung für die anspruchsvolle Regelelektronik konzipierte und in die KWEA integrierte.

Herzstück der Regelelektronik ist eine Kleinsteuerung vom Typ ILC 170 ETH 2TX, die eine Vielzahl an Aktoren und Sensoren erfassen und steuern kann – was für eine KWEA vollkommen ausreicht. Gleichzeitig verfügt der Controller über genügend Rechenleistung, um auch die komplexere Pitch-Steuerung zu übernehmen. Stefan Rohr, Projektleiter bei RLE International, berichtet: „Uns hat die Performance überzeugt. Das Gerät weist auch noch Reserven auf, sodass wir Änderungen und Erweiterungen direkt am Prototypen vornehmen können.“

Der KWEA-Prototyp ist in der Nähe des Overather Unternehmenssitzes aufgestellt.

Der KWEA-Prototyp ist in der Nähe des Overather Unternehmenssitzes aufgestellt.Phoenix Contact

Aktiven und passiven Pitch kombinieren

Das größte Problem bei der Automatisierung der Anlage lag in der Programmierung des Regel-Algorithmus, denn die KWEA verfügt sowohl über einen aktiven als auch einen passiven Pitch. Eine Testphase zeigte, dass es am effektivsten ist, wenn sich die aktive Regelung so lange wie möglich nicht in den Prozess einschaltet. Auf diese Weise kann der passive Pitch seine Stärken ausspielen und die KWEA läuft gleichmäßig und ruhig. Denn ein Vorteil des passiven Pitch-Systems besteht vor allem in der Möglichkeit starke Böen abzufangen. Der aktive Pitch kommt zum Einsatz, sobald der Pitch-Winkel windunabhängig verstellt werden soll, beispielsweise bei einer Notfahrt oder zum sanften Starten der Anlage. Darüber hinaus ermöglicht der aktive Pitch eine bessere Kontrolle im oberen Leistungsbereich. Dadurch lässt sich die KWEA bei Überdrehzahl länger am Netz halten, sodass mehr Strom erzeugt wird. RLE International profitiert bei der Realisierung der Regelungstechnik von der Programm-Bibliothek zur Automatisierung von Windenergieanlagen. Mithilfe der Wind Power Control Library (WPCL) ließen sich die meisten Steuerungsaufgaben schnell umsetzen.

„Durch die Kooperation mit Phoenix Contact haben wir uns auf den Aufbau der aerodynamischen Komponenten konzentriert.“ Stefan Rohr, Projektleiter bei der RLE International

„Durch die Kooperation mit Phoenix Contact haben wir uns auf den Aufbau der aerodynamischen Komponenten konzentriert.“ Stefan Rohr, Projektleiter bei der RLE International Phoenix Contact

Das Automatisierungssystem der KWEA verfügt außerdem über eine Leistungsmessklemme. Das an die Steuerung anreihbare Modul misst die Leistung der Anlage direkt und kann indirekt auch die Drehzahl überprüfen. Neben den Sensorwerten erhält die Kleinsteuerung also immer Vergleichswerte. So lässt sich die Sicherheit der Anlagen erhöhen, da zum Beispiel eine Überdrehzahl schnell und zuverlässig erkannt wird.

Fix und fertiger Schaltschrank

Bei der Ausrüstung der KWEAs tritt Phoenix Contact als Komplettanbieter für die Steuerungselektronik auf. Der Blomberger Automatisierungsspezialist liefert nicht nur die Komponenten, sondern fertig aufgebaute Schaltschränke.

In der Bottombox am Turmfuß befinden sich die Steuerung, die Strommessung und die Kommunikationstechnik.

In der Bottombox am Turmfuß befinden sich die Steuerung, die Strommessung und die Kommunikationstechnik.Phoenix Contact

Dabei ist jede Kleinwindenergieanlage mit einer Topbox, die sich in der Gondel befindet, und einer am Fuß außerhalb der Anlage montierten Bottombox ausgestattet. Durch diese Aufteilung lassen sich lange Kabelwege von den Sensoren zur Steuerung vermeiden. Die Topbox sammelt die Signale ein und leitet sie an die Bottombox weiter. Hier sind alle übrigen Komponenten wie die Steuerung, die Strommessung und die Kommunikationstechnik montiert. RLE International rüstet die Kleinwindenergieanlage zusätzlich standardmäßig mit einem Modem aus. Auf diese Weise kann der Betreiber jederzeit auf die KWEA zugreifen und beispielsweise aktuelle Leistungsdaten abfragen.

Über das GSM-Modem kann der Betreiber jederzeit die aktuellen Leistungsdaten abfragen.

Über das GSM-Modem kann der Betreiber jederzeit die aktuellen Leistungsdaten abfragen.Phoenix Contact

Stefan Rohr erklärt: „Durch die Kooperation mit Phoenix Contact haben wir uns auf den Aufbau der aerodynamischen Komponenten konzentriert. Die Steuerung lässt sich einfach als Plug-and-Play-System ankoppeln.“ Rohr lobt auch die kurzfristige Realisation des Projekts: „Es ist schon beeindruckend, mit welcher Geschwindigkeit die Produkt- und Branchenspezialisten von Phoenix Contact unseren Prototyp ausgestattet und an das Netz angeschlossen haben.“ Zum Lösen von Aufgabenstellungen wie bei RLE International erweist sich der Teststand des Blomberger Automatisierungsspezialisten als hilfreich. Dort können die verschiedenen Generatoren schnell eingebaut und in Kombination mit der eigenen Steuerungstechnik geprüft werden. Gerade im Bereich Windenergie hat sich der Teststand als Arbeitserleichterung erwiesen, da der entsprechende Schaltkasten später häufig in größerer Höhe im Turm montiert wird. Jede Änderung an den installierten Sensoren oder der Topbox ist dann mit einem zeitraubenden Aufstieg verbunden.

Anwendung im Detail

Kleinwindenergieanlagen

Gemäß der internationalen Norm EN 61400-2 kennzeichnen eine Windangriffsfläche bis 200 m² und eine Nennleistung von maximal 50 kW Kleinwindenergieanlagen (KWEA). Andere Definitionen gehen von einer Nennleistung bis 200 oder 500 kW aus. Unabhängig davon: Es waren noch nie so viele kleine Kraftwerke wie derzeit aufgestellt. Dies resultiert unter anderem aus den üppigen Förderungen, die zahlreiche Länder für eine solche Form der regenerativen Energieerzeugung ausschütten. Im Vergleich zu einigen Nachbarstaaten erweist sich die deutsche Förderhöhe aber als eher gering. So wird in Deutschland für jede aus Windenergie erzeugte Kilowattstunde Energie, unabhängig von der jeweiligen Anlagengröße, rund 9 Cent vergütet. Doch die steigenden Energiepreise machen die Installation von KWEAs trotzdem finanziell interessant. Denn wenn der Betreiber den von seiner Kleinwindenergieanlage generierten Strom selbst verbraucht, errechnet sich der Gegenwert nicht aus der Einspeisevergütung von 9 Cent, sondern aus den eingesparten Energiekosten, die in der Regel höher sind. Insbesondere Landwirte und Unternehmen mit hohem Energieverbrauch, die den erzeugten Strom selbst nutzen, investieren zunehmend in die kleinen Windenergieanlagen. Im Gegensatz zu den Giganten der Multimegawatt-Klasse können die KWEAs auch dort aufgestellt werden, wo die Behörden für große Anlagen keine Genehmigung erteilen würden. Darüber hinaus fallen die Investitionskosten für die kleinen Kraftwerke überschaubar aus.

Carsten Schröder

ist Mitarbeiter im Bereich Industriemanagement Wind bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.

(mf)

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