Ein Schnäppchen –
das kostet am Ende
meist mehr
Sparen bei der Zustandsüberwachung ist oft ein teurer Fehler
Die Einführung eines Zustandsüberwachungssystems (Condition Monitoring System, CMS) zur Messung des Zustands von Windenergieanlagen ist heute kein optionales Extra. In vielen Fällen, insbesondere im Offshore-Bereich, ist ein CMS mit Structural Health Monitoring (SHM) vorgeschrieben. Wer aber bei der Anschaffung Geld spart, zahlt am Ende meist mehr.
Kostenfalle billiges CMS
Die Vorteile eines wirksamen CMS sind bei den Fachleuten unumstritten: Es verbessert die Effizienz in der Turbinenwartung und trägt zur Vermeidung größerer Ausfälle und Stillstandzeiten bei. Schon weniger bekannt ist, dass ein Zustandsüberwachungssystem die Verlängerung der Betriebsgenehmigung erleichtert, weil durch seinen Einsatz die tatsächliche Belastung der Anlage nachgewiesen werden kann. Noch weniger bekannt sind die Risiken bei der Anschaffung eines CMS: Wer auf den Gedanken kommt, bei den Investitionskosten einer Windkraftanlage am Zustandsüberwachungssystem ein paar tausend Euro zu sparen, den erwarten meist sehr viel höhere Folgekosten.
In der Regel kann man bei einem Windpark innerhalb von drei Jahren nach der Implementierung eines CMS mit einem ROI (Return Of Investment) rechnen. Allerdings gibt es große Qualitätsunterschiede zwischen den verschiedenen CMS-Lösungen, die der Markt aktuell bietet. Leider gelingt es den Einkaufsteams häufig nicht, die Gesamtbetriebskosten richtig einzuschätzen. Sie entscheiden sich daher zu oft für das billigste System, das am Ende weit mehr Gesamtkosten verursacht als eine höherwertige Alternative.
Ursprünglich lag der Schwerpunkt von CMS auf der Überwachung des Zustands des Antriebsstrangs, aber mit zunehmender Anzahl der Anlagen wird die Überwachung des Zustands der Rotorblätter immer wichtiger, ebenso wie SHM (Structural Health Management) zur Überwachung des Zustands von Turm und Fundamenten, insbesondere im Offshore-Bereich.
Derzeit liegen die Kosten für ein einfaches Acht-Kanal-System mit Messumformern zwischen 3000 und 8000 Dollar pro Turbine. Eine Installation (einschließlich des Erzeugungsausfalls während der Installation) kostet etwa 2000 Dollar pro Turbine. Dies sind die anfänglichen Kosten, mit denen die Eigentümer und Betreiber der Windenergieanlagen rechnen müssen. Doch in eine realistische Gesamtkalkulation sollten auch die Folgekosten einfließen.
Billige CMS fallen öfter aus
In der Zustandsüberwachung berechnet man die Zuverlässigkeit eines Systems im Allgemeinen durch eine Ausfallrate, die in Ausfällen pro 100 Stückjahre gemessen wird. Bei beispielsweise acht Sensoren in einem Windpark mit 50 Turbinen haben wir bei einer Lebensdauer von 20 Jahren rechnerisch eine Gesamtlaufzeit von 8000 Sensorjahren.
Bei einem hochwertigen CMS darf mit einer wahrscheinlichen Ausfallrate von besser als 1 pro 100 Sensorjahren gerechnet werden. Bei einem billigen CMS muss dagegen ein Wert von 2 pro 100 Sensorjahren einkalkuliert werden. Dieser scheinbar kleine Unterschied bedeutet, dass das billige CMS über die gesamte Lebensdauer der Anlage 80-mal öfter ausfallen wird als das hochwertige CMS.
Einen Sensor zu reparieren, ist relativ einfach, erfordert aber außer der neuen Hardware dennoch den Besuch eines Technikers. Vor allem für Offshore-Parks kann das sehr teuer werden. Wir schätzen die Kosten für 80 zusätzliche Reparaturen an Land auf 24.000 Dollar. Sie setzen sich wie folgt zusammen: Technikerzeit $100 + Hardware $200 + Transport zum Standort (Dieser ist nicht hier inkludiert, anzunehmen sind aber mindestens zehn notwendige Besuche, vermutlich eher mehr). Wenn die Reparaturen an Land durchgeführt werden, betragen die Reisekosten schätzungsweise $200, bei Arbeiten auf See verzehnfachen sie sich mindestens.
Schlechte Quality = Ungenauigkeit
Zu den Folgekosten einer billigen CMS-Lösung trägt auch die geringere Genauigkeit der Überwachung bei. Ein fortschrittliches CMS kann im Falle eines Kommunikationsausfalls eine bessere Verfügbarkeit und größere Speicherkapazität bieten. Dies kann zu einer Verbesserung der Fehlererkennung führen.
Wenn ein hochwertiges CMS beispielsweise eine Verbesserung der Fehlererkennung um 1 Prozent bietet, ergibt sich folgendes Bild:
In der Regel treten bei 10 Prozent der Turbinen pro Jahr Fehler unterschiedlicher Schwere auf. Das bedeutet, dass es in einem Windpark mit beispielsweise 50 Turbinen in 20 Jahren Laufzeit 100 Ausfälle geben wird.
Je nach Art des Ausfalls kann das Einsparpotenzial zwischen 1000 und 100.000 Dollar pro Ausfall liegen. Bei einer einprozentigen Verbesserung von drohenden Ausfällen können konservativ gerechnet in unserem Beispielwindpark bis zu 5000 Dollar pro Jahr eingespart werden, also 100.000 Dollar bei einer Betriebszeit von 20 Jahren.
Nach der Erfahrung der CMS-Experten bei Bachmann ist der mit der Überwachung verbundene Aufwand und somit auch die Kosten umso geringer, je besser die Überwachungsausrüstung ist. Betragen die Folgekosten für eine billige CMS-Lösung jährlich 1000 Euro und die Folgekosten für eine höherwertige Lösung 500 Euro, dann ergibt sich über die 20-jährige Lebensdauer einer Windenergieanlage ein Kostenunterschied von 10.000 Euro pro Turbine. Das ist viel mehr als die ursprünglichen Hardwarekosten des hochwertigen CMS. Die fortgeschrittenen Fähigkeiten des teureren Systems wirken sich also erheblich auf die Gesamtbetriebskosten aus.
Eigene Überwachung
Und was ist, wenn ein Anbieter ein internes Zustandsüberwachungsteam hat? Die Qualität des Systems macht auch hier einen großen Unterschied. Auch hier gilt, dass die fortgeschrittenen Funktionen der besseren CMS-Lösung den Umfang der Nacharbeiten reduzieren und genauere Ergebnisse liefern, die leichter zu interpretieren sind und daher schnellere Reaktionen auf einen drohenden Ausfall möglich machen. Dies trifft insbesondere auf hochwertige Zustandsüberwachungssysteme mit prozessorientierter Diagnosesoftware zu.
Wir nehmen an, dass ein Mitarbeiter mit einem hoch qualitativen System 500 Turbinen überwachen kann, statt 350 Turbinen mit einem schlechteren CMS. Dann benötigt ein Unternehmen pro 1000 Turbinen in seiner Flotte einen weiteren Techniker. Mit einem besseren CMS wird die Produktivität also deutlich erhöht.
Man muss bei der Anschaffung zudem bedenken, dass schlechtere Sensoren möglicherweise nicht über die für Windenergieanlagen erforderliche Leistungsfähigkeit oder nutzbare Reichweite verfügen. Dies gilt nicht nur für den Niederfrequenzbereich, sondern auch für den Hochfrequenzbereich des Signals.
Für die Hüllkurvenanalyse wird routinemäßig eine Abtastung mit 10 kHz verwendet. Das gilt nicht nur für den schnelllaufenden Teil der Maschine, sondern auch für langsam drehende Komponenten, bei denen eine Erkennung von Störeinwirkungen für die Diagnose erforderlich ist. Einige Messumformer (vor allem solche auf MEMS-Basis) haben jedoch eine begrenzte Ansprechfrequenz von weniger als 5 kHz, so dass sie für die Überwachung von Windenergieanlagen ungeeignet sind.
Die Folgewirkungen eines unentdeckten Rotorlagerschadens aufgrund minderwertiger Sensortechnik können die minimalen Einsparungen durch ein billiges CMS bei weitem übersteigen.
Billiger Sensor aber teure Software
Einige Lastüberwachungssensoren übermitteln Daten, die sofort vom Steuerungssystem des Windparks erfasst werden können und somit allen entsprechenden Überwachungs- und SCADA-Systemen zur Verfügung stehen. Nehmen wir zum Beispiel einen Dehnungsmessstreifen/IPC-Sensor. Auf dem Markt sind kostengünstige Modelle erhältlich, die nach der Installation ein teures Softwaremodul (rund 4000 Dollar) für die Anbindung an das Steuerungsmodul benötigen.
Auch wenn ein Sensor zunächst kostengünstig erscheinen mag, so treiben die versteckten Kosten der Sensorintegration den Preis solcher Billiggeräte massiv in die Höhe, unabhängig von den zusätzlichen Kosten für die kompliziertere Inbetriebnahme und Fehlerbehebung.
Obwohl ein vorausschauender Wartungsansatz, der durch ein effektives Condition Monitoring System ermöglicht wird, großes Einsparungspotenzial bietet, sehen viele Eigentümer und Betreiber das CMS immer noch nicht als kritische Betriebskomponente ihres Windparks an. Wenn ein CMS gut funktioniert, sind die potenziellen Kosteneinsparungen jedoch beachtlich. Wenn das CMS dagegen nicht optimal funktioniert – wenn es ungenau ist und regelmäßig gewartet oder repariert werden muss – dann wird es schnell zum Kostentreiber und die Betreiber verlieren das Vertrauen in den gesamten Prozess.
Lebenslange Garantien geben den Eigentümern und Betreibern die Gewissheit, dass sie in ein gutes CMS investieren, aber die Hardwarekosten machen nur einen kleinen Teil der versteckten Kosten aus. Die größten versteckten Kosten entstehen durch Wartungsbesuche zum Austausch defekter Hardware (insbesondere auf See), durch nicht erkannte Ausfälle während Stillstandzeiten und durch mangelhafte Überwachungsqualität, kostspielige Überwachungsdienste, Datenverarbeitung und Vernetzung.
Wer von Anfang an in ein höherwertiges CMS mit lebenslanger Garantie investiert, spart mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit über die gesamte Lebensdauer einer Anlage Geld. Einkaufsteams müssen bei der Berechnung der Gesamtbetriebskosten für eine CMS-Lösung alle oben genannten Faktoren berücksichtigen, um ein vollständiges und genaues Bild zu erhalten.
Zum Autor:
David Futter ist Leiter der Abteilung Condition Monitoring Consultancy, die zur Bachmann Group gehört. Der Spezialist für Schwingungsanalyse für die Zustandsüberwachung ist Physiker und Ingenieur und Mitglied in Normanausschüssen beim BSI und ISO Norm Committee. Zudem ist er Approved Training Coordinator des Bachmann-Trainingscenters.
