Regenerative Energie – wie diverse entfernte Standorte und Prozesse verbunden, überwacht und gesteuert werden können

Leistungsmaximierung durch Technik

Regenerative Energien sind ein wachsender Sektor der weltweiten Energieversorgung. Damit Wind-, Solar- und Wasserkraftwerke jedoch zuverlässig skalieren können, muss die Produktion zuverlässiger und kostengünstiger werden. Die Energiequellen der Zukunft werden dazu auch Infrastrukturen der nächsten Generation erfordern. Hierzu bieten zahlreiche Unternehmen Herstellern und Betreibern die Möglichkeit, alle Arten von Anlagen, von Windturbinen über Solarpaneele bis hin zu Unterwassergeneratoren, aus der Ferne zu verbinden, zu überwachen und zu steuern.

Von regenerativen Energien und ihren Datenmengen

Die Zukunft der Energieerzeugung ist regenerativ, hierbei sind sich sämtliche Experten einig. Das Problem ist jedoch, dass die allermeisten hier verwendeten Techniken ständig unterschiedliche Leistungen liefern. Schon bei Wasser- und Gezeitenkraftwerken ist dies nicht ganz einfach vorherzusagen, bei Wind- und Sonnenenergie ist es jedoch durch die dahinterstehende Technik und die Natur der Energiequellen nochmals deutlich schwieriger. Da sich hierbei wichtige Produktionsvariablen praktisch sekündlich ändern, benötigen die Betreiber Echtzeit-Datenerfassungs-, Kommunikations- und Steuerungssysteme.

Die Steuerungen, die für den Betrieb von Stromerzeugungsanlagen verwendet werden, weichen intelligenteren, leistungsfähigeren und standardisierten Systemen. Zu den industriellen Automatisierungs- und Netzwerklösungen, die hierfür eingesetzt werden können, gehören Ethernet-Switches, die Daten schnell übertragen und verarbeiten, Wi-Fi- und Mobilfunk-Router für den drahtlosen Zugriff auf entfernte Anlagen sowie HMIs, mit denen Unternehmen den Status in Echtzeit überwachen können.

Zuverlässiger Datenzugriff und -kommunikation versorgen die Bediener mit den Informationen, die sie benötigen, um Rotorblätter, Turbinen und Ventile sofort einzustellen, um die Stromerzeugung zu maximieren und den Zustand der Anlage zu überwachen. Der rechtzeitige Zugriff auf Ferndaten ist entscheidend für die Vorhersage erforderlicher Wartungsarbeiten und die

Minimierung kostspieliger Ausfallzeiten. Derartige Softwares und Konfigurationstools erleichtern die Integration intelligenter neuer Anlagenüberwachungsfunktionen in bestehende SCADA-, Wartungsmanagement- und andere Systeme. Überdies sind die Komponenten als robuste Industrieprodukte konzipiert – das heißt, sie sind auf höchste Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit ausgelegt.

Je nach Anbieter und vor allem Energietechnik gelten dabei unterschiedliche Schwerpunkte, um Überwachung und Steuerung zu realisieren:

Windenergie

Der Einbau von Echtzeit-Intelligenz, Kommunikations- und Steuerungsfunktionen in Windenergieanlagen trägt in mehrfacher Hinsicht zur Verbesserung der Betriebszeit und Effizienz bei. So können beispielsweise Getriebeausfälle verhindert werden, indem programmierbare Steuerungen zur kontinuierlichen Überwachung von Öltemperatur, Druck und Variablen von anderen Sensoren eingesetzt werden. Eine Anwendung auf der Steuerung kann automatisch Korrekturmaßnahmen einleiten, wenn Zustandsschwellenwerte erreicht werden. Turbinenprobleme können verhindert und die Effizienz verbessert werden, indem übermäßige Vibrationen, Überdrehzahl und Bremsen überwacht und korrigiert werden, während die Leistung durch automatische Anpassung von Pitch und Yaw (die sogenannten Nick- und Gierwinkel) der Rotorblätter optimiert wird. Sogar Vogelschlag kann effizienter behandelt werden, indem Ethernet- oder drahtlose Kommunikation mit Videokameras integriert wird, so dass die Rotorblätter aus der Ferne inspiziert werden können, ohne dass ein Techniker vor Ort geschickt werden muss, nachdem die Sensoren ein Ereignis erkannt haben – was allein wegen der Höhe der meisten Windkraftanlagen ein extrem zeitkritischer Faktor sein kann.

Solarenergie

Die Nutzung der Sonnenenergie zur Stromerzeugung hat den großen Vorteil, dass hierbei praktisch keine beweglichen Teile benötigt werden – das lässt eine bedeutende Quelle für Verschleiß und somit Schäden und Wartungsarbeiten wegfallen. Dennoch können auch hier Probleme auftreten, die sich proaktiv verhindern lassen, indem durch digitale Komponenten die Fähigkeit hinzugefügt wird, sofort auf beunruhigende Veränderungen der Temperatur oder anderer Leistungsindikatoren zu reagieren. Schaltschränke, Transformatoren, Wechselrichter und andere Komponenten können so in Echtzeit überwacht werden.

Mit der Möglichkeit, Signale von mehreren dezentralen Eingabe-/Ausgabe-Modulen (E/As) zu empfangen und zu verarbeiten, können Bediener Lecks, blockierte Schalttafeln und andere Probleme erkennen und schnell beheben, um Verluste zu minimieren. Die ferngesteuerte Videoüberwachung kann in Steuersysteme integriert werden, um zu sehen, was Abschattungen oder andere Probleme verursacht, und um festzustellen, ob ein Techniker entsandt werden muss. Steuersysteme liefern die Daten, um Probleme genau zu diagnostizieren und die entsprechende Reaktion zu planen, um die Arbeitseffizienz zu maximieren.

Wasserkraft

Die Möglichkeiten der Fernüberwachung und -steuerung können auf Wasserkraftgeneratoren und die Unterwasserkomponenten, die sie antreiben, erweitert werden. Die Schaufeln von Gezeitenturbinen können je nach Stärke und Richtung der Gezeiten automatisch eingestellt werden, indem die Daten von Sensoren, die über das Netzwerk verbunden sind, verwendet werden. Druck und Durchfluss durch verschiedene Ventile, Pumpen und Rohre können ebenfalls in Echtzeit überwacht und gesteuert werden, um den Betrieb innerhalb sicherer und effizienter innerhalb der gewünschten Parameter zu halten. Intelligente Systeme bieten nicht nur Echtzeitsteuerung, sondern helfen auch bei der langfristigen Wartung, indem sie Leistungsdaten über offene Protokolle sammeln, um Daten für andere Überwachungs-, vorausschauende Wartungs- und M2M-Kommunikationssysteme bereitzustellen.

Typische Produkte für die regenerativen Energien

Konnektivität ist das Herzstück der Anbieter derartiger Bausteine und Systeme. Sie reicht von Ethernet-, Wi-Fi- und Mobilfunk-M2M-Produkten bis hin zur umfangreichen Protokollunterstützung und den Konnektivitätsoptionen, die in RTUs und HMIs integriert sind. Dazu gehören ferner sichere, zuverlässige Kommunikationsoptionen, die Einblicke in den Remote-Betrieb bieten, Leistungsdaten von kritischen Anlagen erfassen und eine vollständige Fernwartung und Fehlersuche ermöglichen.

Ethernet und Mobilfunktechnologie ermöglichen die nahtlose Verbindung zahlreicher E/A-Geräte unabhängig vom Standort. Dazu gehören Ethernet-Switches, Wi-Fi-Funkgeräte, Mobilfunk-Router und andere Kommunikationsprodukte. Zu den typischerweise unterstützten Standards gehören Ethernet, USB, RS-232 und RS-485 Kommunikation, HSPA, GSM, GPRS und EDGE Mobilfunk, 802.11a/b/g/n Wi-Fi und andere. Zum typischen Angebotsportfolio solcher Hersteller gehören unter anderem: ·

Industrielle Ethernet-Switches
• Wi-Fi-Funksysteme, die IEEE 802.11a/b/g/n-konform sind und Datenraten von bis zu 300 Mb/s unterstützen.
• Mobilfunk-Router und -RTUs, die mehrere 4G- und 3G-Netzwerke supporten sowie native Modbus-Unterstützung liefern, um die Verbindung zu Standorten mit mehreren Knoten zu vereinfachen.
• HMIs, die umfangreichste Protokollunterstützung bieten und über sehr viele native Treiber verfügen.
• Hochentwickelte Sicherheitsfunktionen, die die NERC CIP-Anforderungen erfüllen, einschließlich 1024-Bit-Verschlüsselung, 802.1x-Kompatibilität, VPN-Unterstützung und IP-Blacklisting.

Wichtig ist zudem ein einfacher Abruf und die Protokollierung kritischer Telemetriedaten als Echtzeit-Fernzugriff auf "always-on"-Überwachungsgeräte, die sich im Feld befinden. Das Endergebnis ist eine optimierte Datenerfassung und verbesserte Netzwerkbetriebszeit, die die Sicherheit und Produktivität verbessert, da weniger Besuche vor Ort erforderlich sind.

Überwachung

Die Protokolle, die derartige HMIs, Panel-Displays und andere Produkte unterstützen, machen es einfach, mehrere Geräte zu überwachen, egal ob direkt am Ort des Geschehens oder Tausende von Kilometern entfernt. Verantwortliche können sich ein genaues Bild von der Leistung machen, indem sie die nativen Treiber oder Protokollkonverter verwenden, um Daten und Statusinformationen von Geräten abzurufen. Durch den Einsatz flexibler Software oder programmierbarer RTUs können alle Vorteile von Echtzeitdaten genutzt werden, um neue Anwendungen zu erstellen, die die Leistung und Betriebszeit optimieren. Typischerweise bieten Hersteller überdies einen umfassenden Support. Das wiederum reduziert die Zeit für Installation und Integration und erleichtert das Hinzufügen neuer Funktionen zu bestehenden Geräten.

Steuerung

Die Steuerung von Geräten und Prozessen ist nur eine Anforderung an RTUs und andere industrielle Automatisierungsprodukte. Sie sollten den Betreibern zudem auch helfen, die Kosten zu überwachen. Während das Angebot von Wind und Sonne variabel sind, können Produzenten von erneuerbaren Energien sicherstellen, dass ein stetiger Datenfluss vorhanden ist, um ihren Betrieb mit maximaler Effizienz aufrechtzuerhalten.

Durch den Einbau von Intelligenz, Steuerungs- und Kommunikationsfunktionen in Komponenten und Systeme können sich Unternehmen von den Beschränkungen der Wetterbedingungen oder der begrenzten Verfügbarkeit von Technikern befreien. Die dahinterstehenden Firmen verfügen über die Werkzeuge und das Fachwissen, die es den Betreibern ermöglichen, Anlagen selbst in den entlegensten und schwierigsten Umgebungen zu verbinden, zu überwachen und zu steuern.

Netzwerktopologien

Die industriellen Automatisierungs- und Netzwerkprodukte in diesem Sektor können auf vielfältige Weise konfiguriert und an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Es folgen einige Beispiele für Netztopologien im Bereich der erneuerbaren Energien:

• Turbinenkonfiguration
• Multi-Ring Windpark
• Single-Ring Windpark
• Turbinenkonfiguration
• Datenlogging zur Prozessanalyse
• Integrierter Webserver zur Fernsteuerung

Multi-Ring Windpark
• Redundante Steuerung
• Fehlertolerantes Ringnetzwerk
• Verteilte E/A
• Router und Controller bieten native DNP3-Report-by-Exception

Single-Ring Windpark
• N-Ring bietet 30 ms Einheilzeit
• Faserverbindung bietet Immunität gegen Rauschen
• Äußerst robuste Schalter verhindern Ausfallzeiten
• Verlässlichkeit und Wartungsfreundlichkeit
• Remote Monitoring