Ein gesellschaftlicher Wandel steht bevor, und er betrifft die gesamte Energieversorgung. Dazu gehören nicht nur die Erzeugung von Elektrizität, sondern alle Energieträger, die auf fossilen Stoffen beruhen und deshalb CO2 ausstoßen. Weil nicht alle sozialen Bereiche elektrifiziert werden können, bedarf es Ersatzstoffe für Öl, Gas und Kohle. Die einstimmige Wahl ist hier auf Wasserstoff und seine Derivate gefallen. Der heute verwendete Wasserstoff wird aber ebenfalls aus Gas unter Freisetzung von CO2 gewonnen. Sieht man von dem Verfahren des Carbon Capture and Storage (CCS) als Alternative ab, ist der sogenannte grüne Wasserstoff das Mittel der Wahl: Er wird durch Elektrolyse aus Wasser erzeugt, indem mit elektrischer Energie Wasser in Sauer- und Wasserstoff aufgespalten wird. Es wird also ebenfalls Strom benötigt – und zwar grüner.
Vervierfachte Stromerzeugung
Prognostiziert ist für Deutschland, dass sich der Strombedarf in den nächsten 20 Jahren verdoppeln wird. Weil zurzeit nur knapp die Hälfte des Strombedarfs von regenerativen Quellen gedeckt wird, muss sich die Leistung der Stromerzeugungsanlagen vervierfachen. Ein fundamentales Problem bleibt: dass Energielieferanten wie Wind- oder Solarkraftwerke weder zeitlich noch räumlich die notwendige Menge zuverlässig bereitstellen können. Den Verbrauch an die Erzeugung anzupassen ist also eine Komponente, aber nur beschränkt umsetzbar.
Drei Komponenten
Die Grafik verdeutlicht die Problematik: Wind und Sonne liefern immer zu viel oder zu wenig Energie. Beides ist schwierig, da in dem einen Fall abgeregelt werden muss und in dem anderen Reservekraftwerke liefern müssen. Das ist unwirtschaftlich. Ziel muss daher sein, beide Situationen so weit wie möglich zu minimieren. Die notwendige Regelung beinhaltet drei Komponenten: steuern, speichern und transportieren. Als Lieferant von elektrotechnischen Komponenten und Sensoren interessiert Pepperl+Fuchs zunächst die Steuerung von Prozessen. Hier geht es darum, dass Windkraftanlagen zunehmend netzdienliche Funktionen übernehmen müssen – sie müssen auf Anforderungen aus dem Netz reagieren.
Sensorik zur Lastenerfassung
Eine moderne Windkraftanlage hat eine Turmhöhe von 130m und ein Gewicht von Maschinenhaus und Gondel von 400 bis 600t zu tragen. Die unterschiedlichen Windlasten bewirken eine enorme mechanische Last auf die Konstruktion. Nun kommen die Anforderungen der Regelung dazu. Das Abbremsen des Rotors durch Verstellen des Blattwinkels hat eine vergleichbare Last zur Folge. Die wiederum hat massive Auswirkungen auf die Lebensdauer und damit auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Sensorik in Form von Inertialmesssystemen kann die Lasten in Echtzeit erfassen und für eine Auswertung im Sinne des Structural Health Monitorings oder direkt dem Feedback der Anlagensteuerung dienen. Das Besondere: Sie beinhaltet unterschiedliche Messprinzipien und liefert schon bei sehr niedrigen Frequenzen zuverlässige Daten. Dabei können die Kräfte nicht nur in drei Achsen gemessen werden – ein Kreiselsystem erfasst Schwingungen im Raum und kann so auch Torsionskräfte erkennen. Damit lässt sich das Schwingungsveralten der gesamten Konstruktion des Windkraftwerks ermitteln.
Mehr Chance als Risiko
Ziel ist, die Anlagen möglichst sanft zu steuern, um so unnötig hohe Belastungen zu verhindern. Zum anderen ermöglicht die Erfassung der Daten über den Betriebszeitraum die Bestimmung der Restlebensdauer. Das wiederum ist Voraussetzung für den Weiterbetrieb der Anlage und daher entscheidend für ihre Wirtschaftlichkeit. Das prognostizierte starke Wachstum im Bereich Windkraft für die nächsten 20 Jahre zeigt, dass für Sensorhersteller und Fabrikautomatisierer die Chancen die Risiken überwiegen. Das gilt auch für die Speicherung und Transport und für die Herstellung der Anlagen.
