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Windenergie – moderne Physik unter ökonomischen Randbedingungen

Berufskundliches Seminar "Big Bang & Big Business" und Integratives Seminar

Veranstaltungsdaten

Windenergie – moderne Physik unter ökonomischen Randbedingungen

Maschinenzustandsanalyse – ein Beitrag zur wirtschaftlich nachhaltigen Nutzung komplexer autonomer Maschinen  

Prof. Dr. Michael Schulz, Geschäftsführer IM&P, 06120 Halle (Saale), Blücherstrasse 26

Windenergieanlagen bilden für die nahe Zukunft eine wichtige Basis für die weltweite Energiegewinnung. Obwohl diese Anlagen zunächst relativ einfach erscheinen, gibt es eine Vielzahl von Problemen, die nicht nur für Ingenieure, sondern auch für Physiker und Ökonomen echte Herausforderungen sind. So kann die windabhängige und stark dezentrale Energieproduktion mit dem derzeit bestehenden Netz weder für eine ausreichende Versorgungssicherheit noch eine optimale Energieverteilung sorgen. Hier können neue Konzepte der Physik komplexer Systeme Lösungen anbieten um diesen vielschichtigen und hochvolatilen Markt zu steuern.

Aber auch auf der Maschinenebene – irrtümlich oft als eine rein ingenieurtechnische Domäne angesehen – gibt es überraschend viele Probleme, die spezifische Kenntnisse der Physik benötigen. Die Beantwortung zentraler Fragen der Windenergiewirtschaft – Wie kann man möglichst verlustfrei Windenergie in elektrische Energie umsetzen? Wie speichert man überschüssige Energie? Wie betreibt man eine Anlage optimal? – verlangt sowohl ein tiefes Verständnis physikalischer Prozesse in realen Maschinen, als auch die genaue Kenntnis ökonomischer Anforderungen.

Ein wesentlicher Teil des Vortrags befasst sich mit der Bestimmung des technischen Anlagenzustands, bei dem eine Vielzahl physikalischer Messtechniken (basierend auf Sensorik für Wind- und Klimadaten, Drehzahl- und Beschleunigung, Leistung, Kräfte, Drehmomente, Präzisionswinkelmessungen, Körper- und Ultraschall, Wirbelstrommessungen, etc.) und Methoden der theoretischen Physik genutzt werden, um die funktionale Integrität der Anlagen detailliert zu beschreiben, eventuelle Schäden an einzelnen Komponenten zu erkennen, deren Ursachen zu ermitteln und den zu erwartenden zukünftigen Verlauf zu beschreiben. Dazu werden Algorithmen benötigt, die bereits auf der Maschinenebene die riesigen Sensordatenmengen zu relevanten Zustandsinformationen verarbeiten können, die später auf der Ebene zentraler Serversysteme als Basis zur Konstruktion dynamischer Bewegungsgleichungen verwendet werden, um dann wieder aus deren Eigenschaften und Lösungen auf den Maschinenzustand zu schließen. Die dabei auftretenden Probleme – verschiedene Datenerfassungs- und Sensorsysteme, Schadensquantifizierung, unterschiedliche Anlagentypen und Wartungsmethoden, Konstruktion von Bewegungs- und Evolutionsgleichungen aus mechanischen, thermischen und elektrischen Messwerten  – verlangen aus wirtschaftlichen Gründen einerseits möglichst universelle und skalierbare Algorithmen (die prinzipiell auch auf andere Maschinentypen anwendbar sind und tatsächlich auch angewendet werden) und andererseits Lösungen, die den Details und der individuellen Entwicklung jeder einzelnen Anlage gerecht werden. Die Vorstellung einiges anwendungsfähigen Konzeptes zur Vereinigung beider – scheinbar antagonistischen – Anforderungen unter ökonomischen und physikalischen Gesichtspunkten ist das zentrale Anliegen dieses Vortrags.