Ultraschall-Windsensor VENTUS-UMB im Vergleich zu "Cups and Vanes" (Halbschalen-Anemometer und Windfahnen)

Kosten-Nutzen-Analyse: Ultraschall- vs. mechanische Windsensoren

Die folgenden Ausschnitte einer Kosten-Nutzenanalyse beweisen, dass sich der Ersatz mechanischer Sensoren durch Ultraschall-Sensoren auf Windturbinen zur Windturbinensteuerung bereits nach weniger als zwei Jahren auszahlt.

Die verglichenen Anemometer-Typen:
mechanisch vs. digital

Anemometer sind wichtige Teile großer Windkraftanlagen. Sie messen Windgeschwindigkeit und Windrichtung – entscheidende Faktoren für den maximal möglichen Stromertrag. Eine normale Leistungskurve von Windturbinen zeigt den Stromertrag (in kW) in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit (m/s) an. Daneben ist der Sensor für die Ausrichtung der Turbine oder gar die Abschaltung der Anlage bei zu starken Winden verantwortlich.

Die bisher in der Windenergie eingesetzten mechanischen Sensoren bestehen aus zwei Komponenten: Die Windgeschwindigkeit wird mit drei halbkugeligen Schalen gemessen, die vom Wind angetrieben werden . Die zweite Komponente ähnelt einer Fahne aus Kunstoff und ermittelt die Windrichtung. Beide enthalten bewegliche Teile, wie z.B. Kugellager und fallen daher meist Windstärken, Vereisungen und der typischen mechanischen Alterung zum Opfer.

Heutzutage stellen viele Unternehmen auf Ultraschall-Anemometer um. Diese Sensoren haben im Vergleich zu mechanischen Sensoren keine beweglichen Teile und sind komplett elektronisch betrieben. Das reduziert die Fehlerwahrscheinlichkeit und sorgt für eine längere Stabilität und wartungsfreien Betrieb. Sie kommen auch ohne Hydraulik aus und sind somit besser vor Rost, Schmutz oder anderen Ablagerungen geschützt, die den reibungsosen Ablauf behindern können. Einige Ultraschall-Sensoren besitzen auch eine Heizung, die das Gerät vor dem Einfrieren bewahrt, was gerade in großen Höhen oder im Offshore-Betrieb wichtig ist. Unsere Ultraschall-Sensoren sind zudem mit sowohl digitalen als auch analogen Ausgängen ausgestattet und können so direkt mit der SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) kommunizeren. Die SPS ist für die Überwachung und den Betrieb der eletromechanischen Turbinen-Prozesse verantwortlich. Sie ist wichtig für die Verminderung des Energieverlusts, der Verringerung von Wiederbeschaffungskosten, der Identifikation von Wartungsbedarf, der Vermeidung von Ausfällen und und und…

Resultate des Sensorenvergleichs

In einer aktuellen wissenschaftlichen Abhandlung verglichen wir die Sensortypen hinsichtlich ihrer Kosten innerhalb eines Fünf-Jahres-Einsatzes. Die Auswertung zeigt, dass mechanische Geräte zwar geringere Anschaffungskosten mit sich bringen, aber die Folgekosten deutlich höher ausfallen, als bei der Ultraschall-Technologie. Die Kosten beziehen sich auf den Austausch, Ertrag, Installationsaufwand z.B. durch die aufwendigere Verkabelung bei mechanischen Systemen, Signalkodierung und weiterer Wartungskosten. Diese übersteigen die Anschaffungskosten eines Ultraschall-Anemometers deutlich.

Bild (1) vergleicht die entstehenden Kosten von vier verschiedenen Sensoren 1) mechanischer, unbeheizter Sensor, 2) mechanischer beheizter Sensor, 3) mechanischer Sensor mit Kommunikationsprotokoll und 4) Ultraschall-Windsensor. Unsere Nachforschungen zeigen, dass die über die gesamte Lebensdauer anfallenden Kosten von Ultrashall-Windsensoren deutlich geringer ist als die der drei mechanischen Sensoren.

In Bild 1 wird deutlich, dass innerhalb der 5 Jahre insgesamt 2.112 $ Kosten entstehen. Im Vergleich kosten die beheizten mechanischen Sensoren zwar nur rund 900 $ für die Installation, insgesamt sind diese aber doppelt so teuer, wenn man die 40% höhere Fehlerrate pro Jahr und alle anderen Faktoren berücksichtigt. Die unbeheizten mechanischen Sensoren kommen in Summe sogar auf drei Mal so hohe Gesamtkosten innerhalb der 5 Jahre.

Der Kostenvergleich zeigt, dass Ultraschallsensoren im Vergleich zu mechanischen Geräten bereits am Ende des ersten Nutzungsjahres lohnenswert sind! Das verdeutlicht das Break-Even-Schaubild in Bild 2, in dem der Ultraschall- den mechanischen Sensor am Ende des ersten Jahres überholt.

Schlussfolgerung

Hinzuzufügen ist der Fakt, dass Ultraschall-Sensoren insgesamt noch deutlich länger als die untersuchten fünf Nutzungsjahre eingesetzt werden können. Betrachtet man die Lebensdauer über 20 Jahre hinweg, werden die Unterschiede zwischen den beiden Sensor-Modellen drastisch. Hochgerechnet auf eine ganze Windfarm mit 100 Turbinen handelt es sich dabei um ein enormes Sparpotential. Im 3. Bild sehen Sie die kummulierten Zahlen für alle vier Sensortypen, die auf einer 100-Turbinen-Farm eingesetzt werden. Hier kommt auch die 20-Jahres-Betrachtung ins Spiel, also der geschätzten Nutzungsdauer eines Ultraschall-Sensors. Insgesamt kosten selbst 100 in der Anschaffung günstigstere mechanische Sensoren im Endeffekt rund 889.000 $ mehr als im Vergleich dazu die digitalen Ultraschall-Anemometer.

Genauer erläutert wird der Inhalt dieses Blogbeitrags auch in einem Webinar, gehalten vom Autor dieses Artikels mit dem Thema „Cost Benefit Analysis and Argument in Favor of Replacement of Mechanical Turbine Control Wind Sensors.“ (Webinar-Sprache Englisch)

Quellenangabe:
Dieser Auszug aus dem wissenschaftlichen Bericht „Kosten-Nutzen-Analyse und Argumente für den Tausch von mechanischen Sensoren zur Turbinensteuerung“ wurde geschrieben von Erin Williamson im Auftrag von Lufft USA Inc. im März 2016. Die gesamte Analyse ist originäre Forschung auf Basis von Industrieexperteninterviews (n = 4), öffentlich zugänglichen Informationen und Berichten aus der Windenergie-Branche. Die
zur Verfügung gestellten Annahmen sind mit Rücksichtnahme aller Unsicherheiten zu betrachten und die Ergebnisse stellen eine konservative Schätzung der Kosteneinsparungen durch den Einsatz von Ultraschall-Anemometern dar.

Für Fragen oder Kommentare zu diesem Whitepaper „Kosten-Nutzen-Analyse und Argumente für den Tausch von mechanischen Sensoren zur Turbinensteuerung“ kontaktieren Sie bitte Lufft USA, Inc.

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