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24.02.2020

Innovative Betriebsführung

Im Expertengespräch mit Alexandra

Die Erzeugung von erneuerbaren Energien aus Wasser, Wind, Biomasse und Sonnenlicht nimmt zu. Jahr für Jahr decken erneuerbare Energien einen immer größer werdenden Teil des Stromverbrauchs in Deutschland ab. Gleichzeitig ist die Energiewende aber auch die größte Herausforderung, vor der das deutsche Stromnetz jemals stand. Strom muss teilweise über weite Strecken transportiert werden. Gleichzeitig müssen die Kapazitäten in den Umspannwerken erweitert werden, um die erzeugte Energie ins Stromnetz einzuspeisen. Die Betriebsführung eines Umspannwerks bindet viele Ressourcen der Übertragungsnetzbetreiber. Wie durch Digitalisierung und Automatisierung die Betriebsführung von Umspannwerken optimiert werden kann, weiß Alexandra. Sie ist als Innovationsmanagerin bei SPIE tätig und seit einigen Jahren vertraut mit dem Thema „Innovative Betriebsführung“.

Alexandra, bitte beschreiben Sie kurz: Was ist mit Innovativer Betriebsführung gemeint?
Innovative Betriebsführung hilft uns auch in Zukunft, einen sicheren Betrieb technischer Anlagen zu gewährleisten. Darunter fällt neben der Überwachung rund um die Uhr auch die Wartung und Instandsetzung. Die Anlagen, die wir überwachen, sind Umspannwerke, die Windparks mit dem Stromnetz verbinden. Diese befinden sich in der Regel nicht in Stadtnähe und sind für unsere Teams nur über weite Wege erreichbar. Mithilfe von Kamera- und Sensor-Informationen können wir beispielsweise Entstörungseinsätze besser vorbereiten oder im Idealfall die Störung vorab prognostizieren und durch gezielte Wartung verhindern.

Unsere Mitarbeiterin bzw. unser Mitarbeiter kann sich durch Informationen des Monitoringsystems also wesentlich besser auf den Einsatz vorbereiten. Wird ein Alarm in einer der Anlagen ausgelöst, können wir vorab auf die Kamera zugreifen, um zu prüfen, ob das Problem sichtbar ist. Handelt es sich beispielsweise um einen Marderschaden oder um eine Verschmutzung der Armaturen, kann gleich das richtige Material zum Vor-Ort-Einsatz mitgenommen werden.

Worin liegt der Unterschied zu der herkömmlichen Betriebsführung?
Ein störungsfreier Betrieb wird bisher durch zyklische Wartungen und Inspektionen der Anlage erreicht. Dies ist einerseits ressourcenintensiv, und wir steuern auf eine Zeit zu, in der uns immer weniger technische Fachkräfte zur Verfügung stehen. Andererseits werden unsere Kunden immer preissensibler, da die Einspeisung Erneuerbarer Energien nicht mehr subventioniert wird und damit kostendeckend erfolgen muss. Das bedeutet, dass wir Effizienzsteigerungen und Prozessverbesserungen realisieren müssen, um die gleiche Qualität und Anlagenverfügbarkeit zu gewährleisten. Dafür testen wir nun, wie uns Bilderkennung und Informationen wie Temperatur-, Schwingungsaufzeichnungen etc. über Sensoren helfen können. Bewegen sich alle Informationen im Toleranzbereich, sind keine Maßnahmen notwendig. Kommt es aber zu Abweichungen, werden daraus Handlungsmaßnahmen abgeleitet, wie beispielsweise der Hinweis, das Silikagel bei Verfärbung von orange zu weiß zu tauschen, um das Trafo-Öl vor Feuchtigkeit zu schützen. Diesen Check müssen die Techniker aktuell vor Ort vornehmen. Mit Hilfe intelligenter Kamerasysteme können viele Sichtkontrollen auch direkt aus unserer Netzleitstelle erfolgen, ohne dass jemand die weiten Strecken zur Anlage fahren muss.

Wie kam es zu der Entwicklung dieser Lösung? Welche Maßnahmen waren nötig?
Die Idee einer „vorausschauenden Wartung“, „Predictive Maintenance“ oder „Condition Based Monitoring“ gibt es schon seit etwa zehn Jahren im Bereich der Umspannwerke. Allerdings haben uns bisher pragmatische Umsetzungslösungen gefehlt. Man kann natürlich ein technisch aufwendiges Monitoring-System an den Trafo anschließen und sehr viele Sensoren in der Anlage verteilen, welche Informationen in ein System einspeisen, aber die Kosten dafür würden niemals durch eine effiziente Wartung gedeckt werden. Was aber heute durch Bilderkennungssoftware möglich ist, hilft uns genau die Fälle in der Wartung zu betrachten, die uns viel Geld und Zeit kosten – wie beispielsweise ob die Pflege der Außenanlage, zum Beispiel das Mähen des Rasens, notwendig ist oder ob ein Einsatz vor Ort auch erst einige Wochen später erfolgen könnte. Neben der richtigen Technologie bedarf es aber natürlich auch der Bereitschaft und dem Einverständnis des Kunden, der Partner und der Techniker, sich auf eine neue Lösung einzulassen.

Welche Vorteile bietet die Lösung den Betreibern der Umspannwerke?
Aktuell erhöhen wir für unsere Windpark-Kunden vor allem die Transparenz des Umspannwerks, das ihren Windpark mit dem Stromnetz verbindet. Es handelt sich bei der Lösung um ein Vorzeigeprojekt für die Digitalisierung, denn alle Anlageninformationen sind per Klick intuitiv über ein 3D-Modell der Anlage zugänglich. Ein Klick auf den Leistungsschalter kann sowohl die gesamte Dokumentation dieser Anlagenkomponente, wie Konstruktionszeichnungen und Abnahmeprotokolle enthalten, als auch die für den Betrieb wichtigen Informationen, wie Zeitpunkt und Ergebnis der letzten Wartung. Informationen zum aktuellen Betriebszustand liegen sowohl in Form von Kennzahlen im Leitsystem als auch über einen verknüpften Sensor vor, der kontinuierlich Messwerte, wie zum Beispiel Temperatur und Schwingung, aufzeichnet. Diese Kennzahlen lassen über einen längeren Zeitraum betrachtet Rückschlüsse über das zukünftige Verhalten des Geräts zu. 

Außerdem kann der Kunde auf ein Kamerasystem zugreifen, das gleichzeitig infrarote und optische Bilder aufzeichnet. Das ist bei meist ruhenden Komponenten wie dem Stromwandler im Normalbetrieb nicht unbedingt spannend, aber im Falle einer Brandherdentwicklung außerhalb der Anlage, Eindringlingen oder zur Überwachung der Temperaturverteilung im Öl des Transformators sehr hilfreich. 

All diese Informationen und die sich daraus abzuleitenden Empfehlungen für den wirtschaftlichen Betrieb der Anlage interessieren den Anlagenbesitzer sehr – man würde ja auch kein Auto fahren, bei dem man den Kilometerstand oder die Tankanzeige nicht sehen kann. Genauso errechnet die Software auch hier, wann der sinnvollste Zeitpunkt für die nächste Inspektion oder der Austausch einer Komponente notwendig ist.

Was wird vor Ort benötigt, damit die Daten für die Innovative Betriebsführung ermittelt werden können?
Wir haben Ende vergangenen Jahres im Rahmen eines Versuchsprojekts (Proof of Concept) eines unserer Windpark-Umspannwerke mit verschiedenen Messpunkten ausgestattet, die in einem digitalen Anlagenzwilling erfasst und über ein Jahr interpretiert werden. Das Herzstück der Lösung ist das intelligente Kamerasystem DocuCam, das bei Veränderungen Alarme in der Leitstelle auslöst. Wie schon beschrieben, erfasst dieses System sowohl visuelle als auch thermografische Veränderungen und kann in verschiedenen Modi betrieben werden (Überwachung, Prüfen von Betriebszuständen oder manuelle Steuerung). Darüber hinaus haben wir verschiedene Temperatur-Sensoren innerhalb und außerhalb der Betriebsgebäude sowie eine Wetterstation installiert, um wärmebedingte Einsätze in Zukunft zu reduzieren. Die Sensoren erfassen neben der Temperatur auch Schwingungen, so dass Schaltvorgänge im Rahmen des Tests nachvollzogen werden können.

Sie haben bereits erwähnt, dass Sie ein Versuchsprojekt durchgeführt haben. Was sind nun Ihre nächsten Schritte?
In diesem Jahr wollen wir testen, welche Erkenntnisse wir genau aus der Analyse der Messwerte gewinnen können. Dabei werden die Daten in dem digitalen Anlagenzwilling aufbereitet, auf den man über einen gesicherten Zugang von überall zugreifen kann. Bewegt sich ein Messwert außerhalb der Toleranzen, wird ein Alarm erzeugt. Ungeachtet dessen, können wir Trendentwicklungen verfolgen und auswerten, wo die häufigsten Ursachen für außerplanmäßige Vor-Ort-Einsätze liegen und wie wir diese abstellen können. Mit Hilfe der Software soll unsere Betriebsführung in der Netzleitstelle und der Kunde mithilfe übersichtlicher Dashboards – ausgehend von dem 3D-Modell der Anlage – eine Rundumübersicht, inklusive Handlungsempfehlungen zum wirtschaftlichsten Anlagenbetrieb erhalten.

Ich bin mir sicher, dass wir mit dem Thema aktuell den Nerv treffen. Seit wir das Thema im Rahmen der letzten „Husum Wind“, der größten Windenergiemesse in Deutschland, mithilfe eines interaktiven Modells vorgestellt haben, sprechen uns immer mehr Kunden an, ob wir bereit wären, ähnliche Testprojekte bei ihnen zu begleiten. Hierbei unterstützen wir natürlich gern auf Basis der gesammelten Erfahrung und digitalisieren aktuell die vierte Bestandsanlage, um sie dann mit historischen (Planung/Bau), aktuellen (Betrieb) und prognosebasierten Informationen zu verknüpfen, um den Wert der Anlagen nachhaltig zu steigern.

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