Blitzeinschläge in Windenergieanlagen: Wie Systeme zur Blitzstrommessung Schlimmeres verhindern

veröffentlicht am 15.09.2022

Aus der Ferne nehmen wir es bloß als sekundenlanges, mahlendes Grollen wahr. Am Ort des Geschehens spielt sich alles jedoch nur in einem Bruchteil einer Sekunde ab: Ein ohrenbetäubender Knall und ein gleißend helles Licht zerreißen die Luft. Die elektrische Spannung des Blitzes erreicht mehrere Millionen Volt, Ströme von Zehntausenden bis hin zu einigen Hunderttausend Ampere in der Spitze bahnen sich in weniger als einem Wimpernschlag später gnadenlos ihren Weg ins Erdreich – so zumindest sieht es das Blitzschutzsystem vor, das sich in den Rotorblättern befindet – der exponiertesten Stelle an einer Windenergieanlage.

Gewitter und Blitze über Windpark
Windräder wandeln Naturgewalten in elektrische Energie um – und gleichzeitig stellt beides eine Gefahr für sie dar. | (c) Philip - stock.adobe.com

Blitzableiter sind bei Windrädern allerdings komplexer gestaltet, als etwa bei Kirchtürmen. Während bei letzteren der Blitz einfach linear vom Turm in die Erde abgeleitet werden kann, muss der Blitzstrom in den Windenergieanlagen erst über drei sich drehende Achsen gelenkt werden. Funktioniert dies nicht wie erwartet oder ist ein Blitz außergewöhnlich stark, dann steht es schlecht um das Schicksal des Rotorblatts.

Der Kohlefaserverbundstoff, aus dem es besteht, ist zwar extrem leicht, allerdings ist er auch ein extrem schlechter elektrischer Leiter. Was an Blitzenergie nun keinen Weg in die Erde findet, entfesselt sich mit voller Wucht auf der Oberfläche des Rotorblatts. Die Lufttemperatur innerhalb des Blitzkanals steigt nämlich schlagartig auf einige Zehntausend Grad Celsius. Dies dauert wie gesagt zwar nur einen Sekundenbruchteil, doch im schlechtesten Fall reicht diese, um das Blatt in Flammen aufgehen zu lassen, Teile davon abzusprengen oder beides zugleich.

Bei Bränden in Höhen, die bei heutigen Anlagentypen locker den Kölner Dom übertreffen, bleibt der Feuerwehr dann aus Sicherheitsgründen nichts anderes übrig, als zuzuschauen, wie das Windrad abbrennt. Glücklicherweise sind brennende Rotorblätter ein Extremfall und die Ausnahme nach einem Blitzschlag – was allerdings nicht heißt, dass es trotz Blitzschutzes nicht auch zu anderweitigen Schäden an den Rotorblättern kommen kann. Solche, von denen man als Betreiber mitunter gar nichts mitbekommt. 

Wie also lässt sich also am besten mit dem Thema Blitzeinschläge in Windenergieanlagen und Blitzschäden umgehen? Welche Möglichkeiten gibt es, um als Betreiber mehr über den Zustand des Rotorblatts Bescheid zu erfahren, nachdem ein Blitz eingeschlagen ist und welche Vorteile habe ich durch dieses Wissen? Diesen und vielen weiteren Fragen gehen wir in diesem Beitrag im Detail auf den Grund.

Inhaltsverzeichnis

 

Wie hoch ist das Risiko, dass ein Blitz in eine Windenergieanlage einschlägt?

Blitzschlag in Windenergieanlage auf Feld
Auf dem freien Feld jagt nicht selten ein Blitz in Windenergieanlagen hinein – je nach Standort auch mehrmals im Jahr. | (c) Frank Wagner – stock.adobe.com

Mit der Weiterentwicklung von Windenergieanlagen steigt auch das Risiko von Blitzeinschlägen, denn: Die Anlagen mit ihren Nabenhöhen ragen immer weiter in den Himmel, ihre Rotorblätter werden immer länger und filigraner. Das macht Windräder in ihrer ohnehin exponierten Lage zu einem noch leichteren Ziel für Blitze.

Hinzu kommt, dass auch die Wetterextreme zunehmen, was Gewitter freilich mit einschließt. Extreme Wetterlagen haben extreme Auswirkungen – und das mitunter auch in Regionen, in denen Gewitter vor einigen Jahren kaum nennenswert vorkamen.

Was die Häufigkeit direkter Blitzeinschläge in Multi-Megawatt-Windenergieanlagen betrifft, sprechen verschiedene Studien von durchschnittlich zehn direkten Blitzeinschlägen pro Jahr – je nach Standort. Dies erhöht natürlich gleichermaßen die Wahrscheinlichkeit für Blitzschäden. [zurück zum Anfang]

 

Was passiert, wenn ein Blitz ein eine Windenergieanlage einschlägt?

Brennendes Windrad
Die einen erwischt es, die anderen nicht. Zumindest noch nicht. | (c) Karina Baumgart - stock.adobe.com

Wenn ein ein Rotorblatt sich während seiner Rotation am höchsten Punkt befindet, zieht es als niederohmige Verbindung in Richtung Erde Blitze buchstäblich an. Im besten Fall schlägt der Blitz nun in den sogenannten Rezeptor ein, wodurch der Strom einen vorher definierten Weg durch die Windenergieanlage nehmen kann. Bei einem solchen Einschlag muss es nicht zwangsläufig zu Schäden kommen. Auch im Inneren der Anlage gibt es gute Systeme, die die Elektronik vor den Folgen eines Blitzeinschlags schützen und den Blitz gen Erde ableiten können.

Versagt das äußere Blitzschutzsystem jedoch dabei, den Blitzstrom ins Erdreich abzuleiten, sind Rotorblätter und die Gondel in Gefahr. Geht man vom Extremfall aus, kann ein Blitzschaden solche Ausmaße annehmen, dass das Rotorblatt vollständig zerstört wird und die Anlage für unbestimmte Zeit stillstehen muss, bis das Blatt und andere Komponenten getauscht wurden.

Allerdings hört man immer wieder von kleineren Schäden durch entsprechend schwächere Blitze. Was sich zunächst harmlos anhören mag, kann fatale Folgen für die WEA-Komponenten bergen: Anfänglich vergleichsweise kleinere Schäden schwächen auf Dauer unbemerkt die Struktur des Rotorblatts und dessen Oberfläche erleidet hierdurch nachhaltige Schäden – sofern durch den Betreiber nicht rechtzeitig eingegriffen wird. Demnach können sich Folgeschäden im Laufe der Zeit so zerstörerisch auswirken, wie ein außergewöhnlich starker, direkter Blitzschlag in das Rotorblatt.

Weniger destruktiv wirken sich dagegen indirekte Blitzeinschläge auf Windenergieanlagen aus. Hier liegen die Risiken vor allem in Überspannungseffekten, die zum Beispiel zu Schäden an elektronischen Komponenten führen können, etwa am Steuerungssystem. [zurück zum Anfang]

 

Welche Folgen haben Blitzschläge an Windenergieanlagen für die Betreiber?

Rotorblatt Austausch
Ob nach einem schweren Blitzschaden oder nach einem fortgeschrittenen Folgeschaden – nicht selten muss ein ganz neues Blatt her.

Jeder Betreiber strebt die maximale Verfügbarkeit seiner Windenergieanlage an, sodass diese laufend Erträge erwirtschaften kann. Gleichzeitig möchte er jegliche Störfaktoren auf ein Minimum begrenzen, die dieses Ziel beeinträchtigen würden. Im Falle vom Störfaktor Blitz verfügt die Anlage wie vorgeschrieben über ein Blitzschutzsystem. Eines, das vom jeweiligen Hersteller gemäß normativer Grundlagen ausgelegt wurde. Sprich: Man rechnet beim Einschlag quasi mit einem Normblitz.

Nun gibt es mehrere Möglichkeiten: Eine davon wäre, dass es sich um einen schwächeren Blitz handelt, der den definierten Weg durch den Blitzableiter nimmt und es passiert nichts weiter. Genauso gut kann aber auch ein Normblitz für kleinere Schäden am Rotorblatt sorgen, die aufgrund ihrer geringen Ausprägung unerkannt bleiben. Dasselbe oder Schlimmeres kann auch geschehen, wenn die Intensität des Blitzes die des zugrunde gelegten Normblitzes übersteigt und eine vollständige Ableitung des Blitzstroms in die Erde ist nicht mehr gegeben ist. Mit dieser außergewöhnlichen Intensität kann das Rotorblatt gänzlich zerstört werden.

In letzterem Fall sind die Folgen für den Betreiber klar: Die Anlage muss so lange still stehen, bis das zerstörte Rotorblatt ausgetauscht wurde. Dasselbe gilt auch für offensichtlich erkennbare Schäden, die Betrieb der Anlage beeinträchtigen. Doch wie bereits erwähnt können sich aber auch kleinere Schäden, die nicht sofort erkannt werden, immer mehr ausweiten und zur Reparaturkosten führen, die ein vielfaches Niveau dessen erreichen, was bei einer frühzeitigen Erkennung angefallen wäre.

Generell stellt die Früherkennung beziehungsweise Aufzeichnung eines Blitzevents eine Herausforderung für Betreiber von Windenergieanlagen dar, denn: In der Regel wissen Sie erst dann genau über den Rotorblattzustand Bescheid, wenn sie aktiv nachschauen lassen, zum Beispiel via Sichtprüfung per Drohne. Ohne genaue Kenntnis über Blitzeinschläge werden auch die Ableiter vorsorglich ausgetauscht, da sie nur eine begrenzte Anzahl an Blitzeinschlägen abführen könnten. Selbstredend sind beide Vorsichtsmaßnahmen mit Zeit- und Kostenaufwand verbunden – und auch dann, wenn gar kein Blitz eingeschlagen ist. 

Ist ein Blitzschaden tatsächlich eingetreten, zeigen hierzulande die Erfahrungen, dass diese durch die Versicherungen gedeckt sind, wenngleich immer mehr Versicherer zur Regulierung Aufzeichnungen beziehungsweise Nachweise über das verursachende Blitzevent fordern. In anderen Ländern, zum Beispiel in der Türkei, überprüfen Versicherungsgesellschaften längst viel genauer, ob der Schaden wirklich durch einen Blitzschlag verursacht wurde.

So werden hier teilweise schon Blitzstrommessysteme gefordert, welche genaue Daten über den Zeitpunkt sowie über die Intensität des Blitzeinschlags liefern. Derlei Systeme könnten kurz- bis mittelfristig auch in Deutschland gefordert werden, sollte sich der Trend zu häufigeren Wetterextremen und Blitzschäden fortsetzen. So könnte eine Folge für Betreiber also auch in der Nachrüstung eines Systems zur Blitzstrommessung liegen. [zurück zum Anfang]

 

Woher weiß ich überhaupt, ob und wann ein Blitz in meine WEA eingeschlagen ist?

Phoenix Contact Monitoring Windenergieanlagen
Der Optimalfall: Ein detailliertes Monitoring über den Zustand der Anlage und eine Benachrichtigung bei einem Blitzschlag. | (c) Phoenix Contact

Ob und wann ein Blitz in eine Windenergieanlage eingeschlagen ist, entzieht sich noch immer der Kenntnis vieler Betreiber. Dabei wäre ein Monitoring vor allem hinsichtlich der Betriebssicherheit enorm hilfreich. Doch selbst wenn zumindest bekannt ist, dass ein Blitz eingeschlagen ist, können die Anlagenbetreiber nur schwer bis überhaupt nicht die für Schäden wesentlichen Parameter wie Blitzstromamplitude, Blitzstromsteilheit, Ladung oder spezifische Energie einschätzen. In der Regel wissen sie dann Bescheid, wenn ein offensichtlicher Schaden verursacht oder eine proaktive Sichtprüfung durchgeführt wurde. 

Oder aber, es sind sogenannte Blitzkarten in der Windenergieanlage verbaut. Dies das sind etwa scheckkartengroße Karten, welche die maximale Stromstärke des Blitzes aufzeichen. Um diese auszulesen muss allerdings ein Servicemonteur erst in die Nabe klettern, die Karte herausziehen und in ein Lesegerät stecken. Anschließend erhält man daraus die Information, wie groß der maximale Strom des Blitzes war. Ob oder welcher Blitzschaden entstanden ist, lässt sich damit auch nicht zwangsläufig in Erfahrung bringen.

Eine weitere Möglichkeit, um einen möglichen Blitzschlag zu identifizieren, sind Monitoring-Plattformen zur Blitzortung. Diese liefern live oder rückwirkend Informationen darüber, ob in der Anlagenperipherie Gewitter und Blitzschläge stattgefunden haben. Zwar kann man sich bei Blitzschlägen in bestimmten Gebieten beziehungsweise in selbst festgelegten Umkreisen alarmieren lassen, doch auch anhand dieser Indikation ist keine Bewertung möglich, ob und was an der Windenergieanlage passiert ist.

Für Betreiber optimal wäre eine Lösung, welche die Überwachung aus der Ferne erlaubt – etwa über ein drahtloses Netzwerk. Neben dem Vorteil einer aktiven Alarmierung im Falle eines Blitzeinschlages könnten zusätzlich detaillierte Informationen über den Blitz beziehungsweise dessen Intensität aufgezeichnet und geliefert werden. Derlei Systeme erfordern dafür eine entsprechend ausgelegte Sensorik, die dazu in der Lage ist, messen zu können, was am Rotorblatt passiert ist, sodass letztendlich auch eine präzise Auswertung möglich ist.

Es existieren einige Hersteller, die sensorgestützte Blitzstrom-Messeinrichtungen mit Alarming-Funktion anbieten, jedoch haben die meisten davon einen Nachteil: Den kabelgebundenen Anschluss. Kabel verfügen über Kupferleiter, die im Falle von Blitzschlägen als Ableiter dienen und Messwerte verfälschen können. Deshalb sind zur Messung der Blitzstärke eher Systeme zu bevorzugen, die Blitzschläge unabhängig von leitenden Materialien detektieren und messen können – sprich, mittels einer galvanischen Trennung des Sensors von der Auswerteeinheit. Möglich ist dies über den Einsatz von faseroptischen Systemen, die obendrein als Retrofit-Lösung dienen können, damit auch ältere Anlagen auch nach Jahren noch dem Stand der Technik dienen können.

Eine solche Lösung ist das Lightning Monitoring System (LM-S) des deutschen Elektrotechnik-Herstellers Phoenix Contact. Es handelt sich hierbei um ein System zur Blitzstrommessung an Windenergieanlagen, das dazu in der Lage ist, relevante Kennwerte von Blitzstoßströmen zu erfassen. Mit den gelieferten Informationen kann der Betreiber beziehungsweise das beauftragte Serviceunternehmen rechtzeitig über die Notwendigkeit von Kontroll- oder Wartungseinsätzen entscheiden und bereits früh potenzielle Blitzschäden an Rotorblättern erkennen. [zurück zum Anfang]

 

Warum ist das Lightning Monitoring System (LM-S) von Phoenix Contact für WEA-Betreiber die optimale Lösung – und wie funktioniert sie?

Phoenix Contact LMS Sensor und Auswerteeinheit
Ein Sensor und eine Auswerteeinheit liefern Betreibern Klarheit über den Zustand der Windenergieanlage nach einem Blitzeinschlag | (c) Phoenix Contact

Bei dem Lightning Monitoring System (LM-S) von Phoenix Contact handelt es sich um ein Blitzmesssystem, das für den Einsatz in der Rotornabe der Windenergieanlage designt wurde und auch nachträglich installierbar ist. „Die Sensoren sind über faseroptische Verbundungsleitungen miteinander verbunden. Damit haben wir die galvanische Trennung hinbekommen, die zuverlässige Ergebnisse liefert“, erklärt Björn Bülter, Key Account Manager Renewables bei Phoenix Contact. „Entwickelt wurde das LM-S im Bereich Trabtech, das ist der Bereich wo Phoenix Contact sich schon seit sehr langer Zeit mit dem Thema Blitzschutzkomponenten für elektrische Anlagen und Systeme beschäftigt. Als damals aus dem Bereich Windenergie eine Anfrage nach einem Blitzmesssystem kam, hat man hier das ohnehin vorhandene Know-how genutzt und das LM-S entwickelt.“

Durch die Glasfaseroptik werde lediglich Licht durchgeschickt, wenn ein Blitz einschlägt, ergänzt sein Kollege Oliver Pukall, ebenfalls Key Account Manager Renewables. „Durch die dabei entstehenden Lichtveränderungen in der Leitung kann genau ermittelt werden, wie intensiv der Einschlag war. Wir können genau sagen, wann, wie und stark ein Blitz eingeschlagen ist und welche Folgeschäden dadurch ableitbar sind.“, fasst Pukall den wesentlichen Vorteil des Systems zusammen. Der Aufbau ist recht simpel: Die faseroptischen Sensoren des Lightning Monitoring Systems werden auf den drei Blitzableitern in der Rotorblattwurzel installiert. Die Auswerteeinheit befindet sich in der Rotornabe und ist mit über Lichtwellenleiter mit den Sensoren verbunden. Sensoren und Auswerteeinheit stellen somit die Kernkomponenten des LM-S dar.

Auch die Funktion lässt sich leicht erklären: Bei einem Blitzeinschlag bildet sich durch den Stoßstrom um den Leiter ein Magnetfeld, das von den Sensoren erfasst wird. Das System sendet die Messergebnisse über Lichtwellenleiter zur Auswerteeinheit. Wie der Name bereits verrät werden hier die Daten werden ausgewertet und zu Datensätzen zusammengefasst. Sie enthalten sowohl die Information darüber, wann der Blitz eingeschlagen hat und liefert weitere Parameter, wie etwa die maximale Blitzstärke, den Energiegehalt sowie auch die Ladung des Blitzes. Dies gibt letztendlich Aufschluss über die Intensität des Blitzeinschlages auf das Rotorblatt und helfen dem Betreiber bei der Schadensfrüherkennung. „Die Alarmierung, die über die Auswerteeinheit passiert, gibt dem Betreiber die Info, ob und wie stark ein Schaden vorhanden ist. Gleichzeitig bekommt er den Zeitstempel und die anderen Auswertedaten, was einen guten Nachweis für den Versicherer darstellt, wenn es zu einem Schaden kommt.“, so Pukall.

Phoenix Contact LMS Aufbau
Sowohl die Installation als auch Anbindung sind äußerst simpel gestaltet | (c) Phoenix Contact

Die Art der Alarmierung des Betreibers lasse sich nach Bedarf anpassen, zum Beispiel via SMS oder E-Mail direkt aufs Handy. Das LM-S lasse sich hierzu autark über ein Modem oder über die integrierte Ethernet-Schnittstelle in Netzwerke einbinden. Auch die Integration in ein bestehendes Leitsystem könne einfach über den Aufruf der IP-Adressen erfolgen. Details über den Blitzeinschlag werden über einen Webbrowser abgerufen. 

Das LM-S ist sowohl für den Onshore- als auch im Offshore-Bereich geeignet. Da Windenergieanlagen auf hoher See jedoch schlechter Zugänglichkeit sind, spielt die Früherkennung potenzieller Blitzschäden jedoch hier eine besonders große Rolle spielen. „Die Bedingungen für die Reparatur und Wiederinstandsetzung von Anlagenteilen der Windenergieanlage auf See sind wesentlich schwieriger und zeitintensiver als an Land. Zudem müssen große und schwere Anlagenteile und auch Kraneinrichtungen eventuell auf dem Seeweg zur Offshore-Anlage transportiert werden“, erklärt Bülter. „Hierdurch können die Zeiten für den Ausfall der Windenergieanlagen auf See deutlich länger ausfallen als bei Onshore-Anlagen. Ferner verfügen Offshore-Windenergieanlagen mit zur Zeit circa fünf bis sechs Megawatt über hohe Nennleistungen, sodass ein Anlagenausfall in Sachen Energieerzeugung finanziell noch größer ins Gewicht fällt.“

Der Installationsaufwand des LM-S als Nachrüstoption sei überschaubar, wie Oliver Pukall erklärt – in der Regel werde zirka ein Tag veranschlagt, um die Sensoren in der Blattwurzel zu installieren, zu konfigurieren und in Betrieb zu nehmen. Für derlei Nachrüstungen existiert ein steckerfertiges Retrofit-System, das einfach und schnell in der bestehenden Windenergieanlage im Feld installiert werden könne während das Lightning Monitoring System für Neuanlagen bereits bei vielen Herstellern im Optionenkatalog gelistet sei. Einmal installiert gebe es im Normalfall auch keinen Wartungsaufwand. Es sei jedoch empfohlen, die Installation durch den Serviceanbieter durchführen zu lassen, da dieser auch gleich eine Wartung durchführen könnte, sollte diese einmal nötig sein, so die Empfehlung von Pukall. [zurück zum Anfang]

 

Fazit: Die frühe Erkennung von Blitzschäden an Windenergieanlagen spart kostenintensive Folgeschäden 

Blitzschläge und daraus resultierende lassen sich nicht vermeiden – auch nicht mit einem ausgeklügelten System zur Blitzstrommessung für Windenergieanlagen, wie dem Lightning Monitoring System von Phoenix Contact. Die Blitzschlaggefahr ist immer da – heutzutage ist diese mit Sicherheit noch viel größer als noch vor einigen Jahrzehnten. 

Allerdings hilft es Betreibern, im Falle eines Blitzeinschlages aktiv alarmiert zu werden, wodurch sie die Möglichkeit haben, Blitzschäden früh zu erkennen, extrem kostspielige Folgeschäden zu vermeiden und einen stabilen Betrieb ihrer Windenergieanlagen zu gewährleisten. Durch die frühe Beseitigung der Schäden fallen Reparaturkosten geringer aus, ebenso wie die Ausfall- und Stillstandzeiten der Windenergieanlagen, welche je nach Ausprägung des Schadens Ausmaße von einigen Wochen bis hin zu Monate annehmen können.

Zudem kommt ein LM-S möglichen künftigen Anforderungen durch Versicherern entgegen, einen sehr dedizierten Nachweis von Blitzeinschlägen in die Windenergieanlage zu erbringen. Oliver Pukall kann zu guter Letzt ein konkretes Beispiel im Rahmen eines Kundenprojekts anführen: 

„Einer unserer Kunden ist Betriebsführer von drei Windenergieanlagen und hatte vermehrt Probleme mit Blitzschäden. Diese wurden vom Versicherer anfangs noch reguliert. Die Blitzschäden häuften sich jedoch, sodass sich die Versicherung irgendwann querstellte. Man versuchte mit Hochdruck herauszufinden, woran es liegt, dass genau dieser Anlagentyp an genau diesem Standort immer wieder von Blitzschäden heimgesucht wird. Ohne Messdaten gestaltete sich diese Herausforderung als schwierig, allerdings füllt diese Lücke nun das nachgerüstete LM-S, sodass sowohl der Betreiber als auch der Versicherer dazu in der Lage sein werden, genaue Rückschlüsse zu ziehen, woher die Blitzschäden kommen. In diesem Kontext ist ebenso der Hersteller der Anlagen sehr an den Messdaten interessiert, um auch für sich und seinen betroffenen Anlagentyp Erkenntnisse aus dieser Realsituation zu ziehen.“ [zurück zum Anfang]

Quelle : Phoenix Contact Deutschland GmbH