Die Windenergie hat in den letzten zehn Jahren ein exponentielles Wachstum erfahren und ist im Durchschnitt um 29,7 % pro Jahr gestiegen. Dies entspricht der Prognose des US-Energieministeriums aus dem Jahr 2008, dass die USA bis 2030 20 % ihrer Energie aus Windenergie gewinnen könnten. Im folgenden Whitepaper erörtern wir die aktuellen Herausforderungen in der Windindustrie, die Lösungen, die ein robustes Instandhaltungsmanagementprogramm oder eine CMMS-Softwarelösung bieten kann, sowie künftige Entwicklungen in diesem Bereich, da die Windindustrie weiterhin einen größeren Anteil am gesamten Energiemarkt anstrebt.
Der aktuelle Stand der Windindustrie
Die American Wind Energy Association (AWEA) sieht die US-Windindustrie als einen großen Markt für Windkraftanlagen und einen wachsenden Markt für die amerikanische Industrie. In den letzten fünf Jahren hat die US-Windindustrie mehr als 35 % aller neuen Stromerzeugungskapazitäten zugebaut, nach Erdgas und mehr als Kernkraft und Kohle zusammen. Eine weitere Bestätigung für das Wachstum der Branche war die Installation von rund 50.000 Megawatt (MW) Windkraftkapazität Ende 2012 und die 8.300 MW Windkraftkapazität, die Anfang 2013 im Bau waren. Derzeit macht die Windkraftkapazität in den USA allein mehr als 20 % der weltweit installierten Windkraft aus.
Obwohl die Leistung der Windturbinenhersteller in der Vergangenheit und in der Gegenwart durchweg robust war, sind Insider wie Andrew Longeteig von Vestas (einem Windturbinenhersteller) besorgt über die jüngste Verlangsamung. "Die US-Windindustrie hat sich verlangsamt, vor allem wegen der Ungewissheit über die Verlängerung des Production Tax Credit auf Bundesebene Ende 2012, was zu einem erheblichen Rückgang der Turbinenaufträge für 2013 geführt hat..." Zum Glück für die Branche hat der Kongress die Steuergutschrift verlängert, allerdings nicht auf unbestimmte Zeit. Trotz des Rückgangs der Stückkosten prognostizierte das Forschungsunternehmen IHS, dass sich die jährlichen Betriebs- und Wartungskosten bis 2025 auf fast 6 Milliarden Dollar verdoppeln werden.
Die National Science Foundation, die US-Umweltschutzbehörde und die NASA haben eine gemeinsame Forschungsarbeit der University of Delaware und der Stanford University finanziert, um das Potenzial von Windturbinen zur Deckung des künftigen Energiebedarfs zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht, und in diesem Bericht behaupten die beteiligten Wissenschaftler, dass Windturbinen die Hälfte des weltweiten Energiebedarfs im Jahr 2030 mit minimalen Umweltauswirkungen decken könnten, wenn vier Millionen Turbinen installiert würden. Die Windenergie ist in den letzten zehn Jahren um durchschnittlich 29,7 % pro Jahr gewachsen, und wenn diese exponentielle Wachstumsrate anhält, könnten die USA bis 2020 20 % ihrer Energie aus Windkraft gewinnen. Das US-Energieministerium (DOE) hat in Zusammenarbeit mit sechs führenden Windturbinenherstellern eine Kampagne zur Erreichung dieses Ziels gestartet.
Herausforderungen in der Windindustrie
Betrieb und Instandhaltung sind der Dreh- und Angelpunkt einer schlanken Produktion, die sich auf alles auswirkt, von der Rentabilität über die Sicherheit, die Einhaltung von Umweltauflagen und die Lebensdauer der Anlagen bis hin zum Vertrauen der Verbraucher. Drei verbesserungswürdige Bereiche, die sich negativ auf den Aufstieg der Windindustrie auswirken, sind 1) die unangemessenen Wartungskosten, 2) der Mangel an historischen Wartungsdaten und 3) die unzureichende Nutzung der Wartungssoftwaresysteme, die sowohl 1) als auch 2) beheben können. Derzeit befinden sich Windkraftanlagen im Wert von 40 Milliarden Dollar am (oder kurz vor dem) Ende der Garantiezeit des Originalgeräteherstellers (OEM), wobei der derzeitige Energiebedarf so hoch ist, dass laut einer von den Sandia National Laboratories in Auftrag gegebenen umfangreichen Studie im vergangenen Jahr mehr Turbinen außerhalb der Garantiezeit waren als abgedeckt. Windkraftanlagenbetreiber, deren OEM-Garantiezeit abgelaufen ist, wägen das Für und Wider ab, ob sie die Wartung ihrer Windkraftanlagen intern durchführen oder an OEMs oder ISPs auslagern.
Kosten für die Wartung von Windturbinen
Der Einfluss der Betriebs- und Wartungskosten auf die Gesamtbetriebseffizienz (OOE) kommt deutlich in ihrem Anteil an den Gesamtkosten einer Windturbine zum Ausdruck: 20 - 30 %, also fast ein Drittel der Ausgaben. Die beiden größten Faktoren, die die O&M-Kosten beeinflussen, sind folgerichtig 1) die Ausgaben für die planmäßige Wartung und 2) die Kosten für die außerplanmäßige Wartung.
Laut einer Präsentation von Lucintel aus dem Jahr 2011 sind das Getriebe, der Generator und die Turbinenblätter die drei wichtigsten Komponenten einer Windenergieanlage, die regelmäßig gewartet werden müssen. Sie schätzen, dass diese Komponenten 80 % der gesamten Wartungskosten einer Turbine ausmachen, was einen erheblichen Teil der Gesamtkosten einer Windkraftanlage ausmacht. Die Untersuchungen von Lucintel ergaben, dass die O&M-Teams von Windparks nur über begrenzte Ressourcen verfügen, so dass die kritische planmäßige und außerplanmäßige vorbeugende Wartung aufgrund des systembedingten Mangels an qualifizierten Technikern nur schleppend durchgeführt werden kann. Nach Schätzungen des National Wind Coordinating Committee (NWCC) verteilen sich die gesamten Wartungskosten der Windindustrie wie folgt:
- 75% - außerplanmäßige Wartung
- 20% - vorbeugende Instandhaltung
- 5 % - geplante Großreparaturen.
Diese Schätzungen untermauern den branchenweiten Konsens, dass eine fantastische Gelegenheit besteht, die OOE in der Industrie zu verbessern, indem solide Praktiken der vorausschauenden Wartung (PdM) eingeführt werden, die durchweg mit einer Verringerung der außerplanmäßigen Wartung in Verbindung gebracht werden.
Historische Wartungsdaten und unzureichende Nutzung von CMMS
Die Massenproduktion von Windturbinen (im industriellen Maßstab) ist eine relativ junge Branche (weniger als ein Jahrzehnt alt), und daher sind robuste Betriebsdaten nur schwer zu bekommen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass sich Experten auf anekdotische Daten verlassen, um PM oder PdM zu managen (z.B. welche Komponente wahrscheinlich ausfallen wird, bei welcher Turbine, oder wie man es abwenden kann). Unzureichende Dokumentation, z. B. das Fehlen von Instandhaltungskommentaren auf abgeschlossenen PMs und Arbeitsaufträgen und die uneinheitliche Überprüfung der abgegebenen Kommentare, ist ein systemisches Problem.
Die Erfassung der Anlagenhistorie ist in diesem frühen Stadium des Lebenszyklus dieser kritischen Anlagen äußerst wichtig. Die Nutzung historischer und aktueller Leistungsdaten von Anlagen und die Bereitstellung eines elektronischen Speichers für Maschinenzustands-, Ersatzteil- und Ausfalldaten kann die Wartungskosten von Windkraftanlagen erheblich senken, aber die unzureichende Nutzung von Systemen, die eine konsistente, unternehmensweite und genaue Datenerfassung unterstützen, d. h. von computergestützter Instandhaltungsmanagement-Software (CMMS), bleibt ein anhaltender Trend in der gesamten Branche.
Aktuelle Schätzungen über die erfolgreiche Implementierung von Instandhaltungssoftwaresystemen liegen zwischen 20 und 60 Prozent, trotz der Ergebnisse der von Reliabilityweb.com durchgeführten CMMS-Best-Practices-Studie (und einer Fülle von Belegen), die zeigen, dass die Kernfunktionen von CMMS (d. h. Arbeitsauftragsmanagement, Berichtswesen und Inventarfunktionen) für die Benutzer sehr wichtig" sind.
Lösungen
Eine vom Electric Power Research Institute (EPRI) in der Energiewirtschaft durchgeführte Studie ergab, dass sich die jährlichen Wartungskosten für die Reparatur von Maschinen nach einem Ausfall (korrektive Wartung) auf 17 bis 18 Dollar pro Pferdestärke belaufen, während die jährlichen Kosten pro Pferdestärke bei Einsatz von PM zwischen 11 und 13 Dollar und bei Einsatz von PdM zwischen 7 und 9 Dollar liegen - kurz- und langfristig eine erhebliche Einsparung. Die EPRI-Studie ergab ein Einsparungspotenzial bei den Wartungskosten von 47 % durch den Einsatz von PdM-Techniken. CMMS ermöglicht den Spezialisten für Wartung und Zuverlässigkeit (M&R) eine genauere Darstellung der "P to F Curve", auch bekannt als "Potential to Failure"-Diagramm, das die Zeitspanne zwischen dem Beginn des Ausfalls einer Anlage und dem Zeitpunkt ihres vollständigen Ausfalls veranschaulicht. Durch die Bereitstellung von Warnungen und entsprechenden Arbeitsaufträgen zu einem früheren Zeitpunkt auf der Kurve können O&M-Spezialisten Anomalien der Ausrüstung vor einem vollständigen Ausfall erkennen und korrigieren und die damit verbundenen kostspieligen Ausfallzeiten reduzieren.
Aus einem Bericht des Wirtschaftsforschungsunternehmens GBI Research geht hervor, dass die technologischen Fortschritte bei den Windkraftanlagen es den Windparks ermöglichen werden, weitaus effizienter zu arbeiten und mehr Gewinne zu erzielen, wenn ältere Windturbinen aufgerüstet werden. Da ältere Arbeitnehmer in den Ruhestand gehen und mehr technisch orientierte Arbeitnehmer in den Arbeitsmarkt eintreten, werden diese Modernisierungen die Branche in die Lage versetzen, sie besser zu beschäftigen.
David Berger, ein anerkannter Experte für CMMS/EAM-Systeme, fasst es so zusammen: "Viele leitende Managementteams sind zu der Erkenntnis gelangt, dass angesichts der alternden Belegschaft, die in ganz Nordamerika durch jüngere, weniger erfahrene technische Ressourcen ersetzt wird, moderne Wissensmanagement-Tools wie ein CMMS/EAM entscheidend sind, um den Übergang zu erleichtern.
Diese Tools bewahren einen Großteil des Wissens, das verloren geht, wenn Techniker und andere Wartungsmitarbeiter in den Ruhestand gehen oder das Unternehmen verlassen, z. B. Standardbetriebsverfahren und Arbeitspläne, Fehleranalysedaten, Diagnosetechniken und eine vollständige Anlagenhistorie. Außerdem haben sich jüngere technische Mitarbeiter an diese Tools gewöhnt und sind mit ihrer Nutzung vertraut.
Schlussfolgerung
Strategien für die Wartung in der Windindustrie
Obwohl die Wartung von Anlagen in einem Windpark einige besondere Herausforderungen mit sich bringt, kann die Windindustrie sicherlich einige der bewährten PM- und PdM-Ansätze verfolgen, die ihre Kollegen in der Industrie und im allgemeinen Fertigungssektor anwenden. Durch eine kontinuierliche Überwachung oder eine häufige Überwachung des Maschinenzustands sind die Windkrafttechniker in der Lage, die erforderlichen Wartungsarbeiten in den richtigen Intervallen zu planen.
Durch den Einsatz einer Reihe einschlägiger PdM-Technologien wie CMMS ist das für die Betreuung dieser kritischen Anlagen zuständige Personal in der Windindustrie außerdem besser in der Lage zu erkennen, wann sich ein drohender Ausfall anbahnt, wodurch wertvolle Zeit gewonnen wird, um die erforderlichen Korrekturmaßnahmen zu planen, zu terminieren und durchzuführen, bevor der Zustand zu einem Notfall wird.
Die Zukunft der Windenergie
Unternehmen, die schnelle und fundierte Entscheidungen treffen wollen, um Produktionspläne einzuhalten, die Einhaltung von Qualitäts-, Sicherheits- und Umweltstandards zu gewährleisten, die Anforderungen der Kunden zu erfüllen, die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern, die Produktivität der Mitarbeiter zu optimieren und die Kosten zu senken, erkennen, dass sie Instandhaltungsmanagementverfahren anpassen müssen, die es ihnen ermöglichen, umfassende und genaue Betriebs-, Instandhaltungs- und Finanzdaten auf einer gemeinsamen Plattform zu nutzen, höchstwahrscheinlich über ein Enterprise Asset Management (EAM)-System.
Insider erwarten einen flüssigeren (und robusteren) Datenaustausch zwischen OEMs und Endnutzern, der es den Endnutzern (von denen viele zum ersten Mal planen, ihre Turbinen intern zu warten) ermöglichen wird, ihre Anlagen besser zu pflegen. Es wird erwartet, dass die Wartungssoftware für die Windindustrie in den kommenden Jahren auch in den Bereichen Garantieverfolgung, Algorithmen für die Reparatur/Ersatz von Anlagen und Fehlerursachenanalyse (RCFA) verbessert wird.
Investitionen in den technologischen Fortschritt werden immer eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und dem Ausbau der Windindustrie spielen, aber es besteht auch ein ausgeprägtes Verständnis für die Notwendigkeit, parallel dazu in die Entwicklung der Kultur der Betriebs- und Wartungsteams zu investieren. "Unternehmen können die am besten entwickelten Systeme auf dem Markt prüfen, auswählen, kaufen, implementieren und schulen, aber wenn sie es versäumen, die Techniker über den Wert des Systems aufzuklären und Maßnahmen zur Verantwortlichkeit zu ergreifen, um sicherzustellen, dass das System gemäß den vereinbarten Arbeitsabläufen verwendet wird, haben sie versagt." (reliabilityweb.com)
Genauso wie das Gesetz von Ursache und Wirkung funktioniert, werden Unternehmen, die sich heute aktiv mit der "weichen" Seite der Instandhaltung befassen (Ursache), in der Windindustrie von morgen führend sein (Wirkung).