Vom Schwingungsschutz zur KI-fähigen Datenbasis: Digitale Wasserkraft mit IFTA

Von der frühzeitigen Erkennung kritischer Schwingungen bis zur KI-gestützten Analyse großer Datenmengen: Die Digitalisierung eröffnet der Wasserkraft neue Möglichkeiten, Anlagen sicherer, effizienter und transparenter zu betreiben. Wie Überwachung, Diagnose und Schutz heute bestmöglich miteinander vereint werden können, zeigen moderne Überwachungssysteme wie das modulare IFTA-System. Deren Grundlage bilden durchgängige Datenerfassung, intelligente Analyse und KI-fähige Datenarchitekturen. Das Praxisbeispiel der Kraftwerke Oberhasli AG (KWO) belegt dabei eindrücklich, weshalb eine intelligente Datenbasis der Schlüssel für die digitale Wasserkraft von morgen ist. [Text & Bild: IFTA]

Digitale Schwingungsüberwachung als Basis für KI-Anwendungen

Die Wasserkraft ist eine der tragenden Säulen der erneuerbaren Energieversorgung. Gleichzeitig verändern sich die Anforderungen an ihre Anlagen deutlich. Kraftwerke werden flexibler gefahren, Lastwechsel nehmen zu, Pumpspeicher übernehmen eine zentrale Rolle im Ausgleich schwankender Einspeisung aus Wind und Photovoltaik, und Betreiber stehen unter dem Druck, Verfügbarkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit dauerhaft zu sichern. Für Turbinen, Pumpen, Generatoren und Motoren bedeutet das: Der Betrieb wird dynamischer, die Maschinen werden stärker beansprucht, und die Anforderungen an Überwachung und Diagnose steigen. Welche Folgen kritische Betriebszustände haben können, zeigen beispielhaft die in Abbildung 1 dargestellten Schadenfälle.
Aus unserer Sicht bei IFTA reicht es deshalb nicht mehr aus, Schwingungen lediglich als Grenzwertthema zu betrachten. Moderne Schwingungsüberwachung muss zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllen: Sie muss die Maschine zuverlässig schützen und sie muss die Daten liefern, mit denen Betreiber das Verhalten ihrer Anlagen besser verstehen. Genau an dieser Schnittstelle zwischen Maschinenschutz, Zustandsüberwachung, Datenanalyse und künstlicher Intelligenz setzen unsere modularen IFTA-Systeme, wie z.B. das Schwingungsüberwachungs- und Schutzsystem ArgusOMDS, an.

Schwingungsüberwachung liefert wertvolle Betriebsdaten

In vielen Wasserkraftanlagen ist der Maschinenschutz historisch gut etabliert. Das ist richtig und notwendig. Kritische Schwingungszustände müssen erkannt werden, bevor sie zu Schäden führen. Doch in der betrieblichen Praxis entstehen die entscheidenden Fragen oft nicht erst beim Alarm, sondern schon lange davor: Wie verhält sich ein Aggregat bei Teillast? Welche Muster treten bei Lastwechseln auf? Welche Frequenzanteile verändern sich vor, während oder nach einem Ereignis? Wie unterscheiden sich Betriebsarten im Pump- und Turbinenbetrieb? Und lässt sich ein auffälliges Verhalten später noch vollständig rekonstruieren?
Genau hier liegt die Stärke hochauflösender 24/7-Datenerfassung. Werden dynamische Signale nur stark reduziert oder nur ereignisbezogen gespeichert, geht ein großer Teil des technischen Wissens verloren. Für eine fundierte Diagnose braucht es nicht nur Gesamtwerte, sondern den Zugriff auf Zeitverläufe, Spektren, Orbits, Bode-Diagramme, Shaft-Centerline-Darstellungen und Betriebsdaten im richtigen Kontext. Erst das Zusammenspiel aus Schwingungsdaten, Prozessgrößen und Betriebszustand macht aus Messwerten belastbare Entscheidungsgrundlagen.

Modulare Systeme für unterschiedliche Wasserkraftanlagen

Wasserkraftwerke sind selten standardisiert. Jede Anlage hat ihre eigene Geschichte, eigene Maschinen, eigene Sensorik, eigene Leittechnik und eigene Betriebsphilosophie. Deshalb verfolgen wir bei IFTA bewusst einen modularen Ansatz. Unsere Systeme lassen sich an die jeweilige Maschine und Infrastruktur anpassen – vom einzelnen Aggregat bis zur standortübergreifenden Flotte, vom stationären Schutzsystem bis zur mobilen Fingerprint-Messung.
Typische Messketten umfassen Beschleunigungsaufnehmer, Wellenschwingungssensoren, Keyphasor-Signale, Axialwegmessungen und Betriebsparameter wie Leistung, Drehzahl, Drücke, Temperaturen oder Leitschaufelstellungen. Die IFTA-Architektur verbindet diese Signale mit Echtzeit-Schutzfunktionen, kontinuierlicher Datenerfassung und Analysewerkzeugen. Für Betreiber entsteht dadurch ein durchgängiger Workflow: von der Messstelle über den Schutz bis zur detaillierten Analyse in der Leitwarte oder im Engineering. Diesen durchgängigen Datenfluss vom Sensor bis zur Analyse veranschaulicht Abbildung 2.

Ein wesentlicher Vorteil dieses umfassenden Ansatzes liegt darin, dass Schutz und Diagnose nicht getrennte Welten bleiben. Das System kann die Maschine in Echtzeit absichern und gleichzeitig die Datenbasis schaffen, um Ereignisse nachträglich zu verstehen. Für Instandhaltung, Betriebsführung und Asset Management ist das besonders wertvoll: Statt lediglich zu wissen, dass ein Grenzwert überschritten wurde, lässt sich nachvollziehen, warum ein Ereignis entstanden ist, bei welchem Betriebspunkt es auftrat und ob sich ähnliche Muster bereits früher angedeutet haben.

Praxisbeispiel KWO

Wie relevant dieser Ansatz in der Praxis ist, zeigt die Zusammenarbeit mit der Kraftwerke Oberhasli AG (KWO). Dort kommen insgesamt sieben IFTA ArgusOMDS-Systeme an drei Standorten zum Einsatz, siehe Übersicht in Abbildung 3: Im Kraftwerk Grimsel 2 werden vier ternäre Pumpturbinensätze überwacht, im Kraftwerk Hopflauenen 2 zwei Doppel-Peltonturbinen und im Kraftwerk Handeck 3 eine Pumpturbine Isogyre – eine Sonderform der Francisturbine. Ergänzt wird diese Infrastruktur durch ein mobiles System, das für Fingerprint- und Sondermessungen an weiteren Wasserkraftwerken eingesetzt wird.

Diese Kombination aus stationären und mobilen Systemen ist aus Betreibersicht besonders interessant. Stationäre Systeme liefern kontinuierliche Überwachung, Schutz und Langzeitdaten an kritischen Maschinen. Das mobile System ermöglicht zusätzlich vergleichende Messungen, Inbetriebnahmebegleitung, Vorher-Nachher-Analysen oder temporäre Untersuchungen an Anlagen, die nicht dauerhaft mit einem Monitoring-System ausgestattet sind. Die flexible Anwendung stationärer und mobiler IFTA-Systeme bei KWO zeigt Abbildung 4. So entsteht ein flexibles Konzept, das technische Tiefe und wirtschaftliche Skalierbarkeit verbindet.

Wie wertvoll diese durchgängige Datenbasis im Anlagenbetrieb ist, zeigte sich im Kraftwerk Hopflauenen 2 bereits während der Inbetriebnahme nach einer Revision. Beim erstmaligen Belasten der Maschine auf Volllast kam es aufgrund erhöhter Lagerschwingungen zu einer Auslösung. Durch den direkten Zugriff auf alle relevanten Messwerte konnte die Ursache rasch und eindeutig identifiziert werden: Die Auswertung der Shaft-Centerline-Darstellungen und der Wellenschwingungen wies auf eine ersetzte Lagerschale hin, die nicht den Anforderungen entsprach und dadurch ein Touchieren der Welle an einem Abstreifer verursachte. Im Vergleich zu früheren Ereignissen waren keine zusätzlichen Messläufe erforderlich. Folgeschäden blieben aus, und die Störung konnte ohne Auswirkungen auf den Terminplan behoben werden. Maximilian Titzschkau, Experte Datenanalyse und Hydromechanik bei der Kraftwerke Oberhasli AG, bringt den Nutzen der Zusammenarbeit auf den Punkt: „Die modularen Systeme der Firma IFTA ermöglichen es uns, hochwertige und zweckoptimierte Vibrationsüberwachungen einzusetzen. Der überzeugende Einsatz und die hohe Kompetenz der IFTA-Mitarbeiter stellen einen wesentlichen Mehrwert beim Betrieb dieser Systeme dar. Wir sind beeindruckt von der Innovationsfreude, der Einsatzbereitschaft und der Hilfsbereitschaft des Teams.“
Für uns ist diese Aussage wichtig, weil sie zeigt: Der Mehrwert liegt nicht allein in Hardware oder Software. Gerade in der Wasserkraft zählen Engineering-Erfahrung, Verständnis für Rotordynamik, Kenntnis der Maschinen und die Fähigkeit, gemeinsam mit dem Betreiber eine passende Lösung zu entwickeln.

IFTA StreamStore macht Sensordaten KI-fähig

Mit zunehmender Digitalisierung rückt eine weitere Frage in den Mittelpunkt: Wie lassen sich die großen Mengen hochfrequenter Sensordaten so speichern und bereitstellen, dass sie nicht nur archiviert, sondern wirklich genutzt werden können?
Genau dafür wurde IFTA StreamStore entwickelt. Unser StreamStore ist die Speicher- und Zugriffsschicht für hochfrequente Zeitreihendaten. Die Lösung speichert, komprimiert und liefert Sensordaten so, dass sie schnell durchsucht, visualisiert und für Analyse- sowie KI-Anwendungen genutzt werden können – on-premises und ohne Cloud-Zwang. Diese Rolle als zeitbasierte, KI-fähige Datenbasis für digitale Wasserkraftanwendungen, veranschaulicht in Abb. 5.

Der entscheidende Unterschied liegt im Datenmodell. StreamStore organisiert Sensordaten nicht primär in Dateien und Ordnern, sondern über Zeitbereiche. Anwender können über relevante Zeitfenster arbeiten, statt manuell Dateien zu suchen, zu exportieren und zusammenzuführen. Automatische Auflösungen und Aggregationen ermöglichen es, große Zeiträume interaktiv mit der Visualisierungssoftware IFTA TrendViewer on the fly darzustellen, ohne Milliarden einzelner Datenpunkte laden zu müssen. Gleichzeitig bleibt der Zugriff auf hochauflösende Daten für Detailanalysen möglich.
Für KI-Anwendungen ist das ein zentraler Baustein. Viele Machine-Learning-Projekte scheitern nicht am Modell, sondern an der Datenbasis: Daten liegen verteilt, unterschiedlich aufgelöst oder schwer zugänglich vor. StreamStore schafft hier eine strukturierte Grundlage für Feature Engineering, Modelltraining, Validierung und Deployment. Über offene Schnittstellen, unter anderem auf Basis von Apache Arrow Flight, können auch kundeneigene Analysewerkzeuge oder Data-Science-Umgebungen angebunden werden.

KI unterstützt Betreiber bei Analyse und Diagnose

Unser Ziel ist nicht, KI als isoliertes Zusatzprodukt neben die Anlage zu stellen. KI muss dort ansetzen, wo die relevanten Daten entstehen: an der Messkette, im Betriebskontext und möglichst nah an der Maschine. Mit unseren Schwingungsüberwachungs- und Schutzsystemen, der 24/7-Langzeit-Datenerfassung sowie der Analyse und Visualisierungssoftware entsteht eine einzigartige Architektur, in der KI-Modelle auf bestehende Datenströme zugreifen können, ohne die Schutzlogik oder die Anlagenleittechnik zu beeinträchtigen.
In der Wasserkraft sind dafür besonders Anomalieerkennung, Fingerprint-Vergleiche und betriebspunktabhängige Modelle interessant. Eine Maschine hat nicht „das eine“ Schwingungsverhalten. Sie verhält sich je nach Last, Drehzahl, hydraulischem Zustand und Betriebsart unterschiedlich. KI kann helfen, diese normalen Muster zu lernen und Abweichungen früher sichtbar zu machen. Dabei geht es nicht darum, den Experten zu ersetzen, sondern ihn gezielt zu unterstützen: mit Hinweisen, Anomalie-Scores, erklärbaren Auffälligkeiten und schnellerem Zugriff auf die relevanten Datenbereiche.

Digitale Wasserkraft auf einer belastbaren Datenbasis

Der Markt bietet viele Ansätze für Condition Monitoring, Cloud-Plattformen und digitale Dashboards. Entscheidend ist jedoch, dass die Datenqualität, die Schutzfunktion, die Langzeitspeicherung und die Analysefähigkeit zusammenpassen. Für Betreiber von Wasserkraftanlagen zählt am Ende nicht die Anzahl der Oberflächen, sondern die Frage, ob ein System im Alltag hilft: beim sicheren Betrieb, bei der Ursachenanalyse, bei der Planung von Instandhaltung und bei der Vermeidung ungeplanter Stillstände.
Genau hier sehen wir die Rolle von IFTA. Wir verbinden robuste Maschinenschutztechnik mit hochauflösender Datenerfassung, flexibler Integration und einer Datenarchitektur, die für heutige Analysen und künftige KI-Anwendungen vorbereitet ist. So wird aus Schwingungsüberwachung mehr als ein Schutzsystem: eine technische Entscheidungsgrundlage für die digitale Wasserkraft.

Danksagung

Wir danken der Kraftwerke Oberhasli AG (KWO) für die gute Zusammenarbeit und die Möglichkeit, die beschriebenen Anwendungen vorzustellen. Besonderer Dank gilt Herrn Maximilian Titzschkau, Experte Datenanalyse und Hydromechanik bei KWO, für den offenen und fachlich fundierten Austausch sowie die stets lösungsorientierte Zusammenarbeit.

Mehr dazu unter: www.ifta.com

Erschienen in zek HYDRO, Ausgabe 3/2026