KLEINE WINDENERGIEANLAGEN BETRIEBSERFAHRUNGEN & ERTRAGSABSCHÄTZUNG

Transkript

1 KLEINE WINDENERGIEANLAGEN BETRIEBSERFAHRUNGEN & ERTRAGSABSCHÄTZUNG Paul Kühn Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik 3. BWE-Kleinwindanlagen-Symposium 20. März 2010 Husum

2 KLEINE WINDENERGIEANLAGEN BETRIEBSERFAHRUNGEN & ERTRAGSABSCHÄTZUNG 1. Einführung 2. Betriebserfahrungen 3. Ertragsabschätzung

3 Durchdringung des Marktes mit großen Windenergieanlagen (WEA) in Deutschland 100 % Anteil der Leistungsklassen an der jeweils neu installierten Leistung Datenquelle: IWET 75 % 50 % 25 % 0 % kw kw kw kw kw 3000 kw... Paul Kühn - 3 -

4 Große Windenergieanlagen (WEA) Größenvergleich 1 Fußballfeld Windenergieanlage Kategorie - XXL Rotorfläche: m 2 Nennleistung: kw Spielfläche: m 2 Paul Kühn - 4 -

5 Große Windenergieanlagen (WEA) Größenvergleich 2 Airbus A 380 Windenergieanlage Kategorie - XXL Rotorfläche: m 2 Nennleistung: kw Spannweite: 80 m Paul Kühn - 5 -

6 Kleine Windenergieanlagen (KWEA) Kleine Windenergieanlage Kategorie - S Rotorfläche: bis 200 m 2 Nennleistung: bis 75 kw Windenergieanlage Kategorie - XXL Rotorfläche: m 2 Nennleistung: kw D = 7 m D < 16 m Kleine Windenergieanlage Kategorie - XS Rotorfläche: Nennleistung: bis 40 m 2 bis 10 kw Paul Kühn - 6 -

7 KLEINE WINDENERGIEANLAGEN BETRIEBSERFAHRUNGEN & ERTRAGSABSCHÄTZUNG 1. Einführung 2. Betriebserfahrungen 3. Ertragsabschätzung

8 Wissenschaftliches Mess- und Evalurierungsprogramm (WMEP) zum Breitentest 250 MW Wind Begleitung der Windenergienutzung in Deutschland durch das ISET* seit 1989 Datenbeschaffung: Logbücher und Berichte der Betreiber Fernmessnetz (elektrische Leistung, Wind) Schwerpunkte: Windangebot Betriebsergebnisse Zuverlässigkeit Wirtschaftlichkeit Daten von WEA davon 235 KWEA *aus ISET wurde IWES. Das ISET ist 2009 in die Fraunhofer-Gesellschaft übergegangen. Paul Kühn - 8 -

9 Südlichste KWEA im WMEP: HM H-Rotor 60 am Rotwandhaus in den bayrischen Voralpen Foto: Paul Kühn - 9 -

10 Beispiele für KWEA-Typen im WMEP Kategorie S Kategorie XS Krogmann 15/50 40 m 2 < A Rotor < 200 m 2 Aeroman 14.8/33 AEE Peters PG 10 A Rotor 40 m 2 Südwind N715 Lagerwey 15/75 HM H-Rotor 60 Wenus Inventus 6 LMW 2500 Paul Kühn

11 Datengrundlage: Berichte der Betreiber & Telefoninterviews Berichte zu Betriebsergebnissen: Stromproduktion Kosten Insgesamt mehr als Wartungs- und Instandsetzungsberichte, davon: ca von KWEA Telefonbefragung (September/Oktober 2009) 51 Betreiber von KWEA Paul Kühn

12 Störungsursachen: Große WEA andere 11 % unbekannt 7 % Sturm 5 % Netzausfall 7 % Blitzschlag 3 % Bauteillockerung 3 % Eisansatz 3 % Anlagenregelung 23 % Bauteildefekt 38 % Paul Kühn

13 Störungsursachen: KWEA Bauteillockerung 4 % andere 10 % unbekannt 9 % Sturm 10 % Netzausfall 4 % Blitzschlag 8 % Eisansatz 2 % Bauteildefekt 31 % Anlagenregelung 22 % Paul Kühn

14 Störungsursachen: KWEA Bauteillockerung 4 % andere 10 % unbekannt 9 % Sturm 10 % Netzausfall 4 % Blitzschlag 8 % Eisansatz 2 % Ein Rotorblatt musste wegen eines Blitzschadens repariert werden! Stillstand nach Blitzschlag; Elektronik defekt, Drehkranz fest! Windfahne eingefroren! Anlagenregelung Windfahne durch Sturm beschädigt. Reparatur vom Betreiber ohne 22 Kosten % durchgeführt! Bauteildefekt Kabel 31 durch % Rattenbiß defekt, Stellmotor gewechselt Paul Kühn

15 Störungsauswirkungen: KWEA Windrichtungsnachführung 5 % Hydraulikanlage 5 % Triebstrang 3 % Tragende Teile / Gehäuse 3 % Rotornabe 8 % Rotorblätter 5 % Generator 5 % Mechanische Bremse 7 % Getriebe 5 % Elektrik 26 % Elektronische Regelungseinheit 17 % Sensoren 11 % Paul Kühn

16 Schadenshäufigkeit von KWEA-Komponenten und zugehörige Ausfallzeiten Elektrik Elektronische Regelungseinheit Sensoren Mechanische Bremse Rotornabe Windrichtungsnachführung Rotorblätter Generator Hydraulikanlage Getriebe Triebsstrang Tragende Teile 1 0,75 0,5 0, Jährliche Schadenshäufigkeit Ausfallzeit je Schaden in Tagen Paul Kühn

17 Schadenshäufigkeit von KWEA-Komponenten und zugehörige Ausfallzeiten Totalschaden am Generator! Elektrik Ersatzteilbeschaffung ist sehr problematisch, wegen Konkurs der Elektronische Regelungseinheit Herstellerfirma! Generatortausch! Generator Sensoren gegen Leihgenerator getauscht (Lieferzeit des neuen Generators Mechanische Bremse fünf Monate)! Anfang Mai hat ein Rotornabe Starenpaar auf dem Bremssattel, Bremsscheibe genistet, wodurch die Leistung Windrichtungsnachführung der Anlage stark beeinträchtigt wurde. Am wurde das Nest entfernt und ein beschädigter Rotorblätter Gummipuffer des Blattverstellmechanismus ausgetauscht! Generator Hydraulikanlage Getriebe Triebsstrang Tragende Teile 1 0,75 0,5 0, Jährliche Schadenshäufigkeit Ausfallzeit je Schaden in Tagen Paul Kühn

18 Technische Verfügbarkeit: Große (L) und kleine WEA 100 % Technische Verfügbarkeit 95 % L S XS 90 % 85 % 80 % Betriebsjahr Paul Kühn

19 Altersabhängige Zuverlässigkeit von KWEA Schäden je Betriebsjahr 2 S XS Betriebsjahr Paul Kühn

20 Betreiberbefragung: Lebensdauer & Betrieb (September / Oktober 2009) XS S Ja Nein Ja Nein Läuft Ihre KWEA noch? Durchschnittliches Anlagenalter in Jahre 16 9,7 17,4 12,7 Gab es größere Probleme während der Betriebszeit? Gab es Beschwerden, z. B. der Nachbarn? Haben Sie Wartungs- und Reparaturarbeiten selbst durchgeführt? Paul Kühn

21 Entwicklung der Betriebskosten von KWEA /kw a Jährliche Betriebskosten pro kw installierter Leistung 89 Mittlere jährliche Betriebskosten pro kwh Jahresarbeit: Garantie L: S: 1,5 c /kwh 3,5 c /kwh XS: 16 c /kwh Betriebsjahr Versicherung Wartung Reparatur Paul Kühn

22 Mittlerer flächenspezifischer Jahresertrag von KWEA Spezifischer Jahresertrag (kwh/m 2 ) a S XS Bayern Nordrhein- Westfalen Niedersachsen Schleswig- Holstein Bundesdurchnschnitt Paul Kühn

23 Betreiberbefragung: Zufriedenheit (September / Oktober 2009) XS S Ja Nein Ja Nein Wurden Ihre Erwartungen an den Ertrag erfüllt? Konnten Sie Gewinn erwirtschaften? Würden Sie heute noch einmal eine KWEA installieren? Paul Kühn

24 KLEINE WINDENERGIEANLAGEN BETRIEBSERFAHRUNGEN & ERTRAGSABSCHÄTZUNG 1. Einführung 2. Betriebserfahrungen 3. Ertragsabschätzung

25 Nicht-standardisierte Produktinformationen: Nennwindgeschwindigkeiten aktueller KWEA-Typen Nennwindgeschwindigkeit in m/s horizontal vertikal Nennleistung in kw Paul Kühn

26 Herstellerangaben: Leistungscharakteristik 1,0 Leistungsbeiwert C P bei 9 m/s 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 horizontal vertikal B e t z L i m i t Rotordurchmesser in m Paul Kühn

27 Abschätzung des Jahresertrages (AEP): Rotordurchmesser / überstrichene Rotorfläche 1 m 3 m 5 m 7 m 10 m Beispiel Rotor- durchmesser Rotorfläche 0,8 m 2 7 m 2 20 m 2 40 m 2 80 m 2 KWEA: D = 3 m Standort: V ave = 5 m/s Leistung im Wind x 0,3 bei 9 m/s 105 W 950 W W W W 400 (kwh/m 2 ) a Spezifischer Jahresertrag AEP = 260 (kwh/m 2 )/a x 7 m 2 = kwh/a m/s 6 Jahresmittel der Windgeschwindigkeit V ave Paul Kühn

28 Southwest Windpower Abschätzung des Jahresertrages: Überprüfung der Leistungscharakteristik einer KWEA auf dem IWES-Testfeld Whisper H80 (Fa. Southwest Windpower) auf dem IWES-Testfeld Paul Kühn

29 Gemessene Ausgangsleistung: Whisper H80, Southwest Windpower Elektrische Leistung in kw Größtwert Mittelwert Kleinstwert 1-min-Mittelwerte, Abtastrate: 1 Hz, Whisper H80 IWES-Testfeld, Messzeitraum: bis Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe in m/s Paul Kühn

30 Ermittelte Leistungskurve & Leistungskurve des Herstellers Elektrische Leistung in W Southwest Windpower IWES Whisper H gemittelte Windgeschwindigkeit in m/s Paul Kühn

31 Projektierung einer KWEA Wie viel Ertrag ist möglich? Bewertung der Windressourcen Mittlere Windgeschwindigkeit, Turbulenz, Hauptwindrichtung Standortwahl Hindernisse, Oberflächenrauigkeit Schattenwurf, Lärmemissionen... Dimensionierung überstrichene Rotorfläche, maximale Leistung Turmhöhe, Abspannradius, Fundament, elektrischer Anschluss Wahl des Anlagentyps Produktinformationen, Leistungscharakteristik, Referenzen Genehmigungen Paul Kühn

32 Small Wind Turbine Yield Estimator Wie viel Ertrag ist möglich? MS Excel-Tool zur Abschätzung des Jahresenergieertrages kleiner Windenergieanlagen Download: Menüpunkt: Kleine Windenergieanlagen Ertragsschätzung Paul Kühn

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! M. Sc. Paul Kühn Bereich Energiewirtschaft und Netzbetrieb Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Königstor Kassel Telefon Fax Paul Kühn