FH Flensburg Regenerative Energietechnik Projekt 5. Semester Wintersemester Windenergietechnik

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1 FH Flensburg Regenerative Energietechnik Projekt 5. Semester Wintersemester 2013 Windenergietechnik Technische Betrachtung von Windenergieanlagen an Ost- und Westküste Schleswig-Holsteins Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Holger Watter Teilnehmer: Weena Maria Bergsträßer, Merle Steimer, Svenja Vera Vorhoff,

2 Dank an: Dank an: Herrn Prof. Dr.-Ing. Holger Watter Frau Marie-Luise Maack, Windkraftanlagenbetreiberin Westküste Herrn Heinrich Mess, Windkraftanlagenbetreiber Ostküste Herrn Walter Eggersglüß, Schlewig-Holsteinische Landwirtschaftskammer Herrn Volker Berkhout, Frauenhofer IWES Windparkplanung und -betieb I

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Windbedingung Das WEIBULL-Verfahren Leistungsprognose Datenauswertung Westküste Darstellungen mit dem WEIBULL-Verfahren Tatsächliche Erträge Datenauswertung Ostküste Darstellung mit dem WEIBULL-Verfahren Tatsächliche Erträge Bewertung Zusammenfassung Literaturverzeichnis II

4 Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 2.1: Windkarte (80m Höhe) Schleswig-Holsteins, deutscher Wetterdienst, Mittelwerte von 1981 bis Diagramm 4.1: WEIBULL-Häufigkeitsverteilung Windenergieanlage Ostküste Diagramm 4.2: WEIBULL-Häufigkeitsverteilung über die Jahresarbeit Diagramm 5.1: WEIBULL-Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten Diagramm 5.2: WEIBULL-Häufigkeitsverteilung über die Jahresarbeit Diagramm 5.3: Häufigkeitsverteilung-Wind und Leistung über Windgeschwindigkeit Tabelle 6.1 Auflistung des Produktionsindexes in den Jahren und das Jahr 2012 in Monatsschritten bereitgestellt durch die Landwirtschaftskammer Schleswig-Holsteins III

5 Einleitung 1. Einleitung Die Nutzung von Windenergie als eine der regenerativen Energiequellen neben den fossilen Brennstoffen ist in heutiger Zeit nicht mehr wegzudenken. Unter den Betreibern finden sich viele Landwirte, die ihre Flächen zur Erzeugung von Windenergie nutzen. Doch in wie weit, und unter welchen Windbedingungen werden die versprochenen Leistungen überhaupt erzeugt? Hierzu werden zwei Windkraftanlagen an Ost- und Westküste Schleswig Holsteins gegenübergestellt und auf technischen Nutzen hin miteinander verglichen. Hierbei ist eine Ertragsprognose mit Hilfe statistischer Verfahren zu erstellen und entsprechend zu bewerten. Dazu werden vorhandene Datenaufzeichnungen der Windkraftanlagen ausgewertet und analysiert. Zum einen statistisch durch das WEIBULL-Verfahren und zum anderen durch die real vorliegenden Daten. Ein besonderes Augenmerkt wird dabei auf die jeweiligen Leistungserträge in Abhängigkeit von den gemessenen standorttypischen Windgeschwindigkeiten gelegt. Somit ist eine Aussage über das Verhältnis von erwarteten zu tatsächlichen Erträgen möglich

6 Windbedingung 2. Windbedingung Der atmosphärische Wind entsteht durch die Luftdruckunterschiede zwischen Hochund Tiefdruckgebieten [1]. Das Zusammenspiel dieser Luftmassenströme im globalen Windsystem, ebenso durch sogenannte regional überlagernde Hoch- und Tiefdruckgebiete beeinflusst im Wesentlichen die Windrichtung. In Schleswig-Holstein weht der Wind, vorwiegend aus südwestlicher bis westlicher Richtung. Die Windgeschwindigkeiten hängen sehr stark von den vorliegenden Geländestrukturen ab, welche in unterschiedlichen Rauhigkeitsklassen eingeteilt sind. Wind weht von daher keineswegs konstant, in Gebieten mit rauhen Geländestrukturen werden Windgeschwindigkeiten durch diese deutlicher abgebremst, als in Gebieten mit geringeren Rauhigkeiten, die sich vor allem in Küstenregionen und dem Flachland finden. Sie sind daher besonders geeignet für Windenergienutzung [2]. Allerdings zeigt Abbildung 2.1, dass die Windbedingungen an West- und Ostküste Schleswig-Holsteins teilweise sehr unterschiedlich sein können [3]. Abbildung 2.1: Windkarte (80m Höhe) Schleswig-Holsteins, deutscher Wetterdienst, Mittelwerte von 1981 bis

7 Das WEIBULL-Verfahren Auf dieser Karte (Abb. 2.1) ist auch zu erkennen, dass die durchschnittliche Windgeschwindigkeit auf den Nordfriesischen Inseln und an den Küsten mit 7,7 bis 9,3 s m besonders hoch ist. Außerdem fällt auf, dass der Wind an der Ostküste mit einem m m Höchstwert von 8,5 s schwächer ist, als mit 9,3 s an der Westküste. Die in dieser Arbeit untersuchten Standorte sind farbig gekennzeichnet und befinden sich jeweils etwas weiter im Inland. Für Tiebensee ergibt sich ein Wert von 6,5 bis 7,1 sm, für Schwochel 5,9 bis 6,5 sm. Es spiegelt sich also auch hier der Unterschied zwischen Ost- und Westküste wider. Diese Werte können über die Lebenszeit der Windkraftanlagen als relativ zuverlässig angesehen werden, da es sich um langjährige Durchschnittswerte (hier ) handelt. Trotzdem wird damit natürlich nicht die Komplexität des ständig schwankenden Windes erfasst. 3. Das WEIBULL-Verfahren Um sich ein Bild von der Häufigkeitsverteilung einzelner Windstärken zu machen, bietet es sich an, ein statistisches Modell für Wahrscheinlichkeitsverteilungen heranzuziehen. Für Windstärken greift man hierbei auf das sogenannte WEIBULL-Verfahren zurück [4]. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, das mit Hilfe von zwei Parametern verschiedene Verteilungssituationen simulieren kann [5]. Die Summenhäufigkeit wird durch folgende Verteilungsfunktion beschrieben: (λ x) β F(x)= 1 e (3.1) Die relative Häufigkeit ergibt sich durch die Ableitung der obenstehenden Verteilungsfunktion und kann benutzt werden um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass ein Wert in einem bestimmten Intervall liegt [6]. f(x)= λ β (λ x) β β 1 (λ x) e (3.2) β ist hierbei der Formparameter und λ der Skalierungsparameter. Der Skalierungsparameter wird über folgende Gleichung beschrieben: - 6 -

8 Das WEIBULL-Verfahren 1 T (3.3) T beschreibt die zu erwartende Lebensdauer oder im Fall von Windstärken den Mittelwert aller Windstärken über die Zeit [6]. Wenn nötig kann x für Lebensdauerbetrachtungen auch als t to, und T als T t0 dargestellt werden [5]. t 0 ist dann die bisherige Lebensdauer. Dies ist für die Verteilung von Windstärken jedoch nicht von Belang. Bei β=1 entspricht die Kurve der einer Exponentialverteilung, wohingegen bei β=2 die Verteilung der sogenannten Rayleigh-Verteilung entspricht. Die Rayleigh-Verteilung ist meist eine gute Näherung für die Häufigkeit verschiedener Windstärken, für Küstenregionen bedarf es einem höheren Wert für β [2]. Leistungsprognose Wurde mit Hilfe der Verteilungsfunktion einen Eindruck gewonnen, wie sich die einzelnen Windstärken aufteilen, kann auf dieser Basis eine Leistungsprognose erstellt werden. Hierbei geht es vor allem darum bei welcher Windstärke die höchste Leistung erzielt werden kann. Das einfachste Verfahren zur Leistungsprognose basiert auf dem Energiesatz: P m c1 V c1 (3.4) 2 2 Wird der eintretende Volumenstrom (nach einfacher Strahltheorie), V A (3.5) c 1 sowie der dynamische Druck P V p dyn 2 2 c 1 (3.6) eingesetzt, ergibt sich für die Leistung: P V 1 p1 ( A c1) ( c1 ) A c1 2 2 (3.7) - 7 -

9 Datenauswertung Westküste Aus dieser Formel lässt sich nun erkennen, dass die Leistung sich proportional zur 3. Potenz der Windgeschwindigkeit verhält. Wird die 3. Potenz der untersuchten Windgeschwindigkeit ins Verhältnis zur 3. Potenz der Windgeschwindigkeit gesetzt, die als Volllast gerechnet wird, lässt sich die Leistung in % der Nennleistung berechnen [4]. 3 c1 P (3.8) c 3 VL P N c untersuchte Windgeschwindigkeit 1 c Windgeschwindigkeit, bei der Nennleistung erbracht wird VL P Nennleistung N Multipliziert man dieses Verhältnis dann mit der Nennleistung der Windkraftanlage und der Stundenzahl der untersuchten Windstärke pro Jahr, ergibt sich die über ein Jahr verrichtete Arbeit in kwh. W c 1 PN t c (3.9) 3 3 VL t Anzahl der Stunden, wo die untersuchte Windstärke auftrat Durch Addition aller einzelnen Arbeiten und Division durch die Zeit, in diesem Fall ein Jahr, ist es möglich die gesamte prognostizierte Leistung zu bestimmen [4]. 4. Datenauswertung Westküste Für die Windenergieanlage, an der Westküste Schleswig-Holsteins, installiert in Tiebensee, Gemeinde Neuenkirchen, erfolgt eine Auswertung der Daten mit Hilfe des sogenanntem WEIBULL-Verfahrens, das wie im oberen Abschnitt bereits beschrieben in den Diagrammen eine stetige Wahrscheinlichkeitsverteilung abbildet und sich auch zur Standortbewertung für Winddaten eignet [7]. Dies ist begründet in der unsymmetrischen Verteilung des Windes, als auch durch die berücksichtigten Parameter für diese Verfahren, z.b. Klimabedingungen, Landschaft und die Bodenoberfläche. Alle Diese Faktoren werden in der WEIBULL-Verteilung berücksichtigt [7]. Zusam

10 Datenauswertung Westküste men graphisch dargestellt, zeigt uns das WEIBULL-Verfahren mit dem dritten Potenzgesetz der Windleistung nach Gl. 3.7 über die Windgeschwindigkeiten und deren Häufigkeit die Leistungskurve siehe Diagramm 4.1 und 5.1. Verglichen mit der tatsächlichen Leistungskurve der Windenergieanlage ist nun eine Aussage und Bewertung über das Erbringen der versprochenen Leistungen möglich. Bei der Windenergieanlage handelt es sich um ein Fabrikat der Firma Vestas, Baureihe V27 mit einer angegeben Nennleistung von 225 kw, Baujahr Zur Veranschaulichung, ein Kaffeevollautomat hat als Eingangsleistung 1,45 kw 1. Die tatsächlich gelieferte Leistung wurde monatsweise in kw von der Betreiberin aufgezeichnet und zur Auswertung zur Verfügung gestellt. Diese Daten umfassen die Jahre Bei den Winddaten gab es, aufgrund des länger zurück liegenden Baujahres, keine automatischen Aufzeichnungen, sodass die Monatswerte der Windgeschwindigkeiten zwischen St.Peter-Ording und dem Kaiser-Wilhelms Koog gemittelt wurden. 4.1 Darstellungen mit dem WEIBULL-Verfahren Die mittlere Windgeschwindigkeit wird mit 6,1 2 angenommen. Dieser Wert wird zur Berechnung WEIBULL-Verfahrens benötigt. Für die weitere Berechnung sind noch die Nennleistung von 225kW, die 8784 Std/Jahr 3, sowie die Klassenbreite von 2,0 zu nennen. Der Formfaktor wurde für diese Datenauswertung von 2,2 4 angenommen. Mit diesen Werten ergibt sich das nachstehende Diagramm 4.1 der WEIBULL- Häufigkeitsverteilung: 1 Nach Angabe des Herstellers DeLonghi 2 Gemittelte Windgeschwindigkeit im Jahre 2012 aus den insgesamt vorliegenden Winddaten von St.Peter-Ording und Kaiser-Wilhelms-Koog. 3 Schaltjahr 4 Da Kaiser-Wilhelms-Koog einen Formfaktor von 2,4 hat, Tiebensee aber etwas weiter im Inland liegt, wurde durch Schätzung der Wert 2,2 gewählt

11 Datenauswertung Westküste Diagramm 4.1: WEIBULL-Häufigkeitsverteilung Windenergieanlage Ostküste Hierbei ist aus Diagramm 4.1 ersichtlich, dass die am häufigsten relativ auftretenden Windgeschwindigkeiten in einem Bereich von 2,5 bis 4,5 liegen, diese Kurve wurde über Gl. (3.2) ermittelt. Aus der Summenhäufigkeit nach Gl. (3.1) ergibt sich der theoretisch relative Leistungsverlauf der Windenergieanlage, also die entsprechenden zu erwartenden Leistungen zu den unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten (1 100%). Die annähernde Volllast der Windenergieanlage und damit die annähernde Lieferung der 100%tigen Leistung ist erst ab 13 gegeben. Ebenfalls ersichtlich ist, dass die am häufigsten auftretende Windgeschwindigkeit nicht mit der maximalen Steigung der Leistungskurve (hier blau) und noch weniger mit der annähernd 100 prozentigen Leistung auf einer Höhe liegt. Dieses Verhältnis zwischen Windgeschwindigkeit und Leistung gibt einen Hinweis darauf, dass nur bei sehr hohen und eher selten zu erwartenden Windgeschwindigkeiten die 100% der installierten Leistung geliefert werden können. Ebenfalls zu sehen ist dies in der statistisch ermittelten Verteilung der Jahresarbeit durch das Weibull-Verfahren im folgenden Diagramm 4.2 zu sehen. Das Diagramm 4.2 zeigt die aus dem WEIBULL-Verfahren statistisch ermittelte Jahresarbeit:

12 Arbeit [kwh] Datenauswertung Westküste Windgeschw. [m/s] Diagramm 4.2: WEIBULL-Häufigkeitsverteilung über die Jahresarbeit Die relative Häufigkeit multipliziert mit den insgesamt 8784 Std./Jahr errechnen sich die absoluten zu erwartenden Windstunden für das Jahr Diese ergeben, multipliziert mit der Nennleistung und der 3.Potenz(bezogen auf 100%) (nach Gl.(3.7)), die zugehörige Arbeit und somit die im Diagramm 4.2 zu sehende Kurve. Hier ist ebenfalls zu sehen, dass die maximal theoretisch gelieferte Arbeit bei einer Windgeschwindigkeit von ca. 10 liegt. Aus dem Diagramm 4.1 ersichtlich liegt die am häufigsten auftretende Windgeschwindigkeit jedoch bei 2,5-4,5. Somit könnte die maximale Leistung oder die maximal verrichtete Arbeit nur bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten erzielt werden. Da in der Realität der Wind jedoch nur selten mit Geschwindigkeit von 10 und mehr weht, erreichen die Windenergieanlage oft ihre installierte Leistung nicht. Die Verdeutlichung folgt im weiteren Unterpunkt mit Hilfe der real gemessenen Winddaten. 4.2 Tatsächliche Erträge Im Vorfeld ist bei den tatsächlichen Werten zu erwähnen, dass aufgrund des sehr alten Baujahrs der Anlage, keine automatische Aufzeichnung der Leistungs- und Winddaten vorgenommen werden konnte. Des Weiteren war die Beschaffung geeigneter Winddaten recht kompliziert, sodass nur eine Mittelung zwischen St.Peter-Ording 5 und Kaiser- 5 ca.19 km nord-westlich

13 Leistung in kw Windgeschwindigkeit in m/s Datenauswertung Westküste Wilhelms-Koog 6 auf einer Höhe von 30m möglich war. Daher wurden für folgendes Diagramm 4.3 Winddaten über die Monate gemittelt um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Des Weiteren fehlen bei der Aufzeichnung Daten, das einen prozentualen Anteil von 26,5% entspricht und somit zu einer Ungenauigkeit führt. Die Leistungen wurden von der Betreiberin besagter Anlage nur monatsweise handschriftlich aufgezeichnet. Daher wurde für folgendes Diagramm 4.3 die obenerwähnten Winddaten über die Monate gemittelt um eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten Leistung in kw Monate 0 Windgesch windigkeit in m/s Diagramm 4.3: tatsächliche Leistungsabgabe bei entsprechender gemittelter Windgeschwindigkeit Aufgezeigt ist die abgegebene Leistung der Windenergieanlage in kw in den Monaten Januar bis Dezember bei aufgezeigtem Monatsmittelwert der Windgeschwindigkeit. Die teilweise etwas unstimmigen eingezeichneten Windgeschwindigkeiten zu den entsprechenden Leistungen ist mit den geographisch und monatlich gemittelten Werten zu erklären, als auch durch eine gewisse fehlerbehaftete Aufzeichnung. Ein direkter Vergleich mit dem WEIBULL-Verfahren ist leider nicht möglich. Doch deutlich zu sehen ist, dass die Leistungsabgabe der Windenergieanlage saisonal stark schwankt. 6 ca.28 km süd-westlich

14 Datenauswertung Ostküste In den Wintermonaten November, Dezember, Januar, Februar und März gab die Windenergieanlage wesentlich mehr Leistung als in den Sommermonaten Juni, Juli, August ab. Im August gab die Windenergieanlage gerade mal eine Leistung von kw ab. Zur Verdeutlichung könnte mit dieser Leistung den bereits obenerwähnten Kaffeevollautomaten mal betrieben. Dagegen könnte man mit der im Januar abgegeben Leistung den besagten Kaffeevollautomat mal betreiben. So bestärkt auch dieses Diagramm die in 4.1 aufgestellte These, dass eine Windenergieanlage nur selten unter Volllast läuft und ihre maximale Leistung erbringt. Da hier ganz anschaulich große Schwankungen in den Leistungen und etwas kleinere Schwankungen in den Windgeschwindigkeiten vorliegen. Insgesamt gibt es bei der Betrachtung dieser WEA eine relative große Streuung bedingt durch die monatliche Aufzeichnung der Leistung und besonders durch die Mittelung der geographischen Winddaten und einer fehlenden Aufzeichnung von 26,5%. Beachtet werden sollte darüber hinaus, dass bei einer Windgeschwindigkeit von 2 die Windenergieanlage sich im Stillstand befindet, da hier die kinetische Energie des Windes nicht genügt um die Trägheitskräfte der Windenergieanlage zu überwinden [4]. 5. Datenauswertung Ostküste Auch für die Windenergieanlage an der Ostküste Schleswig Holsteins, installiert in Schwochel, Gemeinde Ahrensbök, erfolgt eine Auswertung der Daten mit dem sogenanntem WEIBULL-Verfahren. Darüber ist, wie bereits erwähnt, eine Bewertung über das Verhältnis des zu erwartenden, über Statistiken ermittelten, mit dem tatsächlich erreichten Ertrags der Windenergieanlage möglich. Bei der Windenergieanlage handelt es sich um ein Fabrikat der Firma Vestas, Baureihe V52 mit einer angegebenen Nennleistung von 850kW. Die Datenaufzeichnung umfasst eine Auflistung des Ertrages in kw pro Monat und Jahr seit Errichtung Mai 2002 bis März 2013, sowie eine ausführliche stündliche Darstellung des Ertrags im Jahre 2012 zu den jeweilig gemessenen Windgeschwindigkeiten. Auch hier wird im Folgenden zur Veranschaulichung der Leistungsabgabe der Windenergieanlage ein Vergleich mit dem oben beschriebenen Kaffeevollautomaten und seiner Eingangsleistung von 1,45kW vorgenommen

15 Datenauswertung Ostküste 5.1 Darstellung mit dem WEIBULL-Verfahren Mit Hilfe dieser Daten wurde aus den angegebenen stündlichen Windmessungen die mittlere Windgeschwindigkeit, die im Jahre 2012 bei 5,05 lag 7, für die Gemeinde Ahrensbök, ermittelt und diese bei der Berechnung mit dem WEIBULL-Verfahren angegeben. Für die weitere Berechnung sind noch die Nennleistung, hier von 850kW, die 8784 Std/Jahr 8, sowie die Klassenbreite von 2,0. Der Formfaktor wurde für diese Datenauswertung von 2,0 9 angenommen. Mit diesen Werten ergibt sich das folgende Diagramm 5.1 der WEIBULL-Häufigkeitsverteilung: 1 0,8 0,6 0,4 Klassenmittel aus Differenzenquotient Summenhäufigkeit rel. Häufigkeit 0, Windgeschw. [m/s] Diagramm 5.1: WEIBULL-Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten Aus dem Diagramm ersichtlich zeigt sich die höchste zu erwartende relative Häufigkeit an Windgeschwindigkeiten bei 3 und 4, ermittelt über Gl. (3.2). Aus der Summenhäufigkeit nach Gl. (3.1) zeichnet sich der theoretische relative Leistungsverlauf der Windenergieanlage zur Windgeschwindigkeit (1 100%). Eine nahezu 100%ige Leistung wäre ab einer Windgeschwindigkeit von 13 zu erwarten 10. Das Diagramm 5.2 zeigt die aus dem WEIBULL-Verfahren statistisch ermittelte Jahresarbeit: 7 Gemittelte Windgeschwindigkeit im Jahre 2012 aus den insgesamt 8784 gemessenen Werten der aufgezeichneten Daten der Windkraftanlage. 8 Schaltjahr Annäherung an die sogenannte Rayleight Verteilung 10 aus Rechnung zum Diagramm

16 Arbeit [kwh] Datenauswertung Ostküste Windgeschw. [m/s] Diagramm 5.2: WEIBULL-Häufigkeitsverteilung über die Jahresarbeit Über die relative Häufigkeit der Windgeschwindigkeiten mit den insgesamt 8784 Std./Jahr errechnet sich die absoluten zu erwartenden Windstunden der Windgeschwindigkeiten für das Jahr Diese multipliziert mit der Nennleistung und der 3.Potenz(bezogen auf 100%) (nach Gl. (3.7)) ergibt sich die entsprechend zugehörige Arbeit und somit die im Diagramm 5.2 zu sehende Kurve. 5.2 Tatsächliche Erträge Das nachfolgende Diagramm 5.3 wurde anhand der vorhandenen Daten der Windenergieanlage erstellt. Über die gemessenen stündlichen Aufzeichnungen konnte eine relative Häufigkeitskurve der aufgetretenen Windgeschwindigkeiten im Jahre 2012 errechnet und dargestellt werden. Hierbei ist zu beachten, dass 11,32% der gesamten Daten auf Grund von fehlerhafter Aufzeichnung nicht berücksichtigt werden konnten. Die entsprechenden Leistungen, angegeben in kw, wurden zu den jeweiligen aufgetretenen Windgeschwindigkeiten gemittelt. Hierüber wird der Unterschied zu der relativen Häufigkeitskurve und der Leistungsprognose des WEIBULL-Verfahrens deutlich. Die aus Diagramm 5.1 am häufigsten erwartete Windgeschwindigkeiten von 3-4 waren im Jahre 2012 nur die dritt und sechst häufigsten Geschwindigkeiten. Auch waren nach WEIBULL Geschwindigkeiten ab 12 kaum mehr zu erwarten gewesen, nachstehendes Diagramm 5.3 zeigt aber, dass es zumindest bis zu Geschwindigkeiten von 15 im Jahre 2012 gekommen ist

17 Leistung in kw Datenauswertung Ostküste 16,00% 14,00% 12,00% 10,00% 8,00% 6,00% 4,00% 2,00% 0,00% Windgeschw. [m/s] Häufigkeitsverteilung- Wind Leistung Diagramm 5.3: Häufigkeitsverteilung-Wind und Leistung über Windgeschwindigkeit Hiermit zeigt sich der anfangs steile Anstieg der Leistungskurve mit zunehmender Windgeschwindigkeit. Dieser schnelle Anstieg der Kurve nimmt gegen Ende so stark ab, da es nur wenige Messwerte für die höheren Geschwindigkeiten gibt und somit das Leistungsmittelt aus deutlich weniger schwankenden Werten gemittelt wurde. Ersichtlich ist aber auch, dass erst bei Windgeschwindigkeiten von die Windenergieanlagen ungefähre Nennleistung von 850kW erreichte. Diese Windgeschwindigkeiten treten aber seltener auf und somit wird die Windenergieanlage kaum unter Volllast betrieben. Im Jahre 2012 deutlich unter 1% der aufgetretenen Windgeschwindigkeiten, siehe Diagramm 5.3. Bei den am häufigsten aufgetretenen Windgeschwindigkeiten von 5 und 6 liegt die Leistungskurve unter einer Leistung von 200kW, welches noch nicht einmal einem Drittel der Nennleistung entspricht. Bei einer Windgeschwindigkeit von 2 beträgt die durchschnittliche Leistung 529,75 W 11. Zur Verdeutlichung ein heutzutage haushaltsüblicher Kaffeevollautomat hat eine Eingangsleistung von ca. 1,45kW 12. Somit wäre an ungefähr 763 Stunden ( 8,68% der 8784Std./Jahr) im Jahre 2012 ein Betrieb eines solchen Kaffeevollautomats nicht möglich gewesen. 11 Gemittelte Leistung der zu Verfügung gestellten Datenaufzeichnungen der Windkraftanlage Ostküste. 12 Nach Angabe des Herstellers DeLonghi

18 Bewertung Die Anlage befindet sich im Stillstand bei Windgeschwindigkeiten unter 2, da hier die kinetische Energie des Windes nicht genügt um die Trägheitskräfte der Windenergieanlage zu überwinden [4]. Zu berücksichtigen ist das es sich um gemittelte Leistungswerte handelt und möglicherweise je nach vorheriger Windbedingung die Leistungen über oder unter dem im Diagramm ersichtlichem Leistungsmittel lag. 6. Bewertung Vorweg erwähnt werden sollte, dass eine Vergleichbarkeit der Anlagen, aufgrund des unterschiedlichen Baujahrs und der unterschiedlichen Aufzeichnungsverfahren der Leistungs- und Winddaten, schwerlich möglich ist. Somit werden hier die Anlagen mit den jeweiligen auf die Standorte spezifizierten WEIBULL -Diagrammen verglichen. Bereits bei der Erstellung dieser Diagramme waren erste Unterschiede feststellbar. Die ermittelten Durchschnittsgeschwindigkeiten unterscheiden sich um etwa 1,05. An der Ostküste in Schwochel wurde eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 5,05 errechnet und an der Westküste in Tiebensee von 6,1. Dass sich Ost- und Westküste ungefähr um einen solchen Wert bei den Windgeschwindigkeiten unterscheiden, belegt auch Abbildung 2.1, wo für Schwochel Windgeschwindigkeiten von 5,9-6,5 und für Tiebensee von 6,5 7,1 angegeben sind. Somit ist Tiebensee rein von den Durchschnittswindgeschwindigkeiten als Standort etwas geeigneter als Schwochel. Des Weiteren wurde für Schwochel ein Formfaktor von 2 und für Tiebensee einer von 2,2 angenommen. Auch diese Tatsache spricht Tiebensee einen besseren Standort zu als Schwochel. Um dies zu verdeutlichen werden hier erneut beide WEIBULL -Diagramme gegenüber gestellt

19 Bewertung Schwocheln: 1 0,8 0,6 0,4 Klassenmittel aus Differenzenquotient Summenhäufigkeit rel. Häufigkeit 0,2 0 Tiebensee: Windgeschw. [m/s] Deutlich zu sehen ist nun, dass für Tiebensee die relative Häufigkeitkurve einen breiteren Verlauf nimmt und somit auch Windgeschwindigkeiten ab 6 häufiger zu erwarten sind als in Schwochel. Infolge dessen weißt Tiebensee auch eine etwas weniger steile Leistungskurve über den Windgeschwindigkeiten auf. Aufgrund der Tatsache, dass für Tiebensee die etwas höheren Windgeschwindigkeiten häufiger zu erwarten sind, ist die Folge die im Durchschnitt besser zu erwartenden Leistungserträge einer Windenergieanlage. Da diese sehr stark von den Windgeschwindigkeiten abhängen. Gleichsam wird aber auch deutlich, dass beide Anlagen nur bei sehr großen Windgeschwindigkeiten unter Volllast laufen. Verdeutlich wird dies bei den Aufzeichnungen der real gemessenen Wind- und Leistungsdaten in den Diagramm 4.3 und

20 Bewertung In Tiebensee war aufgrund der besonderen Aufzeichnung nur die Anschauung der Monatswerte der gelieferten Leistung möglich, aber es zeigt sich deutlich, dass beim Betrieb einer WEA keine Kontinuität und somit keine konstante Leistungsabgaben gewährleistet werden kann. Bei der Installation der Anlage im Jahr 1992 wurde der Betreiberin eine Jahresleistung von kw versprochen. Im Jahr 2012 erzeugte diese installierte Anlage gerade mal ,5 kw. Aufgrund der besseren Aufzeichnungsmöglichkeiten in Schwochel, genügt ein Blick in diese Daten, um die wenig gelaufenen Volllaststunden der Anlage zu sehen. Die versprochene Nennleistung der Anlage war erst ab Geschwindigkeiten von annähernd erreicht und dies ist gerade mal 0,35% 13 im Jahr 2012 der Fall gewesen. Dagegen stand die Anlage in selben Jahr 8,68%, da hier die Windgeschwindigkeit unter 2 lag und so die Trägheitskräfte der Anlage größer sind als die angreifenden Kräfte des Windes [4]. Erwähnt werden sollte aber auch, dass das Jahr 2012 ein recht Windschwaches Jahr war. Folgende Tabelle zeigt die Jahresschwankungen der Windwerte anhand der Jahresproduktion 14 der installierten Anlagen. Um einen guten Vergleich zu gewährleisten ist der Referenzwert eine über Jahre ermittelte 15 Jahresproduktion der installierten Anlagen [8]. Das Verhältnis dieses Referenzwertes zu der in den einzelnen Jahren gelieferte Jahresproduktion wird Produktionsindex 16 genannt und ist in der folgenden Tabelle aufgeführt. : Westküste : Binnenland : Ostküste : Durch- Monat : % : % : % : schnitt Jan : 12,9 : 12,9 : 13,4 : 13,1 Feb : 9,3 : 9,8 : 10,8 : 11,0 Mär : 8,9 : 9,8 : 10,3 : 9,6 Apr : 6,4 : 6,6 : 7,0 : 6,7 Mai : 6,5 : 6,1 : 6,8 : 6,5 Jun : 6,7 : 5,8 : 6,1 : 6,2 Jul : 5,6 : 5,0 : 5,0 : 5,2 Aug : 4,1 : 4,3 : 4,2 : 4,2 Sep : 7,6 : 6,3 : 6,2 : 6,7 Okt : 7,1 : 6,4 : 7,0 : 6,8 Nov : 7,4 : 7,3 : 6,6 : 7,1 Dez : 9,5 : 9,3 : 8,9 : 9, : 92,0 : 89,6 : 92,3 : 91,4 13 Ersichtlich aus den Windmessungen in der Datenaufzeichnung des Jahres In kwh 15 Von der Landwirtschaftskammer Schleswig-Holsteins ermittelt. 16 In %

21 Bewertung 2011 : 96,9 : 95,1 : 98,5 : 96, : 78,9 : 76,4 : 89,9 : 81, : 86,1 : 81,8 : 87,9 : 85, : 100,5 : 96,1 : 100,8 : 99, : 104,1 : 96,5 : 107,7 : 102, : 88,0 : 82,2 : 82,2 : 84, : 90,3 : 86,8 : 91,3 : 89, : 90,7 : 87,3 : 93,7 : 90, : 80,8 : 79,3 : 84,6 : 81, : 92,2 : 93,0 : 94,8 : 93, : 81,7 : 78,1 : 86,3 : 82, : 104,0 : 98,9 : 95,2 : 99, : 95,8 : 90,2 : 88,7 : 91, : 109,5 : 104,0 : 107,4 : 107, : 93,4 : 92,0 : 92,4 : 92, : 89,1 : 90,1 : 89,1 : 89, : 98,2 : 96,8 : 100,2 : 98, : 113,3 : 112,3 : 109,1 : 111, : 106,5 : 107,8 : 109,2 : 108, : 107,6 : 106,3 : 107,0 : 107, : 98,8 : 92,6 : 98,1 : 97, : 110,3 : 116,0 : 112,1 : 112,5 Tabelle 6.1: Auflistung des Produktionsindexes in den Jahren und das Jahr 2012 in Monatsschritten bereitgestellt durch die Landwirtschaftskammer Schleswig-Holsteins 17. Unterteilt ist diese Tabelle in Westküste, Binnenland und Ostküste. Deutlich zu sehen ist, dass in allen drei Regionen sowohl zwischen den Monaten als auch zwischen den Jahren starke Schwankungen aufgezeigt sind. So sind 63% stärkere und 36% schwächere Windjahre als das Windjahr Insgesamt schneidet bei dieser Betrachtung im Jahre 2012 der Windstandort Tiebensee an der Westküste leicht bessere ab, als Schwochel an der Ostküste. Doch weisen Winddaten eine große Streuung auf und aus obiger Tabelle ersichtlich gab es auch Jahre, in denen die Ostküste einen besseren Produktionsindex aufwies als die Westküste und somit in diesen Jahren der Windstandort Ostküste besser gewesen wäre [8]. 17 Von der Landwirtschaftskammer Schleswig Holsteins zur Verfügung gestellt

22 Zusammenfassung 7. Zusammenfassung Windenergie ist eine tragende Säule der Bereitstellung von Nutzenergie in der heutigen Gesellschaft. Allerdings hängt die Leistungsabgabe der einzelnen Windkraftanlagen sehr stark von den jeweilig vorherrschenden Windbedingungen ab. Ideale Windbedingungen finden sich vor allem in Gebieten mit geringen Oberflächenrauhigkeiten. Solche Gebietsstrukturen finden sich vor allem im Flachland und an Küstenregionen. Somit eignet sich Schleswig Holsteinganz besonders zur Nutzung von Windenergie. Abbildung 2.1 zeigt sehr anschaulich, dass die Windgeschwindigkeiten an der Ost- und Westküste deutlich höher liegen als im Binnenland. Es zeigt sich aber auch, dass der Unterschied der vorherrschenden Windgeschwindigkeit der oben untersuchten Standorte nur gering ausfällt. An Westküstenstandorten scheinen die Windbedingungen etwas günstiger, als an der Ostküste. Allerdings zeigt Tabelle 6.1 sehr anschaulich, dass es auch Jahre gibt, wo höhere Windgeschwindigkeiten an der Ostküste auftreten. Aufgrund der Unvorhersehbarkeit der Windbedingungen ist es schwierig eine genaue Aussage über die jeweilige Jahresproduktion zu machen. Wie in Abschnitt 6 beschrieben gibt es starke und schwache Windjahre. Mit Hilfe des sogenannten WEIBULL-Verfahrens ist es möglich eine gute Näherung an die tatsächliche Leistungskurve der Windkraftanlagen zu erzielen. Natürlich ist mit einer solchen, über statistische Verfahren errechnete Kurve, keine 100% richtige Aussage über die tatsächlich zu erreichenden Leistungen möglich. Eine Windkraftanlage erzeugt nur bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten die angegebenen Nennleistungen. Diese Windgeschwindigkeiten treten wie Diagramm 5.3 beweist aber nur sehr selten auf. Somit läuft eine Windkraftanlage die meiste Zeit unter Teillast und erreicht keine 100% der Jahresproduktion. Zumindest bei den in dieser Arbeit untersuchten Anlagen wird der erwartete und vom Hersteller versprochene Ertrag nicht erzielt. Um hierüber eine allgemeine Aussage zu treffen, wäre es erforderlich mehrere Anlagen genauer zu untersuchen. Diese Anlagen sollten wenn möglich den gleichen Bautyp haben. Außerdem sollten alle Anlagen eigene Windgeschwindigkeitsmessungen vornehmen und auf dieser Basis könnte dann eine genauere Leistungsprognose durchgeführt werden

23 Literaturverzeichnis [1] Wikipedia, 06 Dezember [Online]. Available: [Zugriff am 08 Dezember 2013]. [2] CEwind eg/ Alois Schaffarczyk, Einführung in die Windenergietechnik, München: Carl Hanser Verlag, [3] Deutscher Wetterdienst, [Online]. Available: 2/Klimagutachten/Windenergie/Windkarten entgeltfrei/windkarten 80m/SchleswigHolstein 80m,t emplateid=raw,property=publicationfile.pdf/schleswigholstein_80m.pdf,. [Zugriff am 2013 Dezember 04]. [4] H. Watter, Nachhaltige Energiesysteme, Wiesbaden: Vieweg+Teuber, [5] [Online]. [Zugriff am 1 Januar 2014]. [6] A. Karwath, Wikipedia, 6 November [Online]. Available: [Zugriff am 18 November 2013]. [7] Danish Wind Industry Accociation, tm, [Online]. [Zugriff am ]. [8] W. Eggersglüß, Das Windjahr 2012 in Schleswig Holstein,