Kleinwindkraftanlagen zur Netzstromerzeugung Messe Erneuerbare Energien in Oederan

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1 Kleinwindkraftanlagen zur Netzstromerzeugung Messe Erneuerbare Energien in Oederan

2 Vortragsinhalt 1. Definition Kleinwindenergieanlagen 2. Historie ein kurzer Rückblick 3. Wind die antreibende Kraft 4. Anlagenkonzepte 5. Besonderheiten von Kleinwindenergieanlagen 6. Genehmigungsrechtliche Fragen 7. Ökonomie und Umweltschutz 8. 4kW-Kleinwindenergieanlage (VENTEGO AG) 9. Zusammenfassung / Ausblick

3 1.1 Definition Kleinwindenergieanlagen Keine verbindliche Definition! 4 Quellen / Klassifizierungen: 1. DIN EN Bundesverband Windenergie (BWE) 3. EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) 4. Bundesverband Kleinwindenergieanlagen (BVKW)

4 1.2 Definition Kleinwindenergieanlagen 1. DIN EN : Überstrichene Rotorfläche: < 200 m² Erzeugte Spannung:» < 1000 V Wechselspannung» < 1500 V Gleichspannung 2. Bundesverband Windenergie: Installierte Leistung: < 100 kw 3. EEG: Installierte Leistung: < 30 kw als Grenze für den Hausanschluss als wirtschaftlichsten Anschlusspunkt ( 5 Abs. 1 EEG)

5 1.3 Definition Kleinwindenergieanlagen 4. Bundesverband Kleinwindenergieanlagen: Windangriffsfläche: 200 m² Klassifizierung: Micro-Windturbine ( 1,5 kw bzw. 6 m²) Hausanlagen auf dem Dach oder direkt mit dem Haus verbunden ohne Größenbeschränkung Kleinwindanlage zur Selbstversorgung ( 6 kw) Kleinwindanlage bis max. 200 m² Windangriffsfläche

6 1.4 Definition Kleinwindenergieanlagen Zusammenfassung Überstrichene Rotorfläche: < 200 m² (Ø < 16 m) Installierte Leistung: < 30 kw Erzeugte Spannungen: auf Basis der Hausanschlussebene, d. h.» Dreiphasenwechselstrom 400 V» Zweiphasenwechselstrom 230 V KWEA sind in erster Linie für den Eigenbedarf vorgesehen! Hinweis: KWEA = Kleinwindenergieanlage

8 2.1 Historie - Deutschland 13. Jh. erste Bockwindmühlen erwähnt 1712 erste verwendbare Dampfmaschine (Thomas Newcomer) 18. Jh. ca Windkraftanlagen in Deutschland in Betrieb Windmotoren (lt. Gewerbestatistik des Deutschen Reiches) ab 1910 Umbau von ca. 130 Windkraftanlagen auf so genannte Ventikanten (Major Bilau) Leistungssteigerung auf das 2 2,5-fache 1920 Albert Betz erarbeitet die ersten wissenschaftlichen Grundlagen zur Windenergienutzung 1938 ca aktive Windkraftanlagen 1958 erste deutsche Großanlage: Prof. Hütter / 100 kw / A R 908 m² 1973 erste Ölpreiskrise 1991 Stromeinspeisungsgesetz (Stromabnahmeverpflichtung, Mindestvergütung Boom der Großwindenergieanlagen)

9 2.2 Historie - Deutschland Baujahr: 1939 Durchmesser: 9,6 m Turmhöhe: 13 m Fabrikat: Bilau / Siegel- Sternberg

10 2.3 Historie - Deutschland Ort: Falkenberg / Elster Baujahr: 1922 Durchmesser: 9 m Turmhöhe: 26 m Fabrikat: Vereinigte Windturbinenwerke Meißen

11 2.4 Historie - Deutschland Ort: Rhene-Nordharz Durchmesser: 8 m Turmhöhe: 33 m Leistung: 6 kw Fabrikat: Windkraftwerk- GmbH Teubert, Berlin

12 2.5 Historie - Deutschland Ort: Niedersachswerfen Baujahr: 1936 Rotor: 2,5 m x 3,5 m Turmhöhe: 15 m Fabrikat: Johannes Dietel, Glauchau

13 2.6 Historie - Deutschland Zusammenfassung Alle deutschen Windenergieanlagen vor 1958 waren Kleinwindenergieanlagen nach heutiger Definition Anfang des 20 Jh. Entwicklung von Windenergieanlagen zur Stromversorgung Ab 1920 systematische wissenschaftliche Grundlagenarbeit (Albert Betz, Ulrich Hütter u.v.m.) Motivation Keine Brennstoff- und niedrige Betriebskosten Verfügbarkeit des Rohstoffes Wind Mehrere hundert Jahre positive Erfahrung Zukunftsperspektive

14 2.7 Historie - Deutschland Quelle: Walther Schieber: Energiequelle Windkraft, 1940 Zitat: Gerade weil wir heute unsere Blicke auf die Kohlefelder und Öllager der Erde richten müssen, gerade deshalb müssen wir bereits heute uns mit der Frage befassen, ob wir das Gebiet der Nutzbarmachung der Windkraft weiter so vernachlässigen können Zitat: Die Windkraft, diese sich stetig durch die Sonnenwärme erneuernde Energiequelle bietet sich uns dar und fordert die Nutzbarmachung heraus. Zitat: Vielleicht ist es späterhin möglich, unsere gesamte Energieversorgung nur auf die stetig erneuernden Energiequellen Wasser und Wind aufzubauen, wobei in den Talsperren unserer Wasserkraftwerke willkommene Speicher vorhanden sein würden, um die Minderleistung der Windkraftwerke bei schwachen Wind auszugleichen.

16 3.1 Wind Pro: Regenerativer, unerschöpflicher Energieträger gespeist von der Sonne Kostenloser Energieträger Wind transportiert sich selbst Wind steht auch in der Nacht zur Verfügung Das jährliche Windenergieangebot passt vergleichsweise gut zum jährlichen Energiebedarf Kontra: Wind ist unregelmäßig bzgl. Verfügbarkeit und Energiegehalt Vergleichsweise geringe Energiedichte Windenergieanlagen sind zwangsweise optisch auffällig und nur bedingt in Gebäudestrukturen integrierbar

17 3.2 Wind 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit nach Rayleigh Parameter: mittlere Windgeschwindigkeit = 5 m/s Bedeutung: 5,0 m/s v Wind < 6,0 m/s 10min-Mittelwerte Beaufortskala Windstärke [Bft] v Wind [m/s] Bezeichnung 0 0,0 < 0,5 Windstille 1 0,5 < 1,6 leiser Zug 2 1,6 < 3,4 leichte Brise 3 3,4 < 5,5 schwache Brise 4 5,5 < 8,0 mäßige Brise 5 8,0 < 10,8 frische Brise 6 10,8 < 13.9 starker Wind 7 13,9 < 17,2 steifer Wind 8 17,2 < 20,8 stürmischer Wind 9 20,8 < 24,5 Sturm 10 24,5 < 28,5 schwerer Sturm 11 28,5 < 32,7 orkanartiger Sturm 12 32,7 Orkan 0, v Wind [m/s]

18 3.3 Wind Jährliche "Windstunden" als Funktion der Windstärke in Bft Parameter: Rayleigh-Verteilung; mittlere Windgeschwindigkeit = 5 m/s Beaufortskala Windstärke [Bft] v Wind [m/s] Bezeichnung 0 0,0 < 0,5 Windstille 1 0,5 < 1,6 leiser Zug 2 1,6 < 3,4 leichte Brise 3 3,4 < 5,5 schwache Brise 4 5,5 < 8,0 mäßige Brise 5 8,0 < 10,8 frische Brise 6 10,8 < 13.9 starker Wind 7 13,9 < 17,2 steifer Wind 8 17,2 < 20,8 stürmischer Wind 9 20,8 < 24,5 Sturm 10 24,5 < 28,5 schwerer Sturm 11 28,5 < 32,7 orkanartiger Sturm 12 32,7 Orkan Windstärke [Bft]]

19 3.4 Wind Wind = eine gerichtete stärkere Luftbewegung in der Atmosphäre E kin m = & Luft 2 vwind m& Luft = ρluft AR v wind 2 E kin = ρ Luft 2 v 3 Wind A R E Albert Betz: = theoretischer Höchstwert Betz 16 = Ekin 0, 5926 E 27 kin Realität: E real, max η = c E 0,8 0,45 E = 0, 36 E p kin kin kin η = Wirkungsgrad c p = Leistungsbeiwert

20 3.5 Wind Oberer Grenzwert der praktisch nutzbaren, spezifischen Windenergie E real [W/m 2 ] = f (v Wind ) v Wind [m/s]

21 3.6 Wind 0,16 Häufigkeitsverteilung und max. nutzbare, spez. Windenergie in W/m² Parameter: mittlere Windgeschwindigkeit = 5 m/s , , , , , , , , v Wind [m/s]

22 3.7 Wind 70 Histogramm der praktisch nutzbaren, spezifischen Arbeit [kwh/a m²] Parameter: mittlere Windgeschwindigkeit = 5 m/s v Wind [m/s]

23 3.8 Wind 900 Höchstwert des spezifischen Jahresenergieertrages [kwh/a m 2 ] als Funktion der mittleren Windgeschwindigkeit in m/s Beispielrechnung: Um an einem Standort mit einer mittleren Windgeschwindigkeit von 4m/s einen jährlichen Energieertrag von 6000kWh zu erzielen ist eine Rotorfläche von größer 25m 2 erforderlich! ,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 Mittlere jährliche Windgeschwindigkeit [m/s]

24 3.9 Wind Zusammenfassung 1. Die mittlere Windgeschwindigkeit am geplanten Standort ist die wichtigste Kenngröße für den Jahresenergieertrag 2. Die Rotorfläche ist die zweitwichtigste, ertragsbestimmende Größe 3. Die konkrete technische Lösung und damit u.a. der erreichbare Leistungsbeiwert des Rotors ist die drittwichtigste Größe 4. Die Leistungsangabe des Generators ist keine geeignete Bewertungsgröße!

26 4.1 Anlagenkonzepte Unterscheidungsmerkmal Lage der Rotorachse: Horizontalachsrotoren c p,max 0,45 Vertikalachsrotoren» Savonius-Rotor (1924) c p,max 0,22» Darrieus-Rotor (1929) c p,max 0,36 Quelle: Erich Hau: Windkraftanlagen, 2. Aufl., Springer-Verlag, 1996

27 4.2 Anlagenkonzepte Unterscheidungsmerkmal Schnelllaufzahl : Widerstandsläufer Auftriebsläufer: λ <1» Langsamläufer» Mittelschnellläufer» Schnellläufer λ 2 2 < λ 5 λ > 5 λ = U v Wind Quelle: Robert Gasch: Windkraftanlagen, Teubner, Stuttgart, 1991

28 4.3 Anlagenkonzepte Schnelllaufzahl Umfangsgeschwindigkeit aerodynamische Geräusche Zitat 1 : Die Geräuschabstrahlung nimmt etwa mit der 5. Potenz (!) der Anströmgeschwindigkeit zu, die im wesentlichen von der Umfangsgeschwindigkeit des Windrotors geprägt wird. Hersteller / Typ P nenn [kw] U max [m/s] U max [km/h] Nordex N80/ ,2 285 Enercon E-33/ ,7 283 S&W ,9 201 Antaris 3,5 kw 3,7 100,8 363 Turby 2,5 41,9 151 Skystream 3.7 2,4 63, Quelle: Erich Hau: Windkraftanlagen, 2. Aufl., Springer-Verlag, 1996

29 4.4 Anlagenkonzepte Weitere Unterscheidungsmerkmale: Aktive oder passive Leistungsbegrenzung Aktive oder passive Windnachführung (Horizontalachsrotoren) Ausführung mit Getriebe oder getriebelos Generatorbauart (Asynchron-, Synchronmaschine etc.) Mantelturbine vs. freiumströmter Rotor Drehzahlstarrer vs. drehzahlvariabler Betrieb Anzahl Rotorblätter Netzstromerzeugung vs. Batterieladesysteme

30 4.5 Anlagenkonzepte Zusammenfassung 1. Horizontal- und Vertikalachsrotoren nach dem Auftriebsprinzip sind konkurrierende, technische Konzepte mit spezifischen Vorund Nachteilen. 2. Horizontalachsrotoren haben eine längere Entwicklungszeit durchlaufen, sind ausgereift und dominieren den Markt. 3. Vertikalachsrotoren sind keine neuen Erfindungen. 4. Stromerzeugende Windenergieanlagen weisen in der Regel hohe Umfangsgeschwindigkeiten auf, was zu erheblichen Schallemissionen führt und ihre Akzeptanz beeinträchtigt. 5. Die größten Leistungsbeiwerte werden mit Horizontalachsrotoren erzielt.

32 5.1 Besonderheiten von Kleinwindenergieanlagen KWEA arbeiten in Bodennähe (10m 30m): Geringe Windgeschwindigkeit Größerer Turbulenzgehalt der Strömung Erhöhte Profilverschmutzung (Insekten usw.) KWEA arbeiten in räumlicher Nähe zu Wohnbebauung: Stark erhöhte aeroakustische Anforderungen Schallimmission Bei direkter mechanischer Anbindung an die Baustruktur besteht die Gefahr von Körperschalleinkopplung KWEA zur Netzstromerzeugung orientieren auf hohen elektrischen Grundversorgungsanteil: Schwachwindoptimierung Minimierung des Eigenstrombedarfes der Anlage (Betriebsführung) KWEA müssen den geltenden Normen entsprechen: DIN EN : Sicherheit kleiner Windenergieanlagen Netzqualität, Blitzschutz, EMV KWEA müssen auf minimale Betriebskosten ausgelegt sein: Außerplanmäßige Wartungs- und Instandsetzungskosten stellen jede Amortisationsrechnung in Frage

33 5.2 Besonderheiten von Kleinwindenergieanlagen Schlussfolgerung Kleinwindenergieanlagen können keine maßstäblich verkleinerte Großwindkraftanlagen sein! Lösungsansätze: Rotorauslegung auf geringe Schnelllaufzahl Erhöhte Anzahl Rotorblätter Aeroakustische Rotorblattoptimierung Einsatz rau(h)igkeitsunempfindlicher Profilgeometrie Passive Leistungsbegrenzung ( Aus dem Wind drehen ) Passive Windnachführung (Windfahne, Seitenwindrad) Erzeugung von Dreiphasenwechselstrom Einsatz von energieoptimierten Mikroprozessorlösungen

35 6.1 Genehmigungsrecht Grundlagen: KWEA sind in erster Linie für den Eigenbedarf vorgesehen KWEA werden auf Grundstückseigentum gebaut und betrieben Immissionsrechtliche Genehmigung: Für KWEA bis zu einer Gesamthöhe von 50m ist (nur) eine Baugenehmigung nach Maßgabe des Landesrechtes einzuholen. Das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) kommt dennoch zur Anwendung, da KWEA Anlagen i.s.d. 3 Abs. 5 Nr. 1 des BImSchG sind

36 6.2 Genehmigungsrecht Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG): KWEA, die kleiner als 50m sind bedürfen keiner Umweltverträglichkeitsprüfung Bauordnungsrechtliche Genehmigungspflicht: In den einzelnen Bundesländern bestehen verschiedene Regelungen (Länderrecht!) In einigen Bundesländern sind Kleinst- Windenergieanlagen vom Verfahren freigestellt: z. B. Sachsen-Anhalt: KWEA bis 10m Nabenhöhe im Außenbereich ( 60 Abs. 1 Nr. 4f BauO LSA) z.b. Saarland: KWEA bis zu 10m Höhe, gemessen von der Geländeoberfläche bis zum höchsten Punkt der vom Rotor bestrichenen Fläche ( 61 Abs. 1 Nr. 3c LBO Saarland)

37 6.3 Genehmigungsrecht Genehmigungsrelevante Prüfkriterien Basis: Bauantrag des Bauherren: Zeichnung KWEA (3-Seitenansicht inkl. Hauptmaße) Lageplan Nachweis der Einhaltung der Abstandsregelungen Standsicherheitsnachweis Schallimmissionsprognose Schattenwurfprognose

38 6.4 Genehmigungsrecht Erfahrungen der Ventego AG Bauantrag kann nur mit aktiver Unterstützung seitens des Anlagenhersteller erstellt werden Anlagenhersteller muss dem Bauherren alle relevanten Unterlagen zur Verfügung stellen Anlagenhersteller muss kundenspezifische Unterlagen erarbeiten (Schattenwurf- und Schallimmissionsprognose) Es gibt selten fundamentierte Gründe der Ablehnung des Bauantrages aber regelmäßig massive Unsicherheit auf Seiten der eingebundenen Behörden Die genehmigungsrechtliche Situation wird zunehmend klarer (Lerneffekt auf beiden Seiten) Größte Unsicherheitsfaktoren: Nachbar, bedrohte Tiere

40 Umweltschutz 7.1 Ökonomie und Umweltschutz Die globale Erwärmung ist nach gegenwärtigem wissenschaftlichen Verständnis sehr wahrscheinlich die Verstärkung des natürlichen Treibhauseffektes durch menschliches Einwirken. Ursachen: Verbrennen fossiler Brennstoffe Entwaldung Land- und Viehwirtschaft Treibhausgase : Kohlendioxid (CO 2 ) Methan Lachgas CO 2 -Einsparpotential durch Windenergie: g/kwh

41 7.2 Ökonomie und Umweltschutz Verbraucherpreisindex elektrischer Strom (private Haushalte in Deutschland) Quelle: Statistisches Bundesamt März Daten des Statistischen Bundesamtes Prognose (Extrapolation) Normierung: 2005 = 100% Trendaussage: Verbraucherpreise steigen stetig an jährliche Teuerungsrate überproportional wachsend: in den letzten 10 Jahren um durchschnittlich 5,46% pro Jahr in den letzten 5 Jahren um durchschnittlich 6,37% pro Jahr in den letzten 2 Jahren um durchschnittlich 7,05% pro Jahr 0 Dez. 00 Aug. 02 Apr. 04 Dez. 05 Aug. 07 Apr. 09 Dez. 10 Aug. 12 Apr. 14

42 7.3 Ökonomie und Umweltschutz Im März 2011 hat sich der Strombezugspreis privater Haushalte in Deutschland gegenüber dem März 2000 um 71,94 % verteuert (in 11 Jahren!). In den letzten beiden Jahren hat sich der Strombezugspreis privater Haushalte jährlich um durchschnittlich 7,05% verteuert. Im März 2011 hat sich der Strombezugspreis privater Haushalte gegenüber dem März des Vorjahres um 7,58% verteuert.

43 7.4 Ökonomie und Umweltschutz 1. Besteht die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Eigenstromversorgung mittels Windenergie? 2. Ist meine Investition von Subventionen abhängig? 3. Ist diese Eigenstromversorgung aus Sicht der Umwelt sinnvoll? 4. Ist eine vollständig autarke Versorgung sinnvoll?

44 7.5 Ökonomie und Umweltschutz Anlagenpreis + Nebenkosten Energieertrag Strombezugspreis Betriebskosten = Amortisationszeit Einflussfaktoren: Anlagenpreis (inkl. Transport, Montage, Inbetriebnahme usw.) Bauseitige Nebenkosten (Fundament, elektrischer Anschluss, Gebühren für Baugenehmigung usw.) Betriebskosten (Versicherung, Wartung, Instandsetzung usw.) Energieertrag (Windangebot, Eigenschaften KWEA usw.) Strombezugspreis

45 7.6 Ökonomie und Umweltschutz Zusammenfassung 1. Kleinwindenergieanlagen liefern einen wertvollen Beitrag zum Umweltschutz: Reduzierung der CO 2 -Emissionen Reduzierung der Übertragungsverluste (Energie wird dort erzeugt, wo sie auch verbraucht wird) 2. Kleinwindenergieanlagen können ohne Subventionen wirtschaftlich betrieben werden, wenn: mittlere Windgeschwindigkeit > 4m/s Die erzeugte Elektroenergie selbst genutzt werden kann Die technische Lösung der KWEA einen effizienten und zuverlässigen Betrieb ermöglicht Der Strompreis nicht sinkt!

47 8.1 4 kw-anlage (VENTEGO AG) Kleinwindenergieanlage für Netzparallelbetrieb auf Hausanschlussebene (3 x 400V / 50hz) Aerodynamisch optimierter Rotor zur Nutzung geringer Windgeschwindigkeiten (Schwachwindoptimierung) Aeroakustisch optimierter Rotor, d. h. geringe Geräuschentwicklung u.a. durch Auslegung auf niedrige Drehzahlen und optimierte Rotorblattgeometrie Passive Windnachführung Zuverlässige Leistungsbegrenzung und Sturmsicherheit durch Aus-dem-Wind- Drehen Aufstellen der Anlage mittels Jütbaum, d.h. kein Kran erforderlich

48 8.2 4 kw-anlage (VENTEGO AG) Elektrische Leistung: erreicht bei einer Windgeschwindigkeit von: Jahresenergieertrag [v Wind = 5 m/s]: Nenndrehzahl des Rotors: Blattspitzengeschwindigkeit: Anlaufwindgeschwindigkeit: Rotordurchmesser 4000 W 9,6 m/s kwh 89 U/min 28 m/s 3,4 m/s 6,0 m Rotorfläche 28,3 m 2 Nabenhöhe Rotoranordnung Bauart der Rotorblätter Bauart der Nabe Getriebe Generator Nennspannung KWEA-Klasse 18,0 m luvseitig GFK-Verbund Starr 2-stufig Asynchron 3 x 400V / 50Hz IV

49 8.3 4 kw-anlage (VENTEGO AG) Ertragsprognose: v MW [m/s] Energieertrag [kwh/a] 4, , , Schallimmissionsprognose: zulässiger Schalldruckpegel erforderlicher Abstand Bemerkung 45 db(a) 20 m Kern-, Misch- und Dorfgebiete 40 db(a) 35 m allg. Wohn- und Kleinsiedlungsgebiet 35 db(a) 50 m reines Wohn- Erholungs- bzw. Kurgebiet TA-Lärm: Grenzwerte gelten nachts (am Tag um 15 db(a) höhere Werte zulässig)

50 8.4 4 kw-anlage (VENTEGO AG) Leistungsumfang: 4kW-Kleinwindenergieanlage ab Oberkante Fundament, inkl. Montage und Inbetriebnahme Bauantragsunterlagen: Abstandflächenberechnung und Abstandsflächenplan Schattenwurf- und Schallimmissionsprognose prüffähige Fundamentstatik für zul. Bodenpressung von 150kN/m 2 Ausführungsplanung Fundament gemäß den statischen Anforderungen Analyse der standortspezifischen Windbedingungen

51 8.5 4 kw-anlage (VENTEGO AG) Zusammenfassung Die VENTEGO AG bietet neben dem Produkt, der 4 kw-kleinwindenergieanlage, alle notwendigen Dienstleistungen im Rahmen der Standortbewertung und Genehmigung an. Investieren Sie heute in die Zukunft und sagen Sie NEIN! zu den jährlich steigenden Strompreisen. Leisten Sie einen wertvollen Beitrag zur Minderung der CO 2 -Emissionen, zur Erhaltung von Umwelt und Natur.

53 9.1 Zusammenfassung / Ausblick Private Kleinwindenergieanlagen werden in den nächsten Jahren auch in Deutschland an Bedeutung gewinnen. Steigende Strompreise werden die Akzeptanz dieser Lösung von Jahr zu Jahr beflügeln. Eine wirtschaftliche Eigenstromversorgung ist schon heute ohne Subventionen möglich!

54 9.2 Zusammenfassung / Ausblick Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ansprechpartner: Michael Webner Frank Klenner WWW: info@ventego-ag.de Telefon: 0371 / / Fax: 0371 /