Regenerative Energien

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1 WP Klettwitz Regenerative Energien EE-Erzeugung Wind Hochschule Lausitz (FH ) Prof. Dr.- Ing. Kathrin Lehmann Vorlesung Bachelor KomEt und WI-E RegEn Abschnitt 2 Folie 1

2 Spezifik von Wind(energie) Man muss segeln, wenn der Wind weht! Spanne das Segel so auf, dass es den es den Wind fängt! Allzeit muss man ein Auge auf die Segel haben! Segle sagte der König, Halt sagte der Wind! RegEn Abschnitt 2 Folie 2

3 Innovative Technologie?? RegEn Abschnitt 2 Folie 3

4 Wind Kraft/ Bewegung Das Prinzip der Kraftübertragung einer einfachen Bockwindmühle 1. Backenbremse 2. Kammrad 3 Flügelwelle 4. Rollenlager der Dachhaube 5. Kronrad oder Bunkler 6. Königswelle oder König 7. Sackaufzug 8. Stirnrad 9. Spindelrad 10. Spindel 11. Steinkran 12. Mahltrichter 13. Steinboden 14. Mahlgang 15. Mehlrutsche 16. Hebevorrichtung für den Laufstein 17. Mehlboden RegEn Abschnitt 2 Folie 4

5 Leistung aus Wind Bei der Turmholländerwindmühle wird das Dach mit Hilfe der Windrose gegen den Wind gedreht. Die Windrose ist mit 8 Flügeln ausgestattet. Diese betätigt bei Änderung der Windrichtung automatisch über Kettenantrieb die jeweiligen Schneckengetriebe und Zahnräder. Die Dachhaube liegt gewissermaßen auf einem Kugellager, bestehend aus 44 gußeisernen Kugeln von 100 mm Durchmesser. Letztere wiederum greifen in den feststehenden, unterhalb der Rollbahn befindlichen Außenkranz mit 315 Zähnen ein und bewirken so die ständige Drehung des Rutenkranzes gegen den Wind. Ca. 120 Tage im Jahr gab es "brauchbaren" Wind. Die zur Produktion minimal notwendige Windstärke war 3 bis 4. Abnehmbare Leistung bei Windstärke 3 = 6-8 PS, bei Windstärke 6 = 15 PS, bei Windstärke 9 = 20 PS. In 24 Stunden konnten 3t Getreide zu Mehl verarbeitet werden. Bei der Geschwindigkeit der Flügel von 18 Umdrehungen/min wird durch Schwunggewichte das Drehheck geöffnet, damit gleichmäßige Umdrehungen gesichert werden. RegEn Abschnitt 2 Folie 5

6 Formen von WEA Darrieus-Rotoren Heidelberg-Rotoren Savonius-Rotoren WEA Laasow 160 m Nabenhöhe RegEn Abschnitt 2 Folie 6

7 Bruttostromerzeugung Deutschland 2009: 597 TWh Stand: Februar : 632 TWh Quelle: BMU-Statistiken RegEn Abschnitt 2 Folie 7

8 Windenergieanlagen im Netz Deutschland Quelle: DEWI GmbH Stand: RegEn Abschnitt 2 Folie 8

9 Anlagenzahl [MW] Windenergieanlagen im Netz Anzahl der Windenergieanlagen und installierte Leistung in Deutschland Anlagenanzahl, kumuliert installierte Leistung, kumuliert [MW] Quelle: B. Neddermann: Status der Windenergienutzung; Stand: ; Deutsches Windenergie-Institut (DEWI); Bild: BMU / Brigitte Hiss; Angaben vorläufig Quelle: BMU-AGEE Stat, DEWI GmbH Stand: RegEn Abschnitt 2 Folie 9

10 Entwicklung Windenergieleistung Quelle: WindEnergyStudy 2006 RegEn Abschnitt 2 Folie 10

11 [MW] [MW] Windenergieleistung regional Regionale Verteilung der installierten Windenergieleistung in Deutschland im Jahr : Windenergieanlagen: Installierte Leistung: MW Zubau: MW Niedersachsen Brandenburg Sachsen-Anhalt Schleswig-Holstein Nordrhein-Westfalen Mecklenburg-Vorpommern Rheinland-Pfalz Sachsen Thüringen Hessen Bayern Baden-Württemberg Bremen Saarland Hamburg Berlin Nordsee Zubau 2009 [MW] installierte Leistung, kumuliert [MW] Quelle: B. Neddermann: Status der Windenergienutzung; Stand: ; Deutsches Windenergie-Institut (DEWI); Bild: BMU / Thomas Härtrich; Angaben vorläufig RegEn Abschnitt 2 Folie 11

12 Stromerzeugung aus Windenergie - Brandenburg Quelle: DEWI GmbH Stand: Quelle: DEWI GmbH Stand: Top 5 RegEn Abschnitt 2 Folie 12

13 Windenergiewandlung Grundsätzliche Technologien Aufbau mit Getriebe Quelle: Vestas, V100 Aufbau getriebelos Quelle: Enercon, E70 1 Ölkühler 2 Wasserkühler für Generator 3 Transformator 4 Windsensoren Ultraschall 5 Umrichter 7 Generator 8 Kompositkupplung 9 Azimut-Antriebe 10 Getriebe 11 mech. Rotorarretierung 13 Rotorblattlager 16/17 Pitch-Regelung 1 Maschinenträger 2 Azimutmotoren 3 Ringgenerator 4 - Blattadapter RegEn Abschnitt 2 Folie 13

14 Windenergiewandlung Ein- und Ausgangsgrößen Rotorblatteinstellwinkel Winkelgeschwindigkeit des Windrades (vektoriell) Stellung Rotor zum Turm Antriebsmoment der Windturbine (Antriebsmoment) Winkel zwischen 0,7 und der Profilstellung des Rotorblattes (abhängig von Radius) Windturbinenleistung Widerstandsbeiwert eines Blattprofils Auftriebsbeiwert eines Blattprofils Blatttiefe Ein- und Ausgangsgrößen von Windenergieanlagen RegEn Abschnitt 2 Folie 14

15 Windenergiewandlung Strömungen am Windrad RegEn Abschnitt 2 Folie 15

16 Windenergiewandlung Leistung des Windes Wind Windgeschwindigkeit kinetische Energie Energiedichte ist relativ niedrig W W = ½ * m L * v L 2 m = * V kinetische Energie des Windes Masse m * V * A* s * A* Luftmassenstrom P = ½ * * A * 3 Leistung des Windes RegEn Abschnitt 2 Folie 16

17 Windenergiewandlung Leistungsbeiwert, Widerstandsbeiwerte und Wirkungsgrad von WKA c P = P N / P 0 Verhältnis der dem Wind entnommenen Leistung zu der im Wind enthaltenen Leistung = P N / P id Verhältnis Der genutzten Leistung zur maximal nutzbaren Leistung C W Gegenstand senkrecht zum Wind Wind übt Kraft F W auf diesen Körper aus F W berechnet sich aus Windgeschwindigkeit, der vom Wind angeströmten Fläche A und c W = c W * ½ * * A * 2 RegEn Abschnitt 2 Folie 17

18 Windenergiewandlung Umfangsgeschwindigkeit u und Schnelllaufzahl - bestimmen Belastung der Rotorblätter - möglich zwischen m/s - Lärmgründe Begrenzung auf ca. 75 m/s - Geschwindigkeit an der Blattspitze = Produkt von Radius und Umdrehungszahl Große Anlagen kleine Drehzahlen Kleine Anlage große Drehzahlen RegEn Abschnitt 2 Folie 18

19 Windenergiewandlung Verhältnisse an Auftriebsrädern Anströmgeschwindigkeit Kräfteverhältnisse RegEn Abschnitt 2 Folie 19

20 Windenergiewandlung Regelungssysteme - Blattverstellung Strömungsabriss = stall Blattverstellung - pitch Blattverstelleinrichtung RegEn Abschnitt 2 Folie 20

21 Windenergiewandlung Kennlinien Kennfeld des Leistungsbeiwertes einer WKA mit 3 Rotorblätter Parameter: Blatteinstellwinkel RegEn Abschnitt 2 Folie 21

22 Windenergiewandlung Kennlinien Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld bei festem Blatteinstellwinkel und verschiedenen Windgeschwindigkeiten RegEn Abschnitt 2 Folie 22

23 Windenergieanlagen Netz-Anschlusskonzepte Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung Drehzahl-Leistungs-Diagramm RegEn Abschnitt 2 Folie 23

24 Windenergieanlagen Netz-Anschlusskonzepte Doppelt gespeister Asynchronschleifringläufer mit Direkt- oder Pulsumrichter Elektrisch erregte Synchronmaschine mit Gleichstromzwischenkreis - getriebelos Leistungsbegrenzung durch konstante Drehzahl Leistungsbegrenzung durch Umrichter Drehzahl-Leistungs- Diagramm RegEn Abschnitt 2 Folie 24

25 Kennlinien von WEA kw Leistungskennlinie m/s GE Energy1.5s Enercon E-66 Vestas V-66 Energieertragskennlinie Quelle: GHF, Facts & Arguments Windenergie MWh m/s RegEn Abschnitt 2 Folie 25

26 Vergütung nach EEG Jährliche Degression 1%, Bonus für Beteiligung an Systemdienstleistungen Jährliche Degression 5% ab 2015, Bonus 2 ct/ kwh bei IBN vor 2015 RegEn Abschnitt 2 Folie 26

27 Klein-WEA Marc Vertikon H50 ENFLO 0071 INCLIN 3000 neo 50 kw ab 3,5 m/s v Wind n = 12,5 m/s bis 16 m/s 11,5 m ca ,5 kw ab 2,5 m/s v Wind n = 12,5 m/s bis 16 m/s 0,71 m ca ,0 kw ab 3,5 m/s v Wind n = 12,0 m/s bis 14 m/s 3,7 m ca RegEn Abschnitt 2 Folie 27

28 Vertikal-Klein-WEA Leistung Generator: 300 Watt Einschaltgeschwindigkeit: 2 m/s Abschaltgeschwindigkeit: keine Rotor: Kunststoff/Metall Magnetwerkstoff: Neodym Generator: permanent, 8 polig Rotorgewicht: 35 kg Nennleistung bei 10 m/s: 150 Watt Nennleistung bei 14 m/s: 300 Watt Rotordurchmesser: 1,20 m Rotorhöhe: 0,8 m Überstrichene Fläche: 0,96 m² September 2008 Leistung Generator: Watt Einschaltgeschwindigkeit: 2 m/s Abschaltgeschwindigkeit: keine Rotor: Kunststoff/Metall Magnetwerkstoff: Neodym Generator: permanent, 32 polig Spannung über Wechselrichter: 230 V Batterieladespannung: 48 V Rotorgewicht: 430 kg Nennleistung bei 10 m/s: 1000 Watt Nennleistung bei 14 m/s: 3000 Watt Rotordurchmesser: 3,30 m Rotorhöhe: 2,50 m Überstrichene Fläche: 7,26 m² Leistung Generator: Watt Einschaltgeschwindigkeit: 2 m/s Abschaltgeschwindigkeit: keine Rotor: Kunststoff/Metall Magnetwerkstoff: Neodym Generator: permanent, 32 polig Spannung über Wechselrichter: 230 V Batterieladespannung: 48 V Rotorgewicht: 750 kg Nennleistung bei 10 m/s: 2000 Watt Nennleistung bei 14 m/s: 6000 Watt Rotordurchmesser: 3,30 m Rotorhöhe: 4,80 m Überstrichene Fläche: 14,52 m² RegEn Abschnitt 2 Folie 28

29 Dezentrale Einspeisestrukturen Daten für Vattenfall Europe Transmission Quelle: Vattenfall Europe Transmission RegEn Abschnitt 2 Folie 29

30 Mögliche Auswirkungen dezentraler Erzeugung Gerichteter (Versorgungs-)Lastfluss Umkehr zum Entsorgungs-Lastfluss Quelle; VDE-Studie Dezentrale Energieversorgung 2020 RegEn Abschnitt 2 Folie 30

31 Netzintegration von WEA Quelle: envianetz RegEn Abschnitt 2 Folie 31

32 Regelenergie für volatile Einspeisung Entwicklung der Windenergieeinspeisung und mittlerer Regelenergiebedarf Beispiel e.on 2002 RegEn Abschnitt 2 Folie 32

33 Entwicklung Offshore WEA RegEn Abschnitt 2 Folie 33

34 WEA am Netz offshore - Netzanbindung Vergleich der Energieübertragungs-Technologien AC - DC 1 AC 3-phasige Leitung AC HVAC AC DC 2 DC AC passives System, vielfach erprobt Einfache Technik bis 400 kv HVDC, Stromzwischenkreis aktives System, vielfach erprobt verbindet Netze über große Entfernung bis 800 kv, sehr große Kapazität AC DC PWM 3 AC DC PWM HVDC, Spannungszwischenkreis aktives System, geplant z.zt. bis 50 kv, 100 MW Pulsumrichter noch nicht erprobt Für die Anbindung von Windparks eignen sich die Systeme 1 und 3 RegEn Abschnitt 2 Folie 34

35 ca. 120 km Unterwasserkabel WEA am Netz offshore - Netzanbindung 400 kv, 50 Hz Verbundnetz 24 kv Schaltfelder im Turm jeder WKA, geeignet für Kettenkonfiguration 1000 MVA 400/145 kv 145 kv 6 x 200 MVA 145/24 kv 24 kv Windpark 5 x (4 x 10 WKA) je 5 MVA RegEn Abschnitt 2 Folie 35

36 WEA am Netz offshore - Technologien Container HS Schaltanlage 5 m 250 t je Trafo 200 MVA Trafo 200 MVA Trafo 12 m 4 m Fundamentvarianten Off-Shore-Anlagen 16 m 57 m LAT 20 m Monopile Tripod Doppelt-Tripod Jacket RegEn Abschnitt 2 Folie 36

37 WEA am Netz offshore - Technologien Offshore-WKA Rodsand, DK 132-kV-Transformator-Plattform Gewicht: 600 Tonnen RegEn Abschnitt 2 Folie 37

38 WEA am Netz offshore - Investitionsumfang Offshore Netze: Aufteilung der Investitionen für Anschluß MW Mittelspannungskabel 30 kv G 8 % Offshore Plattform 17 % 2 x 500 kv Gleichstromverbindung 2 x 145 kv Drehstromsysteme ~ = = ~ ~ = = ~ Trasse 100 km Leistung MW Watt 50 % 15 % Sonstige Kosten ~ = = ~ ~ = = ~ 10 % Ausbaustufen RegEn Abschnitt 2 Folie 38

39 Entwicklung Offshore-WEA Quelle: RegEn Abschnitt 2 Folie 39

40 Dezentrale Energieversorgungsstrukturen Virtuelle Kraftwerke Steuerung Erzeugung - Verbrauch Quelle: Dezentrale Energieversorgung Entwicklungschancen, Voraussetzungen, Pilotprojekte VDE-Tagung am 30. und 31. Mai 2007 in Mainz Quelle: VDE-Studie Dezentrale Energieversorgung 2020 RegEn Abschnitt 2 Folie 40