Zuverlässigkeit und Betriebskosten von Windkraftanlagen Auswertungen des Wissenschaftlichen Meß- und Evaluierungsprogramms (WMEP)

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Zuverlässigkeit und Betriebskosten von Windkraftanlagen Auswertungen des Wissenschaftlichen Meß- und Evaluierungsprogramms (WMEP)"

Wolfgang Pfaff
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Zuverlässigkeit und Betriebskosten von Windkraftanlagen Auswertungen des Wissenschaftlichen Meß- und Evaluierungsprogramms (WMEP) Dipl.-Ing. Berthold Hahn Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Gesamthochschule Kassel e. V. Einleitung Mit dem zügigen Ausbau der Windenergienutzung in Deutschland in den letzten 10 Jahren fand auch eine umfangreiche technische Weiterentwicklung der Windkraftanlagen (WKA) statt. Die eingesetzte Technik hat ein solches Qualitätsniveau erreicht, daß die Windkraftanlagen mittlerweile eine technische Verfügbarkeit von 99 % erreichen. Das bedeutet, daß eine durchschnittliche WKA jährlich knapp eine Woche für Wartungen oder Reparaturen stillgesetzt wird. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Anlagen über Jahre hinweg praktisch ununterbrochen und ohne Betriebspersonal im Einsatz sind, erscheint diese durchschnittliche Ausfallzeit gering. Der Frage, ob diese Zuverlässigkeit auch noch nach mehreren Betriebsjahren zu erwarten ist, soll im folgenden Beitrag nachgegangen werden. Datengrundlage Im Rahmen des am Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) durchgeführten Wissenschaftlichen Meß- und Evaluierungsprogramms werden heute über WKA im Betrieb beobachtet. Mit diesem Programm soll - vereinfacht gesagt - die Leistungsfähigkeit der Windenergie insgesamt geprüft werden. Dazu wurden über einen Zeitraum von nunmehr neun Jahren Windkraftanlagen mit vielfältigen technischen Konzeptionen und in vielen verschiedenen Regionen Deutschlands in das Programm aufgenommen. Von den ältesten dieser Anlagen (20 WKA) liegen also bereits Erfahrungen aus neun Betriebsjahren vor. Im Durchschnitt haben die beobachteten Anlagen etwa 5 Betriebsjahre absolviert. Die Betreiber der geförderten WKA berichten dem ISET regelmäßig über Energieerträge, Wartungsund Instandsetzungsmaßnahmen sowie Betriebskosten. Auf den im Rahmen des WMEP vorbereiteten Formularen für die Wartungs- und Instandsetzungsberichte geben die Betreiber nach störungsbedingten Betriebsunterbrechungen den Ausfallzeitraum, die ggf. beschädigte Komponente und - soweit möglich - Ursache und offensichtliche Auswirkungen auf Anlage und Betrieb an. Bis heute gingen dem ISET über Wartungs- und Instandsetzungsberichte zu.

2 Dauer von Betriebsunterbrechungen aufgrund von Störungen Die durch Störungen verursachten Ausfallzeiten der Anlagen sind jeweils abhängig vom notwendigen Reparaturaufwand, von der Verfügbarkeit der Ersatzteile und von den Personalkapazitäten der Serviceteams. Vor allem die Instandsetzungen an Generator, Triebstrang, Nabe, Getriebe und Blättern verursachten in der Vergangenheit oft Ausfallzeiten von bis zu mehreren Wochen. 16 Tage 14 Triebstrang Blätter Generator Mittlere Ausfallzeit nach Störungen Abb. 1: Durchschnittliche störungsbedingte Ausfallzeiten je Schadensfall Abb. 1 zeigt für Generator, Triebstrang und Blätter beispielhaft die durchschnittlichen Ausfallzeiten in den letzten Jahren. Bei diesen Komponenten gingen die früher langen Ausfallzeiten besonders deutlich zurück. Das bedeutet, daß die Erhöhung der technischen Verfügbarkeit unter anderem auch auf einen verbesserten Service zurückzuführen ist. Wie die folgenden Auswertungen zeigen, ist die Erhöhung der Verfügbarkeit aber auch auf einen Rückgang der Schadenshäufigkeiten zurückzuführen. Betriebsaltersabhängigkeit der Schadenshäufigkeit Die meisten in Deutschland errichteten WKA wurden von ihren Konstrukteuren für Betriebsdauern von 20 Jahren ausgelegt. Da bis heute keine so langjährigen Betriebserfahrungen vorliegen, kann über die tatsächlich zu erwartende Lebensdauer von modernen WKA noch keine endgültige Aussage getroffen werden. Die Änderung der Schadenshäufigkeit (ausgedrückt durch die Anzahl von Ausfällen je Zeiteinheit, Ausfallrate ) mit zunehmendem Betriebsalter kann aber schon heute Hinweise auf die zu er-

3 wartende Lebensdauer und den Aufwand zur Instandhaltung geben. Im folgenden werden deshalb die Ausfallraten der WKA in Abhängigkeit von ihrem Betriebsalter dargestellt (Abb. 2). Die noch sehr jungen Anlagen der MW-Klasse sind nicht dargestellt, da sich dort noch keine Tendenz zeigt. Die bisherigen Einzelwerte liegen aber in ähnlicher Höhe wie bei den anderen Anlagen. Es wird deutlich, daß die Ausfallrate der heute installierten Anlagen in den ersten Betriebsjahren fast kontinuierlich abgenommen hat. Dies gilt sowohl für die älteren WKA unter 500 kw als auch für die 500/600 kw-klasse, wobei die größeren Anlagen erheblich häufiger repariert werden mußten. Beide Gruppen liegen aber nach 5 Betriebsjahren - mit weiter sinkender Tendenz - bei weniger als einer Störung im Jahr. 3,5 Mittlere jährliche Schadenshäufigkeit 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 WEA < 500 kw WEA 500/600 kw Anlagenbetriebsjahr Abb. 2: Störungshäufigkeit mit zunehmendem Betriebsalter Die prinzipielle Entwicklung der Schadenshäufigkeit ist aus anderen Technikbereichen gut bekannt. Oft kennzeichnen Kinderkrankheiten den Beginn der Betriebszeit. Dieser Phase folgt im allgemeinen ein längerer Zeitraum mit gelegentlichen, zufälligen Ausfällen, bevor mit zunehmendem Betriebsalter die Schäden durch Abnutzung und Schadensakkumulation wieder zunehmen. Mit der sogenannten Badewannenkurve läßt sich dieser Zusammenhang veranschaulichen (Abb. 3). Die gesamte Lebensdauer und die einzelnen Phasen sind für die verschiedenen technischen Systeme natürlich individuell ausgeprägt. Für WKA liegen diesbezüglich kaum Erfahrungen vor. Aufgrund der obigen Auswertungen kann aber angenommen werden, daß die Zuverlässigkeit der meisten Anlagen bis in das fünfte Betriebsjahr durch Frühausfälle geprägt ist.

4 Frühausfälle Abnutzungsausfälle Ausfallrate Zufallsausfälle Betriebsdauer Abb. 3: Zuverlässigkeit technischer Systeme Entwicklung der Betriebskosten mit zunehmender Betriebsdauer Der Löwenanteil der Stromgestehungskosten wird bei WKA durch die hohe Anfangsinvestition verursacht. Aber auch die Kosten für Wartung, wiederkehrende Prüfungen, Reparaturen, Versicherung, Pachten, Geschäftsführung u. ä. spielen eine wichtige Rolle.

5 100 Betriebskosten je Nennleistung [DM/kW] meist Garantiezeit WEA < 500 kw WEA 500/600 kw Sonstiges Pacht Versicherung Wartung Reparatur Betriebsjahr Abb. 4: Auf die Nennleistung der Anlagen bezogene jährliche Betriebskosten Im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit der Windkraftanlagen ist dabei die Entwicklung der jährlich ermittelten Betriebskosten mit zunehmendem Anlagenalter von Interesse. Abb. 4 gibt die Verhältnisse für die Anlagen im WMEP wieder. (Unter Versicherungen sind Haftpflicht-, Maschinenschaden- sowie Betriebsausfallversicherung aufgeführt, unter Sonstiges sind aus technischen Gründen alle nicht extra genannten Kosten, wie Gebäude- und Rechtsschutzversicherung, IHK-Beiträge, wiederkehrende Prüfungen und anderes subsummiert. Strombezugskosten, die auf etwa 1 DM/kW geschätzt werden können, sind in der Darstellung nicht enthalten.) Für die beobachteten Anlagen muß festgestellt werden, daß nach Ablauf der Garantiezeit vor allem die Kosten für Reparaturen ansteigen. Dies kann durch zwei Umstände erklärt werden. Erstens sorgt der in den letzten Jahren stark verbesserte Service neben geringeren Ausfallzeiten auch für erhöhte Kosten und zweitens werden die einzelnen notwendigen Reparaturmaßnahmen offenbar schwerwiegender und damit teurer. Für die meist älteren Anlagen unter 500 kw fallen aber seit drei Jahren die Reparaturkosten und damit die Betriebskosten wieder, nachdem sie in den Betriebsjahren sechs, sieben und acht recht hohe Werte angenommen hatten. Die Betriebskosten in der Leistungsklasse 500/600 kw liegen insgesamt - normiert auf die Nennleistung der Anlagen - deutlich niedriger als in der Klasse der kleineren Anlagen. Auch fällt der Anstieg der Kosten nach Ablauf der Garantiezeit moderater aus. Allerdings ist eine Stagnation dieses Anstiegs auch nach fünf Betriebsjahren noch nicht zu erkennen.

6 Schlußfolgerungen Nachdem die ältesten Windkraftanlagen im WMEP nunmehr seit neun Jahren in Betrieb sind, erscheint die Tendenz sinkender Ausfallraten in der ersten Betriebsphase bei gleichzeitig steigender technischer Verfügbarkeit sicher. Die sinkenden Ausfallraten sind mit der Behebung von Kinderkrankheiten zu erklären und sorgen zusammen mit einem verbesserten Service für reduzierte Stillstandzeiten. Allerdings verursachen im Gegenzug die teurer werdenden Reparaturen und der verbesserte Service erhöhte Betriebskosten mit zunehmendem Anlagenalter. Die Anlagen der 500/600 kw Leistungsklassen liegen nach 5 Betriebsjahren bei etwas über 40 DM/kW jährlicher Kosten, die älteren, kleineren Anlagen nach 8 bis 9 Jahren bei rund 60 DM/kW. Aufgrund mangelnder anderweitiger Erfahrungen und aufgrund der relativ kleinen Stichprobe der ältesten im WMEP erfaßten Anlagen ist eine Prognose der weiteren Entwicklung sehr schwierig. Wenn sich die Technik der Windenergienutzung in ihrer Zuverlässigkeit aber ähnlich entwickelt wie die anderer technischer Systeme, ist eine auf die ersten Betriebsjahre folgende Phase konstanter Verhältnisse zu erwarten. Wie sich die Entwicklung tatsächlich einstellt, wird das ISET mit dem WMEP beobachten und berichten. Anzahl der Zeichen: 7571

Ähnliche Dokumente

ZUVERLÄSSIGKEIT, WARTUNG UND BETRIEBSKOSTEN VON WINDKRAFTANLAGEN AUSWERTUNGEN DES WISSENSCHAFTLICHEN MESS- UND EVALUIERUNGSPROGRAMMS (WMEP)

ZUVERLÄSSIGKEIT, WARTUNG UND BETRIEBSKOSTEN VON WINDKRAFTANLAGEN AUSWERTUNGEN DES WISSENSCHAFTLICHEN MESS- UND EVALUIERUNGSPROGRAMMS (WMEP) ZUVERLÄSSIGKEIT, WRTUNG UND ETRIESKOSTEN VON WINDKRFTNLGEN USWERTUNGEN DES WISSENSHFTLIHEN MESS- UND EVLUIERUNGSPROGRMMS (WMEP) erthold Hahn Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der