Wirtschaftlichkeitsanalyse einer vertikalen Kleinwindkraftanlage. Masterarbeit Ramona Schmelmer

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1 Wirtschaftlichkeitsanalyse einer vertikalen Kleinwindkraftanlage Masterarbeit Ramona Schmelmer

2 Agenda 1. Themenstellung 2. Vor- und Nachteile vertikaler Kleinwindanlagen 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse am Standort Taufkirchen 3.1 Auswertung der Windmessung 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsprognose 3.3 Herstellervergleich vertikaler Kleinwindanlagen Analysierte Anlagentypen Energieertragsberechnung Kostenaufstellung Wirtschaftlichkeitsberechnung 3.4 Fazit Wirtschaftlichkeitsanalyse 4. Sensitivitätsanalyse 5. Fazit 2

3 1. Themenstellung Sind vertikale Kleinwindkraftanlagen unter derzeitigen Bedingungen wirtschaftlich rentabel? Erweist sich der Betrieb einer 5 kw Anlage in Taufkirchen als wirtschaftlich? Unter welchen Parametern stellt sich der wirtschaftliche Betrieb ein? 3

4 Agenda 1. Themenstellung 2. Vor- und Nachteile vertikaler Kleinwindanlagen 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse am Standort Taufkirchen 3.1 Auswertung der Windmessung 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsprognose 3.3 Herstellervergleich vertikaler Kleinwindanlagen Analysierte Anlagentypen Energieertragsberechnung Kostenaufstellung Wirtschaftlichkeitsberechnung 3.4 Fazit Wirtschaftlichkeitsanalyse 4. Sensitivitätsanalyse 5. Fazit 4

5 2. Vor- und Nachteile vertikaler Kleinwindanlagen Savonius Rotor Darrieus-H Rotor [vgl. Windside 2013] Vorteile: Keine Windnachführung Einfachere Wartung Geringe Lärmemissionen Kein Schattenschlag Eignen sich besonders in Wohngebieten [vgl. True Energy 2013] Darrieus Rotor Darrieus-Helix Rotor Nachteile: Geringere Leistungsausbeute Höhere Investitionskosten Starke Vibrationen Forschungsrückstand [vgl. BWE 2013] [vgl. quietrevolution 2013]] 5

6 Agenda 1. Themenstellung 2. Vor- und Nachteile vertikaler Kleinwindanlagen 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse am Standort Taufkirchen 3.1 Auswertung der Windmessung 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsprognose 3.3 Herstellervergleich vertikaler Kleinwindanlagen Analysierte Anlagentypen Energieertragsberechnung Kostenaufstellung Wirtschaftlichkeitsberechnung 3.4 Fazit Wirtschaftlichkeitsanalyse 4. Sensitivitätsanalyse 5. Fazit 6

7 Rel. Häufigkeit 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.1 Auswertung der Windmessung Windmessung von Dezember 2012 bis Juli 2013 auf dem Dach des Netzcenters (10 m Höhe) Unterteilung der gemessenen Windgeschwindigkeiten in ein Häufigkeitsdiagramm Häufigkeitsverteilung Taufkirchen Messzeitraum bis (Bin-Breite 0,5 m/s) 20% 15% 10% Kann nicht genutzt werden! 5% Rel. Häufigkeit 0% 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 Windgeschwindigkeit m/s Windmessung Taufkirchen [vgl. John 2013] Windgeschwindigkeit von 15 m/s wird nicht überschritten Einschaltgeschwindigkeit der meisten KWA >2 m/s 2/3 des Windaufkommens kann NICHT genutzt werden 7

8 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsberechnung Langjährig mittlerer Jahresenergieertrag Leistungskennlinie Windturbine Verluste E Jahr = h i Pi 8760 h ηges Häufigkeitsverteilung Wind über 1 Jahr Anzahl Stunden pro Jahr Gemessene Windverteilung (Histogramm) Verteilungsfunktion (Weibull, Rayleigh) 8 [vgl. Gasch 2011]

9 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsberechnung Langjährig mittlerer Jahresenergieertrag E Jahrlm = Leistungskennlinie Windturbine Verluste h i Pi h ηges WI Häufigkeitsverteilung Wind über 1 Jahr Gemessene Windverteilung (Histogramm) Verteilungsfunktion (Weibull) Anzahl Stunden pro Jahr Windindex Problem: Winddaten in Taufkirchen nur von Dezember bis Juli Messzeitraum spiegelt nicht 1 Jahr wieder 9 [vgl. Gasch 2011]

10 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsberechnung Problem: Keine Windmessdaten über 1 Jahr Zur Berechnung des Jahresenergieertrages muss das Windaufkommen des kompletten Jahres prognostiziert werden 4 Ansätze zur Prognose des Jahresenergieertrages bzw. des langjährig mittleren Jahresenergieertrag Konzept 1: Annahme der gemessenen Häufigkeitsverteilung für ein Betriebsjahr Konzept 2: Annäherung der gemessenen Häufigkeitsverteilung an eine Weibullverteilung Konzept 3: Auffüllen des fehlenden Messzeitraums durch Windmessungen einer anderen Messstation Konzept 4: Indexierung der gemessen Werte durch Messwerte von München 10

11 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsberechnung Konzept 1: Annahme der gemessenen Häufigkeitsverteilung für ein Betriebsjahr Es wird angenommen, dass die gemessene Windverteilung (Dez Juli 2013) für das ganze Jahr gilt E Jahrlm1= h i Pi 8760 h ηges 1 WI 2013 = kwh h i = Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten in Taufkirchen von Dezember Juli P i = Leistungsdaten einer Biotec BVT-5 ƞ ges = 96,02% WI 2013 * = 93,6 % ABER: Die schwankenden Windverhältnisse eines kompletten Betriebsjahres werden bei diesem Ansatz nicht berücksichtigt Konzept 1 ist zu ungenau! 11 * IWR Windindex 2013 [vgl. IWR 2013]

12 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsberechnung Konzept 2: Annäherung der gemessenen Häufigkeitsverteilung an eine Weibullverteilung Die gemessene Häufigkeitsverteilung wird mit Hilfe eines Weibull-Rechners* an eine Weibullverteilung angenähert. Formfaktor k = Schwankungen um ʋ h W ʋ = 1 ʋ 1,41 1, exp v 1,41 1 h iw = Weibullfunktion mit k=1, A = 1,41 m/s P i = Leistungsdaten einer Biotec BVT-5 ƞ ges = 96,02% WI 2013 = 93,6 % Skalierungsparameter A = beschreibende Windgeschwindigkeit (~ ʋ) E Jahrlm2= h iw Pi 8760 h ηges 1 WI 2013 = kwh ABER: Der Ansatz berücksichtigt die Windverhältnisse eines kompletten Betriebsjahres ebenfalls nicht Konzept 2 ist zu ungenau! 12 *Schweizer Bundesamt für Energie URL:

13 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsberechnung Konzept 3: Auffüllen des fehlenden Messzeitraums durch Windmessungen einer anderen Messstation Vorhandene Messdaten einer Messstation von München und Hohenpeißenberg Überprüfung der Messdaten auf Kompatibilität mit Taufkirchen 13

14 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsberechnung Konzept 3: Auffüllen des fehlenden Messzeitraums durch Windmessungen einer anderen Messstation Kompatibilitätsprüfung Taufkirchen - München Gemeinsamkeit im Windverlauf erkennbar Unterschiedliche Differenzen Windwerte nicht kompatibel 14

15 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsberechnung Konzept 3: Auffüllen des fehlenden Messzeitraums durch Windmessungen einer anderen Messstation Kompatibilitätsprüfung Taufkirchen - Hohenpeißenberg Gemeinsamkeit im Windverlauf erkennbar Unterschiedliche Differenzen Windwerte nicht kompatibel Konzept 3 nicht möglich! 15

16 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsberechnung Konzept 4: Indexierung der gemessen Werte durch Messwerte von München Messung in München von Januar 2012 bis Juli 2013 Bildung Index c der besagt, welchen Anteil das Windaufkommen von Dezember Juli 2013 am Gesamtjahreswindaufkommen 2012 hat c = Energieertrag Dez 12 Juli 13 Jahresenergieertrag 2012 = 0,74 Windverlauf München und Taufkirchen weisen Gemeinsamkeiten im Windverlauf auf Index ist für Taufkirchen anwendbar Langjährig mittlerer Energieertrag in Taufkirchen: E Jahrlm4 = h i Pi TDez Juli ηges 1 WI c = kwh h i = Häufigkeitsverteilung Taufkirchen P i = Leistungsdaten einer Biotec BVT-5 T Dez-Juli =5.832 h ƞ ges = 96,02% WI 2012 = 99,6 % 16

17 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse in Taukirchen 3.3 Herstellervergleich Analysierte Anlagentypen Biotec BVT-5 Fairwind F16.05 Amperius VK 250 AirVVin AV-R3 [Vgl. Biotec 2013] [Vgl. True Energy 2013] [Vgl. Loosen 2013] [Vgl. Axeptor 2013] 17

18 Anlagenunabhängige Kosten Anlagenspezifische Kosten 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse in Taukirchen 3.3 Herstellervergleich Kostenaufstellung Biotec Fairwind Amperius AirVVin BVT-5 F16.05 VK250 AV-R3 Gesamtinvestitionskosten , , , ,13 KWA inkl. aller ,00 Komponenten , , ,00 Schaltschrank 1.954, , ,13 Mast 5.200, , ,00 Montage und 2.800,00 Inbetriebnahme 4.100, , ,00 Unterkonstruktion , , , ,00 Transport 2.375, , , ,00 Netzanschluss 1.500, , , ,00 Statikgutachten 700,00 700,00 700,00 700,00 Windmessung 750,00 750,00 750,00 750,00 Internes Projektmanagement 1.000, , , ,00 18

19 Leistung [kw] 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse in Taukirchen 3.3 Herstellervergleich Energieertragsvergleich Langjährig mittlerer Jahresenergieertrag E Jahrlm4= h i P i T Dez Juli η ges 1 WI c Biotec BVT-5 Fairwind F16.05 Amperius VK250 AirVVin AV-R kwh 491 kwh 494 kwh kwh Leistungskennlinien verschiedener Anlagenhersteller BIOTEC BVT- 5 AirVVin AV R3 Amperius VK 250 Fairwind F16.05 h i = Häufigkeitsverteilung Taufkirchen T Dez-Juli =5.832 h ƞ ges = 96,02% WI 2012 = 99,6 % c = 0,74 Windgeschwindigkeit [m/s] 19

20 Leistung [kw] 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.3 Herstellervergleich Energieertragsvergleich Windgeschwindigkeit [m/s] BIOTEC BVT-5 AirVVin AV R3 Amperius VK 250 Fairwind F16.05 Biotec: gutes Schwachwindverhalten AirVVin: schnelleres Erreichen der Nennleistung Minimaler Unterschied bei Nennleistung

21 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse in Taukirchen 3.3 Herstellervergleich Wirtschaftlichkeitsvergleich Allgemeine Parameter Erlöse Strompreis Eigennutzung 0,25 /kwh Strompreissteigerung pro Jahr 5,0% Anteil Eigennutzung 90% Ausgaben Abschreibungsdauer 20 Jahre Betriebskosten 200 / Jahr Indexierung 1% EEG-Vergütung 0,088 /kwh Anteil Netzeinspeisung 10% Degradationsfaktor 0,2% Laufzeit 20 Jahre Einnahmen beginnen im Jahr 0 Bedingung für eine wirtschaftlich rentable Investition: IRR v. St. 5% * 21 *Interner Zinssatz vor Steuern und Finanzierung

22 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse in Taukirchen 3.3 Herstellervergleich Wirtschaftlichkeitsvergleich Ergebnisse Biotec Amperius AirVVin Fairwind F16.05 BVT-5 VK250 AV-R3 Stromertrag 8.780, , , ,07 Angefallene Kosten -47,479, , , ,93 Cash-Flow (kumuliert) , , , ,86 IRR v. St. -15,03 % -32,03 % -31,66 % -17,28% 22

23 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse 3.4 Fazit Eine Kleinwindanlage am Standort Taufkirchen ist NICHT wirtschaftlich Es werden Verluste bis zu generiert Biotec BVT-5 erzielt das beste Ergebnis mit einem IRR v. St. von -15 % Trotzt des schlechten Ergebnisses möchte BAGN das geplante Pilotprojekt durchführen und eine Kleinwindanlage in der Praxis testen Kooperation mit Biotec Unter welchen Bedingungen ist eine vertikale Kleinwindanlage wirtschaftlich? 23

24 Agenda 1. Themenstellung 2. Vor- und Nachteile vertikaler Kleinwindanlagen 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse am Standort Taufkirchen 3.1 Auswertung der Windmessung 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsprognose 3.3 Herstellervergleich vertikaler Kleinwindanlagen Analysierte Anlagentypen Energieertragsberechnung Kostenaufstellung Wirtschaftlichkeitsberechnung 3.4 Fazit Wirtschaftlichkeitsanalyse 4. Sensitivitätsanalyse 5. Fazit 24

25 4. Sensitivitätsanalyse Für eine Amortisation vertikaler Kleinwindanlagen müssten sich folgende Parameter einstellen: Investitionsgesamtkosten: Senkung um 90% auf oder Strompreis: 1,35 /kwh oder Langjährig mittlerer Jahresenergieertrag: kwh (Ø jährliche Windgeschwindigkeit 3,8 m/s) Idealfall: Senkung der Investitionsgesamtkosten um 50% auf %iger Eigenverbrauch Strompreis 0,25 /kwh Amortisation der Kosten: Standort mit guten Windverhältnissen > kwh/jahr Wirtschaftlicher Betrieb: Standort mit sehr guten Windverhältnissen > kwh/jahr 25

26 4. Sensitivitätsanalyse Windvorkommen in Bayern: [Bayerischer Windatlas 2010] [vgl. Energie-Atlas Bayern 2013] Mittlere jährliche Windgeschwindigkeit > 3,8 m/s 4% des Windaufkommens in Bayern Mittlere jährliche Windgeschwindigkeiten > 3,8 m/s treten in 10 m Höhe nur an extremen Standorten auf, z.b. in den Alpen Vertikale Kleinwindanlagen sind zu derzeitigen Bedingungen wirtschaftlich nicht rentabel! 26

27 Agenda 1. Themenstellung 2. Vor- und Nachteile vertikaler Kleinwindanlagen 3. Wirtschaftlichkeitsanalyse am Standort Taufkirchen 3.1 Auswertung der Windmessung 3.2 Ermittlung eines Konzepts zur Energieertragsprognose 3.3 Herstellervergleich vertikaler Kleinwindanlagen Analysierte Anlagentypen Energieertragsberechnung Kostenaufstellung Wirtschaftlichkeitsberechnung 3.4 Fazit Wirtschaftlichkeitsanalyse 4. Sensitivitätsanalyse 5. Fazit 27

28 5. Fazit Kleinwindkraftanlagen sind in Bayern NICHT wirtschaftlich In Taufkirchen werden Verluste in einer Höhe von generiert (im besten Fall) Neben der Unwirtschaftlichkeit gilt es noch weitere Hemmnisse zu überwinden Amortisation erst bei einer Preissenkung um 50% und einem Energieertrag von kwh/jahr Ähnlicher Preisverfall wie in der Photovoltaik Szenario tritt in 4 Jahren ein Bis dieser Zeitpunkt erreicht wird, bleiben Kleinwindanlagen ein Hobby und Werbemittel 28

29 29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

30 Literatur [Axeptor 2013] [Bayerischer Windatlas 2010 ] [Biotec 2013] Axeptor (2013): Informationen zur AV-R3, , an Ramona Schmelmer, URL: , Uhr. Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie (201): Bayerischer Windatlas Nutzung der Windenergie, URL: , Uhr. Biotec International (2013): URL: , Uhr. [BWE 2013] [Energie-Atlas Bayern 2013] BWE (2013): Widerstandsläufer, URL: , Uhr. Bayerische Staatsregierung (2013): Energie-Atlas Bayern 2.0 Windpotential in 10 m Höhe, URL: , hr. [Gasch 2011] Gasch, Robert (2011): Windkraftanlagen - Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb, 7. Auflage, Wiesbaden [IWR 2013] Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (2013): Der IWR-Windertragsindex für Regionen, URL: , Uhr. [John 2013] John, Reinhard (2013): Foto Windmessung in Taufkirchen, , an Ramona Schmelmer. [Loosen 2013] Loosen, Bernd (2013): verkehr und Treffen mit Ramona Schmelmer, URL: , Uhr. [quietrevolution 2013] quietrevolution (2013): qr-5 turbine details, URL: , Uhr. [True Energy 2013] [Windside 2013] Hammann Torsten (2013): Informationen zu Kleinwindanlagen, verkehr mit Ramona Schmelmer, URL: , Uhr. Windside (2013): WS-0,30, URL: , Uhr. 30