Handbuch für Excel-Tool

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1 Handbuch für Excel-Tool Berechnung der Jahreserträge und Wirtschaftlichkeit von Kleinwindkraftanlagen Aktualisiert: Version: 1.1

2 Die aktuelle Version des Excel-Tools kann unter folgender Internetseite erworben werden: Impressum: Kleinwindkraft-Portal Patrick Jüttemann (Dipl.-Kfm., Dipl.-Geogr.) Beuelerstr. 46 A Bad Honnef Deutschland Tel. +49 (0)2224 / mail@klein-windkraftanlagen.com Autor und Copyright: Patrick Jüttemann, Beuelerstr. 46 A, Bad Honnef. 1

3 Inhaltsverzeichnis 1 Konzept des Excel-Tools Wirtschaftlichkeit von Kleinwindkraftanlagen Funktionsweise des Excel-Tools Schnelleinstieg Wichtige Hinweise! Blatt Daten Daten: Windenergie Daten: Windkraftanlage Daten: Kosten & Finanzierung Daten: Stromnutzung Daten: Resultate Blatt Windgeneratoren Blatt Finanzen Blatt Nutzer-Eingabe Liste der Windgeneratoren

4 1 Konzept des Excel-Tools Das Excel-Tool dient als Entscheidungshilfe für die Projektplanung und die Anschaffung eines Kleinwindrads. Einfachheit und Nutzerfreundlichkeit standen bei der Entwicklung des Excel-Tools im Vordergrund. Auf bunte Diagramme und ausufernde Analysen wurde absichtlich verzichtet. Es wurde ein eher simples Rechenverfahren mit möglichst wenigen Parametern gewählt. Beispielsweise wurden steuerliche Aspekte vernachlässigt. Ziel des Rechners ist die prinzipielle Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von Kleinwindkraftanlagen und der Vergleich diverser Kleinwind-Modelle. Mit dem Excel-Tool werden die Jahresenergieerträge von 15 am Markt angebotenen Kleinwindkraftanlagen mit einer Leistung von 350 Watt bis 25 Kilowatt berechnet. Die Berechnung der Jahresstromerträge fußt auf einem wissenschaftlich fundierten und exakten Verfahren. Grundlage sind die Leistungskurven von Kleinwindanlagen mit horizontaler Rotorachse. Es wird die gleiche Philosophie wie beim Kleinwind-Marktreport verfolgt: Nur solche Windräder werden berücksichtigt, die ihre Marktreife unter Beweis gestellt haben. Zusätzlich können durch den Nutzer die Leistungskurven von fünf individuellen Windkraftanlagen eingegeben werden. Das können auch vertikale Kleinwindanlagen sein. Durch die zusätzliche Angabe von Kostendaten wird die Wirtschaftlichkeit einer Windturibne ermittelt. Im Vordergrund stehen dabei die Stromgestehungskosten und die Kalkulation des Eigenverbrauchs. Das Excel-Tool wird in Zukunft aktualisiert und erweitert. Die Aktualisierung betrifft z.b. die Integration neuer Kleinwindräder. Die Erweiterung wird neue Funktionen des Rechners umfassen. 3

5 2 Wirtschaftlichkeit von Kleinwindkraftanlagen Eigenverbrauch statt Einspeisung Der wirtschaftliche Betrieb einer Kleinwindkraftanlage in Deutschland, Österreich und der Schweiz erschließt sich über den Eigenverbrauch des Stroms. In allen drei Ländern ist der Einspeisetarif für Strom aus Kleinwindkraftanlagen für einen wirtschaftlichen Betrieb zu niedrig. Die Prämisse lautet: Verbrauche so viel selbst produzierten Windstrom wie möglich. Bei jeder selbst erzeugten und verbrauchten Kilowattstunde Strom spart man die Stromkosten in Höhe des individuellen Strompreises. Je stärker der Strompreis steigt, desto besser kann sich theoretisch im Vergleich die Wirtschaftlichkeit des Kleinwindrads gestalten. Stromgestehungskosten Von zentraler Bedeutung ist die Frage, welche Kosten aufgebracht werden müssen, um mit einer Kleinwindkraftanlage eine Kilowattstunde Strom zu erzeugen: Die Stromgestehungskosten. Verursacht eine Kleinwindanlage Gesamtkosten von Euro und produziert während der Betriebszeit kwh Strom, so liegen die Stromgestehungskosten bei / = 0,25 Euro/kWh. Angenommen, der Strompreis liegt bei 0,28 Euro/kWh, dann spart man 3 Cent pro kwh Stromkosten, sofern man den Strom selbst verbraucht. Mit 25 Cent pro kwh wäre der selbst produzierte Strom günstiger als der Strom, den man beim Energieversorger kauft. Speist man den Strom für 8,5 Cent/kWh ins öffentliche Netz ein, wird es ein Verlustgeschäft. Die Stromgestehungskosten, d.h. die Kosten des eigenen Windstroms, werden über eine Betriebszeit von 20 Jahren recht stabil sein. Der Strompreis wird dagegen wahrscheinlich stetig steigen, wenn man die Entwicklung der vergangenen 20 Jahre betrachtet. Bei der Ermittlung der Stromgestehungskosten wird in diesem Excel-Tool keine Kapitalverzinsung angesetzt. Die Anschaffung einer Eigenverbrauchs-Windanlage dient nicht dem Erwirtschaften einer Rendite, wie es beispielsweise bei großen Windparks über die Einspeiseerlöse üblich ist. Die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit der Kleinwindkraftanlage erfolgt über den Vergleich der Stromkosten der Windanlage mit den öffentlichen Strombezugskosten (Strompreis). Fazit: Eine Einsparung von Stromkosten ist dann möglich, wenn der eigene Windstrom günstiger als der Strompreis des Energieversorgers ist und selbst verbraucht wird. Im 4

6 Vordergrund steht somit der Vergleich der Stromgestehungskosten mit dem aktuellen Strompreis. EEG 2014: Belastung des Eigenverbrauchs Für deutsche Nutzer des Excel-Rechners ist die Anfang August 2014 beschlossene neue Fassung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) von Bedeutung. Bestandteil dieser Reform ist die Belastung des Eigenverbrauchs von Strom aus Erneuerbaren Energien. Eine Anpassung des Excel-Tools zur Berücksichtigung dieser Belastung erfolgte noch nicht. Zum einen, weil die Umsetzung dieser neuen Regel seitens des Gesetzgebers noch unklar ist. Zum anderen, weil die Belastungen überschaubar sind. Bis Anfang 2016 liegt der Tarif bei 1,87 Cent pro kwh für jede Kilowattstunde Strom. Es greift eine Bagatellgrenze: Wenn das Windrad eine Leistung unter 10 kw und eine Jahresproduktion unter kwh hat, dann muss keine Eigenverbrauchsabgabe gezahlt werden. Windbedingungen bestimmen Wirtschaftlichkeit Bei allen finanziellen Betrachtungen darf man nie vergessen, dass der wichtigste Ausgangswert für Ertrag und Wirtschaftlichkeit einer Kleinwindanlage die mittlere Jahreswindgeschwindigkeit in Rotorhöhe ist. Wenn nicht genug Wind vorhanden ist, wird kein oder nur sehr wenig Strom produziert. Eine profunde Berechnung der Wirtschaftlichkeit eines Kleinwind-Projekts fußt auf einer Windmessung am geplanten Aufstellungsort der Kleinwindkraftanlagen. Motive für Anschaffung einer Kleinwindkraftanlage Man darf ebenfalls nicht vergessen, dass die Motive für die Anschaffung einer Kleinwindkraftanlage nicht nur Fragen der Wirtschaftlichkeit umfassen. Dazu zählt der Wunsch nach einer höheren Autarkie der Stromversorgung durch umweltfreundliche Energie. Auch wenn damit keine Stromkosten gespart werden. 5

7 3 Funktionsweise des Excel-Tools 3.1 Schnelleinstieg Der Überblick zu den wichtigsten Eingabefeldern erlaubt einen schnellen Einstieg in das Excel-Tool. Im Blatt Daten müssen folgende Werte eingegeben werden: Zeile 4: Windgeschwindigkeit (Messung) Ein guter Standort im Binnenland hat eine mittlere Jahreswindgeschwindigkeit ab 4 m/s, ein guter Küstenstandort ab 5 m/s. Standardwerte beibehalten: k-wert: 2. Masthöhe: 10 m. Zeile 12: Modell Windkraftanlage Bei der Auswahl des Windgenerators werden die Anlagendaten darunter angezeigt. Ebenfalls wird der Jahresstromertrag basierend auf der eingegebenen Windgeschwindigkeit angezeigt. Zeile 25: Gesamtkosten der schlüsselfertigen Windkraftanlage Die Kosten pro Kilowatt Leistung bewegen sich zwischen und Euro. Als durchschnittlicher Richtwert können Euro pro Kilowatt Leistung angesetzt werden. Eine 10 kw Anlage würde dann Euro kosten. Zeile 26: Eigenkapital Darf maximal so hoch wie die Gesamtkosten sein. Zeile 33: Betriebskosten Als Richtwert können 1,5 % der Gesamtkosten genommen werden. Gesamtkosten von würden z.b. 150 Euro Betriebskosten pro Jahr ergeben. Zeile 39: Eigenverbrauch Anteil des erzeugten Windstroms, der selbst verbraucht wird. 6

8 3.2 Wichtige Hinweise! 1. Als Zeitraum für die Dauer der Investition wird eine Betriebszeit der Kleinwindkraftanlage von 20 Jahren angesetzt. 2. Folgende Eingabefelder haben eine besonders starke Auswirkung auf das Ergebnis und sollten bei jeder neuen Berechnung überprüft werden: - Ausgangs-Windgeschwindigkeit (Zeile 4) - Gesamtkosten der schlüsselfertigen Anlage (Zeile 25) - Eigenverbrauch (Zeile 39) Eine hohe Eigenverbrauchsquote ist für die Wirtschaftlichkeit von besonderer Bedeutung. 3.3 Blatt Daten Daten: Windenergie Windgeschwindigkeit (Messung) Zentraler Ausgangswert ist die mittlere Jahreswindgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde (m/s). Eine grobe Daumenregel: Ein guter Standort im Binnenland hat eine mittlere Jahreswindgeschwindigkeit ab 4 m/s, ein guter Küstenstandort ab 5 m/s. Mit einer Windmessung kann man den Wert für das eigene Grundstück in Erfahrung bringen. Eine genauere Darstellung der Windverhältnisse eines Standorts als der Jahresmittelwert ist die Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten. Diese wird in Form der sogenannten Weibullverteilung mit einem k-wert (Formfaktor) und a-wert (Skalierungsfaktor) angegeben. Die Standardeinstellung für den k-wert mit 2 kann beibehalten werden, wenn kein individueller Wert vorhanden ist. Masthöhe Der Schlüssel für eine Verbesserung der Windverhältnisse in Rotorhöhe ist ein höherer Mast. Die Ausgangswindgeschwindigkeit Windgeschwindigkeit (Messung) bezieht sich auf die typische Windmessungshöhe von 10 Metern. Im Feld Masthöhe kann ein Wert über 10 m angegeben werden. Je höher der Mast, desto stärker der Wind am Rotor. Bau- und Genehmigungsrecht in Deutschland definieren Kleinwindkraftanlagen mit einer maximalen Höhe von 50 m. In der Praxis sind die Anlagen selten höher als 30 m. 7

9 Wenn der Ausgangswert 10 m beibehalten wird, verändert sich nichts: Ausgangs- Windgeschwindigkeiten (Messung) und Windgeschwindigkeit in Masthöhe sind identisch. Bodenrauigkeit Die Bodenrauigkeit hat einen Einfluss auf die Windgeschwindigkeit in Masthöhe. Wenn kein höherer Mast gewählt und der Ausgangswert von 10 m beibehalten wurde, hat die Bodenrauigkeit keinen Einfluss auf die Ergebnisse. Mit Bodenrauigkeit ist die Nutzungsart des Bodens in näherer Umgebung der Windkraftanlage gemeint: Weidelandschaft, Wald, landwirtschaftliche Fläche etc. Als Ausgangswert wurde eine landwirtschaftliche Fläche mit niedrigem Bestand gewählt. Windgeschwindigkeit (Masthöhe) Die Windgeschwindigkeit in Höhe des Mastes wird auf Basis der Ausgangs- Windgeschwindigkeit (Messung) und der entsprechenden Masthöhe ermittelt. Wird die Masthöhe bei 10 m belassen, entspricht sie der Messhöhe. Die Windgeschwindigkeit erhöht sich dann nicht Daten: Windkraftanlage Modell Es können diverse am Markt angebotene Windkraftanlagen ausgewählt werden. Eine Übersicht zu Herstellern und Modellen wird auf dem Blatt Windgeneratoren dargestellt. Zum ausgewählten Modell werden darunter die wichtigsten Eigenschaften angegeben: Nennleistung- und Windgeschwindigkeit Die Nennleistung einer Windkraftanlage bezieht sich immer auf eine bestimmte Windgeschwindigkeit. Rotordurchmesser und -fläche Die Größe des Rotors ist für die Ertragskraft eines Windgenerators wichtiger als die Generatorleistung. Mit Rotorfläche ist die vom Rotor umstrichene Fläche gemeint. 8

10 Anzahl Flügel Die Anzahl der Rotorblätter beeinflusst prinzipiell nicht die Ertragskraft eines Windgenerators. Egal wie viele Rotorblätter ein Windgenerator hat, die umstrichene Rotorfläche bleibt gleich. Bauform Mit Bauform ist die Lage der Rotorachse gemeint. Prinzipiell gibt es Kleinwindkraftanlagen mit horizontaler und vertikaler Rotorachse. Alle im Excel-Tool dargestellten Modelle haben eine horizontale Rotorachse, da diese Bauform dem Stand der Technik entspricht. Windausrichtung Ausrichtung des Rotors in Bezug zur Windrichtung. Beim Luvläufer steht der Rotor in Richtung des Windes vor dem Mast. Beim Leeläufer läuft der Rotor aus Richtung des Windes hinter dem Mast. Stromertrag pro Jahr (brutto) Die am Generatorausgang zur Verfügung stehende Strommenge. Systemverluste in Prozent Zum einen kann hier ein prozentualer Abschlag aufgrund von technisch bedingten Stromverlusten eingetragen werden. Der erzeugte Windstrom erfährt Verluste z.b. über den Transport in Leitungen. Zum anderen kann der eingetragene Wert zusätzlich als Sicherheitsabschlag verwendet werden, um eine vorsichtige und konservative Berechnung zugrunde zu legen. Stromertrag pro Jahr (netto) Die zum Verbrauch zur Verfügung stehende Strommenge. Der Netto-Stromertrag wird später im Bereich Stromnutzung als Ausgangswert übernommen. 9

11 3.3.3 Daten: Kosten & Finanzierung Gesamtkosten Windkraftanlage Hier wird der Gesamtpreis der schlüsselfertigen Kleinwindkraftanlage und aller Projektkosten inklusive Mast, Wechselrichter, Projektierung, etwaige Gutachtenkosten etc. angegeben. Vor allem ein höherer Mast kann zu einem Anstieg der Kosten führen. Sofern Angebote von Herstellern vorliegen, können diese hier eingetragen werden. Auf eine pauschale Vorab-Eingabe nach Listenpreisen wurde verzichtet, da sich der Gesamtpreis einer schlüsselfertigen Kleinwindkraftanlage je nach Standort stark unterscheiden kann. Unterschiedliche Kostenstrukturen ergeben sich z.b. durch verschiedene Masthöhen der Anlagen oder projektspezifische Planungskosten (z.b. Gutachten). Sollten keine Kostenangaben vorhanden sein: Die spezifischen Investitionskosten von Kleinwindkraftanlagen bewegen sich zwischen und Euro pro Kilowatt installierter Leistung. Als Durschnittwert können Euro pro Kilowatt angesetzt werden. Eine 5 kw Anlage würde somit Euro kosten. Eigenkapital und Anteil Eigenkapital Das Eigenkapital entspricht dem Anteil der Gesamtkosten, der aus eignen Mitteln beglichen werden kann. Die restliche Summe der Gesamtkosten entspricht dem Fremdkapital. Der Anteil des Eigenkapitals an den Gesamtkosten wird automatisch berechnet. Fremdkapital (Zins, Laufzeit, Monatsrate) Wird ermittelt aus der Differenz von Gesamtkosten und Eigenkapital. Wenn kein Fremdkapital aufgenommen werden muss, wird die Höhe des Eigenkapitals gleich Gesamtkosten gesetzt. Bei der Aufnahme eines Darlehens müssen der Zinssatz und die Laufzeit des Darlehns angegeben werden. Die monatliche Rate von Zins und Tilgung wird berechnet. Betriebskosten Unter die Betriebskosten fallen Positionen wie Versicherungen und Wartung. Falls keine Angaben durch ein Herstellerangebot vorliegen, können als Ausgangswert 1,5 % der Gesamtkosten genommen werden. Betragen die Gesamtkosten z.b Euro, so liegen die jährlichen Betriebskosten im ersten Jahr bei 300 Euro. Optional ist die Angabe einer jährlichen Steigerung der Betriebskosten in Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Zur Verdeutlichung der Auswirkung der Steigerungsrate wird die Höhe der Betriebskosten im

12 Jahr berechnet. Findet keine Erhöhung der Betriebskosten statt, so trägt man bei Steigerung pro Jahr die Zahl 0 ein Daten: Stromnutzung Stromertrag netto Die zur Verfügung stehende Strommenge wird aus dem Bereich Windkraftanlage übernommen (Stromertrag / Jahr netto). Der vorhandene Windstrom kann entweder selbst verbraucht, oder gegen Vergütung ins öffentliche Netz eingespeist werden. Eigenverbrauch und Anteil Eigenverbrauch Die Strommenge des Stromertrags der Kleinwindkraftanlage, die selbst verbraucht wird. Der Anteil des Eigenverbrauchs an der Menge des Windstroms wird berechnet. Wird der komplette durch das Kleinwindrad produzierte Strom selbst verbraucht, muss die Höhe des Eigenverbrauchs der Höhe des Netto-Stromertrags entsprechen. Einspeisung und Einspeisetarif Es wird davon ausgegangen, dass der nicht selbst verbrauchte Strom, der durch das Windrad produziert wird, ins öffentliche Netz eingespeist wird. Unter Einspeisetarif wird die Höhe des Tarifs in Euro pro Kilowattstunde angegeben. Falls man keine Vergütung für nicht selbst verbrauchten Strom erhält, den Einspeisetarif auf 0 setzen. Strompreis und Strompreis-Steigerung Unter Strompreis aktuell wird die Höhe des eigenen Stromtarifs eingetragen, wie auf der Stromrechnung angegeben. Im Jahr 2014 betrug in Deutschland der Strompreis für Privathaushalte durchschnittlich 29 Cent pro kwh. Der Strompreis ist seit 1998 jährlich um rund 3,4 % gestiegen. Im Feld Strompreis-Steigerung sollte ein ähnlicher Wert für den zukünftigen Anstieg eingetragen werden. Um den absoluten Wert des Strompreis- Anstiegs zu verdeutlichen, wird die Höhe des Strompreises nach 10 Jahren und 20 Jahren berechnet. 11

13 3.3.5 Daten: Resultate Als Zeitraum für die Dauer der Investition wird eine Betriebszeit der Kleinwindkraftanlage von 20 Jahren angesetzt. Amortisation im Jahr Das Jahr der Amortisation wird erreicht, wenn alle Kosten durch die Einnahmen ausgeglichen wurden. Kosten: 1. Gesamtkosten der schlüsselfertigen Anlagen 2. Betriebskosten 3. Finanzierungskosten (Zinsen) Einnahmen: 1. Menge des eigenverbrauchten Stroms X Höhe des aktuellen Strompreises 2. Menge des eingespeisten Stroms X Einspeisetarif Stromgestehungskosten Die Stromgestehungskosten sind die Kosten des produzierten Windstroms in Euro pro Kilowattstunde. Den über die Betriebszeit von 20 Jahren entstehenden Gesamtkosten wird die Strommenge gegenübergestellt. Um die Wirtschaftlichkeit einer Kleinwindkraftanlage zu beurteilen, müssen die Stromgestehungskosten mit dem Strompreis und dessen Steigerung verglichen werden. Sind die Stromgestehungskosten niedriger als der öffentliche Strompreis, kann man mit der Kleinwindanlage Stromkosten sparen. Vorausgesetzt, der Strom wird selbst verbraucht. Ergebnis nach 20 Jahren Das Ergebnis ermittelt sich aus dem Saldo zwischen Einnahmen und Ausgaben. Eine Amortisation vor dem 20. Jahr führt zu einem positiven Ergebnis. Ein negatives Ergebnis stellt sich ein, wenn während der 20 Jahre Betriebszeit die Ausgaben durch die Einnahmen nicht gedeckt werden konnten. 12

14 3.4 Blatt Windgeneratoren Auf diesem Tabellenblatt werden alle enthaltenen Kleinwind-Modelle mit den wichtigsten technischen Eigenschaften aufgeführt. Die Kennzahlen wurden in Kapitel erläutert. Neben den vorab eingegebenen Windgeneratoren können eigene Windturbinen mit entsprechenden Kennzahlen eingegeben werden. Die Eingabe erfolgt im Blatt Nutzer- Eingabe. Stromertrag pro Jahr In dieser Zeile können die Jahresstromerträge der einzelnen Windgeneratoren verglichen werden. Als Grundlage für die Ertragsberechnung dient die mittlere Windgeschwindigkeit (Masthöhe) aus dem Tabellenblatt Daten. Der Wert der Windgeschwindigkeit wird zur Übersicht in der Zeile bei Wind (m/s) übernommen. 3.5 Blatt Finanzen Auf diesem Blatt wird aufgeschlüsselt, wie sich die einzelnen Faktoren der Wirtschaftlichkeit darstellen. Es wird eine Zeitspanne von 20 Jahren als Investitionszeitraum und Betriebszeit der Kleinwindkraftanlage zugrunde gelegt. Einnahmen Die Einnahmen setzen sich zusammen aus dem Eigenverbrauch des selbst erzeugten Stroms und den Erlösen des eingespeisten Stroms. Berechnung des Eigenverbrauchs: Die pro Jahr erzeugte Strommenge wird mit dem aktuellen Strompreis des Jahres multipliziert. Bei den Einnahmen handelt es sich somit um eine Einsparung von Stromkosten. Ohne den Eigenverbrauch müsste der Strom in Höhe des aktuellen Strompreises bezogen werden. Berechnung der Einspeisung: Die eingespeiste Strommenge pro Jahr wird mit dem Einspeisetarif aus dem Blatt Daten multipliziert. 13

15 Ausgaben Die grundlegenden Werte werden im Bereich Kosten & Finanzierung des Daten-Blattes angegeben. Die anfänglichen Projekt-Gesamtkosten erscheinen in der Spalte Amortisation im Jahr Null. Zusätzliche fallen Betriebskosten an als auch Zinsen, sofern Fremdkapital für die Kleinwindturbine in Anspruch genommen wurde. 3.6 Blatt Nutzer-Eingabe Hier wird die Eingabe von fünf zusätzlichen Kleinwindkraftanlagen und deren Leistungskurven durch den Nutzer ermöglicht. Die Angabe der Leistung wird in 0,5er Schritten der Windgeschwindigkeit eingegeben. Die Daten werden im Blatt Windgeneratoren übernommen. 14

16 4 Liste der Windgeneratoren In alphabetischer Reihenfolge: 1. Bergey Excel 6 2. Bergey Excel Bornay Bornay C&F Easywind 6 7. Kingspan KW6 8. Lely Aircon Osiris Skystream Solid Wind Power SWP25-14 (windual) 12. Sonkyo Windspot Sonkyo Windspot Superwind Tozzi Nord 10 kw (windual) 15