KLEINE WINDENERGIEANLAGEN BETRIEBSERFAHRUNGEN & ERTRAGSABSCHÄTZUNG

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1 KLEINE WINDENERGIEANLAGEN BETRIEBSERFAHRUNGEN & ERTRAGSABSCHÄTZUNG Paul Kühn Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik 2. BWE-Kleinwindanlagen-Symposium 17. Oktober 2009 Kassel

2 KLEINE WINDENERGIEANLAGEN BETRIEBSERFAHRUNGEN & ERTRAGSABSCHÄTZUNG 1. Einführung 2. Betriebserfahrungen 3. Ertragsabschätzung

3 Durchdringung des Marktes mit großen Windenergieanlagen (WEA) in Deutschland % Anteil der Leistungsklassen an der jeweils neu installierten Leistung Datenquelle: IWET 75 % 50 % 25 % 0 % kw kw kw kw kw 3000 kw...

4 Große Windenergieanlagen (WEA) Größenvergleich 1-4- Fußballfeld Windenergieanlage Kategorie - XXL Rotorfläche: m 2 Nennleistung: kw D = 127 m Spielfläche: m 2

5 Große Windenergieanlagen (WEA) Größenvergleich 2-5- Airbus A 380 Windenergieanlage Kategorie - XXL Rotorfläche: m 2 Nennleistung: kw D = 127 m Spannweite: 80 m

6 Kleine Windenergieanlagen (KWEA) -6- Kleine Windenergieanlage Kategorie - S Rotorfläche: bis 200 m 2 Nennleistung: bis 75 kw Windenergieanlage Kategorie - XXL Rotorfläche: m 2 Nennleistung: kw Kleine Windenergieanlage Kategorie - XS Rotorfläche: Nennleistung: bis 40 m 2 bis 10 kw D = 7 m D < 16 m D = 127 m

7 KLEINE WINDENERGIEANLAGEN BETRIEBSERFAHRUNGEN & ERTRAGSABSCHÄTZUNG 1. Einführung 2. Betriebserfahrungen 3. Ertragsabschätzung

8 Wissenschaftliches Mess- und Evaluierungsprogramm (WMEP) zum Breitentest 250 MW Wind -8- Begleitung der Windenergienutzung in Deutschland durch das ISET / IWES seit 1989 Datenbeschaffung: Logbücher und Berichte der Betreiber Fernmessnetz (elektrische Leistung, Wind) Schwerpunkte: Windangebot Betriebsergebnisse Zuverlässigkeit Wirtschaftlichkeit Daten von WEA davon 235 KWEA

9 Südlichste KWEA im WMEP: HM H-Rotor 60 am Rotwandhaus in den bayrischen Voralpen -9- Foto:

10 Beispiele für KWEA-Typen im WMEP Kategorie S Kategorie XS -10- Krogmann 15/50 Aeroman 14.8/33 AEE Peters PG 10 Südwind N m 2 < A Rotor < 200 m 2 A Rotor 40 m 2 Lagerwey 15/75 HM H-Rotor 60 Wenus Inventus 6 LMW 2500

11 Datengrundlage: Berichte der Betreiber & Telefoninterviews -11- Berichte zu Betriebsergebnissen: Stromproduktion Kosten Insgesamt mehr als Wartungs- und Instandsetzungsberichte, davon: ca von KWEA Telefonbefragung (September/Oktober 2009) 51 Betreiber von KWEA

12 Störungsursachen: Große WEA -12- andere 11 % unbekannt 7 % Sturm 5 % Netzausfall 7 % Blitzschlag 3 % Bauteillockerung 3 % Eisansatz 3 % Anlagenregelung 23 % Bauteildefekt 38 %

13 Störungsursachen: KWEA -13- unbekannt 9 % Sturm 10 % Netzausfall Bauteillockerung 4 % andere 10 % 4 % Blitzschlag 8 % Eisansatz 2 % Bauteildefekt 31 % Anlagenregelung 22 %

14 Störungsursachen: KWEA -14- unbekannt 9 % Sturm 10 % Netzausfall Bauteillockerung 4 % andere 10 % 4 % Blitzschlag 8 % Eisansatz 2 % Ein Rotorblatt musste wegen eines Blitzschadens repariert werden! Stillstand nach Blitzschlag; Elektronik defekt, Drehkranz fest! Windfahne eingefroren! Anlagenregelung Windfahne durch Sturm beschädigt. Reparatur vom Betreiber ohne 22 Kosten % durchgeführt! Bauteildefekt Kabel 31 durch % Rattenbiß defekt, Stellmotor gewechselt

15 Störungsauswirkungen: KWEA -15- Windrichtungsnachführung 5 % Hydraulikanlage 5 % Triebstrang 3 % Tragende Teile / Gehäuse 3 % Rotornabe 8 % Rotorblätter 5 % Generator 5 % Mechanische Bremse 7 % Getriebe 5 % Elektrik 26 % Elektronische Regelungseinheit 17 % Sensoren 11 %

16 Schadenshäufigkeit von KWEA-Komponenten und zugehörige Ausfallzeiten -16- Elektrik Elektronische Regelungseinheit Sensoren Mechanische Bremse Rotornabe Windrichtungsnachführung Rotorblätter Generator Hydraulikanlage Getriebe Triebsstrang Tragende Teile 1 0,75 0,5 0, Jährliche Schadenshäufigkeit Ausfallzeit je Schaden in Tagen

17 Schadenshäufigkeit von KWEA-Komponenten und zugehörige Ausfallzeiten -17- Totalschaden am Generator! Elektrik Ersatzteilbeschaffung ist sehr problematisch, wegen Konkurs der Elektronische Regelungseinheit Herstellerfirma! Generatortausch! Generator Sensoren gegen Leihgenerator getauscht (Lieferzeit des neuen Generators Mechanische Bremse fünf Monate)! Anfang Mai hat ein Rotornabe Starenpaar auf dem Bremssattel, Bremsscheibe genistet, wodurch die Leistung Windrichtungsnachführung der Anlage stark beeinträchtigt wurde. Am wurde das Nest entfernt und ein beschädigter Rotorblätter Gummipuffer des Blattverstellmechanismus ausgetauscht! Generator Hydraulikanlage Getriebe Triebsstrang Tragende Teile ,75 0,5 0,25 0 Jährliche Schadenshäufigkeit Ausfallzeit je Schaden in Tagen

18 Technische Verfügbarkeit % Technische Verfügbarkeit 95 % L S XS % 85 % 80 % Betriebsjahr

19 Altersabhängige Zuverlässigkeit von KWEA -19- Schäden je Betriebsjahr S XS Betriebsjahr

20 Betreiberbefragung: Lebensdauer & Betrieb (September / Oktober 2009) -20- XS S JA Nein JA Nein Läuft Ihre KWEA noch? Durchschnittliches Anlagenalter in Jahre 16 9,7 17,4 12,7 Gab es größere Probleme während der Betriebszeit? Gab es Beschwerden, z. B. der Nachbarn? Haben Sie Wartungs- und Reparaturarbeiten selbst durchgeführt?

21 Entwicklung der Betriebskosten von KWEA -21- /kw a Jährliche Betriebskosten pro kw installierter Leistung 89 Mittlere jährliche Betriebskosten pro kwh Jahresarbeit: Garantie L: S: 1,5 c /kwh 3,5 c /kwh XS: 16 c /kwh Betriebsjahr Versicherung Wartung Reparatur

22 Mittlerer flächenspezifischer Jahresertrag von KWEA -22- Spezifischer Jahresertrag (kwh/m 2 ) a S XS Bayern Nordrhein- Westfalen Niedersachsen Schleswig- Holstein Bundesdurchnschnitt

23 Betreiberbefragung: Zufriedenheit (September / Oktober 2009) -23- XS S JA Nein JA Nein Wurden Ihre Erwartungen an den Ertrag erfüllt? Konnten Sie Gewinn erwirtschaften? Würden Sie heute noch einmal eine KWEA installieren?

24 KLEINE WINDENERGIEANLAGEN BETRIEBSERFAHRUNGEN & ERTRAGSABSCHÄTZUNG 1. Einführung 2. Betriebserfahrungen 3. Ertragsabschätzung

25 Nicht-standardisierte Produktinformationen: Nennwindgeschwindigkeiten aktueller KWEA-Typen -25- Nennwindgeschwindigkeit in m/s horizontal vertikal Nennleistung in kw

26 Herstellerangaben: Leistungscharakteristik -26- Leistungsbeiwert C P bei 9 m/s 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 horizontal vertikal B e t z L i m i t Rotordurchmesser in m

27 Abschätzung des Jahresertrages (AEP): Rotordurchmesser / überstrichene Rotorfläche 1 m 3 m 5 m 7 m 10 m Beispiel -27- Rotor- durchmesser Rotorfläche 0,8 m 2 7 m 2 20 m 2 40 m 2 80 m 2 KWEA: D = 3 m Standort: V ave = 5 m/s Leistung im Wind x 0,3 bei 9 m/s 105 W 950 W W W W 400 (kwh/m 2 ) a Spezifischer Jahresertrag AEP = 260 (kwh/m 2 )/a x 7 m 2 = kwh/a m/s 6 Jahresmittel der Windgeschwindigkeit V ave

28 Abschätzung des Jahresertrages: Überprüfung der Leistungscharakteristik einer KWEA auf dem IWES-Testfeld -28- H E R S T E L L E R A N G A B E N Souhwest Windpower Whisper H80 (Fa. Southwest Windpower) auf dem IWES-Testfeld

29 Momentanwerte der gemessenen Ausgangsleistung: Whisper H80, Southwest Windpower -29- Elektrische Leistung in kw Größtwert Mittelwert Kleinstwert 1-Hz-Messwerte, Whisper H80 IWES-Testfeld, Messzeitraum: bis Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe in m/s

30 Ermittelte Leistungskurve & Leistungskurve des Herstellers -30- Elektrische Leistung in W Southwest Windpower IWES Whisper H gemittelte Windgeschwindigkeit in m/s

31 Projektierung einer KWEA Wie viel Ertrag ist möglich? -31- Bewertung der Windressourcen Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Windscherung, Turbulenz Standortwahl Hindernisse, Oberflächenrauigkeit Schattenwurf, Lärmemissionen... Dimensionierung überstrichene Rotorfläche, maximale Leistung Turmhöhe, Abspannradius, Fundament, elektrischer Anschluss Wahl des Anlagentyps Produktinformationen, Leistungscharakteristik, Referenzen Genehmigungen

32 Small Wind Turbine Yield Estimator Wie viel Ertrag ist möglich? -32- Excel-Tool zur Ertragsschätzung Download:

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! -33- M. Sc. Paul Kühn Bereich Energiewirtschaft und Netzbetrieb Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Königstor Kassel Telefon Fax