Nutzung kleiner auf Gebäuden Gebieten am

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1 114 Nutzung kleiner Windkraftanlagen auf Gebäuden in städtischen Gebieten am Beispiel Berlins Jonathan Amme Mathis Buddeke Jochen Twele erstveröffentlichung in: Matthias Knaut (Hg.), Neue Energien. Beiträge und Positionen der HTW Berlin, Berlin, 212, ISBN

2 115 zielsetzung Die Nutzung von kleinen Windkraftanlagen auf Dächern in bebauten Gebieten ist ein Anwendungsfall, der noch viele offene Fragen beinhaltet. Die Erwartungen an diesen Einsatzfall sind weit gestreut. Vor allem bezüglich der möglichen Anlagengröße und der Wirtschaftlichkeit liegen kaum konkrete Daten vor. Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jochen Twele wird daher am Fachbereich 1 der HTW Berlin derzeit ein Forschungsvorhaben zu Kleinwindkraftanlagen (KWKA) durchgeführt, goldbeckweg um diese Wissenslücke zu schließen. Dieses Vorhaben wird von der Senatsverwaltung Stadtentwicklung Umwelt Berlin im Rahmen des Umweltentlastungsprogramms II gefördert und mit europäischen Mitteln kofinanziert. hechtgraben wönnichstraße htw berlin standorte An sechs charakteristischen Standorten im Berliner Stadtgebiet (s. Bild 1) wurden im Rahmen des Projektes KWKA mit vertikaler Drehachse und einer Nennleistung von je 1 kw installiert (s. Bild 2). Ziel ist es, die Eignung der Standorte in den jeweiligen Stadtstrukturgebieten nachzuweisen. Dies bezieht sich einerseits auf das Windangebot und die dadurch resultierende, nutzbare Energiemenge, zum spreebord puschkinallee Abb. 1: Standorte im Berliner Stadtgebiet Datengrundlage für Höhenrelief: Informationssystem Stadt und Umwelt (ISU) der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung (vgl. umwelt/umweltatlas/cpright.htm) neue energien Beiträge und Positionen 212

3 116 Abb. 2: Kleinwindkraftanlagen mit vertikaler Achse auf dem Gebäude der HTW Berlin anderen spielen Untersuchungen der Auswirkungen auf die Umgebung (Schallemissionen, dynamische Gewichtslasten, optische Effekte) eine zentrale Rolle. Die Standorte wurden so gewählt, dass einerseits das Hauptströmungsfeld durch das Stadtgebiet von Nord-West nach Süd-Ost entlang der Spree abgebildet wird und andererseits unterschiedliche Dachsituationen vorrangig von Gebäuden mit exponierter Lage analysiert werden können. In Bild 3 sind die Höhenangaben der einzelnen Gebäude zu sehen, die von 14 m bis zu 68 m Gesamthöhe variieren. Die Höhe der Anlagen über dem Dach betragen entweder 3,5 m oder 6 m bis zur Rotormitte. Die Messungen belegen, dass die Wahl der Gebäudelage und -höhe einen entscheidenden Einfluss auf die Windverhältnisse hat (siehe Bild 4). Für die Nutzung der Windenergie ergeben sich hieraus erhebliche Unterschiede, da die Windgeschwindigkeit in der 3. Potenz in die Energieausbeute eingeht. So kann an exponierten Standorten das Vielfache des Ertrages von Standorten mit hoher Umgebungsbebauung erzielt werden. In dem Vorhaben wurden Ertragsunterschiede gemessen, welche um den Faktor 5 und größer variieren htw berlin goldbeckweg puschkinallee hechtgraben spreebord Abb. 3: Standorthöhen der installierten Anlagen Anlagenhöhe Gebäudehöhe Geländehöhe wönnichstraße gebäudeumströmung Ein weiterer zentraler Untersuchungsgegenstand ist die Positionierung der Anlage auf dem Dach. Hierfür sind die Effekte der Gebäudeumströmung im Sinne von Ablösegebieten, vertikalen Anströmungen und Turbulenzen analysiert worden. Bild 5 zeigt Ergebnisse der Messungen am Standort Puschkinallee und weist darauf hin, dass sich in Abhängigkeit von der Gebäudegeometrie erhebliche vertikale Strömungen ergeben können (vgl. Bild 5 Winkelbereich um 135 ). Der Einfluss dieser vertikalen Strömung auf das Ertragsverhalten der KWKA ist bauformabhängig und variiert für unterschiedliche Modelle. Neben der Schräganströmung kann auch die erhöhte

4 117 Turbulenz auf dem Dach zu strukturellen Belastungen der Anlagenkomponenten sowie durch periodische Schwingungsanregung zu Körperschall führen. Deshalb ist es notwendig, die Anlage außerhalb der Ablösegebiete zu positionieren. Durch die Ergebnisse einer Rastermessung, welche den Strömungsverlauf über der Gebäudetiefe abbildet, konnten theoretische Ansätze zur Abschätzung der Ablösegebiete erfolgreich bestätigt werden. Dadurch lässt sich die Anlagenposition auf dem Gebäudedach optimieren und ein sicherer Betrieb gewährleisten. 12 Pd in W/qm Ed in kwh/(qm*d) 3 1 2, , ,5 htw berlin goldbeck puschkinallee hechtgraben spreebord wönnichstraße Abb. 4: Mittlere spezifische Leistung und mittlere spezifische Tagesenergiedichte für einen ausgewählten Messzeitraum schall und schwingungen Ein wichtiger Aspekt sind die Schallemissionen, die von den Anlagen ausgehen und der hieraus resultierende Schalleintrag (Schallimmission) bei benachbarten Gebäuden. Hierzu wurden normgerechte Schallmessungen durchgeführt. Der spezifische Vorteil von vertikalachsigen Anlagen mit vergleichsweise geringen Blattumlaufgeschwindigkeiten konnte nachgewiesen werden. Die ermittelten Schallemissionen liegen bei der untersuchten Anlage in der Größenordnung von 8 db(a) und stellen somit im Abstand von ca. 3 m kein genehmigungsrechtliches Hindernis gemäß TA Lärm für allgemeine Wohngebiete dar (s. Bild 6). Schwingungsübertragungen sind jedoch nicht nur im hörbaren Bereich als Schallwellen relevant, sondern müssen auch in Form von Körperschallübertragungen und Schwingungsanregungen auf das Gebäude sorgfältig geprüft werden. Hier muss im konkreten Fall das Zusammenspiel von KWKA und Gebäude beachtet werden. Bei Kenntnis der angeregten Schwingung kann durch geeignete Wahl von Schwingungsentkopplern eine Übertragung auf das Gebäude weitgehend vermieden werden. neue energien Beiträge und Positionen 212

5 118 Panorama Standort Puschkinallee s sw w nw n no o so s vert. anströmungswinkel in grad Datenbasis: s-Datensätze bzw. rund 276 Tage winkel in grad v<1.5 m/s v>1.5 3 m/s v>3 4.5 m/s v>4.5 6 m/s v>6 m/s Abb. 5: Panorama des Standortes Puschkinallee mit den richtungsabhängigen, mittleren Anströmungswinkeln für ausgewählte Windgeschwindigkeitsbereiche genehmigungsrechtliche untersuchungen Neben den technischen Belangen wurde im Rahmen des Vorhabens die Genehmigungslage für kleine Windkraftanlagen mit einer Gebäudeanbindung durch juristische Gutachten begleitet. In den Ergebnissen werden Empfehlungen für die geeignete Einordnung in das jeweilige Genehmigungsverfahren, sowohl für Bauherren als auch für Entscheidungsträger in den Behörden, erstellt. schlussfolgerungen (wirtschaftlichkeit) Die ersten Auswertungen der Ertragsdaten zeigen deutlich, dass ein wirtschaftlicher Betrieb unter den Rahmenbedingungen des Erneuerbaren Energien Gesetzes (EEG) nicht möglich ist. Die im Rahmen des EEG gewährte Vergütung für

6 119 Windstrom liegt mit ca. 9 Ct/kWh weit unter derzeitigen Vergütungssätzen, die für die Photovoltaik gewährt werden. Hier wäre eine Gleichstellung für KWKA erforderlich oder eine Betriebsgenehmigung, die es erlaubt, ohne technische Zusatzeinrichtung (z.b. separate Einspeisezähler) den erzeugten Strom im eigenen Gebäude zu verbrauchen. Eine weitere Schwierigkeit für den wirtschaftlichen Betrieb stellen die geringen Produktionszahlen und die damit verbundenen hohen Anschaffungskosten der Anlagen dar. Im Zuge eines wachsenden Marktes können durch Großserienproduktion erhebliche Einsparungen erzielt werden. windgeschwindigkeit in m/s Abb. 6: Schallimissionen der verwendeten Windkraftanlage im Abstand x bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten weiterführende arbeiten Die bereits durchgeführten Messungen führen zu interessanten weiterführenden Forschungsansätzen. So soll im Rahmen des Projektes der Einfluss der Umgebungsbebauung genauer untersucht werden. Die Bewertung des Einflusses verschiedener Stadtstrukturtypen soll die Standortsuche für neue Anlagen vereinfachen und Positionierungshinweise liefern. Die Ergebnisse des Projektes werden in Form von Handlungsempfehlungen veröffentlicht, um potenziellen Anlagenbetreibern Hilfestellung zu geben. Schwerpunkte liegen hier unter anderem bei der Wahl eines geeigneten Standortes und dem genehmigungsrechtlichen Prozess. Des Weiteren werden Entscheidungshilfen für die Genehmigungsbehörden erstellt abstand in m <35 db(a) <4 db(a) <45 db(a) >45 db(a) Gefördert durch: neue energien Beiträge und Positionen 212