Kleinwindenergieanlagen Gibt es ein Potential in Städten?

Transkript

1 Kleinwindenergieanlagen Gibt es ein Potential in Städten? Prof. Dipl. - Ing. Henry Seifert Kristina Spasova, M.Sc. Lars Gronemeyer, B.Sc. fk-wind: Hochschule Bremerhaven Klimaschutz durch Windenergie in Kommunen Bremerhaven 6 Februar 2014 H.Seifert 1

2 Hochschule Bremerhaven Windenergieforschung und -lehre H.Seifert 2

3 Was ist eine Windenergieanlage? H.Seifert 3

4 Was ist eine Windenergieanlage? In Deutschland sind Turm und Gründung ein Bauwerk und unterliegen den Bauämtern Auslegungsrichtlinien werden vom Deutschen Institut für Bautechnik DIBt vorgegeben H.Seifert 4

5 Was ist eine Windenergieanlage? In Deutschland sind Turm und Gründung ein Bauwerk und unterliegen den Bauämtern Auslegungsrichtlinien werden Vom Deutschen Institut für Bautechnik DIBt vorgegeben Rotor und Gondel (Maschinenhaus) werden durch eine Zertifizierungsstelle geprüft und gelten als Maschine Die Lastannahmen erfolgen nach den internationalen Normen der IEC, z.b. IEC H.Seifert 5

6 Heutige MW - Windenergieanlagen zeichnen sich aus durch: Große Türme Drei Blätter Luv-laufenden Rotor Direkte Netzeinspeisung Variable Drehzahl Blattregelung Geringe Geräuschentwicklung Effizienz Hohe Verfügbarkeit Niedrige Investitionen und geringe O&M Kosten Lange Lebensdauer unter extremen externen Bedingungen Aufstellung in größeren Windparks on oder offshore H.Seifert 6

7 Was ist eine kleine Windenergieanlage? Nach der IEC gelten WEA mit einer überstrichenen Rotorfläche kleiner 200 m² als klein, unter 2 m² gelten besonders einfache Nachweisverfahren. Das sind Rotoren mit weniger als 15 m Durchmesser und installierten Leistungen kleiner 40 kw mit horizontaler oder vertikaler Rotorachse. H.Seifert 7

8 Die Leistung im Wind hängt von der 3. Potenz der Windgeschwindigkeit ab. D.h., bei Verdoppelung der Windgeschwindigkeit verachtfacht sich die Leistung. Das heißt aber auch, dass bei niedrigen Windgeschwindigkeiten kaum nutzbare Energie vorhanden ist H.Seifert 8

9 Elektrische Leistung Einschalten Abschalten 10,000 Leistungskennlinie einer WEA Leistung im Wind 8,000 Theoretisch nutzbare Leistung 6,000 4,000 P nenn 2,000 Teilleistungs- Regelungsbereich Tatsächlich genutzte Leistung Windgeschwindigkeit, m/s H.Seifert 9

10 Spezifische Leistung, W inst /m² Spezifische installierte Leistung verschiedener WEA Rotordurchmesser, m H.Seifert 10

11 Gondelmassen verschiedener WEA Gondelmasse, t o Installierte Leistung, kw H.Seifert 11

12 Gondelmassen verschiedener kwea Gondelmasse, t o Installierte Leistung, kw H.Seifert 12

13 Windschwankungen Räumliche Windschwankungen: globale und lokale Windsysteme Windrichtungswechsel Windprofil (Rauigkeit und atmosphärische Schichtung) Einfluss der Geländestruktur und von Hindernissen Zeitliche Windschwankungen: langzeitlich (über mehrere Jahre) jährlich saisonal täglich kurzzeitlich (Böen und Turbulenz) H.Seifert 13

14 Windschwankungen Räumliche Windschwankungen: globale und lokale Windsysteme Windrichtungswechsel Windprofil (Rauigkeit und atmosphärische Schichtung) Einfluss der Geländestruktur und von Hindernissen Zeitliche Windschwankungen: langzeitlich (über mehrere Jahre) jährlich saisonal täglich kurzzeitlich (Böen und Turbulenz) Standortbeurteilung Energieprognose Lastannahmen H.Seifert 14

15 Höhe über Grund, m Vertikales Windprofil 200 D v = 3.2m/s a = 0.45 a = 0.26 a = 0.16 D v = 0.6m/s Mittlere Windgeschwindigkeit, m/s H.Seifert 15

16 Windgeschwindigkeit Windgeschwindigkeit Turbulenz in verschiedenem Gelände Komplexes Gelände t i = 20% Ebenes Gelände t i = 5% s Turbulenzintensität = Standardabweichung/Mittelwert = t i = σ v V 10' H.Seifert 16

17 Luftströmung über ein freistehendes Gebäude H.Seifert 17

18 Energieertragsermittlung Der Energieertrag entsteht aus: Zeit * Leistung * Verfügbarkeit Windgeschwindigkeit Windgeschwindigkeit Windhäufigkeitsverteilung Leistungskennlinie Betriebsdaten H.Seifert 18

19 IEC WEA Klasse I II III S V ref (m/s) Werte A I ref (-) 0.16 B I ref (-) 0.14 C I ref (-) 0.12 durch Hersteller gegeben H.Seifert Quelle: IEC

20 Häufigkeit, % Häufigkeitsverteilungen an verschiedenen Standorten 750 h Ungefähre Vollastbenutzungsstunden 1300 h 2400 h 3400 h V in Windgeschwindigkeit, m/s H.Seifert 20

21 Welche Potentiale gibt es in Städten? H.Seifert 21

22 Potentiale sind beeinflusst durch: Wind (Geschwindigkeit, Richtungen, Turbulenz) Standorte (Freiflächen, Schutthalden,.. ) Dachflächen (Statik, Dachform, Höhe, Umgebungsbebauung,.) Genehmigungsverfahren Risiken (Havarie, Eisabwurf, ) Akzeptanz (Geräusch, Körperschallübertragung, Schattenwurf, ) WEA Größe (Logistik, Kran, Dachlasten,.. ) Umweltverträglichkeit (Vögel, Fledermäuse, LCA, Erntefaktor, ) WEA Technik (Wartung, Reparatur, technische Verfügbarkeit,..) Einspeisevergütung, Eigenverbrauch, Investitionen Typischer Preis heute: MW-WEA /kw inst. kwea /kw inst. H.Seifert 22

23 Was geht? H.Seifert 24

24 Was geht? Risiko, Geräusch, Schattenwurf, Logistik und Montage, Eisabwurf, Turbulenz und Leebetrieb, Akzeptanz, Wirtschaftlichkeit, Genehmigungsfähigkeit H.Seifert 25

25 Was geht? Risiko, Geräusch, Schattenwurf, Logistik und Montage, Eisabwurf, Turbulenz und Leebetrieb, Akzeptanz, Wirtschaftlichkeit, Genehmigungsfähigkeit, Gebäudestatik, Körperschallübertragung, Schwingungsanregung, H.Seifert 26

26 Was geht? Es bleiben sehr kleine WEA übrig, die bei hohen Turbulenzen bei niedrigen mittleren Windgeschwindigkeiten eine hohe technische Verfügbarkeit aufweisen müssen und dabei wirtschaftlich sein sollen. H.Seifert 27

27 Wie groß ist das typische Potential? Gibt es die entsprechenden kwea? Was sind die Anforderungen? Um einige der Fragen zu beantworten, untersucht die Hochschule Bremerhaven zusammen mit der Städtischen Wohnungsgesellschaft Bremerhaven mbh (STÄWOG) die Windverhältnisse an zwei Beispielstandorten im Rahmen des Forschungsprojektes Windenergie-potenziale auf Dächern (WiPoDa). H.Seifert 28

28 Windenergie-potenziale auf Dächern (WiPoDa) Die Förderung erfolgt durch das Land Bremen aus dem Förderprogramm Angewandte Umweltforschung und aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung EFRE EUROPÄISCHE UNION: Investition in Ihre Zukunft Europäischer Fonds für regionale Entwicklung. H.Seifert 29

29 Erste Ergebnisse: Sehr hohe Turbulenzintensität (19 bis 34 %, im Mittel 26%) Geringe mittlere Windgeschwindigkeiten (bisher <4 m/s) Je nach Richtung Schräganströmung durch Gebäudeeinfluss H.Seifert 30

30 Turbulenzintensität aus verschiedenen Richtungen H.Seifert 31

31 Turbulenzintensität aus verschiedenen Richtungen Typischer Windpark nahe Bremerhaven H.Seifert 32

32 Turbulenzintensität auf einem typischen Dach Vergleich zu den Anforderungen in den internationalen Richtlinien der IEC H.Seifert 33

33 Vertikaler Anströmwinkel über der Windrichtung H.Seifert 34

34 Zusammenfassung und Ausblick Sehr hohe Turbulenzintensität (19 bis 34 %, im Mittel 26%) Geringe mittlere Windgeschwindigkeiten (bisher <4 m/s) Je nach Richtung Schräganströmung durch Gebäudeeinfluss Anpassung der internationalen Richtlinien (Lastannahmen) Optimierung des Entwurfs und der Produktion von kwea robust, wartungsarm, günstig, effizient = hohe Qualität und große Quantität (sehr hohe Stückzahl und Massenproduktion) Durchführung weiterer exemplarischer Vermessungen Rechen- und Prognosemethoden schaffen (simulieren statt messen) Akzeptanz der Bevölkerung prüfen und steigern Wirtschaftliche und genehmigungsrechtliche Grundlagen prüfen und vereinfachen H.Seifert 35