Die Reihe wendet sich an Praktiker und Wissenschaftler gleichermaßen und soll insbesondere auch Nachwuchswissenschaftlern Orientierung geben.

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3 BestMasters

4 Mit BestMasters zeichnet Springer die besten Masterarbeiten aus, die an renommierten Hochschulen in Deutschland, Österreich und der Schweiz entstanden sind. Die mit Höchstnote ausgezeichneten Arbeiten wurden durch Gutachter zur Veröffentlichung empfohlen und behandeln aktuelle Themen aus unterschiedlichen Fachgebieten der Naturwissenschaften, Psychologie, Technik und Wirtschaftswissenschaften. Die Reihe wendet sich an Praktiker und Wissenschaftler gleichermaßen und soll insbesondere auch Nachwuchswissenschaftlern Orientierung geben.

5 Ramona Schmelmer Petra Denk Vertikale Kleinwindanlagen in Bayern Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse

6 Ramona Schmelmer Regensburg, Deutschland Petra Denk Landshut, Deutschland Masterarbeit, Hochschule Landshut, 2014 BestMasters ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliogra e; detaillierte bibliogra sche Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Gabler Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikrover lmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Fachmedien Wiesbaden ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

7 Geleitwort V Geleitwort Der Ausbau dezentraler erneuerbarer Energien ist ein zentraler Bestandteil der Energiewende. Dabei muss sich die Sinnhaftigkeit des Ausbaus nicht nur an ökologischen, sondern auch an technischen sowie ökonomischen Kriterien messen lassen. Gerade in den USA und England werden zunehmend Kleinwindkraftanlagen politisch unterstützt durch einen eigenen Einspeisetarif in Betrieb genommen. Es stellt sich die Frage, ob die Kleinwindkraft auch in Deutschland eine wirtschaftlich rentable Investition darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb untersucht, ob der wirtschaftliche Betrieb solcher Anlagen unter derzeitigen Bedingungen in Bayern möglich ist. Dabei lag das Augenmerk auf vertikalen Kleinwindanlagen, da diese im Vergleich zu horizontalen für Wohngebiete einige Vorteile aufweisen. Das Thema der Kleinwindkraft erfährt von kommunaler Seite große Aufmerksamkeit, dennoch fehlt eine kompakte wirtschaftliche Bewertung aus letzter Zeit. Hier setzt die Arbeit von Frau Schmelmer ein. Basierend auf Messwerten aus einem Pilotprojekt wird zunächst der Energieertrag bestimmt. Im darauf folgenden Herstellervergleich werden vier Anlagentypen vertikaler Kleinwindanlagen hinsichtlich ihres Leistungsverhaltens, ihrer Gesamtinvestitionskosten und daraus folgender Wirtschaftlichkeit miteinander verglichen. Resultierend ergibt sich, dass keine der vier Anlagen einen wirtschaftlichen Betrieb unter den gegebenen Rahmenbedingungen vorweisen kann. Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Bayernwerk Natur. Das Unternehmen ist auf die Planung, Errichtung und den Betrieb von dezentralen Erzeugungsanlagen spezialisiert. Ursprüngliches Ziel war es, den Kommunen die vertikalen Kleinwindkraftanlagen näher vorzustellen. Aufgrund der Ergebnisse wurde von diesem Vorhaben jedoch Abstand genommen, zu unwirtschaftlich sind unter derzeitigen Rahmenbedingungen vertikale Kleinwindkraftanlagen. Es bleibt der Arbeit zu wünschen, dass sie eine breite und interessierte Leserschaft findet, so dass die zur Verfügung stehenden finanziellen Mittel effizient zum Gelingen der Energiewende beitragen können. Prof. Dr. Petra Denk

8 Institutsprofil VII Institutsprofil Das Institut für Systemische Energieberatung an der Hochschule Landshut ist Teil des Forschungsschwerpunkts Energie der Hochschule Landshut. Der Forschungsschwerpunkt Energie befasst sich insbesondere mit dem Ausbau dezentraler Energien sowie deren Integration im ländlichen Raum. Die am Institut verfassten Arbeiten umfassen ökologisch und wirtschaftlich relevante Aspekte der Energiewende auf wissenschaftlichem Niveau mit hoher Praxisrelevanz. Ein Schwerpunkt des Instituts liegt dabei in der Erstellung von kommunalen und regionalen sowie industriellen Energiekonzepten in Bayern. Zentrales Anliegen des Instituts ist es, individuelle, maßgeschneiderte sowie ökonomisch und ökologisch sinnvolle Lösungsvorschläge zu unterbreiten.

9 Inhaltsverzeichnis IX Inhaltsverzeichnis Geleitwort... V Institutsprofil... VII Inhaltsverzeichnis... IX Abbildungsverzeichnis... XIII Tabellenverzeichnis... XV Anhangsverzeichnis... XVII Abkürzungsverzeichnis... XIX Zusammenfassung... XXI Abstract... XXI 1 Einführung Entwicklung der Kleinwindenergie Ziel und Vorgehensweise Definition Kleinwindanlage Firmenvorstellung Bauformen Kleinwindkraftanlagen Widerstands- und Auftriebsläufer Schnell- und Langsamläufer Vertikal- und Horizontalläufer Savonius Rotor Darrieus Rotor Darrieus-H Rotor Darrieus-Helix Rotor Vergleich horizontale und vertikale Kleinwindanlagen Berechnung des Energieertrags einer Windkraftanlage Bestimmung der Windverhältnisse Windmessung... 18

10 X Inhaltsverzeichnis Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit Berechnung des jährlichen Energieertrags auf Basis gemessener Winddaten Berechnung des jährlichen Energieertrags aus einer Verteilungsfunktion Weibull-Verteilung Rayleigh-Verteilung Auftretende Verluste Langjährig mittlerer Jahresenergieertrag Hemmnisse der Kleinwindenergie Einspeisevergütung Genehmigungspflicht Statik Lärm Fehlende Standards Wirtschaftlichkeitsanalyse einer vertikalen Kleinwindanlage Projektvorstellung Anlagenstandort Taufkirchen Bestimmung der Windverhältnisse am Standort Taufkirchen Energieertragsberechnung einer Kleinwindanlage am Standort Taufkirchen 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 Vergleich der Windverhältnisse in Taufkirchen und München Vergleich der Windverhältnisse in Taufkirchen und Hohenpeißenberg... 54

11 Inhaltsverzeichnis XI Konzept 4 Indexierung der gemessen Werte durch Messwerte von München Fazit Energieertragsberechnung Herstellervergleich vertikaler Kleinwindanlagen am Standort Taufkirchen Vorselektion der favorisierten Anlagentypen Allgemeine Informationen über favorisierte Anlagentypen Anlagentyp 1 Biotec BVT Anlagentyp 2 Fairwind F Anlagentyp 2 Amperius VK Anlagentyp 4 AirVVin AV-R Kostenaufstellung Energieertragsvergleich Wirtschaftlichkeitsvergleich Fazit Herstellervergleich vertikaler Kleinwindanlagen am Standort Taufkirchen Sensitivitätsanalyse Gesamtinvestitionskosten Strompreis Energieertrag Anteil des Eigenverbrauchs Fazit Sensitivitätsanalyse Wirtschaftlichkeit von Kleinwindanlagen in Großbritannien Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis Den Anhang zu diesem Buch finden Sie auf der Homepage des Verlages unter dem Namen der Autorin als Zusatzmaterial.

12 Abbildungsverzeichnis XIII Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Ausblick der weltweit installierten Leistung von Kleinwindanlagen... 2 Abbildung 2: Referenzanlagen der Bayernwerk Natur GmbH... 7 Abbildung 3: Übersicht Bauformen Kleinwindkraftanlagen... 8 Abbildung 4: Widerstandsläufer... 9 Abbildung 5: Darstellung Luftströmung an Rotorblatt Abbildung 6: Luftkräfte an Rotorblatt eines Auftriebsläufers Abbildung 7: Typische Schnelllaufzahlen und Leistungsbeiwerte verschiedener Windkrafttypen 11 Abbildung 8: Rotortypen vertikaler Windkraftanlagen Abbildung 9: Neue Bauform Savonius Rotor Abbildung 10: Darrieus Rotor Abbildung 11: Darrieus-H Rotor Abbildung 12: Darrieus-Helix Rotor Abbildung 13: Aufbau eines Schalenkreuzanemometers Abbildung 14: Atmosphärische Grenzschicht Abbildung 15: Übersicht über den Zusammenhang der Klassenhäufigkeit h i (a), die Klassenleistung P i (b) und den Klassenertrag E i (c) Abbildung 16: Weibull-Verteilung mit verschiedenen Skalierungsfaktoren A und konstantem Formfaktor k = 1, Abbildung 17: Weibull-Verteilung mit verschiedenen Formfaktoren k und konstanter mittlerer Windgeschwindigkeit von 8 m/s Abbildung 18: Einspeisetarife verschiedener Länder Abbildung 19: Immissionsrichtwerte außerhalb von Gebäuden nach TA Lärm Abbildung 20: Noise Label des BWEA Abbildung 21: Netzcenter der Bayernwerk AG in Taufkirchen Abbildung 22: Ausschnitt aus Windkarte mit durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten in 10 m Höhe Abbildung 23: Aufbau Windmessung in Taufkirchen Abbildung 24: Windenergie Logger PCE-WL Abbildung 25: Standort Windmessung Dachdraufsicht Gebäudeplan Netzcenter Taufkirchen... 43

13 XIV Abbildungsverzeichnis Abbildung 26: Häufigkeitsverteilung Taufkirchen für Messzeitraum bis (Bin-Breite 0,5 m/s) Abbildung 27: Häufigkeitsverteilung Taufkirchen für Messzeitraum bis (Bin-Breite 1 m/s) Abbildung 28: Leitungsdiagramm Biotec BVT Abbildung 29: Ermittlung Weibullparameter Suisse Eole Abbildung 30: Windverlauf Taufkirchen, München und Hohenpeißenberg von Uhr bis Uhr Abbildung 31: Windverlauf Taufkirchen und München Ausschnitt im Dezember Abbildung 32: Windverlauf Taufkirchen und Hohenpeißenberg Ausschnitt im Dezember Abbildung 33: Biotec BVT Abbildung 34: Fairwind F Abbildung 35: Amperius VK Abbildung 36: AirVVin AV-R Abbildung 37: Leistungskennlinien verschiedener Anlagentypen Abbildung 38: Langjährig mittlerer Jahresenergieertrag verschiedener Anlagentypen in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit Abbildung 39: Sensitivitätsanalyse Kleinwindkraftanlagen Abbildung 40: IRR v. St. in Abhängigkeit vom Energieertrag Abbildung 41: Prozentuale Verteilung der mittleren jährlichen Windgeschwindigkeit in Bayern Abbildung 42: Übersicht Windpotential in Bayern in 10 m Höhe Abbildung 43: IRR v. St. in Abhängigkeit vom Eigenverbrauch Abbildung 44: Durchschnittliche Windgeschwindigkeiten in Großbritannien in 10 m Höhe... 84

14 Tabellenverzeichnis XV Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Länderübersicht Definition Kleinwindanlagen... 5 Tabelle 2: Gegenüberstellung verschiedener Definitionen für Kleinwindanlagen... 6 Tabelle 3: Rauhigkeitsklassen und Rauhigkeitslängen nach Europäischem Windatlas Tabelle 4: Hellmannscher Höhenexponent für verschiedene Geländetypen Tabelle 5: Weibullparameter für verschiedene Regionen in 10 m und 30-40m Höhe Tabelle 6: Energieerträge in München für die Jahre 2012 und Tabelle 7: Zusammenfassung der Konzepte zur Berechnung des langjährig mittleren Jahresenergieertrags in Taufkirchen Tabelle 8: Vergleich verschiedener Anlagentypen für vertikale Kleinwindanlagen Tabelle 9: Priorisierung Anlagentypen Kleinwindanlagen Tabelle 10: Zusammenfassung Gesamtinvestitionskosten Tabelle 11: Übersicht der langjährig mittleren Jahresenergieerträge verschiedener Kleinwindanlagen Tabelle 12: Übersicht Gesamtinvestitionskosten und langjährig mittlere Jahresenergieerträge Tabelle 13: Zusammenfassung finanzwirtschaftlicher Kennzahlen... 74