Kleinwindkraft Technisch/physikalische Grundlagen & Wirtschaftlichkeit Bachelorstudiengang: Produktmarketing und Projektmanagement Fachbereich:

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1 Kleinwindkraft Technisch/physikalische Grundlagen & Wirtschaftlichkeit Bachelorstudiengang: Produktmarketing und Projektmanagement Fachbereich: Nachhaltige Energiewirtschaft Mag. (FH) Josef Walch, Martin Gosch B.A.

2 Studienangebot am Campus Wieselburg Produktmarketing & Projektmanagement (Bachelor) Nachhaltige Energiewirtschaft Agrarmarketing Umwelt-Management & Corporate Social Responsibility Lebensmittelwirtschaft Konsumgüterwirtschaft (biologische und ökologische Produkte) Produktmarketing & Innovationsmanagement (Master) Lebensmitteltechnologie und Produktentwicklung Strategische Marktkommunikation Organic Business 2

3 Inhaltsverzeichnis 1. Kurze Geschichte der Windkraftnutzung 2. Standortbestimmung 3. Physikalische Grundlagen Die Energie des Windes! 4. Fallbeispiel: Windmessung/ Ertragsprognose/ Kosten 3

4 Kurze Geschichte der Windenergienutzung 4

5 Segelboote Erstmalige Nutzung des Windes zu Mobilitätszwecken (vor rund Jahren) 5

6 Afghanische Getreidemühle (7. Jhd.) , Josef Walch Foto Quelle: Energiewerkstatt.org, Winkelmeier 6

7 Windräder zum Entwässern von Poldern in Holland (17., 18. Jhd.) Bildquelle: 7

8 Die Dampfmaschine löst die Windkraft ab (frühes 20 Jhd.) 8

9 Renaissance der Windkraft (Öl-Embargo), 70er Jahre 250 kw Anlage der Fam. Distelberger (Hochrieß) Quelle: Martin Gosch 9

10 Entwicklung der Windkraftnutzung , Josef Walch Quelle: Prof. Crome 10

11 Windenergienutzung aktuell Seit 1995 wachsende Zahl von Windkraftanalgen in Österreich A DE Global 1 GW Installierte Leistung (600 WKA) 26 GW Installierte Leistung ( WKA) 158 GW Installierte Leistung 11

12 Fördermöglichkeiten für Kleinwindkraftanlagen Ökostromtarif - 9,7 Cent/kWh auf 13 Jahre garantiert! Umweltförderung im Inland der Kommunalkredit Public Consulting Förderung für stromproduzierende Analgen Fördergegenstand: Stromerzeugungsanlagen zur Eigenversorgung Windkraft- und Biogasanlagen die nicht ins öffentliche Elektrizitätsnetz einspeisen Fördersatz: 30% der Umweltrelevanten Kosten Umweltrelevanten Investitionskosten mind Euro. 12

13 Kleinwindkraftanlage per Definition Definition IEC (Internationale Elektrotechnische Kommission) IEC :2006 = Rotorfläche < 200 m² bei 350 W/m² (P max = 70 kw) Rotordurchmesser = 16 Meter Deutscher Bundesverband für Windenergie definiert Kleinwindkraftanalgen <= 100 kw 13

14 Überprüfen der rechtlichen Mindestabstände (online) NÖ Wasserdatenverbund (Onlineabfrage) m45i2zxkvjfy2k0rmms%29%29/init.aspx?karte=atlas_wb OÖ Doris 16

15 Entstehung des Windes die Erddrehung verursacht Wind und bestimmt die Hauptwindrichtung! Temperaturunterschiede: Hochdruck- und Tiefdruckgebiete durch unterschiedliche Erwärmung Gradientenkraft = Wind strömt von Hochdruckgebiet in Tiefdruckgebiete , Josef Walch Corioliskraft = Ablenkung der Luftmassenströme durch die Erdrotation Zentrifugalkraft = Verstärkt ein Hoch und schwächt ein Tief 17

16 Turbulente und laminare Strömung Winde! Quelle: ETH Zürich 18

17 Wahl des Standortes einer Windkraftanlage , Josef Walch Quelle: AEE 19

18 Wahl des Standortes einer Windkraftanlage , Josef Walch 20

19 Windstandort Einfluss der Vegetation Quelle: Crome, H. 21

20 Nutzung überhöhter Windgeschwindigkeiten auf Kuppen , Josef Walch 22

21 Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe in Abhängigkeit von der Topografie Quelle: Crome, H. 23

22 Logarithmisches Grenzschichtprofil zur Näherung von Windgeschwindigkeiten ober und unterhalb der Messhöhe! , Josef Walch v (h 1 ) = Gemessene Windgeschwindigkeit in der Höhe h 1 v (h 2 ) = Berechnete Windgeschwindigkeit in der Höhe h 2 z 0 = Rauhigkeitslänge: Gibt an in welcher Höhe die Windgeschwindigkeit auf null abgebremst wird. d = Faktor für den Versatz der Grenzschicht, bei weit gestreuten Hindernissen 0, ansonsten kann dieser mit 70% der Hindernishöhe abgeschätzt werden. Berechnungsformel: 24

23 Windgeschwindigkeiten in NÖ in 50 m Höhe Quelle: Land NÖ, aus Kaltschmitt und Neubarth , Josef Walch 25

24 Windgeschwindigkeit in 70 m Höhe 26

25 Die Energie des Windes 27

26 Energie des Windes Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie um. Rotorblätter kinetische in mechanische Energie Generator mechanische in elektrische Energie Kinetische Energie ist eine Masse in Bewegung, so enthält diese kinetische Energie (Bewegungsenergie) E kin = 0,5 * m * v² 28

27 Die kinetische (Bewegungs-) Energie des Windes.. ist die im Wind mitgeführte Energie und kann durch folgende Formel ausgedrückt werden: E kin = 0,5 * m * v² P = 0,5 * ρ * A * v³ Achtfache Leistung bei Verdoppelung der Windgeschwindigkeit! E kin = Kinetische Energie P = Leistung m = Massenstrom v = Geschwindigkeit ρ = Dichte A = Fläche 29

28 Die Leistung hängt ab von der: 1. Rotorflache [m²] 2. Windgeschwindigkeit (^3) 3. Luftdichte [kg/m³] 1. Temperatur 2. Geodätische Höhe Excelfile! 30

29 Die Dichte der Luft in Abhängigkeit von Temperatur 31

30 Nicht die gesamte im Wind enthaltene Energie kann genutzt werden! 32

31 Nicht die gesamte Energie des Windes kann genutzt werden!! Betz Limit - Leistungsbeiwert (c P ) Drückt das Verhältnis der dem Wind entnommenen Leistung zu der im Wind enthalten Leistung aus , Josef Walch c P = P N /P 0 c P Betz = 16/27 = 0,593 WKA erreichen Leistungsbeiwerte zwischen 0,4 und 0,5! 33

32 Wirkungsgrade (η) der Energiewandlungskette , Josef Walch Aerodynamic losses (5-15%) Gear-box losses (1-20%) Generator losses (1-5%) Other losses (1-5%) Betz limit Quelle: ISET 34

33 Idealer Leistungsbeiwert nach Betz Quelle: Erich Hau 35

34 Beispiel: 10 kw Anlage, 8 Meter Rotordurchmesser Leistung der Anlage W Rotorfläche: 50,3 m² 5 m/s Windgeschwindigkeit 36

35 Standortgerechte Auslegung von Windkraftanlagen Generator so klein wie möglich wählen! Quelle: 37

36 Grundlegende Unterscheidungsmerkmale Widerstands/Auftriebsanlagen Horizontal/Vertikalanlagen Luv/Lee Anlagen Stall/Pitch Regelung Asynchron/Synchrongenerator Permanent/Fremderregter Generator Getriebe/Getriebelos 38

37 Komponenten einer Windkraftanlage (STEP v2, 5-15 kw) Generator (Synchron, Asynchron, Fremderregt, Permanenterregt) Schmiersystem Blattverstellung (Pitch-Regelung) Getriebe (Stirnrad, 2 stufig) (Übersetzung 14,6 : 1) Quelle: 39

38 Funktionsprinzip eines Auftriebsläufers Quelle: Crome, H. 40

39 Auftriebsläufer Quelle: Fa. Schachner, Seitenstetten 41

40 Kleinwindkraftanlagen H-Rotor und 3 x 200 Watt Anlage der Fa. Gollner Quelle: ökoenergie, Heft 79, Juni 2010 Quelle: ökoenergie, Heft 79, Juni

41 Marktübersicht der Windbranche Hersteller und Zulieferfirmen von Groß- & Klein Windkraftanlagen Information rund um Kleinwindkraftanalgen IG Windkraft

42 Windmessung und Beurteilung der Wirtschaftlichkeit eines Standorts

43 Agenda Windmessung Betrachtete Anlagen Energiewirtschaftliche und wirtschaftliche Beurteilung der Anlagen Fazit 45

44 Windmessung 46

45 Windmessung Standort Purgstall an der Erlauf / Bezirk Scheibbs Martin Gosch B.A. 47

46 Windmessung Standort Hofgelände Martin Gosch B.A. 48

47 Windmessung Ausrüstung Schalenkreuz Anemometer Martin Gosch B.A. 49

48 Windmessung Ausrüstung Anemometer Messgenauigkeit bei Anemometer spielt wesentliche Rolle Gute Geräte ab Messgenauigkeit von +/- 0,5 m/s Beispiel Abweichung von 1 m/s: Leistung bei 4 m/s = 39 Watt/m² Leistung bei 5 m/s = 77 Watt/m² Doppelte Leistung bei 25 % mehr Geschwindigkeit verfälscht Ertragsprognose 50

49 Windmessung Ausrüstung 51

50 Anteil [%] Anteil [Stunden] Windmessung Ergebnisse Windaufkommen 30% 25% 20% 15% Messzeitraum: Sept bis Juni 2009 = 286 Tage Durchschnittliche Windgeschwindigkeit = 2,7 m/s % % 0% Windklasse [m/s]

51 Windmessung Ergebnisse 2,7 m/s durchschnittliche Windgeschwindigkeit = 10 km/h Durchschnittsgeschwindigkeit ist als Indikator zu sehen 8,5 % der Messzeit Windflaute (0 1 m/s) In der Hälfte des gemessenen Zeitraums 0 3 m/s 53

52 Betrachtete Anlagen 54

53 Analysierte Anlagen 1kW Anlage Technische Daten Zotloeterer 1 kw Anlage Nennleistung Rotordurchmesser Nenngeschwindigkeit Einschaltgeschwindigkeit Abschaltgeschw. Nabenhöhe 1 kw 5,2 m ca. 7,5 m/s ca. 1,5 bis 2 m/s 33 m/s 8 m 55

54 Analysierte Anlagen 5 kw Anlage Technische Daten WT 5000 Nennleistung Rotordurchmesser Nenngeschwindigkeit Einschaltgeschwindigkeit Nabenhöhe Abschaltgeschwindigkeit Gewicht Windturbine und Generator 5 kw 6 m 9 bis 10 m/s 1,5 2,5 m/s 16 m 15 m/s 330 kg 56

55 Wirtschaftliche und energiewirtschaftliche Beurteilung der Anlagen beim Standort 57

56 Leistung [Watt] Leistungskennlinie Beispiel Leistungskennlinie Windgeschwindigkeit = 6,5 m/s Bei ca. 1,5 bis 2 m/s beginnt Anlage Strom zu produzieren = Einschaltgeschwindigkeit Leistung = 900 Watt = 0,9 kw Leistung * Anzahl Stunden = Energieertrag 0,9 kw * 100 h = 90 kwh 0 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 v [m/s] 58

57 Häufigkeit in % Leistung der Windkraftanlage in Watt Gegenüberstellung Windhäufigkeit und Leistungskennlinie bei gemessenem Windaufkommen Gegenüberstellung Windhäufigkeiten und Leistungskennlinie Häufigkeit Leistung 30% 25% % % 10% 5% 0% 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 Windgeschwindigkeit [m/s]

58 Energiewirtschaftliche Beurteilung Übersicht Ergebnisse Zotloeterer 1 kw Austrowind WT 5000 Nennleistung [kw] 1 5 jährlicher Ertrag [kwh] Volllaststunden [h] Auslastungsfaktor [%] 18,33% 13,24% Auslastungsfaktor (Load Faktor) Verhältnis von Ertrag zu maximal möglichen Ertrag wünschenswert mindestens 20 % 60

59 Ökonomische Beurteilung Übersicht Ergebnisse Zotloeterer 1 kw Austrowind WT 5000 Nennleistung [kw] 1 5 Nutzungsdauer [a] Investitionskosten [ ] Amortisationsdauer 100 % Eigenkapital 100 % Eigenverbrauch [a] > Amortisationsdauer liegt beim beurteilten Standort über der Nutzungsdauer! 61

60 Amortisation 5 kw Anlage bei gemessenen Windaufkommen 100 % Eigenverbrauch = 0,20 /kwh 100 % Eigenkapital 3 % jährliche Strompreissteigerung 2,7 m/s mittlere Windgeschwindigkeit kwh/a Ertrag 62

61 Amortisation 5 kw Anlage bei gemessenen Windaufkommen 50 % Eigenverbrauch = 0,20 /kwh 50 % Einspeisung = 0,097 /kwh 100 % Eigenkapital 3 % jährliche Strompreissteigerung 2,7 m/s mittlere Windgeschwindigkeit kwh/a Ertrag 63

62 Szenario Was wäre wenn 64

63 Häufigkeit Leistung [Watt] Gegenüberstellung Windhäufigkeit und Leistungskennlinie bei 4 m/s mittlerer Windgeschw. Messung Verteilung bei 4 m/s mittlerer Geschwindigkeit Leistung 30% % % % % 300 5% % 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 Windgeschwindigkeit [m/s] 0 65

64 Kennzahlen bei 4 m/s mittlerer Windgeschwindigkeit Übersicht Ergebnisse bei höherer Windgeschwindigkeit Austrowind WT 5000 bei Austrowind WT 5000 bei Messung 4 m/s mittlerer Windgeschwindigkeit jährlicher Ertrag [kwh] Volllaststunden [h] Auslastungsfaktor [%] 13,24 % 22,28 % Bei 4 m/s Durchschnittsgeschwindigkeit um 68 % mehr Ertrag als bei 2,7 m/s aus Messung 66

65 Amortisation 5 kw Anlage bei 4 m/s Durchschnittsgeschwindigkeit 100 % Eigenverbrauch = 0,2 /kwh 100 % Eigenkapital 3 % jährliche Strompreissteigerung 4 m/s mittlere Windgeschwindigkeit kwh/a Ertrag 67

66 Amortisation 5 kw Anlage bei 4 m/s Durchschnittsgeschwindigkeit 50 % Eigenverbrauch = 0,20 /kwh 50 % Einspeisung = 0,097 /kwh 100 % Eigenkapital 3 % jährliche Strompreissteigerung 4 m/s mittlere Windgeschwindigkeit kwh/a Ertrag 68

67 Kennzahlen bei 5 m/s mittlerer Windgeschwindigkeit Übersicht Ergebnisse bei höherer Windgeschwindigkeit Austrowind WT 5000 bei Austrowind WT 5000 bei Messung 5 m/s mittlerer Windgeschwindigkeit jährlicher Ertrag [kwh] Volllaststunden [h] Auslastungsfaktor [%] 13,24 % 37,4 % Bei 5 m/s Durchschnittsgeschwindigkeit fast dreifacher Ertrag als bei 2,7 m/s aus Messung 69

68 Amortisation 5 kw Anlage bei 5 m/s durchschnittlicher Geschwindigkeit 50 % Eigenverbrauch = 0,20 /kwh 50 % Einspeisung = 0,097 /kwh 100 % Eigenkapital 3 % jährliche Strompreissteigerung 5 m/s mittlere Windgeschwindigkeit kwh/a Ertrag 70

69 Fazit Betrieb am gemessenen Standort unwirtschaftlich weil Ungünstige Windverhältnisse Hohe spezifische Investitionskosten ( /kw) Keine Förderungen Generell gilt: Erzeugte Energie sollte zu möglichst hohem Anteil selbst verbraucht werden Strom-Einkaufspreis für Private: ca. 20,0 Cent/kWh Derzeitige Einspeisevergütung: 9,7 Cent/kWh Windmessung unbedingt notwendig! 71

70 Vielen Dank Kontakt: 72

71 Literatur und Quellenverzeichnis (1) Quaschnig, Volker: Regenerative Energiesysteme, Technologie, Berechnung, Simulation. 3. Auflage.Hanser Verlag. München und Wien: 2003 (2) Crome, Horst: Handbuch Windenergie Technik, Windkraftanlagen in handwerklicher Fertigung. Ökobuch Verlag. Freiburg: 2004 (3) Neubarth, Jürgen/ Kaltschmitt Martin; Erneuerbare Energien in Österreich. Springer Verlag. Wien: 2000 (4) Internet: (1) BWEA: , Josef Walch 73