FH D Fachhochschule Düsseldorf University of Applied Sciences

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1 Innerstädtische Nutzung von Kleinwindkraftanlagen Potentiale und Hürden Prof. Dr.-Ing. Matthias Neef Thermodynamik & Kraftwerkstechnik Fachbereich Maschinenbau & Verfahrenstechnik Mülheimer Initiative für Klimaschutz, 6. Mai 2013 Quelle: Projektarbeit Wirth/Winterberg, Prof. Stahl, 2013, FB 1 / Architektur Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 1

2 Kleinwindenergie in der Stadt Welche konkrete Anlage kommt in Frage? Wo und wie kann ich die Anlage aufstellen? Definition / Einteilung Bauarten Kriterien Darf ich das? Hält das? Wie geht es besser? Welche Kosten fallen für Aufbau und Betrieb an? Genehmigung Auslegung / Berechnung Aufstellung /Montage Anlage / Peripherie Welche Erträge lassen sich erwirtschaften? Nennleistung und reale Leistung Windprofil Lokale Störungen Welche Ziele sind erreichbar? Wirtschaftlichkeit (Eigenbedarf & Vergütung) Werbung & Image Forschung & Entwicklung Klimafreundlichkeit & Nachhaltigkeit Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 2

3 Welche konkrete Anlage kommt in Frage? Was ist eine Kleinwindkraftanlage (KWEA)? IEC-NORM (International Einsatzgebiet Spannung Nennleistung Typisierung Inselbetrieb (Batterie) V DC 0-1,5 kw netzgekoppelt 230 V AC Gebäudeintegriert STADTGEBIET 230 V AC Mikro 1,5-5 kw freie 230 V AC Aufstellung Gewerbegebiet Landwirtschaft Gewerbegebiet Landwirtschaft 400 V AC 5 30 kw Mini 20 kv AC kw Mittel Electrotechnical Commission) bis 70kW bis h = 20m Masthöhe bis A = 200m² Rotorfläche (d = 16m) d 5m 70kW h A d Quelle: Qualitätssicherung im Sektor Kleinwindenergieanlagen, BWE, Studie 2011 Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 3

4 Welche konkrete Anlage kommt in Frage? Welche konkrete Anlage kommt in Frage? hoher Wirkungsgrad leicht einfache Generatoranbindung Horizontalachser Vertikalachser leise geringerer Schattenwurf Schattenwurf, Schallemission Nachführung teuer niedriger Wirkungsgrad Quelle: Qualitätssicherung im Sektor Kleinwindenergieanlagen, BWE, Studie 2011 Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 4

5 Welche konkrete Anlage kommt in Frage? Welche konkrete Anlage kommt in Frage? Marktumfeld (siehe z.b. BWE Marktübersicht spezial, 2013) viele kleine Herstellerfirmen, unübersichtlicher Markt von 0,1 bis 29 kw. Auswahlkriterien zur innerstädtischen Nutzung entwickeln, z.b. Kriterium Grenzwert Kriterium nicht erfüllt (Bsp. BWE Marktübersicht) Gewicht bis 2000 kg 5 von 90 Nennleistung ab 0,5 kw 17 von 90 Einschaltgeschwindigkeit bis 3 m/s 27 von 90 Abschaltgeschwindigkeit ab 23 m/s 9 von 90 Installierte Anlagen min. 5 Anlagen 19 von von 90 Übrige KWEAn, die alle Kriterien erfüllen 13 Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 5

6 Wo und wie kann ich die Anlage aufstellen? Wo und wie kann ich die Anlage aufstellen? Darf ich das? Genehmigung / Bauordnungsrecht: h > 50m: Genehmigung gemäß BImschG 10m < h < 50m: Genehmigung gemäß BauO NRW (Bauaufsichtsbehörde) h < 10m: gemäß BauO NRW 65 Abs. 2 Nr. 4 genehmigungsfrei, aber Genehmigungspflicht in Wohngebieten und Mischgebieten Beispiel (Vortrag Bundesverband für Kleinwindenergieanlagen) 5 Monate / 7000 Beispiel LVR Köln, 53m Gebäude + 6m Anlagenhöhe 3kW 5 Monate / h Quelle: Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 6

7 Wo und wie kann ich die Anlage aufstellen? Wo und wie kann ich die Anlage aufstellen? Nachbar muss einverstanden sein Bauherr der KWEA = Betreiber 1 Nachbar 15 LandesbauO Gemeinde muss erst Bau von KWEA akzeptieren Hersteller KWEA 2 4 Außerdem beachten (ggf. Gutachten!) Schall Schattenschlag Eiswurf Brandschutz Blitzschlag Gemeinde Ämter / Behörden Bauamt Umweltamt Wasserbehörde Naturschutzamt LandsbauO BImSchV Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 7

8 Wo und wie kann ich die Anlage aufstellen? Wo und wie kann ich die Anlage aufstellen? Hält das? Mastkonstruktion: Freistehend (Abspannung/Fundament) auf Gebäude (Abspannung/Fundament) an Gebäude (Anbindung/Befestigung) Keine Standard-Teile! Lasteinleitung Statische Last (Maximale Windlast / Böe) dynamische Last /Vibration Keine Normung!/ Berechnungsvorschriften Quelle: Kleinwindanlagen-Forum Quelle: ebay Kleinanzeigen Quelle: ebay Kleinanzeigen Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 8

9 Wo und wie kann ich die Anlage aufstellen? Wie geht es besser? Optimierung: Nicht im Windschatten Freie Anströmung aus jeder Richtung! Je höher desto besser! Quelle: Small-scale wind energy Technical Report, MetOffice, UK, 2008 Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 9

10 Welche Kosten fallen für Aufbau und Betrieb an? Investitionsanteile Genehmigungskosten Installationskosten Anlagenkosten (geschätzt) (geschätzt) (Herstellerangaben) Weitere Kosten Versicherung Wartung Kosten für Genehmigung und Installation ähnlich hoch wie für Anlage selbst! Quelle: Machbarkeitsstudie, Baumer/Steinberg/Kameier/Neef, FH D, 2012 Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 10

11 2,5 m/s 5 m/s Häufigkeit FH D Welche Erträge lassen sich erwirtschaften? Ertragsrechnung Für große Höhen: Windkarten vorhanden (z.b. Windatlas NRW) 80 m 5 m/s Für Bodennähe / Stadtgebiet: Lokale Windmessung notwendig (Jahresmittel!) 10 m 2,5 m/s Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 11

12 Welche Erträge lassen sich erwirtschaften? d 80 m Leistung 2 MW maximale theoretische Windleistung bei gegebener Fläche Großwindkraftanlage 80 m 0 4 kw Windgeschwindigkeit Kleinwindkraftanlage d 5 m m/s Windgeschwindigkeit Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 12

13 8 m/s 2,5 m/s FH D Großwindkraft Welche Erträge lassen sich erwirtschaften? Kleinwindkraft Häufigkeit Häufigkeit Windgeschwindigkeit Leistung 2 MW (d 80 m) Leistung gute Ausbeute 4 kw (d 5m) magere Ausbeute Windgeschwindigkeit Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 13

14 Häufigkeit in %/Jahr Häufigkeitsverteilung ( ) [%] FH D Welche Erträge lassen sich erwirtschaften? Innerstädtische Winddaten (Jahreswerte) Standort Eulerstraße, 30.Min.-Mittelwerte Standort FHD, 30.Min.-Mittelwerte Standort Flughafen, 30.Min.-Mittelwerte Standort Reisholz, 30.Min.-Mittelwerte Messhöhe Jahresmittel Beispiel: Düsseldorf Eulerstraße 40m 6 m/s Flughafen 10m 3,5 m/s Reißholz 22m 2 m/s FH D 20m 1,7m/s Windgeschwindigkeit [m/s] Windgeschwindigkeit [m/s] Windatlas NRW Innenstädte 10m 2,5 m/s Quelle: Machbarkeitsstudie, Baumer/Steinberg/Kameier/Neef, FH D, 2012 Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 14

15 statische Amortisationszeit = [a] Welche Erträge lassen sich erwirtschaften? Gesamtkosten [ ] Jahresertrag [ /a] Düsseldorf Eulerstraße, Jahresmittel 6 m/s (bester untersuchter Standort) Quelle: Machbarkeitsstudie, Baumer/Steinberg/Kameier/Neef, FH D, 2012 Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 15

16 statische Amortisationszeit = [a] Welche Erträge lassen sich erwirtschaften? Gesamtkosten [ ] Jahresertrag [ /a] 500,0 450,0 400,0 350,0 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 - Düsseldorf Flughafen, Jahresmittel 3,5 m/s (zweitbester untersuchter Standort) Quelle: Machbarkeitsstudie, Baumer/Steinberg/Kameier/Neef, FH D, 2012 Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 16

17 H = 4m FH D Welche Erträge lassen sich erwirtschaften? Fläche Solar (PV) Kleinwindkraft Großwind B =6m d = 3m d =1,6m d = 80 m 24 m 2 2 m 2 10 m m 2 Nennleistung 3,2 kw 0,6 kw 3 kw kw Jahresertrag kwh 256 kwh kwh kwh Installation Kosten Jahre Betrieb 8,4ct/kWh 31ct/kWh 10ct/kWh 4-8 ct/kwh Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 17

18 mittlere Windgeschwindigkeit (Referenz: 3,5m/s in 10m Höhe) Ertrag pro Jahr Stromerzeugungskosten (25 Jahre Betrieb, Investition ) FH D h = 13m Welche Erträge lassen sich erwirtschaften? Vgl.: 4-Personen- Haushalt: 3, kwh/a h = 11m 3, d = 3m d = 5m h = 9m d = 1,6m 3, m/s kwh/a ct/kwh Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 18

19 Schall/ Vibration Quelle: Quelle: WS200_2.jpg Quelle: Quelle: Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 19

20 Kleinwindenergie in der Stadt Welche konkrete Anlage kommt in Frage? Wo und wie kann ich die Anlage aufstellen? Definition / Einteilung Bauarten Kriterien Darf ich das? Hält das? Wie geht es besser? Welche Kosten fallen für Aufbau und Betrieb an? Genehmigung Auslegung / Berechnung Aufstellung /Montage Anlage / Peripherie Welche Erträge lassen sich erwirtschaften? Nennleistung und reale Leistung Windprofil Lokale Störungen Welche Ziele sind erreichbar? Wirtschaftlichkeit (Eigenbedarf & Vergütung) Werbung & Image Forschung & Entwicklung Klimafreundlichkeit & Nachhaltigkeit Prof. Dr.-Ing. M. Neef, , Folie 20