KLEINWINDKRAFTANLAGEN Eine lohnende Investition für Landwirte?

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1 KLEINWINDKRAFTANLAGEN Eine lohnende Investition für Landwirte? Standorte Technik Wirtschaftlichkeit Vortrag für Maschinenring Harburg e.v. am Matthias Gehling Dipl.-Ing. (FH) Student M. Sc. Erneuerbare Energien Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Hamburg

2 INHALT Ausgangslage Energiebedarf Potenzial Windenergie Technik Wirtschaftlichkeit 2

3 AUSGANGSLAGE Steigende Energiekosten Wunsch: Eigenversorgung Unabhängigkeit von Energieversorgen Verbrauchernahe dezentrale Energieversorgung Umdenken nach der Katastrophe in Fukushima Umweltfreundliches Image Stetig steigendes Interesse 3

4 ENERGIEBEDARF WOHNEN UND LANDWIRTSCHAFT Elektrische Energie Prozesswärme, Kühlen, Pumpen, Wohngebäude [kwh] Wärmeenergie Heizen, Warmwasser [kwh] 4

5 ENERGIEBEDARF Ermittlung des Strombedarfs aus Leistung und Nutzungsdauer Milchviehbetrieb und Wohnhaus (Beispiel) 100 Kühe + Nachzucht Doppel- Achter Fischgrätenmelkstand Wohngebäude (6 Personen) 8% Landwirtschaft licher Betrieb 92% Jahresenergiebedarf kwh Landwirtschaftl. Betrieb ,00 Wohngebäude (6 Personen) 5.700,00 Summe ,00 Quelle: Andreas Hastedt Quelle: Energieagentur NRW, 5

6 ENERGIEBEDARF Milchkühlung je nach Außentemperatur und Abholung etwa 5000 KWh pro Jahr Verbraucher Leistung Jährliche Nutzungsdauer Energie Landwirtschaftlicher Betrieb Vakuumpumpe und Waschautomat zum Melken laufen morgens 6 8 und abends Uhr kw h kwh Vakuumpumpe ,00 Waschautomat - Heißwasser ,00 Tränkeautomat zeitweise und Güllemixer nur gelegentlich meist Frühjahr und Herbst Kühlanlage - Milch ,00 Tränkeautomat 1, ,00 Güllemixer ,00 Licht Geb. 1 2, ,00 Licht Geb. 2 1, ,00 Notbeleuchtung 0, Summe ,00 Quelle: Andreas Hastedt

7 ENERGIEBEDARF Wohngebäude 6-Personen Haushalt Verbraucher Last Jährliche Nutzungsdauer Energie Wohngebäude (3 Personen) kw h kwh Herd Geschirrspüler Kühl-Gefrierschrank 1, Kleingeräte Waschmaschine Trockner Unterhaltung, PC 0, Warmwasser (elektr.) Umwälzpumpe Heizung 0, Licht 0, Summe 71, ,00 Quelle: VDEW, BDEW 2007, und eigene Berechnungen 7

8 ENERGIEBEDARF- JAHRESENERGIEBEDARF Landwirtschaftlicher Betrieb kwh Wohnhaus kwh Tränkeautomat 2% Güllemixer 5% Licht Geb. 1 7% Licht Geb. 2 3% Vakuumpumpe 11% Warmwasser (elektr.) 12% Umwälzpump e Heizung 5% Unterhaltung, PC 13% Licht 10% Trockner 10% Herd 11% Geschirrspüle r 6% Kleingeräte Waschmaschi 9% ne 6% Kühl- Gefrierschran k 18% Kühlanlage - Milch 7% Waschautomat - Heißwasser 65% Energie Gesamt kwh Quelle: Andreas Hastedt Quelle: VDEW, BDEW 2007, und eigene Berechnungen 8

9 ENERGIEBEDARF UND ENERGIEPOTENZIAL Energiebedarf Energiepotentzial Man muss die Windenergieanlage so dimensionieren, dass sie im Laufe eines durchschnittlichen Jahres soviel elektrische Energie bereitstellen kann, wie im Haushalt in der Summe verbraucht wird (Quotient "Produktion / Eigenverbrauch" ist 1). IWES, Kassel abgerufen am

10 POTENZIAL WINDENERGIE Wind ist eine indirekte Form der Sonnenenergie Entstehung an der Grenzschicht zw. warmen und kalten Luftmassen Wind ab etwa 100m Höhe entlang der Isobaren 10

11 POTENZIAL WINDENERGIE Vertikale Strömungen (aufsteigende Luftmassen in Folge von Erwärmung an der Erdoberfläche) Horizontale Strömungen (Westwinde global, Wind von H zu T regional) 11

12 POTENZIAL WINDENERGIE Ermittlung der Energie im frei anströmenden Wind mit Anemometer Windrichtungsgeber Controller (mit Datenlogger) 12

13 POTENZIAL WINDENERGIE % 40,00 35,00 Relative Häufigkeit der Windgeschwindigkeiten auf 10 m Höhe 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0, m/s 13

14 POTENZIAL WINDENERGIE Rauhigkeitsklassen Rauhigkeitslängen z 0 [m] Energieindex [%] Typen von Geländeoberflächen 0 0, Wasserflächen : Meer und Seen 0,5 0, ,03 52 Offenes Gelände mit glatter Oberfläche, z.b. Beton, Landebahnen auf Flughäfen, gemähtes Gras etc. Offenes landwirtschaftliches Gelände ohne Zäune und Hecken, evtl. mit weitläufig verstreuten Gebäuden und sehr sanfte Hügel. 1,5 0, Landwirtschaftliches Gelände mit einigen Häusern und 8 m hohen Hecken im Abstand von mehr als 1 km 2 0,1 39 2,5 0, ,4 24 Landwirtschaftliches Gelände mit einigen Häusern und 8 Meter hohen Hecken im Abstand von ca. 500 m Landwirtschaftliches Gelände mit vielen Häusern, Büschen und Pflanzen, oder 8 m hohe Hecken im Abstand von ca. 250 m Dörfer, Kleinstädte, landwirtschaftliches Gelände mit vielen oder hohen Hecken, Wäldern und sehr raues und unebenes Terrain. 3,5 0,6 18 Größere Städte mit hohen Gebäuden. 4 1,6 13 Großstädte mit hohen Gebäuden und Wolkenkratzern. Quelle: BWE windscherung/rauigkeit/ vom

15 POTENZIAL WINDENERGIE Rauigkeitsrose am KWEA-Standort W N W 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 N N O O S W SO S Messhöhe h ref 10 m Nabenhöhe h 24 m 15

16 POTENZIAL WINDENERGIE Windgeschwindigkeit steigt logarithmisch mit zunehmender Höhe Messhöhe h ref 10 m Nabenhöhe h 24 m Quelle: R. Gasch, J. Twele, Windkraftanlagen, Teubner, Wiesbaden 2011, Übersetzung/Reproduktion: M. Gehling 16

17 POTENZIAL WINDENERGIE Windgeschwindigkeit v geht mit 3. Potenz ein! Dichte Luft r 1,225 kg/m 3 Fläche A m 2 Zeit t 8760 h/a Beispiel: v=2 m/s v 3 = 8 m/s v=3 m/s v 3 = 27 m/s Erhöht sich die momentane Windgeschwindigkeit von 2 auf 3 m/s geht sie statt mit Faktor 8 mit dem Faktor 27 ein 17

18 TECHNIK Umwandlung der Windenergie durch Windenergieanlagen Windenergie ROTOR (GETRIEBE) GENERATOR Elektrische Energie 18

19 TECHNIK Verschiedene Bauformen von Kleinwindenergieanlagen Horizontal Widerstandsläufer Luvläufer Schnellläufer Vertikal Auftriebsläufer Leeläufer Langsamläufer Widerstandsläufer setzt die Windenergie durch den Widerstand gegen Rotorfläche in um. Auftriebsläufer nutzt den Effekt des Auftriebs an der Blattunterseite des Flügels (Prinzip Flugzeug) die vorbeiströmende Luft bildet einen Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite. Die Krafteinwirkung setzt den Rotor in Bewegung. Leeläufer Der Rotor wird von der Rückseite angeströmt Quelle: J.Twele, Qualitätssicherung im Sektor Kleinwindenergieanlagen, BWE, Berlin

20 TECHNIK Beispielanlagen Horizontalachsenrotor Vertikalachsenrotor Quelle: Proven 2010, Ropatec

21 TECHNIK Umwandlung der Windenergie durch Windenergieanlage Beispiel Typ Hersteller Montana XY Nennleistung (14 m/s) 5,6 kw Leistung (11m/s) 3,3 kw Leistung (5m/s) 0,44 kw Einschaltwindgeschwindigkeit 3 m/s Ausschaltwindgeschwindigkeit keine Rotordurchmesser 5 m Nabenhöhe 18 m Überstrichene Rotorfläche 19,6 m2 Quelle: Fortis 2010 Source: Fortis

22 TECHNIK Vermessene Leistungskurve (hier vom Hersteller besser vom Gutachter) kw m/s 22

23 TECHNIK Der Wirkungsgrad der Kleinwindenergieanlage Cp Leistungsbeiwert cp Der Wirkungsgrad der Anlage, je besser die Anlage umso näher liegt der cp-wert am maximal möglichen Wert von 0,59 (Betzsches Gesetz nach A.Betz, Göttingen1919) 23

24 TECHNIK % c p 40,00 Relative Häufigkeit der Windgeschwindigkeiten in Messhöhe 10m 0,45 35,00 0,4 30,00 0,35 25,00 0,3 0,25 20,00 c p Fortis Montana 3,3 kw (11 m/s) 0,2 15,00 0,15 10,00 0,1 5,00 0,05 0, m/s 24

25 TECHNIK % c p 0,600 0,45 Relative Häufigkeit der Windgeschwindigkeiten in Nabenhöhe 24 m 0,4 0,500 0,35 0,400 0,3 0,25 0,300 c p Fortis Montana 3,3 kw (11 m/s) 0,2 0,200 0,15 0,1 0,100 0,05 0, m/s 25

26 TECHNIK Energie nach Windpotenzialabschätzung für den Standort im Jahr m Nabenhöhe 24 m Nabenhöhe Windanlage 5000 am Standort kwh/a Windanlage 5000 am Standort kwh/a Jahresenergie Ertrag (theoretisch) Abschlag Strömungsenergie Wind (meteorologisch) 15,0 % 189 Betriebsausfälle (h B) 3,5 % 44 Jahresenergie Ertrag (theoretisch) Abschlag Strömungsenergie Wind (meteorologisch) 15,0 % 412 Betriebsausfälle (h B) 3,5 % 96 Lager Verluste (h L) 0,4 % 5 Lager Verluste (h L) 0,4 % 11 Getriebe Verluste (h Getr) 2,8 % 35 Getriebe Verluste (h Getr) 2,8 % 77 Generator Verluste (H Gen) 3,5 % 44 Frequenzkonverter (Umrichter) (h Umr) 2,5 % 32 Generator Verluste (H Gen) 3,5 % 96 Frequenzkonverter (Umrichter) (h Umr) 2,5 % 69 Jahresenergie-Ertrag (Prognose) 911 Jahresenergie-Ertrag (Prognose)

27 WIRTSCHAFTLICHKEIT Nach heutigem Stand der gesetzlichen Förderung Deckung des Eigenbedarfs 1. Eigenbedarfsdeckung: Bei Kleinverbrauchern Strompreis etwa 24 ct/kwh (ohne HT/NT) 2. EEG 2009 die ersten 5 Jahre 9,2 ct/kwh Einspeisungvergütung danach 5,02 ct/kwh (Förderhöchstdauer 20 Jahre) 27

28 WIRTSCHAFTLICHKEIT kalkulatorische Erträge aus vermiedenen Strombezugskosten". Eigennutzungsanteil ist abhängig vom Mengenverhältnis zwischen Windstromproduktion und Strombedarf, vor allem aber von der zeitlichen Übereinstimmung dieser Größen Man muss die Windenergieanlage so dimensionieren, dass sie im Laufe eines durchschnittlichen Jahres soviel elektrische Energie bereitstellen kann, wie im Haushalt in der Summe verbraucht wird (Quotient "Produktion / Eigenverbrauch" ist 1). so können 40% des erzeugten Windstroms selbst genutzt werden IWES, Kassel abgerufen am IWES, Kassel abgerufen am

29 WIRTSCHAFTLICHKEIT Selbstversorgungsgrad sagt aus, zu welchem Anteil der Strombedarf des Betreibers durch die Energielieferung der WEA gedeckt wird. Ebenso wie der zuvor beschriebene Quotienten (Energielieferung WEA / Eigenverbrauch). Erst ab einer WEA-Jahresstromproduktion, die das Fünffache des Eigenverbrauchs beträgt, kann der Jahreseigenverbrauch zu 60 Prozent und mehr durch die WEA gedeckt werden. Dann müssen aber über 85 Prozent des Windstroms anderweitig genutzt bzw. in andere Netze eingespeist werden. IWES, Kassel abgerufen am IWES, Kassel abgerufen am

30 WIRTSCHAFTLICHKEIT Anschaffungskosten Beschreibung EUR Windturbine 5,6 kw Mast 24 m, abgespannt Umrichter 5KW Fundament, Lieferung und Installation Telefonat mit Aerocraft, Herrn Stelling am

31 WIRTSCHAFTLICHKEIT Abschreibung der Anlage Beschreibung EUR Kosten Jahreszinssatz 5,0% Nutzungsdauer in Jahren 20 31

32 WIRTSCHAFTLICHKEIT Kalkulation Kleinwindenergieanlagen KWEA Montana 14 m/s 11 m/s Nennleistung 5,6 3,3kW Rotordurchmesser Durschnittliche Windgeschw. 5m 3,6m/s Ertrag pro m 2 101kWh/m 2 /a Überstrichene Rotorfläche 19,63m 2 Flächenspezifische Leistung 285,21 168W/m2 KWEA inkl. Installation Betriebskosten und Wartung 20845EUR Versicherung 1,0% 0,02EUR/kWh Strompreis 2011 EON 0,21EUR/kWh Zinssatz 5,0% Ertrag aus vermiedenen Strombezugskosten Jahresenergieertrag 1984kWh/a Inflationsrate 2,0% Stromertrag 416,64EUR/a Steigerung Energiekosten 4,0% Jahr Reparaturen Versicherung Afa Restwert Zinsen Erträge Strom Ergebnis Kosten /KWh 0 0,00 0,00 0, , ,25 0, ,25 0, ,68 208, , ,75 990,14 433, ,21 1, ,47 212, , ,50 938,03 450, ,73 1, ,28 216, , ,25 885,91 468, ,65 1, ,11 221, , ,00 833,80 487, ,96 1, ,95 225, , ,75 781,69 506, ,62 1, ,81 230, , ,50 729,58 527, ,60 1, ,69 234, , ,25 677,46 548, ,88 1, ,58 239, , ,00 625,35 570, ,42 0, ,49 244, , ,75 573,24 593, ,20 0, ,49 249, , ,50 521,13 616, ,25 0, ,42 254, , ,25 469,01 641, ,39 0, ,37 259, , ,00 416,90 667, ,65 0, ,34 264, , ,75 364,79 693, ,00 0, ,32 269, , ,50 312,68 721,49-953,42 0, ,33 275, , ,25 260,56 750,35-878,84 0, ,36 280, , ,00 208,45 780,36-803,24 0, ,40 286, , ,75 156,34 811,57-726,58 0, ,47 291, , ,50 104,23 844,04-648,79 0, ,56 297, , ,25 52,11 877,80-569,84 0, ,67 303, ,25 0,00 0,00 912,91-489,69 0,71 Summe 952, , , , , ,21 32

33 WIRTSCHAFTLICHKEIT Kleinwindenergieanlagen können heute noch nicht wirtschaftlich betrieben werden weil die Investitionskosten noch zu hoch sind weil an fast keinem Standort in Deutschland die dafür erforderliche Windenergieerträge (kwh/a) erreicht werden können eine angepasste Förderung von Kleinwindanlagen (etwa 19 bis 32 Cent/kWh) 1 existiert nicht und ist auch im EEG 2012 nicht vorgesehen eine Einspeisung ins öffentliche Netz ist bei einer Förderung von 8,93 Cent/kWh für die ersten 5 Jahre und danach 4,87 Cent/kWh nicht rentabel selbst durch Eigenstromerzeugung ist kein wirtschaftliche Betrieb möglich (vermiedene Strombezugskosten 21 bis 24 Cent/kWh) Wer trotzdem in dem Bereich investieren will, macht das eher aus Überzeugung er sollte wenigstens 6 Monate, besser 12 Monate Windmessungen am Standort durchführen 1 Wirtschaftlichkeit Wie steht s mit der Rendite? Nancy Dahlke, Jan Liersch, Marktübersicht KWEA, BWE,

34 DANKESCHÖN Quelle: Archiv M.Gehling 2010 Quelle: E. Hau Windkraftanlagen, 4. Aufl. Berlin Heidelberg