Kleine Windenergieanlagen - Technik und Wirtschaftlichkeit Foto:Braun Windturbinen Gmbh Foto:AIRCON Gmbh Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.v. BioEnergy decentral, 14.11.2012, Hannover Kleine Windenergieanlagen Walter Eggersglüß Abt.2/Energieberatung 1
Kleine und große Windenergieanlagen WEA der Kilowatt Klasse >>> KWEA 2
Leistungsberechnung für Windkraftanlagen P = c p * ½ r * A R * v W ³ c p = Leistungsbeiwert (max. 0,59) r = Luftdichte in kg/m³ A R = durchströmte Rotorfläche in m² v w = Windgeschwindigkeit in m/s Turbulenzen vor und hinter Windhindernissen WEA können nur laminare Strömung nutzen 3
Leistung in kw mittlere Windg.in m/s Zunahme des Windangebotes mit der Änderung der Nabenhöhe H e l l m a n n - F a k t o r alpha : 0,25 mittlere Referenzhöhe: 100 m Windgeschw.: 5,50 m/s Nabenhöhe : 98 m >>>>>>>>>>>> 5,47 m/s 138 m >>>>>>>>>>>> 5,96 m/s Höhen 10 m 3,09 m/s 20 m 3,68 m/s 30 m 4,07 m/s 40 m 4,37 m/s 50 m 4,62 m/s 60 m 4,84 m/s 70 m 5,03 m/s 80 m 5,20 m/s 90 m 5,36 m/s 100 m 5,50 m/s 110 m 5,63 m/s 120 m 5,76 m/s 130 m 5,87 m/s 140 m 5,98 m/s 150 m 6,09 m/s 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Windgeschwindigkeitsänderung mit der Höhe bei Hellmann-Faktor 0,25 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Nabenhöhe in m Vergleich von WEA-Leistungskurven 7 6 5 4 3 2 1 0 KWEA-1 (6,0 kw -> 28,26 m²rfl) KWEA-2 (5,0 kw -> 13,95 m²rfl) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Wind in m/s 4
Stunden je Jahr (h/a) 1.400 Windverteilung bei 5,0 m/s 1.200 1.000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Wind in m/s 2.500 2.000 Jahresstromproduktionsvergleich WEA bei 5,0 m/s Wind-Jahresmittel KWEA-1 (11.100 kwh/a -> 1850 Vbh/a -> 394 kwh/m²a) KWEA-2 ( 6.350 kwh/a -> 1270 Vbh/a -> 455 kwh/m²a) 1.500 1.000 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 5
spez.stromprod. kwh/m² Spezifische Stromerträge von WEA bei unterschiedlichem Windangebot Auslegung etwa 200 W/m² Rotorkreisfläche 700 600 500 400 300 200 100 0 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Windmittel in Nabenhöhe m/s Fraunhofer-Institute für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Excel-Programm Small Wind Turbine Yield Estimator 6
Windenergie und Baurecht BauGB 35 Bauen im Außenbereich (1) Im Außenbereich ist ein Vorhaben nur zulässig, wenn öffentliche Belange nicht entgegenstehen, die ausreichende Erschließung gesichert ist wenn es und 1. einem land- oder forstwirtschaftlichen Betrieb dient und nur einen untergeordneten Teil der Betriebsfläche einnimmt, 2. Sonstige Vorhaben können im Einzelfall zugelassen werden, wenn ihre Ausführung oder Benutzung öffentliche Belange nicht beeinträchtigt und die Erschließung gesichert ist. Windenergie und Baurecht WEA dient landwirtschaftlichem Betrieb, wenn nachgewiesen wird, dass Windstrom überwiegend dem privilegiertem Vorhaben zugute kommt. Raumbedeutsamkeit wird geprüft Optische Zuordnung zum Betrieb, da Nebenanlage Nebenanlagen i.d.regel bis 70m Gesamthöhe möglich Einzelanlagen bis 30m Gesamthöhe allgemein möglich Technische Nachweise sind immer erforderlich Zertifizierung bietet gute Grundlage 7
Entscheidungshilfen Standortprüfung auf Windangebot u. Genehmigungsfähigkeit Ermittlung der Jahresproduktion auf den Standort bezogen Hersteller bietet garantierte Leistungskurve Versicherbarkeit und Wartungsvertrag klären Anbieter macht Komplettangebot (schlüsselfertig) Nachlässe bei Eigenleistungen eindeutig festlegen Referenzen befragen Rentabilität bei vorhandenen Randbedingungen prüfen 55-kW-VESTAS Windenergieanlage Hansen, Cecilienkoog Pilotprojekt, betreut von der Landwirtschaftskammer / errichtet Oktober 1983 / 1.VESTAS in D 175.000 Betriebstunden / 3.000.000 kwh Stromproduktion in 29 Jahren Betrieb 8
Wirtschaftlichkeit kleiner Windenergieanlagen Foto:Braun Windturbinen Gmbh BioEnergy decentral, 14.11.2012, Hannover Foto:AIRCON Gmbh Inhalt Investitionsbedarf und Betriebskosten für kleine Windenergieanlagen Stromgestehungskosten in Abhängigkeit vom Standort Stromeinspeisung gemäß EEG Eigenverbrauch Wirtschaftlichkeit in Abhängigkeit von Standort und Eigenverbrauchsanteil 9
Vergleich des Investitionsbedarfs unterschiedlicher Leistungsklassen in Bezug auf Nennleistung und Rotorfläche (Anlagen mit Horizontalachse) Kennwert Einheit Nennleistung [kw] 5 10 >10 20 >20 30 Stichprobe Stück 16 7 5 Überstrichene Rotorfläche Nennleistung bezogen auf die überstrichene Rotorfläche Höhe bis Rotormitte Investitionsbedarf bezogen auf m² 15 50 40 78 108 133 W/m² 156 545 140 323 165 233 m 7,5 24,0 13,4 24,0 18,0 24,0 die Nennleistung /kw 2.600 9.200 1.902 4.182 2.283 4.000 die überstrichene Rotorfläche /m² 719 2.727 510 1.162 521 923 Annahmen Modellkalkulation Nutzungsdauer: 20 Jahre Zinssatz: 4 % Betriebskosten Kosten für Wartung, Reparaturen, Versicherung und Verwaltung Für die hier betrachteten Anlagenklassen liegen keine langjährigen Auswertungen vor Befragung von Herstellern hat im Mittel einen Betriebskostenaufwand von 55 /kw und Jahr ergeben Eine Größendegression bezogen auf die installierte Leistung ist aus den vorhandenen Daten nicht ableitbar 10
Modellanlagen Anlagekosten Nennleistung Investitionsbedarf Abschreibung Zinsansatz Betriebskosten gesamt [kw] /kw /a /a /a /a /kw 28 m² Rotorfläche, 15 m Nabenhöhe 65 m² Rotorfläche; 19,5 m Nabenhöhe 126 m² Rotorfläche, 21,6 m Nabenhöhe 7,5 33.750 4.500 1.688 675 413 2.775 370 15 56.250 3.750 2.813 1.125 825 4.763 318 25 81.250 3.250 4.063 1.625 1375 7.063 283 Ø Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe [m/s]: 3 4 5 6 Quelle: DWD 11
Stromgestehungskosten Merkmal Einheit Nennleistung [kw] 7,5 15 25 Sehr guter Standort Mittlere Windgeschw. m/s 6,0 6,3 6,5 Spez. Stromertrag kwh/m² A R 500 555 575 Jahresstromproduktion kwh/a 14.000 36.075 72.450 Spez. Investitionsbedarf 2,41 1,56 1,12 Stromgestehungskosten ct/kwh 19,82 13,20 9,75 Mittlerer Standort Mittlere Windgeschw. m/s 5,0 5,3 5,4 Spez. Stromertrag kwh/m² A R 335 380 402 Jahresstromproduktion kwh/a 9.380 24.700 50.652 Spez. Investitionsbedarf 3,60 2,28 1,60 Stromgestehungskosten ct/kwh 29,58 19,28 13,94 Sehr schwacher Standort Mittlere Windgeschw. m/s 4,0 4,2 4,3 Spez. Stromertrag kwh/m² A R 185 220 235 Jahresstromproduktion kwh/a 5.180 14.300 29.610 Spez. Investitionsbedarf 6,52 3,93 2,74 Stromgestehungskosten ct/kwh 53,57 33,31 23,85 Windenergieanlagen im EEG Grundvergütung 4,87 Ct/kWh (Inbetriebnahme 2012) Anfangsvergütung 8,93 Ct/kWh (Inbetriebnahme 2012) Degression: 1,5 % ab Inbetriebnahme 2013 Zeitraum Anfangsvergütung: 5 Jahre + 2 Monate je 0,75 Prozentpunkte um den der Ertrag der Anlage 150 % des Referenzertrages unterschreitet Einzige Sonderregelung für kleine Windenergieanlagen: EEG 39 Abs. 3: Zur Berechnung des Zeitraums der Anfangsvergütung wird für Anlagen unter 50 kw ein Ertrag in Höhe von 60 % des Referenzertrages festgesetzt. Anfangsvergütung wird für die gesamte Vergütungsdauer von 20 Jahren gezahlt. 12
Zwischenfazit Einspeisung gemäß EEG auch bei sehr gutem Standort unwirtschaftlich Substitution des zugekauften Stroms (z.b. 20 ct/kwh) statt Einspeisung (8,93 ct/kwh) Mit hohen Eigenverbrauchsanteilen ist ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb möglich Eigennutzungsanteil in Abhängigkeit vom Verhältnis von Stromlieferung durch die Anlage und Eigenverbrauch Fraunhofer IWES, www.windmonitor.de 13
Lastgang mit hohem Eigenverbrauchspotential Uhrzeit Typischer Lastgang Schweinemastbetrieb, 2500 Plätze Quelle: AEL-Merkblatt 33 Lastgang mit geringem Eigenverbrauchspotential AMS? Uhrzeit Typischer Lastgang in der Milchviehhaltung Quelle: AEL-Merkblatt 33 14
Geeignetes Verhältnis Nennlast Anlage Grundlast Betrieb Quelle: Eggersglüß, LWK Schleswig-Holstein Wirtschaftlichkeit in Abhängigkeit vom Eigenverbrauchsanteil bei mittleren Standortbedingungen (V W 5-5,4 m/s) 15
Wirtschaftlichkeit in Abhängigkeit vom Eigenverbrauchsanteil bei sehr guten Standortbedingungen(V W 6-6,5 m/s) Wirtschaftlichkeit in Abhängigkeit vom Eigenverbrauchsanteil bei sehr guten Standortbedingungen und einer jährliche Steigerung des Strompreises sowie der Betriebskosten um 2% 16
Fazit Die Stromgestehungskosten liegen in allen betrachteten Modellvarianten über dem EEG-Vergütungssatz Ein positives Betriebsergebnis ist nur bei guten Standorten und hohen Eigenverbrauchsanteilen zu erreichen Steigende Strompreise verbessern die Wirtschaftlichkeit bei Eigenverbrauch Die Anlagengröße sollte an das Lastprofil des Betriebes angepasst werden, um einen hohen Eigenverbrauchsanteil zu gewährleisten, optimalerweise unter Berücksichtigung der Leistungskurve der Anlage und der Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten am Standort Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Walter Eggersglüß LWK Schleswig-Holstein, Henning Eckel und Stefan Hartmann KTBL e.v. 17