KLEINWINDKRAFTANLAGEN Eine lohnende Investition für Landwirte? Standorte Technik Wirtschaftlichkeit Vortrag für Maschinenring Harburg e.v. am 22.06.2011 Matthias Gehling Dipl.-Ing. (FH) Student M. Sc. Erneuerbare Energien Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Hamburg
INHALT Ausgangslage Energiebedarf Potenzial Windenergie Technik Wirtschaftlichkeit 2
AUSGANGSLAGE Steigende Energiekosten Wunsch: Eigenversorgung Unabhängigkeit von Energieversorgen Verbrauchernahe dezentrale Energieversorgung Umdenken nach der Katastrophe in Fukushima Umweltfreundliches Image Stetig steigendes Interesse 3
ENERGIEBEDARF WOHNEN UND LANDWIRTSCHAFT Elektrische Energie Prozesswärme, Kühlen, Pumpen, Wohngebäude [kwh] Wärmeenergie Heizen, Warmwasser [kwh] 4
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 67.505,00 Wohngebäude (6 Personen) 5.700,00 Summe 73.205,00 Quelle: e-mail Andreas Hastedt 16.06.2011 Quelle: Energieagentur NRW, http://www.ea-nrw.de/_infopool/page.asp?infoid=4106 5
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 17-19 Uhr kw h kwh Vakuumpumpe 5 1460 7.300,00 Waschautomat - Heißwasser 30 1460 43.800,00 Tränkeautomat zeitweise und Güllemixer nur gelegentlich meist Frühjahr und Herbst Kühlanlage - Milch 5 1000 5.000,00 Tränkeautomat 1,5 700 1.050,00 Güllemixer 10 365 3.650,00 Licht Geb. 1 2,5 2000 5.000,00 Licht Geb. 2 1,7 1000 1.700,00 Notbeleuchtung 0,5 10 5 Summe 67.505,00 Quelle: e-mail Andreas Hastedt 16.06.2011 6
ENERGIEBEDARF Wohngebäude 6-Personen Haushalt Verbraucher Last Jährliche Nutzungsdauer Energie Wohngebäude (3 Personen) kw h kwh Herd 1 750 750 Geschirrspüler 2 125 250 Kühl-Gefrierschrank 1,8 410 738 Kleingeräte 2 170 340 Waschmaschine 4 220 880 Trockner 4 110 440 Unterhaltung, PC 0,3 3000 900 Warmwasser (elektr.) 2 400 800 Umwälzpumpe Heizung 0,04 5300 212 Licht 0,3 1300 390 Summe 71,44 5.700,00 Quelle: VDEW, BDEW 2007, und eigene Berechnungen 7
ENERGIEBEDARF- JAHRESENERGIEBEDARF Landwirtschaftlicher Betrieb 67.505 kwh Wohnhaus 5.700 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 73.205 kwh Quelle: e-mail Andreas Hastedt 16.06.2011 Quelle: VDEW, BDEW 2007, und eigene Berechnungen 8
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). www.windmonitor.de IWES, Kassel abgerufen am 19. 06.2011 9
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
POTENZIAL WINDENERGIE Vertikale Strömungen (aufsteigende Luftmassen in Folge von Erwärmung an der Erdoberfläche) Horizontale Strömungen (Westwinde global, Wind von H zu T regional) 11
POTENZIAL WINDENERGIE Ermittlung der Energie im frei anströmenden Wind mit Anemometer Windrichtungsgeber Controller (mit Datenlogger) 12
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 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 m/s 13
POTENZIAL WINDENERGIE Rauhigkeitsklassen Rauhigkeitslängen z 0 [m] Energieindex [%] Typen von Geländeoberflächen 0 0,0002 100 Wasserflächen : Meer und Seen 0,5 0,0024 73 1 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 0,055 45 Landwirtschaftliches Gelände mit einigen Häusern und 8 m hohen Hecken im Abstand von mehr als 1 km 2 0,1 39 2,5 0,2 31 3 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 http://www.wind-energie.de/de/technik/ windscherung/rauigkeit/ vom 01.10.2010 14
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
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
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
TECHNIK Umwandlung der Windenergie durch Windenergieanlagen Windenergie ROTOR (GETRIEBE) GENERATOR Elektrische Energie 18
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 2011 19
TECHNIK Beispielanlagen Horizontalachsenrotor Vertikalachsenrotor Quelle: Proven 2010, Ropatec 2010 20
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 e-mail 30.03.2011 21
TECHNIK Vermessene Leistungskurve (hier vom Hersteller besser vom Gutachter) kw 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 m/s 22
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
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 0,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0 m/s 24
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 0,000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0 m/s 25
TECHNIK Energie nach Windpotenzialabschätzung für den Standort im Jahr 2010 10 m Nabenhöhe 24 m Nabenhöhe Windanlage 5000 am Standort kwh/a Windanlage 5000 am Standort kwh/a Jahresenergie Ertrag (theoretisch) 1.260 Abschlag Strömungsenergie Wind (meteorologisch) 15,0 % 189 Betriebsausfälle (h B) 3,5 % 44 Jahresenergie Ertrag (theoretisch) 2.745 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) 1.984 26
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
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 www.windmonitor.de IWES, Kassel abgerufen am 19. 06.2011 www.windmonitor.de IWES, Kassel abgerufen am 19. 06.2011 28
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. www.windmonitor.de IWES, Kassel abgerufen am 19. 06.2011 www.windmonitor.de IWES, Kassel abgerufen am 19. 06.2011 29
WIRTSCHAFTLICHKEIT Anschaffungskosten Beschreibung EUR Windturbine 5,6 kw 11.568 Mast 24 m, abgespannt 4.212 Umrichter 5KW 3.865 Fundament, Lieferung und Installation 1.200 Telefonat mit Aerocraft, Herrn Stelling am 20. 06.2011 20.845 30
WIRTSCHAFTLICHKEIT Abschreibung der Anlage Beschreibung EUR Kosten 20.845 Jahreszinssatz 5,0% Nutzungsdauer in Jahren 20 31
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 0,00 20.845,00 1.042,25 0,00-1.042,25 0,53 1 39,68 208,45 1042,25 19.802,75 990,14 433,31-1.847,21 1,15 2 40,47 212,62 1042,25 18.760,50 938,03 450,64-1.782,73 1,13 3 41,28 216,87 1042,25 17.718,25 885,91 468,66-1.717,65 1,10 4 42,11 221,21 1042,25 16.676,00 833,80 487,41-1.651,96 1,08 5 42,95 225,63 1042,25 15.633,75 781,69 506,91-1.585,62 1,05 6 43,81 230,15 1042,25 14.591,50 729,58 527,18-1.518,60 1,03 7 44,69 234,75 1042,25 13.549,25 677,46 548,27-1.450,88 1,01 8 45,58 239,44 1042,25 12.507,00 625,35 570,20-1.382,42 0,98 9 46,49 244,23 1042,25 11.464,75 573,24 593,01-1.313,20 0,96 10 46,49 249,12 1042,25 10.422,50 521,13 616,73-1.242,25 0,94 11 47,42 254,10 1042,25 9.380,25 469,01 641,40-1.171,39 0,91 12 48,37 259,18 1042,25 8.338,00 416,90 667,05-1.099,65 0,89 13 49,34 264,37 1042,25 7.295,75 364,79 693,74-1.027,00 0,87 14 50,32 269,65 1042,25 6.253,50 312,68 721,49-953,42 0,84 15 51,33 275,05 1042,25 5.211,25 260,56 750,35-878,84 0,82 16 52,36 280,55 1042,25 4.169,00 208,45 780,36-803,24 0,80 17 53,40 286,16 1042,25 3.126,75 156,34 811,57-726,58 0,78 18 54,47 291,88 1042,25 2.084,50 104,23 844,04-648,79 0,75 19 55,56 297,72 1042,25 1.042,25 52,11 877,80-569,84 0,73 20 56,67 303,67 1042,25 0,00 0,00 912,91-489,69 0,71 Summe 952,80 5.064,79 20.845,00 10.943,63 12.903,01-24.903,21 32
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, 2010 33
DANKESCHÖN Quelle: Archiv M.Gehling 2010 Quelle: E. Hau Windkraftanlagen, 4. Aufl. Berlin Heidelberg 2008 34