Wirtschaftlichkeit und technik ezro

präsentiert im Rahmen einer Veranstaltung der Energiezukunft Rosenheim

www.ezro.de

Wirtschaftlichkeit und Technik von Kleinwindenergieanlagen zur

Eigenstromversorgung

INFORMATIONSVERANSTALTUNG

„KLEINE WINDKRAFTANLAGEN“

Landratsamt Rosenheim, 10. Juli 2013

Wirtschaftlichkeit und Technik von

Kleinwindenergieanlagen

zur Eigenstromversorgung

Maria Kopfinger

C.A.R.M.E.N. e.V.

Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk

Teil der Initiative

LandSchafftEnergie 36 MitarbeiterInnen

Koordinierungsstelle für Nachwachsende Rohstoffe, Erneuerbare Energien und

Energieeffizienz im ländlichen Raum

Sitz am Kompetenzzentrum

für Nachwachsende

Rohstoffe in Straubing

C.A.R.M.E.N. e.V.

C.A.R.M.E.N. e.V.

Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.

• 1992 gegründet

• Über 70 Mitglieder, 36 Mitarbeiter

• Beratung, Öffentlichkeitsarbeit und Projektarbeit in der stofflichen und

energetischen Nutzung Nachwachsender Rohstoffe und zu Erneuerbaren

Energien

• Projektbeurteilung und -begleitung im Auftrag des Bayerischen

Staatsministeriums für Landwirtschaft und Forsten

• ca. 320 Bioenergie-Projekte

• umfangreiche Informationen unter www.carmen-ev.de

C.A.R.M.E.N. e.V.

Geschäftsführung

Edmund Langer

Christian Leuchtweis (Stellv.)

Feste Brennstoffe

Biogas und Biokraftstoffe

Netzwerk Forst und Holz

Sekretariat

Margit Vogt Rita Spieth

Johanna Krembs

Nina Herrmann

Evelyn Köhler

Industrielle Nutzung

Energie vor Ort

Abteilungsleiter

Gilbert Krapf

Bernhard Pex

Christian Letalik

Sabine Hiendlmeier

Niels Alter

Melanie Zenker

Christian Schröter

Abteilungsleiter

Robert Wagner

Hubert Maierhofer

Melanie Arndt

Ulrich Kilburg

Ursula Schulte Abteilungsleiter

Dr. Bettina Schmidt

Jutta Einfeldt

N.N. Abteilungsleiter

Sebastian Kilburg, Maria Kopfinger

Abteilungsleiter

Alexander Schulze

Anke Wischnewski

Julia Günzel

Franziska Materne

Carolin Pillichshammer

Christoph Zettinig

Daniel Gampe

Wolfram Schöberl

Vanessa Sigel

Thiemo Müller

Keywan Pour-Sartip

C.A.R.M.E.N. e.V.

Aufgaben

Beratung und

Koordinierung • Biomasse

• Erneuerbare Energien

• Energieeffizienz

Begutachtung, Betreuung

und Evaluierung

einschlägiger Projekte

Technologie- und

Informationstransfer

Öffentlichkeitsarbeit • Publikationen

• Vorträge

• Veranstaltungen

5

INHALTE

1. Definition der Kleinwindkraft

2. Potentiale für

Kleinwindenergieanlagen in

Bayern

3. Bauformen

4. Wirtschaftlichkeit

5. Exkurs: Speicherung

6. Fazit

1. DEFINITION DER KLEINWINDKRAFT

Wo hört Kleinwind auf –

wo fängt Großwind an?

Bildquelle: Bundesverband Windenergie, http://www.wind-energie.de/infocenter/technik

1. DEFINITION DER KLEINWINDKRAFT

Anlagengrößen von KWEA:

• Gesamthöhe < 50 m („BImSchG-Grenze“)

• Rotorfläche < 200 m² (Rotordurchmesser < 16 m)

• Anlagenleistung < 100 kW

Leistungsklasse I Bis 5 kW Mikrowindenergieanlagen– Privatanwender und Einfamilienhäuser

– Gekoppelt ans Stromnetz oder

batteriegestütztes Inselsystem

Leistungsklasse II 5 - 30 kW Miniwindenergieanlagen – Gewerbebetriebe und Landwirtschaft

Leistungsklasse III 30 - 100 kW Mittelwindenergieanlagen– Gewerbebetriebe und Landwirtschaft

– Anschluss an Mittelspannungsnetz

Leistungsklassen von Kleinwindenergieanlagen (gemäß BWE)

2. WINDPOTENTIALE IN BAYERN

P: Leistung in Watt

ρ: Luftdichte in kg/m³ (1,225 kg/m³)

AR: durchströmte Rotorfläche in m²

vW: Windgeschwindigkeit in m/s

Bildquelle: Bayerischer Windatlas, Windgeschwindigkeiten in 10 m Höhe

Wichtige Einflussgröße:

Windgeschwindigkeit vW³

Verdoppelung der

Windgeschwindigkeit

8-fache Windleistung

2. WINDPOTENTIALE IN BAYERN

Bildquelle: Bayerischer Windatlas, Flächenverteilung der Windgeschwindigkeiten in 10 m Höhe

Auf ca. 90 % der Fläche Bayerns

herrschen Windgeschwindigkeiten

unter 3 m/s vor.

WINDPOTENTIAL AM STANDORT

H

Wind

2 H

20 H

Turbulenter

Strömungsbereich

H: Höhe des Windhindernisses

Freie Anströmbarkeit aus der Hauptwindrichtung

Turbulente Strömungen werden kaum in elektrische Energie umgewandelt.

WINDMESSUNGEN

• Flatterbandtest (um Turbulenzen festzustellen)

• Hand-Windmesser (zur groben Einschätzung des

Windenergiepotentials)

• Windmessstation (für Langzeitmessungen zur fundierten

Standortevaluierung)

ERGEBNISSE DER WINDMESSUNG

• Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit in Nabenhöhe, angegeben in m/s

• Windrichtung veranschaulicht in sog. Windrose

• Windhäufigkeitsverteilung bedeutend wegen des

überproportionalen Anstiegs

der Windleistung mit der

Geschwindigkeit

Bildquelle: Deutscher Wetterdienst

3. TECHNISCHE EIGENSCHAFTEN

• Bauformen horizontale und vertikale Rotoren

• Leistungsverhalten Anlaufgeschwindigkeit, Nennleistung und

Leistungsbegrenzung

BAUFORMEN:

HORIZONTALE ROTORACHSE

Merkmale:

Auftriebsläufer,

i.d.R. Luv-Läufer mit aktiver Windnachführung

Vorteile:

Hohe Wirkungsgrade (Leistungsbeiwert cp)

Bewährte Technik

Gutes Preis-/Leistungsverhältnis

Nachteile:

Windnachführung erforderlich

Ggf. höhere Geräuschentwicklung

BAUFORMEN:

VERTIKALE ROTORACHSE

Merkmale:

Savonius-Rotor:

Widerstandsläufer

(H-)Darrieus-Rotor:

Auftriebsläufer

Vorteile:

Unempfindlicher gegenüber

drehenden Winden

Keine Windnachführung

Nachteile:

Geringere Wirkungsgrade ( niedrigere Stromerträge!)

Begrenzte Masthöhen wegen des starken Resonanzverhaltens

Höheres Gewicht

Geringe Marktreife Bildquelle: E. Hau, Windkraftanlagen, 1996

LEISTUNGSVERHALTEN DER

KLEINWINDANLAGE

Überstrichene Rotorfläche AR,

„Winderntefläche“

Sollte möglichst groß sein

Aerodynamisch

wirksame

Rotorfläche AR

Bildquelle: Outsourceng Ltd&Co.KG, winDual

LEISTUNGSVERHALTEN DER

KLEINWINDANLAGE L

eis

tun

g (

kW

)

Windgeschwindigkeit (m/s)

Nennleistung im

relevanten

Geschwindigkeitsbereich

Leistungskurve

Leistungsbeiwert cp

4. WIRTSCHAFTLICHKEIT

EINFLUSSFAKTOREN

Voraussetzungen

HOHE STROMERTRÄGE

Windpotential am Standort

Windhöffigkeit (Jahresdurchschnitts-

geschwindigkeit in Nabenhöhe)

Windenergieanlage

- Leistungsverhalten - Rotordurchmesser

- Nennleistung

Hoher Wert des Windstroms

Eigenverbrauch vs. EEG-

Vergütung

- EEG-Einspeisevergütung für Windstrom: 8,8 ct/kWh

- Strompreise bei 25 (+ x) ct/kWh

weitere jährliche Preissteigerungen realistisch

Mehrerlös bei Eigenverbrauch des Windstroms

Ziel: Eigenverbrauch maximieren

- Nennleistung der Windanlage nur so hoch wie nötig

- Windstrom zur Deckung der Grundlast

ERLÖSE

AUS DEM ERZEUGTEN WINDSTROM

00:00:00 06:00:00 12:00:00 18:00:00 00:00:00

Str

om

bedarf

Tageslastgang Milchviehbetrieb, 3. Januar

STANDARDLASTPROFILE

IN DER LANDWIRTSCHAFT

Datenquelle: EON

Grund-

last

KOSTEN EINER

KLEINWINDKRAFTANLAGE

Investitionskosten • Technische

Anlagenkomponenten

• Zuwegung, Kranstellfläche

• Kabel, Anschlüsse

• Planung, Genehmigung

• evtl. Ausgleichsmaßnahmen

Betriebskosten • Wartung

• Versicherung

• Rücklagen

• evtl. Pacht

500 – 1.000 €

pro Jahr Bezogen auf Nennleistung:

3.000 – 7.000 €/kW

Aussagekräftiger:

Bezug auf Rotorfläche

PARAMETER DER

WIRTSCHAFTLICHKEITSBERECHNUNG

• Drei Szenarien: - 3 m/s in Nabenhöhe

- 4 m/s in Nabenhöhe

- 5 m/s in Nabenhöhe

• 3 % Strompreissteigerung

• 3 % Betriebskostenentwicklung (Inflation)

• Inbetriebnahme März 2013

• Verschiedene Eigenverbrauchsanteile:

(Eigenverbrauchsquote = Anteil des Eigenverbrauchs am selber erzeugten

Windstrom)

- 0 % Netzeinspeisung des Windstroms gegen EEG-Vergütung

- 50 % Eigenverbrauchsquote

- 75 % Eigenverbrauchsquote

- 100 % Eigenverbrauchsquote

WIRTSCHAFTLICHKEIT -

BEISPIELANLAGE

Windenergieanlage – 10 kW

Rotordurchmesser (m) 12,0

Rotorfläche (m²) 113,0

Investition (€) 70.000,00

Investitionskosten bezogen auf Leistung (€/kW) 7.000,00

Jährliche Betriebskosten (€/a) 1.000,00

Jahresstromertrag (kWh/a) bei 3 m/s 10.000

Jahresstromertrag (kWh/a) bei 4 m/s 16.000

Jahresstromertrag (kWh/a) bei 5 m/s 29.000

Ertragsdaten basierend auf dem Small Wind Turbine Yield Estimator V3.2010

(Berechnungstool für Kleinwindenergieanlagen, frei downloadbar)

AMORTISATIONSDAUER BEI 3 m/s

0,00 €

20.000,00 €

40.000,00 €

60.000,00 €

80.000,00 €

100.000,00 €

120.000,00 €

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Betriebsjahre

Break-Even-Point Amortisationsdauer

Kosten (Invest und Betrieb)

100%

75%

50%

0% (reine EEG-Vergütung)

Eigenverbrauchsquote

Eigenverbrauchsquote

Eigenverbrauchsquote

AMORTISATIONSDAUER BEI 4 m/s

0,00 €

20.000,00 €

40.000,00 €

60.000,00 €

80.000,00 €

100.000,00 €

120.000,00 €

140.000,00 €

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Betriebsjahre

Break-Even-Point Amortisationsdauer

100%

75%

50%

0% (reine EEG-Vergütung)

Kosten (Invest und Betrieb)

Eigenverbrauchsquote

Eigenverbrauchsquote

Eigenverbrauchsquote

AMORTISATIONSDAUER BEI 5 m/s

0,00 €

50.000,00 €

100.000,00 €

150.000,00 €

200.000,00 €

250.000,00 €

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Betriebsjahre

Break-Even-Point Amortisationsdauer

100%

75%

50%

0% (reine EEG-Vergütung)

Kosten (Invest und Betrieb)

Eigenverbrauchsquote

Eigenverbrauchsquote

Eigenverbrauchsquote

BEGÜNSTIGENDE FAKTOREN FÜR DIE

WIRTSCHAFTLICHKEIT

• Hohe Eigenverbrauchsquote

Der direkte Verbrauch vor Ort spart den Strombezug vom

Energieversorger.

Je weniger Strom eingespeist wird, desto höher ist der Wert des erzeugten

Windstroms.

• Höhere Strompreissteigerungen

Berechnungen basieren auf 3 % p. a.

Aber: durchschnittliche Steigerung der letzten 10 Jahre: > 5 % p. a.,

Steigerungen von 2012 auf 2013 von rund 12 %

• Höhere Windgeschwindigkeit

3. Potenz der Windgeschwindigkeit:

Verdopplung bedeutet achtfache Windleistung.

• Binnenland-Windanlage

Nennleistung schon bei niedrigen Windgeschwindigkeiten,

große aerodynamisch relevante Rotorfläche

Kleinwindkraft-Anlage

Speicher

Verbrauch

Netz

5. EXKURS SPEICHERUNG:

FUNKTIONSPRINZIP

ANSCHLUSS DES BATTERIESYSTEMS

(GLEICHSTROMSEITIG)

KWEA

Akku

Laderegler

Wechsel-

richter

Verbraucher

AC

DC

Stromzähler

– Nur eine Umwandlung ACDC

höhere Gesamtwirkungsgrade

– Meist kostengünstiger bei einer Neuanlage

– Sehr aufwändig bei vorhandenerer Anlage und

Nachrüstung

Vorteile:

Nachteil:

WIRTSCHAFTLICHKEIT

BLEI-SPEICHER - BEISPIEL

Beispiel:

– 5 kWh-Speicher (Nennkapazität)

– 50 % Nutzkapazität ( 2,5 kWh)

– Kosten: Speicher installiert ca. 500 €/kWh ca. 2.500 €

– Lebensdauer: 10 Jahre (2.000 Zyklen)

Jährlich gespeicherter Strom: 500 kWh/a

Über Lebensdauer: 5.000 kWh/10a

Betriebskosten: 0,50 €/kWh

5. FAZIT KLEINWINDENERGIEANLAGEN

Eigenen Bedarf decken

Einspeisung minimieren

Nur so groß wie nötig dimensionieren:

Nennleistung ≤ Grundlast

Unabhängigkeit von steigenden Energiepreisen

erlangen

Der wirtschaftliche Betrieb von Kleinwindanlagen

ist möglich!

Kontakt

C.A.R.M.E.N. e.V., Schulgasse 18, 94315 Straubing

Tel.: +49 (0)9421 960-300, Fax: +49 (0)9421-960-333

contact@carmen-ev.de, www.carmen-ev.de

IHRE FRAGEN ?

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