Wirtschaftlichkeit und Technik von
Kleinwindenergieanlagen zur
Eigenstromversorgung
präsentiert im Rahmen einer Veranstalt...
INFORMATIONSVERANSTALTUNG
„KLEINE WINDKRAFTANLAGEN“
Landratsamt Rosenheim, 10. Juli 2013

Wirtschaftlichkeit und Technik v...
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Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk
Koordinierungsstelle für Nachwachsende Rohstof...
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Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.

• 1992 gegründet
• Über 70 Mitglieder, 3...
C.A.R.M.E.N. e.V.
Geschäftsführung
Edmund Langer
Christian Leuchtweis (Stellv.)
Feste Brennstoffe
Abteilungsleiter
Gilbert...
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Beratung und
Koordinierung
•
•
•

Biomasse
Erneuerbare Energien
Energieeffizienz

Aufgaben

Begutachtun...
INHALTE
1. Definition der Kleinwindkraft
2. Potentiale für
Kleinwindenergieanlagen in
Bayern
3. Bauformen
4. Wirtschaftlic...
1. DEFINITION DER KLEINWINDKRAFT

Wo hört Kleinwind auf –
wo fängt Großwind an?

Bildquelle: Bundesverband Windenergie, ht...
1. DEFINITION DER KLEINWINDKRAFT
Anlagengrößen von KWEA:
• Gesamthöhe
< 50 m
• Rotorfläche
< 200 m²
• Anlagenleistung
< 10...
2. WINDPOTENTIALE IN BAYERN

P: Leistung in Watt
ρ: Luftdichte in kg/m³ (1,225 kg/m³)
AR: durchströmte Rotorfläche in m²
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2. WINDPOTENTIALE IN BAYERN

Auf ca. 90 % der Fläche Bayerns
herrschen Windgeschwindigkeiten
unter 3 m/s vor.

Bildquelle:...
WINDPOTENTIAL AM STANDORT
Freie Anströmbarkeit aus der Hauptwindrichtung

Wind
2H

Turbulenter
Strömungsbereich

H

20 H
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WINDMESSUNGEN
• Flatterbandtest
(um Turbulenzen festzustellen)

• Hand-Windmesser
(zur groben Einschätzung des
Windenergie...
ERGEBNISSE DER WINDMESSUNG
• Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit
in Nabenhöhe, angegeben in m/s

• Windrichtung
veranschaul...
3. TECHNISCHE EIGENSCHAFTEN

• Bauformen
horizontale und vertikale Rotoren

• Leistungsverhalten
Anlaufgeschwindigkeit, Ne...
BAUFORMEN:
HORIZONTALE ROTORACHSE
Merkmale:
Auftriebsläufer,
i.d.R. Luv-Läufer mit aktiver Windnachführung

Vorteile:
Hohe...
BAUFORMEN:
VERTIKALE ROTORACHSE
Merkmale:
Savonius-Rotor:
Widerstandsläufer
(H-)Darrieus-Rotor:
Auftriebsläufer
Vorteile:
...
LEISTUNGSVERHALTEN DER
KLEINWINDANLAGE

Überstrichene Rotorfläche AR,
„Winderntefläche“
 Sollte möglichst groß sein

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LEISTUNGSVERHALTEN DER
KLEINWINDANLAGE

Leistung (kW)

Nennleistung im
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Geschwindigkeitsbereich

Windgeschwindig...
4. WIRTSCHAFTLICHKEIT
EINFLUSSFAKTOREN
Voraussetzungen

HOHE STROMERTRÄGE

Windpotential am
Standort
Windhöffigkeit
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ERLÖSE
AUS DEM ERZEUGTEN WINDSTROM
- EEG-Einspeisevergütung für Windstrom: 8,8 ct/kWh
- Strompreise bei 25 (+ x) ct/kWh
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STANDARDLASTPROFILE
IN DER LANDWIRTSCHAFT

Strombedarf

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Grundlast
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KOSTEN EINER
KLEINWINDKRAFTANLAGE
Investitionskosten

Betriebskosten

• Technische
Anlagenkomponenten
• Zuwegung, Kranstel...
PARAMETER DER
WIRTSCHAFTLICHKEITSBERECHNUNG
• Drei Szenarien:

- 3 m/s in Nabenhöhe
- 4 m/s in Nabenhöhe
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WIRTSCHAFTLICHKEIT BEISPIELANLAGE
Windenergieanlage – 10 kW
Rotordurchmesser (m)

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Rotorfläche (m²)

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AMORTISATIONSDAUER BEI 3 m/s
Break-Even-Point
Amortisationsdauer

120.000,00 €
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Kosten (Invest und Betrieb)

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AMORTISATIONSDAUER BEI 4 m/s
Break-Even-Point
Amortisationsdauer

140.000,00 €
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100% Eigenverbrauchsquote

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AMORTISATIONSDAUER BEI 5 m/s
Break-Even-Point
Amortisationsdauer

250.000,00 €

200.000,00 €
100% Eigenverbrauchsquote
75%...
BEGÜNSTIGENDE FAKTOREN FÜR DIE
WIRTSCHAFTLICHKEIT
• Hohe Eigenverbrauchsquote
Der direkte Verbrauch vor Ort spart den Stro...
5. EXKURS SPEICHERUNG:
FUNKTIONSPRINZIP

Kleinwindkraft-Anlage
Speicher

Verbrauch

Netz
ANSCHLUSS DES BATTERIESYSTEMS
(GLEICHSTROMSEITIG)
KWEA

Verbraucher

Wechselrichter

Laderegler

Stromzähler

Vorteile: – ...
WIRTSCHAFTLICHKEIT
BLEI-SPEICHER - BEISPIEL
Beispiel:
–
–
–
–

5 kWh-Speicher (Nennkapazität)
50 % Nutzkapazität ( 2,5 kW...
5. FAZIT KLEINWINDENERGIEANLAGEN
 Eigenen Bedarf decken
 Einspeisung minimieren
 Nur so groß wie nötig dimensionieren:
...
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  1. 1. Wirtschaftlichkeit und Technik von Kleinwindenergieanlagen zur Eigenstromversorgung präsentiert im Rahmen einer Veranstaltung der Energiezukunft Rosenheim www.ezro.de
  2. 2. 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.
  3. 3. C.A.R.M.E.N. e.V. Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk Koordinierungsstelle für Nachwachsende Rohstoffe, Erneuerbare Energien und Energieeffizienz im ländlichen Raum Sitz am Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe in Straubing 36 MitarbeiterInnen Teil der Initiative LandSchafftEnergie
  4. 4. 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
  5. 5. C.A.R.M.E.N. e.V. Geschäftsführung Edmund Langer Christian Leuchtweis (Stellv.) Feste Brennstoffe Abteilungsleiter Gilbert Krapf Bernhard Pex Christian Letalik Sabine Hiendlmeier Niels Alter Melanie Zenker Christian Schröter Biogas und Biokraftstoffe Abteilungsleiter Robert Wagner Hubert Maierhofer Melanie Arndt Ulrich Kilburg Ursula Schulte Sekretariat Margit Vogt Rita Spieth Johanna Krembs Nina Herrmann Evelyn Köhler Industrielle Nutzung Energie vor Ort Abteilungsleiter Sebastian Kilburg, Maria Kopfinger Julia Günzel Franziska Materne Carolin Pillichshammer Christoph Zettinig Daniel Gampe Wolfram Schöberl Vanessa Sigel Thiemo Müller Keywan Pour-Sartip Abteilungsleiter Dr. Bettina Schmidt Jutta Einfeldt N.N. Netzwerk Forst und Holz Abteilungsleiter Alexander Schulze Anke Wischnewski
  6. 6. C.A.R.M.E.N. e.V. Beratung und Koordinierung • • • Biomasse Erneuerbare Energien Energieeffizienz Aufgaben Begutachtung, Betreuung und Evaluierung einschlägiger Projekte Öffentlichkeitsarbeit • Publikationen • Vorträge • Veranstaltungen Technologie- und Informationstransfer 5
  7. 7. INHALTE 1. Definition der Kleinwindkraft 2. Potentiale für Kleinwindenergieanlagen in Bayern 3. Bauformen 4. Wirtschaftlichkeit 5. Exkurs: Speicherung 6. Fazit
  8. 8. 1. DEFINITION DER KLEINWINDKRAFT Wo hört Kleinwind auf – wo fängt Großwind an? Bildquelle: Bundesverband Windenergie, http://www.wind-energie.de/infocenter/technik
  9. 9. 1. DEFINITION DER KLEINWINDKRAFT Anlagengrößen von KWEA: • Gesamthöhe < 50 m • Rotorfläche < 200 m² • Anlagenleistung < 100 kW („BImSchG-Grenze“) (Rotordurchmesser < 16 m) Leistungsklassen von Kleinwindenergieanlagen (gemäß BWE) 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
  10. 10. 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 Wichtige Einflussgröße: Windgeschwindigkeit vW³ Verdoppelung der Windgeschwindigkeit  8-fache Windleistung Bildquelle: Bayerischer Windatlas, Windgeschwindigkeiten in 10 m Höhe
  11. 11. 2. WINDPOTENTIALE IN BAYERN Auf ca. 90 % der Fläche Bayerns herrschen Windgeschwindigkeiten unter 3 m/s vor. Bildquelle: Bayerischer Windatlas, Flächenverteilung der Windgeschwindigkeiten in 10 m Höhe
  12. 12. WINDPOTENTIAL AM STANDORT Freie Anströmbarkeit aus der Hauptwindrichtung Wind 2H Turbulenter Strömungsbereich H 20 H H: Höhe des Windhindernisses Turbulente Strömungen werden kaum in elektrische Energie umgewandelt.
  13. 13. WINDMESSUNGEN • Flatterbandtest (um Turbulenzen festzustellen) • Hand-Windmesser (zur groben Einschätzung des Windenergiepotentials) • Windmessstation (für Langzeitmessungen zur fundierten Standortevaluierung)
  14. 14. 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
  15. 15. 3. TECHNISCHE EIGENSCHAFTEN • Bauformen horizontale und vertikale Rotoren • Leistungsverhalten Anlaufgeschwindigkeit, Nennleistung und Leistungsbegrenzung
  16. 16. 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
  17. 17. 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
  18. 18. LEISTUNGSVERHALTEN DER KLEINWINDANLAGE Überstrichene Rotorfläche AR, „Winderntefläche“  Sollte möglichst groß sein Bildquelle: Outsourceng Ltd&Co.KG, winDual Aerodynamisch wirksame Rotorfläche AR
  19. 19. LEISTUNGSVERHALTEN DER KLEINWINDANLAGE Leistung (kW) Nennleistung im relevanten Geschwindigkeitsbereich Windgeschwindigkeit (m/s) Leistungskurve Leistungsbeiwert cp
  20. 20. 4. WIRTSCHAFTLICHKEIT EINFLUSSFAKTOREN Voraussetzungen HOHE STROMERTRÄGE Windpotential am Standort Windhöffigkeit (Jahresdurchschnittsgeschwindigkeit in Nabenhöhe) Windenergieanlage Hoher Wert des Windstroms - Leistungsverhalten - Rotordurchmesser - Nennleistung Eigenverbrauch vs. EEGVergütung
  21. 21. ERLÖSE AUS DEM ERZEUGTEN WINDSTROM - 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
  22. 22. STANDARDLASTPROFILE IN DER LANDWIRTSCHAFT Strombedarf Tageslastgang Milchviehbetrieb, 3. Januar Grundlast 00:00:00 Datenquelle: EON 06:00:00 12:00:00 18:00:00 00:00:00
  23. 23. KOSTEN EINER KLEINWINDKRAFTANLAGE Investitionskosten Betriebskosten • Technische Anlagenkomponenten • Zuwegung, Kranstellfläche • Kabel, Anschlüsse • Planung, Genehmigung • evtl. Ausgleichsmaßnahmen • • • • Bezogen auf Nennleistung: 3.000 – 7.000 €/kW Aussagekräftiger: Bezug auf Rotorfläche Wartung Versicherung Rücklagen evtl. Pacht 500 – 1.000 € pro Jahr
  24. 24. 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
  25. 25. 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)
  26. 26. AMORTISATIONSDAUER BEI 3 m/s Break-Even-Point Amortisationsdauer 120.000,00 € 100.000,00 € Kosten (Invest und Betrieb) 80.000,00 € 100% Eigenverbrauchsquote 75% Eigenverbrauchsquote 60.000,00 € 50% Eigenverbrauchsquote 0% (reine EEG-Vergütung) 40.000,00 € 20.000,00 € 0,00 € 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Betriebsjahre
  27. 27. AMORTISATIONSDAUER BEI 4 m/s Break-Even-Point Amortisationsdauer 140.000,00 € 120.000,00 € 100% Eigenverbrauchsquote 100.000,00 € 75% Eigenverbrauchsquote 80.000,00 € 50% Eigenverbrauchsquote 0% (reine EEG-Vergütung) 60.000,00 € Kosten (Invest und Betrieb) 40.000,00 € 20.000,00 € 0,00 € 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Betriebsjahre
  28. 28. AMORTISATIONSDAUER BEI 5 m/s Break-Even-Point Amortisationsdauer 250.000,00 € 200.000,00 € 100% Eigenverbrauchsquote 75% Eigenverbrauchsquote 150.000,00 € 50% Eigenverbrauchsquote 0% (reine EEG-Vergütung) 100.000,00 € Kosten (Invest und Betrieb) 50.000,00 € 0,00 € 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Betriebsjahre
  29. 29. 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
  30. 30. 5. EXKURS SPEICHERUNG: FUNKTIONSPRINZIP Kleinwindkraft-Anlage Speicher Verbrauch Netz
  31. 31. ANSCHLUSS DES BATTERIESYSTEMS (GLEICHSTROMSEITIG) KWEA Verbraucher Wechselrichter Laderegler Stromzähler Vorteile: – Nur eine Umwandlung ACDC  höhere Gesamtwirkungsgrade – Meist kostengünstiger bei einer Neuanlage Akku DC AC Nachteil: – Sehr aufwändig bei vorhandenerer Anlage und Nachrüstung
  32. 32. 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
  33. 33. 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!
  34. 34. IHRE FRAGEN ? 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
  35. 35. www.ezro.de

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