wirtschaftlichkeit und technik ezro
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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 ?
www.ezro.de
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