Zeitschrift EE

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2008-03: Neue Trends in der Solarthermie

Windkraft

Abbildung 1: Vertikale Windkraftanlage in Den Haag, Niederlande (Quelle: Turby)

Bei der Fachtagung „Innovative Schritte zur Autarkie“ der AEE NÖ-Wien im Juni 2008 ergab sich im Anschluss an das Referat vom Entwickler und Anwender DI Franz Zotlöterer über Kleinwindkraft eine intensive Debatte. Auch andere Organisationen (IG Windkraft, Umweltberatung, …) berichten über zahlreiche Anfragen. Da derzeit nur wenig Informationen über Kleinwindkraft (KWK) vorhanden sind und unseriöse Angebote mit überschätzten Erträgen und nicht verifizierten Angaben [IGW, n.d., WINEUR, 2007] kursieren, hat Alexander Wagner von der AEE NÖ-Wien versucht den aktuellen Stand der Forschung in diesem Bereich zu recherchieren und die Ergebnisse zusammengefasst. (n.d. ... ohne zeitliche Angabe)

Kleinwindkraft im Aufwind

Von Alexander Wagner und Michael Bockhorni*

Technik

Das derzeitige Design von KWK-Turbinen, adaptiert von Großturbinenanlagen, ist auf ein ungestörtes, turbulenzfreies Strömungsfeld optimiert. Die Erfahrung zeigt, dass KWK- Anlagen schlecht platziert werden wie z.B. in zu geringer Höhe oder hinter Hindernissen. Außerdem lassen Qualitätsprobleme wie Lärm, Vibrationen, Ausfälle, Bruch und geringe Lebensdauer diese Technik unseriös erscheinen [WINEUR, 2007]. Es besteht der Bedarf einer Qualitätssicherung in Form von Normen und Abnahmeprotokollen für Bereiche wie z.B. Leistungsmessung, Lärmemission oder Vibration. Turbulenzen, hervorgerufen durch Hindernisse, stellen hohe Anforderungen an Turbinen und vermindern die Energieerträge, im Besonderen, wenn die Turbine nicht gleich auf die Richtungsänderung des Windes reagiert. Dies ist vor allem ein Problem bei horizontalen Windkraftanlagen, weniger bei vertikalen Windkraftanlagen.

Ertrag

Noch gibt es zu wenige Daten über tatsächliche Erträge von KWK-Anlagen im verbauten Gebiet. Einerseits sind erst wenige Anlagen in Betrieb, andererseits ist es aufgrund der auftretenden Windverhältnisse, die vom Standort abhängen, nur schwer abschätzbar mit welchem Energieertrag gerechnet werden kann. Oft werden Erträge von Anlagen mit Durchschnittswindgeschwindigkeiten berechnet, wobei dieses Vorgehen verfälschte Ergebnisse liefert. Da die Geschwindigkeit zur dritten Potenz in die Leistung eingeht, besteht ein beträchtlicher Unterschied ob immer 5 m/s oder 10 und 0 m/s je zur Hälfte der Zeit auftreten. Die Häufigkeitsverteilung hat somit eine hohe Wichtigkeit. Laut Angaben von BWEA liegt die Durchschnittswindgeschwindigkeit im verbauten Gebiet in einer Höhe von 10 m zwischen 4,5 – 6 m/s. Unter Annahme einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 5,5 m/s ist ein Ertrag von ca. 150 – 400 kWh/m²/a zu rechnen [WINEUR, 2007]. Im Vergleich liefern Großturbinen 800 – 1200 kWh/m²/a. (Anm.: Die Quadratmeterangabe bezieht sich auf die projizierte Fläche, den der Rotor bei einer Umdrehung beschreibt. Diese Fläche wird auch „bestrichene Rotorfläche“ genannt.)

Abbildung 2: Vertikale Windkraftanlage (Quelle: Turby)

Wirtschaftlichkeit

Sauter et al. (2006) führten eine Wirtschaftlichkeitsberechnung mit folgenden Annahmen durch: Windturbine 7 m über Grund, durchschnittliche Windgeschwindigkeit im Stadtgebiet 2,7 – 4 m/s. Eine 1 kW- Anlage produziert somit an diesem Standort 130 – 1000 kWh pro Jahr. Im Vergleich produziert eine 1,5 kW- Anlage am gleichen Standort 420 – 1700 kWh pro Jahr. Das Ergebnis der Untersuchung brachte, dass solche Investitionen derzeit noch unwirtschaftlich sind. Bei KWK- Anlagen sind Volllaststunden von 300 bis 1000 Stunden realistisch (IGW). Die niedrigen Windgeschwindigkeiten im verbauten Gebiet verlangen, dass Windturbinen eine niedrige Anlaufgeschwindigkeit und eine Nennleistung bei möglichst geringer Geschwindigkeit haben sollen. Es ist aber von Vorteil, dass Anlagen auch noch bei hoher Windgeschwindigkeit arbeiten (WINEUR, 2007). Bei der Platzierung von KWK-Anlagen im verbauten Gebiet ist der Standort deshalb genau zu untersuchen. Im Normalfall gibt eine einjährige Windmessung in Nabenhöhe Aufschluss über realisierbare Erträge.

Abbildung 3: Horizontale Windkraftanlage (Quelle: Landmark)

Kosten

Die Gesamtkosten für KWK-Anlagen liegen im Bereich von 3.200 – 7.500 €/kW inkl. UST (siehe Tabelle 1). Im Vergleich kosten Fotovoltaikanlagen ca. 6.200 €/kWp inkl. UST.

Tabelle 1: Gesamtkosten für KWK- Anlagen

 
Vertikal-turbinen
Horizontal-turbinen
Allgemein
Quelle
Kosten
[€/kW]
3.200
3.600
 
Daum (2007)
3.300 - 7.500
2.900 - 3.900
 
WINEUR (2007)
 
 
3.000 - 6.000
BWEA

Abbildung 4: Vertikale Windkraftanlage der Firma Ropatec (Quelle: Ropatec)

Referenzanlagen, Erfahrungen

Bis Dezember 2006 wurden 56 KWK-Anlagen in Holland und 150 KWK-Anlagen in England installiert [WINEUR, 2007.
In einem laufenden Projekt werden die Energieerträge von 23 Kleinwindkraftanlagen (600-1.000 W) aufgezeichnet; Projektabschluss und -präsentation erfolgt im Jänner 2009 [Encraft, 2007].
Die Firma Fortis Wind Energy gibt aktuelle Ertragsmessdaten ihrer Turbinen bekannt (Fortis Wind Energy, 2008).
Zotlöterer (2008) hat die Turbinen auf die vorherrschende Durchschnittsgeschwindigkeit optimiert: Nennleistung, Rotordesign, Rotorfläche, Anlaufgeschwindigkeit.

Tabelle 2: Erhobene Anlagen. Alle Kosten inkl. UST
HWKA: Horizontale Windkraftanlage, VWKA: Vertikal Windkraftanlage

Anlagentyp
PN [W]
Ertrag
[kWh/a]
Bemerkung
Quelle
HWKA
2.500
400
Problem mit Schattenwurf und Lärm
IGW
HWKA
9.500
8.000 – 10.000
Turbine in 30 m Höhe, 30 m von Haus entfernt, keine Problem, Gesamtkosten ca. € 70.000
IGW
HWKA
400
300
 
Wiwema Windtechnik
HWKA, Proven
6.000
4.900
Turbine in 26 m Höhe, Gesamtkosten € 37.000
Hockerton Housing Project
HWKA, Iskra
5.000
5.000
Turbine in 26 m Höhe, Gesamtkosten € 33.000
Hockerton Housing Project
VWKA
900
370
wenig effizient; schwer (150 kg) und deshalb teuer aufgrund von Materialkosten; verursacht hohe Vibrationen im Mast; sehr geringe Anlaufgeschwindigkeit (2 m/s); aufgrund Masse wenig Einfluss von Windböen bzw. Turbulenzen- dreht sich konstant weiter; sehr leise
Zotlöterer (2008)
HWKA
1.000
2.000
5,2 m Rotordurchmesser; 15 kg, Startgeschwindigkeit 2,2 m/s; Einspeisung noch bis 1,5 m/s; Nennleistung bei 6 m/s; geringe Lärmemission
Zotlöterer (2008)

Recht

Obwohl die Bewilligung von Anlagen rechtlich geklärt ist, sind diese Aufgrund von Akzeptanz und geringer Erfahrung schwierig durchzusetzen. In Bezug auf Akzeptanzprobleme werden Reflexion, Schattenwurf, Lärm, Sicherheit und visueller Aspekt genannt [WINEUR, 2007].

Ausblick

Aufgrund weiterführender Forschung sind Szenarien zur Abschätzung des möglichen Potentials von KWK-Anlagen bei Verbesserung verschiedener Faktoren (Turbinendesign, Standortwahl, etc.) zu erwarten.

Links:
www.kleine-windkraft.at
www.aee.at/now unter Menü „Themen“, dann „Wind“ bzw.
http://www.aee.or.at/aee-noe-wien/themen.php?menu=1&gruppe=7&untergr=0

Referenz

  • BWEA British Wind Energy Association (n.d.) Small Wind Systems [WWW]. http://www.bwea.com/small/index.html (01/08/2008)
  • Daum, J. (2007) Vertikale Windenergieanlagen- Einsatzmöglichkeiten und Wirtschaftlichkeit. Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH (Ifeu)
  • Encraft (2007) Microwind – a catalyst for change in the UK energy culture? [WWW]. http://www.warwickwindtrials.org.uk/8.html [06/08/2008]
  • Fortis Wind Energy (2008) Gemessene Leistungsdaten [WWW]. http://www.fortiswindenergy.us/Alize/Trumansburg_Alize_power_vs_wind.pdf, http://www.fortiswindenergy.com/news/schoondijke-test-trials [11/08/2008]
  • Hockerton Housing Project (n.d.) Data Monitoring [WWW]. http://www.hockertonhousingproject.org.uk/SEFS/ID.1369/SEFE/ViewItem.asp [01/08/2008]
  • IGW - Interessensgemeinschaft Windkraft (n.d.), Kleine Windkraft [WWW]. http://igwindkraft.at/index.php?xmlval_ID_KEY[0]=1050 [01/08/2008]
  • Sauter et. al. (2006) Economic Analysis of Microgeneration Deployment Models. Economic and Social Research Council (ESRC)
  • Wewima Windtechnik (n.d.) Jahreserträge unserer Kleinwindkraftanlage [WWW]. http://home.arcor.de/wewima-windtechnik/html/ertrag.html (01/08/2008)
  • WINEUR (2007) Urban Wind Turbines, Guidelines for Small Wind Turbines in the Built Environment [WWW]. http://www.urban-wind.org/pdf/SMALL_WIND_TURBINES_GUIDE_final.pdf [04/08/2008]

*)Alexander Wagner ist bei der AEE NÖ-Wien für die Bereiche Projektleitung und Energieberatung zuständig, This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. , www.aee.at/now
Michael Bockhorni ist bei der AEE NÖ-Wien für die Bereiche Forschung, Consulting und Marketing zuständig, This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. , www.aee.at/now [^]

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