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Kleinwindanlagen. Rentable Energiegewinnung für Haushalte und Gewerbe?

Facharbeit (Schule) 2015 32 Seiten

Physik - Angewandte Physik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Kooperation mit der Sideka Solartechnik GmbH

2 technische Grundlagen
2.1 Windkraft im Allgemeinen
2.1.1 Aufbau und Funktion einer Windkraftanlage
2.1.2 Messen und Berechnen der Windgeschwindigkeit . .
2.1.3 Leistungsberechnung
2.2 Kleinwindanlagen
2.2.1 Konstruktionsformen
2.2.2 Standortfaktoren
2.2.3 Netzeinspeisung

3 wirtschaftliche Betrachtung
3.1 aktuelle Marktsituation
3.1.1 Unternehmen der Kleinwindbranche
3.1.2 aktuelle Preise
3.2 Vorgaben durch Bauordnung und Genehmigungsrecht
3.3 Stand der Einspeisevergütung
3.3.1 Belastung des Eigenverbrauchs mit anteiliger EEG-Umlage
3.3.2 Einspeisetarife
3.3.3 Meldepflichten für zentrale Datenerfassung
3.4 Einschätzung der aktuellen Marktsituation

4 Standortanalyse durch Windmessung
4.1 Ablauf des Versuchs
4.2 Auswertung der Datensätze
4.3 Fehleranalyse

5 resultierende Handlungsempfehlung für die Sideka Solartechnik

Abbildungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

Anhang

1 Einleitung

In der heutigen Zeit ist der Klimawandel allgegenwärtig. Durch die Zerstörung der Ozon- schicht steigen die Temperaturen an, sodass Gletscher schmelzen und die Meeresspiegel stei- gen. Diese Probleme sind vom Menschen geschaffen und werden vor allem durch Schadstoff- Emissionen ausgelöst. Der Abbau dieser hat weltweit eine hohe Priorität(vgl. Nai14) und soll unter anderem durch den Ausbau erneuerbarer Energien realisiert werden, da die Erzeugung von Elektrizität und Wärme den größten Anteil an den weltweiten Emissionen haben(vgl. sta12). Im Vergleich der CO2-Emissionen einzelner Arten von Energiegewinnung (siehe Ab- bildung .1) ist zu erkennen, dass, neben der Atomkraft, vor allem die erneuerbaren Energien Wind- und Wasserkraft sehr geringe Werte aufweisen, wodurch ihre wichtige Rolle im Kampf gegen den Klimawandel verdeutlicht wird. Dieser ist jedoch nicht ausschließlich ein globa- les oder nationales Problem. Auch private Haushalte oder Unternehmen können ihn aktiv beeinflussen. Im Optimalfall kann so eine Energieautarkie1 erreicht werden, welche sowohl finanzielle als auch ökologische Vorteile mit sich bringt. Für eine solche Selbstversorgung las- sen sich allerdings nicht alle Energiequellen nutzen, da sowohl Platz, Fachwissen und Budget meist limitiert sind.

Seit 2004 hat in Deutschland besonders die Photovoltaikanlage durch eine enorm staatlich geförderte Einspeisevergütung an Bekanntheit als rentable Investition für Haushalte und Gewerbe gewonnen. Es gibt jedoch auch Alternativen zur Solarenergie, welche zwar technisch noch nicht voll ausgereift sind, aber dennoch Potenzial haben.

Eine dieser möglichen Alternativen ist die Kleinwindanlage. Windkraft kennt jeder aus großen Windparks an Land und auf dem Meer, wo Anlagen die kinetische Energie des Windes in Strom umwandeln. Dieses Prinzip lässt sich auch zuhause im Kleinen anwenden. Die Branche der sogenannten Kleinwindanlagen ist noch jung und besitzt bisher auch nur verhältnismä- ßig geringe Anteile an der Stromversorgung, dennoch bietet sie viele Möglichkeiten. Diese möchte ich in meiner Arbeit erläutern, um die zukünftigen Chancen der ”WindkraftfürZu- hause“ besser einschätzen zu können. Dabei werde ich sowohl auf die technische als auch wirtschaftliche Sichtweise eingehen und eine mögliche Anlage auf ihren Ertrag testen.

1.1 Kooperation mit der Sideka Solartechnik GmbH

Bei der Erarbeitung meiner Ergebnisse werde ich von der Sideka Solartechnik GmbH in Ibbenbüren unterstützt. Der mittelständische Fachbetrieb für Photovoltaik sowie Energie- und Gebäudetechnik übernimmt von der Konzepterstellung bis zur Inbetriebnahme und Wartung die gesamte Abwicklung von Projekten dieser Bereiche. Aus diesem Grund konnte ich durch kompetente fachliche Beratung unterstützt werden, welche meist in Gesprächen mit dem Geschäftsführer und der kaufmännischen Abteilung erfolgte. So ließ sich schnell ein Konzept für die Arbeit erstellen, um die offenen Fragen und Interessen des Unternehmens ausführlich in die Arbeit mit einfließen lassen zu können.

Zusätzlich zur Beratung übernahm die Sideka Solartechnik finanzielle Kosten, sodass mir, neben der Beschaffung von Informationsmaterial, auch die Durchführung einer Windmessung und somit eine Anwendung der Theorie im Praxisversuch ermöglicht wurde. Bei diesem erhielt ich Hilfe vom Baustellenleiter Norbert Meyer, welcher die Verkabelung und Montage übernahm. (siehe Kapitel 4)

Meine Facharbeit soll dem Unternehmen den Markt der Kleinwindanlagen näher erörtern und eventuelle Möglichkeiten aufzeigen. Aufbauend auf meinen Ergebnissen und der Auswertung des Versuchs werde ich eine abschließende Handelsempfehlung abgeben.

2 technische Grundlagen

2.1 Windkraft im Allgemeinen

2.1.1 Aufbau und Funktion einer Windkraftanlage

Der physikalische Grundgedanke ist bei allen Windkraftanlagen identisch: Sie sollen die im Wind enthaltene kinetische Energie möglichst effektiv in elektrische Energie umwandeln. Dies geschieht mit einem Rotor, dessen Blätter sich im Wind drehen und ihre Rotationsenergie über eine Welle an den Generator übertragen, welcher diese in elektrischen Strom umwandelt. Die Drehbewegung des Rotors entsteht dadurch, dass der Wind an der flachen Vorderseite der Flügel schneller strömt als an der gekrümmten Rückseite (vgl. Hoc07, S. 7) und somit einen Auftrieb erzeugt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Aufbau einer Windkraftanlage1

Neben dem Rotor und dem Generator gibt es noch weitere wichtige Bestandteile der Anla- gen. So befindet sich meist ein Getriebe zwischen Rotor und Generator, um auch bei höheren Windgeschwindigkeiten die Drehzahl des Generator konstant zu halten. Zudem gibt es eine Bremse, um den Rotor zu stoppen oder bei zu hohen Geschwindigkeiten die Drehzahl zu be- grenzen. Dies geschieht meist bei circa 90 km/h (Bro14). Im Rotor und am Kopf des Turms befinden sich Motoren, die über Getriebe sowohl die Rotorblätter als auch die gesamte Gon- del der Windrichtung anpassen können. Gesteuert werden sie über Messgeräte oberhalb der Gondel. Damit ausreichend schnelle und gleichmäßige Windströmungen erreicht werden, ist die Gondel auf einem Turm befestigt, welcher bei modernen Anlagen eine Höhe von über 100 m erreichen kann. In seinem Inneren befinden sich ein Wartungsaufstieg sowie die Netzlei- tungen für den Generator. Mit dem Boden verankert sind die Anlagen über ein Fundament, welches auch bei hohen Windgeschwindigkeiten Standfestigkeit garantiert.

2.1.2 Messen und Berechnen der Windgeschwindigkeit

Treffen ein Hoch- und ein Tiefdruckgebiet aufeinander, kommt Luft in Bewegung um die entstandenen Druckunterschiede auszugleichen. Diese Luftströmungen finden jederzeit in der Erdatmosphäre statt und werden von uns als ”Wind“wahrgenommen.NebendieserDruck- gradientkraft2 wirken sich jedoch auch andere Faktoren und Kräfte auf Windstärke und -richtung aus. Auf der globalen Ebene hat die Corioliskraft3 einen sehr großen Einfluss und bestimmt z. B. die Richtung der Passatwinde, lokal wirkt sich aber vor allem das Land- schaftsbild auf den Wind aus. So sind weite Ebenen, Hügelketten, die Küste oder das Meer frei von Störfaktoren, wie zum Beispiel hohe Bäume oder Gebäude, die den Wind bremsen oder verwirbeln könnten. Der Ertrag einer Windkraftanlage hängt fast ausschließlich von der im Wind enthaltenen kinetischen Energie ab. Deshalb ist es unumgänglich vor dem Errichten einer Anlage die herrschenden Windgeschwindigkeiten zu berechnen. Für die Messung in

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Schalenkreuzanemometer4

einer Referenzhöhe werden meist Anemometer verwendet. Diese sind in verschiedensten Ausführungen recht kostengünstig erhältlich und liefern ausreichend genaue Ergebnisse, welche sich durch langfristige Messungen weiter optimieren lassen (vgl. Hoc07, Seite 6).

Um aus erhaltenen Messwerten ein Profil von Höhe und Geschwindigkeit des Windes erstellen zu können, wird der Referenzwert mithilfe der Berechnungsgleichung nach Hellmann (Sch10) für andere Höhen angepasst:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei beschreiben die Variablen folgende Werte:

vh - Windgeschwindigkeit in der Höhe h

v* - in Referenzhöhe gemessene Windgeschwindigkeit

h* - Referenzhöhe

α - Rauhigkeitsexponent

Der Rauhigkeitsexponent ist ein Maß für die Beschaffenheit des Bodens, den der Wind überströmt. Er hat einen entscheidenden Einfluss auf Windgeschwindigkeiten, da durch Hindernisse Turbulenzen innerhalb der Strömungen entstehen und der Wind so erheblich abgebremst wird. Um verschiedene Böden vergleichen zu können, wird die Rauhigkeitslänge Z0 verwendet, welche einzelne Geländetypen klassifiziert. Sie ist als Höhe definiert, bis zu welcher der Wind auf eine Geschwindigkeit von 0 m/s abbgebremst wird, und kann Tabellen entnommen werden (siehe Anhang, Tabelle .1).

Neben der allgemeinen Bodenbeschaffenheit müssen zudem auch sonstige Hindernisse wie hohe Bäume, Gebäude oder Hügel berücksichtigt werden. Deren Einfluss auf die Windströ- mung lässt sich rechnerisch grob bestimmen, da ungefähr davon ausgegangen werden kann, dass ”eingeschlossenesHindernisderHöheHdenWindluvseitig5 biszum5 -fachenund leeseitig6 bis zum 15-fachen der Höhe beeinflusst.“ (Sch10, S. 11)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Windverwirbelungen nach einem Hindernis (www.osirisenergy.com)

2.1.3 Leistungsberechnung

Die Leistung einer Windkraftanlage ist das Produkt aus der Windleistung und dem Leistungskoeffizienten der Anlage, welcher angibt, in welchem Verhältnis die Energie des Windes in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Nach dem Betz’schen Gesetz ist dieser Leistungsbeiwert auf maximal 59,3% begrenzt. Würde eine Anlage 100% der kinetischen Energie des Windes abgreifen, hätte dieser nach der Berührung des Rotorblattes keine Geschwindigkeit mehr, sodass ein Luftstrom zum Antrieb des Rotors nicht möglich wäre. Zur rein theoretischen Begrenzung können noch weitere Verlustfaktoren in Getriebe, Generator oder Rotorblattkonstruktion addiert werden, sodass bei modernen Großanlagen ungefähr 30-45% der Windleistung genutzt werden kann (vgl. Uya09, Kapitel 3).

Erklärung der Formelzeichen für die folgenden Berechnungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um die tatsächliche Leistung einer Windkraftanlage zu berechnen, wird zunächst die Wind- leistung ”PW“benötigt.DieselässtsichwiefolgtausderGrundformelderkinetischenEnergie herleiten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die bewegte Masse 2mv2 ”m“entsprichtderLuft,diedurchdenRotorströmt.Diesekannausder Luftdichte ”ρ“unddemLuftvolumen ”V“gemäß

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

berechnet werden. Setzt man dies in die erste Formel ein, erhält man: EkinWind 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus dieser kinetischen Energie lässt sich die Leistung herleiten, da für diese gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Betrachtet man nun für Δt ”Δt“einengeringenZeitraum,durchströmtdieLufteineStrecke von s = v ∗ Δt. Multipliziert mit der Rotorfläche welches den Rotor antreibt: ”A“ergibtsichfürdasVolumenderLuft,

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Daraus ergibt sich für die Windleistung: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Die Windleistung ”PW“ verhält sich proportional zur Fläche ”A“desRotors,derLuftdichte ”ρ“,welchehauptsächlichvonderHöheabhängigist,undderdrittenPotenzderWindge- schwindigkeit ”v“(vgl.Uya09,Kapitel2 ).LetztererZusammenhangistvongroßerBedeutung für den Standort einer Windkraftanlage. Durch den Faktor geschwindigkeit die Windleistung das Achtfache. ”v3 “ beträgt bei doppelter Wind- Um die zuvor genannten Verluste bei der Energieumwandlung in die Berechnung zu integrie- ren, wirkt für die tatsächliche Leistung der Anlage ”PA“ ihr Leistungsbeiwert als Faktor. So gilt für die Anlagenleistung ”PA“ folgende Formel:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 Kleinwindanlagen

Eine Kleinwindanlage (KWA) funktioniert grundsätzlich nach den selben technischen Prinzi- pien, wie Anlagen mit Leistungen von mehreren Megawatt. Der Begriff hat unterschiedliche Definitionen, der Bundesverband Kleinwindanlagen (BVKW) betitelt sie jedoch als ”wind- getriebene Anlagen mit einer Windangriffsfläche von bis zu200 m2 “. Diese basiert auf der Kategorisierung 61400 der IEC7, in welcher Kleinwindkraftanlagen international als wind turbines“ in der Zertifikatsklasse IEC 61400-2 definiert sind.

2.2.1 Konstruktionsformen

Neben den weit verbreiteten Dreiblattrotoren gibt es viele weitere Konstruktionsformen von Windkraftanlagen. Diese lassen sich, je nach Aufbau und Prinzip, in verschiedene Klassen einteilen:

Bei der Art der Umströmung des Rotors kann zwischen Auftriebsläufern und Wider- standsläufern unterschieden werden. Auftriebsläufer werden zusätzlich zum direkten Wind auch durch den am Rotorblatt entstehenden Auftrieb angetrieben; Widerstand- läufer können diese Komponente nicht nutzen. So haben Auftriebsläufer meist einen besseren Leistungsbeiwert.(vgl. Tri99, S. 148)

Je nach Anordnung der Rotorachse spricht man von Horizontalläufern oder Vertikal- läufern. Bislang sind Horizontalläufer wesentlich weiter verbreitet. Dies ist mit einem deutlich höheren technischen Reifegrad, einer besseren Effizienz sowie kontrollierte- rer Steuerung zu begründen(vgl. Hoc07, S. 18f). Vertikalläufer sind hingegen deutlich platzsparender und durch die senkrecht angeordnete Welle unabhängig von der Wind- richtung. Zudem halten sie auch starken Winden stand. Dennoch überwiegen meist die Nachteile. So ist nicht nur die Leistung oft deutlich geringer als bei Horizontalläufern, auch gibt es kaum Regelungsmöglichkeiten. Des Weiteren können viele Vertikalläufer nicht selbstständig anlaufen und leiden oft an Materialermüdung, da aufgrund der ho- hen Rotationsgeschwindigkeit starke Kräfte auf die Achse wirken und Schwingungen entstehen.

Am Rotor selbst lässt sich zwischen der Anzahl der Rotorblätter unterscheiden. Einblatt- , Zweiblatt-, Dreiblatt- und Vierblattrotoren haben eine eher hohe Rotationsfrequenz und werden als Schnellläufer bezeichnet. Vielblattrotoren (vgl. ”Westernwindrad“)ha- ben hingegen ein hohes Anlaufdrehmoment und eine eher geringe Frequenz, sodass sie als Langsamläufer bekannt sind.

ˆ Neben den Rotorblättern kann man auch zwischen den Rotorpositionen unterscheiden. Befindet er sich auf der windzugewandten Seite des Turms, handelt es sich um einen Luvläufer, welcher eine ständige Windnachführung und starre Rotorblätter benötigt, damit diese immer dem Wind entgegengestellt sind und nicht mit dem Turm kollidieren. Leeläufer nutzen hingegen den Wind hinter dem Turm. So bringen sie sich meist selbst in die richtige Position (vgl. Tri99, S. 148).

Selbstverständlich lassen sich weitere Unterscheidungen, wie zum Beispiel zwischen verschiedenen Regelungssystemen oder Generatoren, treffen. Diese sind jedoch äußerlich kaum zu erkennen und zu weitläufig um sie ausreichend erläutern zu können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Windenergieausnutzung verschiedener Rotorentypen8

Die Ausnutzung der Windenergie ist, wie in Abbildung 2.4 zu erkennen, nicht bei allen Ro- tortypen gleich. So wird die geringere Effizienz der Vertikalläufer am Beispiel der bekannten Rotoren ”Darrieus“und ”Savonius“deutlich.Letztereristdabeinochwenigereffizientals die klassische Windmühle, jedoch muss man die Platzersparnis berücksichtigen. Auch ist zu erkennen, dass sich moderne Dreiflügler mit circa49 % Leistungsausbeute schon recht nahe am Idealwindrad befinden.

Alle Werte beziehen sich dabei allerdings ausschließlich auf die Effizienz der Rotoren. Die tatsächliche Leistung der Anlagen fällt geringer aus. Auch kann die Effizienz der Rotoren in höheren Lagen auf Grund des Luftfdrucks geringer ausfallen (Hoc07, S.11 ).

2.2.2 Standortfaktoren

Die Standortwahl ist der entscheidende Faktor bezüglich des Ertrags einer Anlage. Dabei gibt es neben den vorliegenden Windverhältnissen noch viele andere Askpekte zu beachten9:

ˆ- geeignete Windverhältnisse unter Berücksichtigung von Anlauf- und Nenngeschwindig- keit sowie möglichst ausführliche Eigenmessungen und Durchschnittswerte aus Wind- karten
ˆ- mögliche Belästigung durch Emissionen der Anlage in Form von Schattenwurf, Lichtreflektionen, Laufgeräuschen oder Schwingungen (vor Allem bei Dachmontage).
ˆ- ausreichende Freifläche, der Abstand der Windkraftanlage zu einem Hindernis sollte mindestens 15- bis 20-mal so groß sein wie dessen Höhe. Alternativ muss die Anlage höher als das Hindernis sein. (siehe Abbildung 2.3, Seite 5)
ˆ- baurechtliche Vorgaben
ˆ- eventuelle Gefahren für und durch Vögel
ˆ- Luftdichte, abhängig von Temperatur und Höhe des Standortes
ˆ- Verankerungsmöglichkeiten (Bodenbeschaffenheit oder Dachstatik, benötigte Abspannseile, Art des Turms)

Plant man die Installation einer Kleinwindkraftanlage, sollte man alle gennanten Punkte ausführlich begutachten. Möglichkeiten dazu gibt es durch Computersoftware zum Errechnen der Wirtschaftlichkeit oder Informationsportale im Internet. Diese bieten gute Leitfäden um alle Aspekte der Anschaffung berücksichtigen zu können.

2.2.3 Netzeinspeisung

Bei der Einbindung von Kleinwindanlagen in Systeme wird zwischen netzgekoppelten Systemen und Inselsystemen unterschieden.

Netzgekoppelte Systeme speisen den erzeugten Strom in das örtliche Stromnetz ein, nachdem ein Wechselrichter den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt hat. Anlagen mit einer Leistung von bis zu 30 kW speisen den nicht direkt verbrauchten Strom meist entweder einphasig (230 V) oder dreiphasig (400 V) in das Niederspannungsnetz ein. Bei Anlagen mit einer Leistung zwischen 30 und 100 kW geschieht dies entweder einphasig ins Mittelspannungsnetz (20 kV) oder dreiphasig (400 V) ins Niederspannungsnetz (vgl. kwa11b).

Inselsysteme sind meist an kein größeres Stromnetz angebunden. Die Anlagen in solchen Systemen speichern den Strom, um ihn zu einem späteren Zeitpunkt nutzen zu können.

”ImPrivatbereichkommeni.d.R.AnlagenmiteinerLeistungunter1,5 kWzumEinsatz, die den Gleichstrom mit einer Spannung bis zu 48 V in eine Batterie einspeisen. Denkbar sind auch Systeme, die den Gleichstrom mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom umwandeln, welcher an normalen Steckdosen anliegt (kwa 11 b).“ Verwendung finden solche Systeme meist an abgelegenen Orten wie Almhütten oder auch an Segelbooten. Auch in Entwicklungsländern we rden sie mittlerweile eingesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 .5: mögliche Einbindung einer KWA in das örtliche Stromnetz10

Ein wichtiges Bauteil für die Einspeisung in örtliche Netze oder Batterien ist der Wechselrichter. Er wandelt nicht nur Gleichstrom in Wechselstrom, sondern gleicht auch die starken Spannungsschwankungen aus, welche bei Windkraftanlagen entstehen. Die Spannung ist abhängig von der Drehfrequenz des Rotors, sodass durch Windböen sehr plötzlich Anstiege stattfinden können. In solchen Fällen trennt der Wechselrichter die Anlage vom Netz. Die überschüssige Leistung wird auf Heizstäbe in einem Wasserboiler geschaltet oder einem sonstigen Extragerät zugewiesen und so verbraucht ( ”dumpload-Prinzip“).Alternativgibt es Wechselrichter, die ohne ”dumpload“auskommen.ImNotfallkönnensiedenGenerator bremsen, indem sie ihn kurzschließen, bis die Überlastung vorüber ist (Hal10).

[...]


1 energetische Selbstversorgung und somit Unabhängigkeit von externen Energielieferungen

1 Quelle: http://www.energienpoint.de/erneuerbare-energien/windenergie/

2 thermodynamische Kraft, welche eine möglichst gleiche Verteilung von Teilchen im Raum anstrebt

3 Trägheitskraft auf bewegte Körper in drehenden Bezugsystemen(vgl. Sal09)

4 Quelle: http://goo.gl/Q73lqn

5 dem Wind zugewandt

6 dem Wind abgewandt

7 International Electrotechnical Commission

8 In Anlehnung an G. Hacker, G. Jerke; Wind Bewegt, Kleine Windräder selber bauen, 1. Auflage, Solar-, Wind- Team G. Hacker, 2006, S. 17/(Hoc07, S. 10)

9 Quelle: (vlg. Hoc07, Seite 24)

10 Quelle: http://www.bfe-wind.de/inhalt/kwaplanung/digital.gif

Details

Seiten
32
Jahr
2015
ISBN (eBook)
9783668039995
ISBN (Buch)
9783668040007
Dateigröße
3.6 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v302245
Note
1
Schlagworte
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