Betrieb von Kleinwindkraftanlagen - Ein Überblick über Markt, - TopicsExpress



          

Betrieb von Kleinwindkraftanlagen - Ein Überblick über Markt, Technik und Wirtschaftlichkeit Kurzfassung Unter Kleinwindkraftanlagen versteht man Systeme zur regenerativen Erzeugung elektrischer Energie aus dem Wind mit Nennleistungen von einigen Kilowatt (maximal etwa 100 kW) und Rotordurchmessern von einigen Metern (maximal etwa 16 m). Während große Windkraftanlagen im Megawattbereich bereits weit verbreitet sind und ihre Kinderkrankheiten überwunden haben, ist der Sektor der Kleinanlagen erst im Aufbau begriffen. Eine Untersuchung zeigt, dass Kleinwindkraftanlagen nicht einfach nur kleine Windkraftanlagen sind - sie unterscheiden sich hinsichtlich Technik als auch Wirtschaftlichkeit oft wesentlich von ihren großen Brüdern. Da es bis dato nur wenig wissenschaftliche Literatur zu diesem Thema gibt, hat es sich diese Arbeit zum Ziel gesetzt, einen Überblick über die wichtigsten Aspekte im Zusammenhang mit dem Betrieb von Kleinwindkraftanlagen zu bieten. Auf Details zur Konstruktion und Auslegung von Anlagen wird nicht eingegangen. Die Arbeit ist im wesentlichen in drei Teile gegliedert: Begonnen wird mit einer Analyse des derzeitigen Marktes der Kleinwindkraftanlagen. Die verschiedenen grundlegenden Anlagentypen werden an Hand von typischen Vertretern vorgestellt. Beispiele für mögliche Anwendungsgebiete werden gegeben, und die unterschiedlichen Konzepte der Gesamtsysteme werden erläutert. Im zweiten Teil erfolgt eine Beschreibung der technischen Konzepte der einzelnen Komponenten einer Anlage, wie Generator, Wechselrichter, Laderegler, Leistungsregelung, usw., wobei ein besonderes Augenmerk auf die verschiedenen Arten des Maximum Power Point Trackings und der Lastanpassung gelegt wird. Zum Vergleich werden die bei modernen Großanlagen verwendeten Konzepte erwähnt. Der letzte Teil befasst sich mit einer Untersuchung der Wirtschaftlichkeit von Kleinwindkraftanlagen. Da hierbei die Windverhältnisse eine entscheidende Rolle spielen, wird zuerst gezeigt, wie bei der Wahl des richtigen Anlagenstandorts vorzugehen ist, und welchen Einfluss die mittlere Windgeschwindigkeit auf den Energieertrag hat. Sodann werden die Stromgestehungskosten einer Kleinwindkraftanlage ermittelt, und es wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um den Einfluss der verschiedenen Parameter abschätzen zu können. Abschließend erfolgt ein Vergleich mit den üblichen Einspeisetarifen und Strom- preisen. III Abstract Small wind turbines are systems for the production of electrical energy by the use of wind power, having a nominal power of some kilowatts (maximum approximately 100 kW) and rotor diameters of some meters (maximum approximately 16 m). Whereas big wind turbines of the megawatt-class are wide spread nowadays and have overcome their initial problems, the market of small wind turbines is just at its beginning. An examination shows that small wind turbines are not simply small versions of the big wind turbines - they often differ significantly from the big ones in technical and economic aspects. Up to date there exists hardly any scientific literature on this topic, so it is the goal of this diploma thesis to give a broad survey on the most important aspects concerning the operation of small wind turbines. The treatise does not give any details on the construction or calculation of a turbine or system. The treatise is divided into three parts: At the beginning, there is an analysis of the present market of small wind turbines. The different basic types of small wind turbine systems are presented, which is done by describing examples of common systems. Examples for possible applications are given, and the different concepts for the entire system are explained. The second part gives a description of the technical concepts of the single components of a system, like the generator, inverter, charge controller, power control, etc. A special focus is set on the different types of maximum power point tracking and load adaptation. For the purpose of comparison, the technical concepts of modern big wind turbines are mentioned. The last part examines the economy of small wind turbines. Because wind conditions play a key role in this connection, the procedure of choosing the right turbine location is explained at first, and the influence of the annual mean wind speed on the energy yield is investigated. Next, the electricity costs per produced kWh are calculated, and a sensitivity analysis is carried out to assess the influence of each individual parameter. Finally, the production costs are compared to actual feed-in tariffs and electricity prices. IV INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Markt und Anwendung von Kleinwindkraftanlagen 4 2.1 Einteilung von Kleinwindkraftanlagen 4 2.1.1 Rotortyp 4 2.1.2 Rotordurchmesser 5 2.1.3 Mechanisch-elektrischer Triebstrang 5 2.1.4 Aerodynamische Leistungsregelung 6 2.1.5 Einteilung nach Größenklassen 6 2.2 Recherche der aktuellen Marktsituation 7 2.2.1 Quellen für die Marktrecherche 9 2.2.2 Statistische Analyse der Anlagenmodelle 11 2.3 Beispiele für typische Anlagen 13 2.3.1 Batterielader der Micro-Klasse: Air X 13 2.3.2 1,4 kW-Anlage zur Haushaltsunterstützung: Passaat 17 2.3.3 Anlage zur Haushaltskomplettversorgung: Antaris 5,0 kW 20 2.3.4 Eine moderne Vertikalachsenanlage: qr5 22 2.3.5 Eine gewerbliche Anlage mit 35 kW: PGE 20/35 26 2.4 Sonderbauformen 29 2.4.1 Savonius-Rotoren 30 2.4.2 Schleifenförmige Horizontalachsen-Rotoren 31 2.4.3 Turbinen mit Windenergie-Konzentratoren 32 2.4.4 Weitere Sonderbauformen 33 2.5 Anlagen-Gesamtkonzepte und Einsatzbeispiele 34 2.5.1 Batterielader 34 2.5.2 Wind/Diesel-Inselnetze 39 2.5.3 Systeme zur Heizungsunterstützung 41 V INHALTSVERZEICHNIS 2.5.4 Systeme zum Wasserpumpen 43 2.5.5 Netzeinspeisung 44 2.5.6 Anlagen zur Dachmontage 47 3 Technik von Groß- und Kleinanlagen im Vergleich 50 3.1 Rotor 50 3.1.1 Propellertyp 50 3.1.2 Darrieus-Rotor 51 3.1.3 H-Rotor 52 3.1.4 Savonius-Rotor 52 3.2 Generator 52 3.2.1 Gleichstrommaschine 53 3.2.2 Fremderregte Synchronmaschine 54 3.2.3 Permanenterregte Synchronmaschine 54 3.2.4 Asynchronmaschine 56 3.2.5 Zusammenfassung 59 3.3 Lastanpassung 59 3.3.1 Mechanische Lastanpassung 59 3.3.2 Maximum Power Point Tracking 62 3.3.3 Lastanpassung ohne MPPT-Verfahren 65 3.4 Netzeinspeisewechselrichter 74 3.4.1 Ausgangsspannung 74 3.4.2 Inselbildungsschutz (ENS) 74 3.4.3 MPPT 76 3.4.4 Spannungsfestigkeit 76 3.4.5 Drehzahlbegrenzung 77 3.4.6 Stand-By-Betrieb 78 3.4.7 Galvanische Trennung 79 3.5 Aerodynamische Leistungsregelung 79 VI INHALTSVERZEICHNIS 3.5.1 Pitch-Regelung 80 3.5.2 Aktive Stall-Regelung 82 3.5.3 Passive Stall-Regelung 82 3.5.4 Aus-dem-Wind-Drehen 84 3.5.5 Anlagen ohne aerodynamische Leistungsbegrenzung 84 3.6 Windrichtungsnachführung 85 4 Wirtschaftlichkeit 88 4.1 Standortwahl 88 4.1.1 Vorgangsweise bei Großanlagen 88 4.1.2 Vorgangsweise bei Kleinanlagen 89 4.1.3 Micrositing 92 4.2 Ertragsprognose 93 4.2.1 Leistungskurve 93 4.2.2 Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten 95 4.2.3 Berechnung des Jahresertrags 97 4.3 Stromgestehungskosten 99 4.3.1 Investitionskosten 100 4.3.2 Lebensdauer 102 4.3.3 Zinssatz 102 4.3.4 Volllaststundenzahl 103 4.3.5 Berechnung der Stromgestehungskosten und Sensitivitätsanalyse 103 4.3.6 Vergleich mit Einspeisetarifen 104 5 Zusammenfassung und Ausblick 107 Abbildungsverzeichnis 109 Tabellenverzeichnis 113 Literaturverzeichnis 114 1 1 EINLEITUNG 1 Einleitung Großwindkraftanlagen im Megawatt-Bereich haben ihre Kinderkrankheiten überwunden und werden nun schon seit den 1990er-Jahren als Energiequelle kommerziell intensiv genutzt, ein blühender Industriezweig ist hier entstanden. Währenddessen fristen Kleinwindkraftanlagen mit Leistungen im Bereich von einigen bis einigen -zig Kilowatt ein Nischendasein, finden sie doch nur bei Idealisten und in Spezialanwendungen Verwendung. In letzter Zeit ist in dieses Gebiet jedoch Bewegung gekommen, wie beispielsweise folgender Artikelausschnitt zeigt: In den nächsten 12 Jahren, also bis 2020, setzt sich die britische Windenergievereinigung (BWEA) zum Ziel, 30% der Energieversorgung des vereinten Königreichs durch die Windkraft bereitzustellen. (. . . ) Etwa 1% vom Energiebedarf soll aus 600.000 Kleinwindkraftwerken bereitgestellt werden. [31] Auch auf der Konsumentenseite wächst der Wunsch mehr und mehr, den Strombedarf durch eine eigene Erzeugungsanlage zu decken, sei es, um einen aktiven Beitrag zum Klimaschutz zu leisten, sei es, um sich von der Preisvorgabe der großen Energieversorger unabhängig zu machen. Es fragen sich nun viele Verbraucher, ob dafür nicht auch eine Nutzung der Windkraft, wie nach dem Vorbild der Photovoltaik, in Frage käme. Die IG Windkraft als Interessenvertretung der österreichischen Windenergiebetreiber bekommt mehrmals wöchentlich Anfragen zu diesem Themengebiet; in Deutschland wurde im Jänner 2009 der Bundesverband Kleinwindanlagen gegründet - das Interesse am Thema ist also evident. Während man bei den konventionellen Großwindkraftanlagen allerdings auf umfangreiche Literatur zurückgreifen kann, gibt es bei den Kleinwindkraftanlagen nur vergleichsweise wenige wissenschaftliche Arbeiten, erst recht was die aktuelle Situation der Kleinwindkraftanlagen in Österreich betrifft. Beispielsweise besitzt die IG Windkraft im Augenblick keinerlei Zahlenmaterial über die in Österreich installierten Kleinanlagen [39]. Auch lässt sich das vorhandene Wissen aus der intensiven Forschungstätigkeit und aus den Erfahrungen bei Großanlagen nicht unmittelbar auf Kleinwindkraftanlagen umlegen: Kleinwindkraftanlagen sind eben nicht einfach kleine Windkraftanlagen - das betrifft die Technik genauso wie die Wirtschaftlichkeit. Viele Konzepte, die bei Großanlagen zum Einsatz kommen, sind für Kleinanlagen häufig einfach zu aufwendig. Umgekehrt können manchmal recht einfache Lösungsansätze, die bei Großanlagen beispielsweise aus sicherheitstechnischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht umgesetzt werden können, bei Kleinanlagen erfolgreich angewandt werden. Diese Tatsachen erfordern und rechtfertigen eine gesonderte Befassung mit der Thematik „Kleinwindkraftanlagen“. Die vorliegende Diplomarbeit soll hierzu einen ersten Überblick bieten und ist daher im wesentlichen als Literatur- recherche angelegt, an manchen Stellen erfolgt allerdings auch eine vertiefende Darstellung, 2 1 EINLEITUNG insbesondere wenn die gefundenen Abhandlungen in der bereits existierenden Literatur zu unvollständig erschienen. Bei der Lektüre wird ein Grundwissen über Windkraftanlagen im Allgemeinen vorausgesetzt. Der unvorbelastete Leser findet eine knappe Einführung in [27], ein sehr umfassende Darstellung bietet [25], stärker mathematisch orientiert ist [26]. Begriffsbestimmung „Kleinwindkraftanlage“. Um Missverständnissen vorzubeugen, soll einmal geklärt werden, was denn eigentlich Gegenstand einer Arbeit zum Thema „Kleinwindkraftanlagen“ ist. Für das Wort „Windkraftanlage“ - unabhängig davon, ob es sich um eine große oder kleine Anlage handelt - gibt es einige mehr oder weniger gleichwertige Synonyme, z.B. (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) • Windkraftanlage • Windenergieanlage • Windanlage • Windturbine • Windrad • Windkraftwerk. In [27, S. 8] und [25, S. 77] wird versucht eine gewisse Ordnung in die Nomenklatur zu bringen. Demnach sind „Windernergieanlage“ und „Windanlage“ recht allgemein gehaltene Begriffe und bezeichnen Maschinen, die die kinetische Energie des Windes in technische Nutzarbeit umwandeln, sei es mechanische, hydraulische, thermische oder elektrische. In Anlehnung an unsere Vorstellung beim Begriff „Kraftwerk“ liegt der Schwerpunkt bei „Windkraftanlagen“ in der Erzeugung elektrischer Energie. Die Bezeichnung „Windkraftwerk“ sollte auf Grund der im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken bescheidenen Leistung vermieden werden (es sei denn, es handle sich um einen Windpark mit einigen 100 MW Leistung). „Windrad“ und „Windturbine“ beziehen sich eher auf den Wandler der kinetischen Windenergie in mechanische Energie, bezeichnen also den Rotor alleine. In der Praxis wird kaum konsequent zwischen diesen Begriffen unterschieden. In wissenschaftlicher Literatur wird eher der Begriff „Windkraftanlage“, in Normen und Gesetzestexten eher „Windenergieanlage“ verwendet. Da der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bei der Erzeugung elektrischer Energie liegt, wird bevorzugt der Begriff „(Klein)Windkraftan- lage“ gebraucht. 3 1 EINLEITUNG In welcher Größenordnung bewegen sich nun Kleinwindkraftanlagen? Es gibt unterschiedliche Definitionen. Sehr häufig wird auf die Definition nach der Norm IEC 61400-2 Bezug genommen: „kleine Windenergieanlage KWEA: Anlage mit 200 m 2 oder weniger vom Rotor überstrichener Fläche, das [sic!] die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandelt“ [37, S. 11] Im Abschnitt 1 („Anwendungsbereich“) dieser Norm wird auch noch festgelegt, dass die Anlage eine Spannung unter 1000 V Wechselspannung oder 1500 V Gleichspannung erzeugen muss [37, S. 6]. Aussagen über Nennleistungen oder die Turmhöhe werden in dieser Norm nicht gemacht. 1 Eine andere übliche Festsetzung ist die Einführung einer Obergrenze von 100 kW Nennleistung. Diese Definition verwenden unter anderem der deutsche Bundesverband WindEnergie (BWE) und die American Wind Energy Association (AWEA). 1 entgegen diesbezüglichen Behauptungen des BWE in [6, S. 35] 4 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN 2 Markt und Anwendung von Kleinwindkraftanlagen Nach der Vorstellung eines einfachen Schemas zur Einteilung von Kleinwindkraftanlagen erfolgt in diesem Kapitel eine Analyse der derzeitigen Marktsituation. Dafür werden zuerst mögliche Quellen für eine Recherche angegeben, und einige Zahlen genannt, die das Marktangebot auch quantitativ beschreiben. Sodann werden aus der Vielzahl der angebotenen Modelle einige typische ausgewählt, die im Detail vorgestellt werden, um dem Leser ein Gefühl für Aussehen, Ausführung, Eigenschaften und Preise moderner Kleinwindkraftanlagen zu geben. Ergänzend werden einige Sonderbauformen vorgestellt. Den Abschluss dieses Kapitels bilden die Anwendungsgebiete für Kleinwindkraftanlagen samt den dafür notwendigen Konzepten der Gesamtsysteme. 2.1 Einteilung von Kleinwindkraftanlagen Um einen ersten Überblick über das Angebot an Kleinwindkraftanlagen zu bekommen, ist eine gewisse systematische Einteilung der Anlagen hilfreich. Eine solche Kategorisierung ist im Prinzip nach jedem Bauteil, ja nach jeder Eigenschaft einer Anlage möglich, hat aber keinen Wert mehr, wenn dies zu sehr auf die Spitze getrieben wird. Im folgenden wird daher die Einteilung nur nach jenen Kriterien vorgenommen, die einen wesentlichen Einfluss auf konstruktive Fragestellungen haben. Auf technische Details der Komponenten wird dann in Kapitel 3 genauer eingegangen. 2.1.1 Rotortyp Der Rotor hat die Aufgabe, die kinetische Energie des Windes in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln und ist daher das zentrale Bauelement jeder Windkraftanlage. Seine Eigenschaften bestimmen maßgeblich das gesamte Verhalten der Anlage. Die verschiedenen Rotorbauformen lassen sich unter anderem durch folgende Kriterien einteilen: • Achsstellung (horizontal/vertikal) • Arbeitsprinzip (Auftriebsprinzip/Widerstandsprinzip) • Ausrichtung zum Wind (Luv-/Leeläufer) • Schnelllaufzahl λ • Anzahl der Rotorblätter Auf Grund dieser Merkmale wären die unterschiedlichsten Konstruktionen denkbar. Tat- sächlich lassen sich aber die am Markt befindlichen und für die Stromerzeugung geeigneten 5 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN Anlagen im wesentlichen auf 4 Grundtypen reduzieren, wenn man die vielen Sonderbau-formen, die jedoch kaum Marktpräsenz besitzen, vernachlässigt: • Propellertyp • Darrieus-Rotor • H-Rotor • Savonius-Rotor Eine genauere Beschreibung der Eigenschaften dieser Grundtypen erfolgt in Abschnitt 3.1. 2.1.2 Rotordurchmesser Der Rotordurchmesser D ist ein quantitatives Einteilungsmerkmal. Die mechanische Leistung P mech des Rotors beträgt P mech = c p mit dem Leistungsbeiwert nach Betz c p , der Luftdichte ρ, der ungestörten Windgeschwindigkeit v w und der wirksamen Rotorfläche A. Für einen Rotor mit horizontaler Achse (Propellertyp) ist die wirksame Rotorfläche eine Kreisscheibe, sodass gilt D 2 π A = , 4 der Rotordurchmesser geht also quadratisch in die Leistung der Anlage ein. In der Praxis kann nicht die ganze Kreisscheibe zur Energiewandlung verwendet werden, beispielsweise auf Grund des Maschinenhauses oder weil das Profil der Rotorblätter aus konstruktiven Gründen nicht bis zur Nabe reicht. Dies ist durch einen entsprechenden Abschlagsfaktor zu berücksichtigen. 2.1.3 Mechanisch-elektrischer Triebstrang Für den mechanisch-elektrischen Triebstrang, bestehend aus Getriebe, Generator und eventuell Umrichter lassen sich wieder einige Einteilungskriterien angeben: • Getriebe (keines/einstufig/zweistufig) • Drehzahl (fix/variabel) 6 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN • Netzkopplung (netzgekoppelt/Inselbetrieb) • Generatorart • Umrichter (mit/ohne) Auf die unterschiedlichen Generatorarten und ihren Zusammenhang mit Drehzahlvariabilität, Netzkopplung und Umrichter wird ausführlich in Abschnitt 3.2 eingegangen. 2.1.4 Aerodynamische Leistungsregelung Für die Regelung der aus dem Wind aufgenommenen mechanischen Leistung gibt es folgende Möglichkeiten, die die mechanische Konstruktion des Rotors wesentlich beeinflussen: • Pitch-Regelung - aktiv - passiv • Stall-Regelung - aktiv - passiv • Aus-dem-Wind-Drehen Eine detaillierte Beschreibung der verschiedenen Arten der aerodynamischen Leistungsregelung und ihrer Eignung für Kleinwindkraftanlagen erfolgt in Abschnitt 3.5. 2.1.5 Einteilung nach Größenklassen Kleinwindkraftanlagen nach Definition der Norm IEC 61400-2 sind mit einem Rotordurchmesser von bis zu 16 m nur mehr klein im Vergleich zu Multimegawattanlagen (Rotordurchmesser 100 m und mehr). Der deutsche Bundesverband Kleinwindanlagen schlägt daher eine Unterteilung der Kleinwindkraftanlagen in 4 Klassen vor [5]: • Micro-Windturbinen (Maximal 1,5 kW Nennleistung bzw. 6 m 2 Windangriffsfläche) • Hausanlagen auf dem Dach oder direkt mit dem Haus verbunden als Nebengebäude ohne Größen-Beschränkungen dem Gebäude angepasst • Kleinwindanlagen zur Selbstversorgung bis einschließlich 6 kW Nennleistung 7 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN • Kleinwindanlagen bis maximal 200 m 2 Windangriffsfläche (IEC 61400-2) Eine ähnliche Einteilung nimmt die American Wind Energy Association (AWEA) vor, und zwar: • Nennleistung 0 . . . 0,9 kW: Mikroanlagen („micro wind“) • Nennleistung 1 . . . 10 kW: Anlagen für den Haushalt („residential“) • Nennleistung 11 . . . 20 kW: kleine gewerbliche Anlagen („commercial“) • Nennleistung 21 . . . 100 kW: große gewerbliche Anlagen („upper commercial“) 2.2 Recherche der aktuellen Marktsituation Einen umfassenden Überblick über die weltweit verfügbaren Kleinwindkraftanlagen und deren Hersteller zu bekommen gestaltet sich überraschenderweise auch im Zeitalter des Internets schwierig. Viele Hersteller sind kleine bis mittlere Unternehmen, die im klassischen Maschinenbau, Anlagenbau oder in der Elektroindustrie tätig sind und sich mit Eigenkonstruktionen ein zweites Standbein schaffen wollen. Die Produktion ist meistens auf den lokalen Markt ausgerichtet, die Internetauftritte sind oft unprofessionell und wenig aussagekräftig. Noch schwieriger ist die Informationsbeschaffung falls keine Informationen auf Deutsch oder Englisch zugänglich sind, da hier zusätzlich die Sprachbarriere hinzukommt, was insbesondere bei Herstellern in Asien zutrifft. Genauso schwierig ist die Beschaffung von Information über die Anzahl und Leistung bereits installierter Anlagen, ganz zu schweigen von Erfahrungsberichten und Betriebsergebnissen. Es gibt im Allgemeinen keine zentrale Stelle, bei der installierte Kleinwindkraftanlagen angemeldet werden müssen, inbesondere wenn es sich um nicht-netzgekoppelte Anlagen handelt. So besitzen auch die meisten nationalen Interessenvertretungen der Windkraftbranche kaum verlässliches Zahlenmaterial. Wieviele Kleinwindkraftanlagen tatsächlich in Österreich oder Deutschland installiert sind, ist nicht bekannt, der Bundesverband Kleinwindanlagen arbeitet derzeit aber an einer diesbezüglichen Studie für Deutschland [39, 33]. In diesem Zusammenhang daher bemerkenswert ist der jährlich von der American Wind Energy Association (AWEA) herausgegebene Bericht über den US-amerikanischen und globalen (!) Markt für Kleinwindkraftanlagen (Nennleistung < 100 kW), aus dem hier einige Ergebnisse wiedergegeben werden sollen. Gemäß ihrer 2009 AWEA Small Wind Turbine Global Market Study [1] gibt es derzeit weltweit zumindest 219 Anlagenhersteller. Das Land mit den meisten Herstellern sind die USA (66), gefolgt von Japan (28), Kanada (23), UK (18) und Deutschland (16), siehe Abbildung 1. Österreich besitzt zumindest einen (1) 8 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN 80 70 60 Anzahl der Hersteller 50 40 30 20 10 0 Abbildung 1: Die 10 Länder mit den meisten Herstellern für Kleinwindkraftanlagen, und Österreich [1, S. 11]. Hersteller. 2 19.000 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 38,7 MW und einem Gegenwert von 156 Mio. US $ sollen 2008 weltweit verkauft und auch installiert worden sein, was einer Zunahme von 53 % 3 gegenüber 2007 enstpricht. Abbildung 2 zeigt das enorme Wachstum an installierter Leistung für Kleinwindkraftanlagen seit 2006, aufgeschlüsselt nach der Anlagengröße (Marktsegmente wie auf Seite 7 beschrieben). Diese Abbildung gilt zwar nur für den US-Markt, ist aber dennoch interessant, spiegelt sie doch wider, wie der Sektor der Kleinanlagen an Fahrt aufgenommen hat. Sämtliche Verkaufszahlen in diesem Bericht stammen übrigens aus einer Umfrage unter den Herstellern. Eine vollständige Liste aller Hersteller wird in diesem Bericht allerdings nicht veröffentlicht. Ebenfalls für die Marktanalyse interessant, aber mit einem Fokus auf den europäischen Markt, sind die Berichte des WINEUR-Projekts (Wind Energy Integration in the Urban Environment) des Intelligent Energy Europe Programms der Europäischen Union, an dem unterschiedliche Partner aus dem UK, den Niederlanden und Frankreich beteiligt waren. Das Projekt lief von 2005 bis 2007 und hatte die Aufgabe, die Möglichkeiten der Windenergie- 2 Durcheigene Recherchen wurden zwei österreichische Hersteller ausfindig gemacht: • Austrowind Kleinwindkraftwerke GmbH mit Sitz in 4631 Krenglbach, austrowind. Das Unternehmen bietet vier verschiedene Modelle mit Nennleistungen von 3 bis 18 kW an. • Josef Schuster GmbH & Co KG in 4481 Asten, naturepower.at. Vertrieb von verschie- denen Photovoltaik- und Windkraftanlagen, unter anderem fünf verschiedene selbst entwickelte Kleinwindkraftanlagen im Bereich von 800 W bis 5,5 kW. 3 bezogen auf die installierte Leistung 9 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN Abbildung 2: Wachstum des US-Marktes für Kleinwindkraftanlagen, aufgeschlüsselt nach Markt- segmenten [1, S. 5]. nutzung im städtischen Umfeld zu untersuchen, was natürlich unweigerlich zu einer genauen Analyse der Kleinwindkraft führte. Manche Zahlen sind vielleicht schon etwas überholt, und die Beschränkung auf das städtische Umfeld blendet andere Einsatzgebiete für Kleinwindkraftanlagen aus, trotzdem sollen hier wieder einige Ergebnisse präsentiert werden - besseres und umfassenderes Zahlenmaterial ist kaum zu finden. In Ihrem Catalogue of European Wind Turbine Manufacturers [71] vom Juli 2005 sind 57 Anlagenmodelle von 32 Herstellern verzeichnet. Die Zusammenstellung des Katalogs erfolgte durch eine Umfrage unter 45 europäischen Herstellern von Kleinwindkraftanlagen aus 15 Ländern. 65 % der verzeichneten Anlagen haben eine horizontale, 35 % eine vertikale Achse. Im Begleittext zum Anlagenkatalog werden die Modelle noch hinsichtlich Windgeschwindigkeiten, Lärm, Lebensdauer und ähnlicher Parameter miteinander verglichen [73]. 2.2.1 Quellen für die Marktrecherche Bei der Suche nach einer Übersicht über konkret verfügbare Anlagen konnten folgende relevante Quellen ausfindig gemacht werden: • Onlineresource allsmallwindturbines: Internetportal, das ver- 10 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN sucht eine hersteller- und verbandsunabhängige Übersicht über alle weltweit verfügbaren Kleinwindkraftanlagen aufzubauen. Zum Zeitpunkt des Abrufs (15.08.2009) waren 353 Anlagen von 144 Herstellern eingetragen. • Onlineresource kleinwindanlagen.de: Private Homepage des Kleinwindkraftanlagen-Pioniers Uwe Hallenga mit Informationen zu Anlagen bis 10 kW Nennleistung. Zusätzlich zur Angabe der technischen Daten und Bezugsquellen wird versucht, Erfahrungsberichte der Betreiber zu sammeln. Etwa 57 Anlagen sind verzeichnet (Abruf 15.08.2009). • Catalogue of European Urban Wind Turbine Manufacturers [71] mit Begleittext Urban Wind Turbines Technology review: A companion text to the Catalogue of European Urban Wind Turbine Manufacturers [73]. Marktübersicht des WINEUR-Projekts über Anlagen für das städtische Umfeld. 57 Anlagen von 32 europäischen Herstellern sind verzeichnet, der Stand des Katalogs ist allerdings Juli 2005. • Onlineresource wind-energy-market: Marktübersicht des deutschen BWE. Vermutlich weil die Eintragungen für die Firmen kostenpflichtig sind, sind nur 21 Anlagen von 11 Herstellern verzeichnet (Abruf 15.08.2009). • Wind Energy Market 2009: Technik, Märkte & Potentiale [6]. Gedruckte Form der Marktübersicht des BWE. Was den Markt der Kleinanlagen betrifft sind im wesentlichen die gleichen Informationen enthalten wie in der Onlineversion. • Onlineresource windmesse.de: Internetportal für die gesamte Windenergiebranche. Im Bereich unter 100 kW sind 81 Anlagen von 51 Herstellern verzeichnet (Abruf 16.08.2009). Die Marktübersicht ist aber nur bedingt brauchbar, da über den größten Teil der Anlagen kaum technische Daten angegeben werden und Kontaktinformationen über die Hersteller nur auf Anfrage erhältlich sind. • Windkraftanlagenmarkt 2008: Typen, Technik, Preise. (Sonderdruck der Zeitschrift Erneuerbare Energien) [59]. Eine Marktübersicht über den internationalen Windkraftanlagenmarkt, inklusive Großanlagen, heraussgegeben vom SunMedia Verlag. In der Kategorie bis 29 kW sind 42 Anlagen, in der Kategorie 30 bis 300 kW sind 11 Anlagen angeführt. Wie kann nun aus diesen Quellen ein Überblick über die verfügbaren Anlagen gewonnen werden? Da es weltweit mehr als 200 Hersteller und somit ein vielfaches davon an Anlagenmodellen gibt, würde eine detaillierte Analyse aller Anlagen sehr aufwendig sein und den Rahmen dieser Arbeit bei weitem sprengen. Auf der anderen Seite ist der Informationswert einer solchen Analyse für den potentiellen Betreiber fragwürdig. Es wurde daher folgende Vorgangsweise gewählt: 11 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN 1. Da das Internetportal allsmallwindturbines von den oben angeführten Quellen die umfangreichste Datenbank besitzt, wurde auf der Basis der dort angebotenen Informationen eine grobe statistische Analyse der verzeichneten Anlagen durchgeführt. Damit erkennt man, wo die Schwerpunkte am Markt hinsichtlich Bau-form und -größe liegen. Die Ergebnisse der Analyse finden sich in Abschnitt 2.2.2. 2. Wie bereits erwähnt handelt es sich bei vielen Herstellern um Betriebe, die Kleinwindkraftanlagen offensichtlich nur nebenbei oder zumindest in sehr geringen Stückzahlen und für den lokalen Markt bestimmt herstellen. Viele angepriesene Anlagen sind noch in Entwicklung befindliche Prototypen oder nur auf Anfrage erhältlich. Klammert man diese „Trittbrettfahrer“ aus und konzentriert sich auf professionell agierende, erfahrene Unternehmen mit serienreifen Produkten, so lichtet sich der Markt schnell. Aus den verbliebenen Modellen wurden nun einige typische Anlagen ausgewählt und im Detail vorgestellt. Die Selektion erfolgte dabei nach folgenden Kriterien: • Es ist ausreichend Informationsmaterial zur Anlage beschaffbar. • Die Anlage ist verbreitet und wird in relativ hoher Stückzahl hergestellt. • Die Anlage ist möglichst schon länger am Markt. • Das Herstellerunternehmen wurde schon vor längerer Zeit gegründet oder befasst sich schon seit längerem mit der Herstellung von Kleinwindkraftanlagen. • Die Anlage soll möglichst von einem europäischen Hersteller stammen oder zumindest über einen europäischen Händler zu beziehen sein. Die Vorstellung dieser Beispielanlagen erfolgt in Abschnitt 2.3. 3. Um durch die Beschränkung auf typische, gängige Modelle nicht in Gefahr zu geraten, interessante oder erst in Entwicklung befindliche Konstruktionen zu übergehen, sollen zumindest einige der Sonderbauformen vorgestellt werden, was in Abschnitt 2.4 geschieht. 2.2.2 Statistische Analyse der Anlagenmodelle Von den 353 auf dem Internetportal allsmallwindturbines eingetragenen Modellen hatten 288 eine horizontale, 65 eine vertikale Achse. Sofern eine Nennleistung angegeben war oder ausfindig gemacht werden konnte, wurden die Anlagen vier verschiedenen Größenklassen zugeteilt (Marktsegmente gemäß AWEA). Abbildung 3 zeigt das Ergebnis. Die bei weitem größte Auswahl gibt es bei Anlagen im Mikro- (0 - 0,9 kW) und im Haushaltssegment (1 - 10 kW). Mögliche Gründe können das größere Marktpotential für Anlagen, die gerade den Haushaltsstrombedarf decken können, und die breite Anwendung als Batterielader (vgl. Abschnitt 2.5.1) sein. Ein weiterer Grund wäre das für größere Anlagen 12 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN Abbildung 3: Anzahl der in den verschiedenen Größenkategorien auf dem Internetportal allsmallwindturbines angebotenen Windkraftanlagenmodellen. notwendige technologische Know-How und die aufwendigere Fertigung - beides Hürden für Betriebe, die sich nur nebenbei mit der Produktion von Windkraftanlagen beschäftigen. Weiters wurden die Horizontalachsenanlagen nach ihrer Rotorblattanzahl verschiedenen Klassen zugeteilt (Abb. 4). Der 3-Blatt-Propeller ist der mit Abstand vorherrschende Ro-tortyp. Außerdem wurden 15 Anlagen mit Sonderbauformen aufgeführt, die sich wesentlich von der Propellerbauform unterscheiden. Analog dazu wurden die Vertikalachsenanlagen gemäß ihrer Rotorbauform und Blattanzahl Kategorien zugeordnet (Abb. 5). H-Rotoren mit 3 und 5 Rotorblättern sind die wichtigsten Bauformen. Neben verschiedenen Savonius-Varianten gibt es noch 2 Anlagen mit einer Anzahl Abbildung 4: Angebot an Anlagen mit horizontaler Achse, aufgeschlüsselt nach der Anzahl der Rotorblätter. 13 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN 35 30 25 20 Anzahl 15 10 5 0 Abbildung 5: Angebot an Anlagen mit vertikaler Achse, aufgeschlüsselt nach Rotorbauform und Anzahl der Rotorblätter. Kombination aus Savonius- und H-Rotor, sowie 6 Sonderbauformen. Bemerkenswert ist, dass zumindest in dieser Marktübersicht keine einzige Anlage mit Darrieus-Rotor angeführt wird. Es sei aber darauf hingewiesen, dass auch diese Marktübersicht nicht vollständig ist - eine vollständige Liste aller Anlagen konnte nicht gefunden werden und wird es wohl auch nicht geben. Beispielsweise sind in der BWE-Martübersicht [6] einige H-Rotor-Modelle mit zwei Rotorblättern angeführt. 2.3 Beispiele für typische Anlagen Es folgt nun die angekündigte Vorstellung von typischen Beispielanlagen. Soweit nicht anders angegeben beruhen alle technischen Daten und Beschreibungen auf Herstellerangaben. 2.3.1 Batterielader der Micro-Klasse: Air X Die Air X Micro-Windkraftanlage (Abb. 6) wird von dem 1987 gegeründeten US-amerikanischen Unternehmen Southwest Windpower, Inc. (windenergy) hergestellt, dem nach eigenen Angaben Weltmarktführer bei Kleinwindkraftanlagen, und wird in Deutschland von der Firma Windpower Enertec 4 vertrieben. Air X ist mit 90.000 seit 4 Webauftritt: windpower.de 14 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN Überlebensgeschwindigkeit v max 49,2 m/s (110 mph, 177 km/h) Tabelle 1: Technische Daten der Southwest Windpower Air X [54]. 2002 produzierten Stück angeblich auch die meistverkaufte Kleinwindkraftanlage der Welt und wird in den Ausführungen Air X Land, Air X Marine (einsetzbar in korrosiver Seeluft) und Air X Industrial (besonders robuste Ausführung für Offshore-Plattformen, Sendemasten, etc.) angeboten. Die 400 W-Anlage ist ein typischer Batterielader, wie er z.B. auf Segelbooten eingesetzt wird. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten technischen Daten. Die 3 Rotorblätter (horizontale Achse) bestehen aus kohlefaserverstärktem Thermoplastik, das Maschinengehäuse ist aus Aluminiumguss und in der Marine-Ausführung pulverbeschichtet. Die Windrichtungsnachführung erfolgt über eine Windfahne. Die mechanische Energie des Rotors wird ohne Getriebe in einer dreiphasigen, bürstenlosen Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM) in Drehstrom verwandelt, der von einer mikroprozessorgesteuerten und im Maschinengehäuse integrierten Leistungselektronik in Gleichspannung zur Batterieladung umgewandelt wird. Um die Probleme einer Kabelentdrillung zu um- gehen, wird zur Überbrückung des Gierlagers (vertikale Achse der Windrichtungsnach- 15 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN führung) die Gleichspannung über Schleifringe an die Anschlüsse im feststehenden Mast weitergegeben. Die Anlage kennt verschiedene Betriebszustände, die alle vom Mikroprozessor gesteuert werden. Im normalen Ladebetrieb wird der angeschlossene Batteriesatz bis zu einer einstellbaren Ladeschlussspannung aufgeladen. Die Messung der tatsächlichen Batteriespannung erfolgt durch kurzes Unterbrechen des Ladestroms, um Fehlmessungen durch Spannungsabfälle an den Zuleitungen zum Batteriesatz zu vermeiden (vgl. Abschnitt 2.5.1). Ist die Ladeschlussspannung erreicht, wird die Ladung beendet, und der Rotor mit Hilfe des Generators auf eine niedrige Drehzahl abgebremst, bei der auch die Geräuschentwicklung minimal ist. Sinkt die Batteriespannung zu weit ab, wird der Ladebetrieb wieder aufgenommen. Bei Windgeschwindigkeiten über etwa 15,6 m/s (35 mph) geht die Anlage in den Stall-Modus, was durch Abbremsen des Rotors erreicht wird. Über 22 m/s (50 mph) wird die Anlage komplett abgeschaltet (Festbremsen durch den Generator) und verharrt in diesem Zustand für 5 Minuten. Der Blatteinstellwinkel der Rotorblätter ist fix, sodass die Regelung der vom Wind aufgenommenen Leistung durch eine Kombination aus Stall-Betrieb und Drehzahlregelung durch den Generator erfolgt. Bei zu hoher Windgeschwindigkeit wird der Rotor offensichtlich in einen Drehzahlbereich gebracht, in dem die Schnelllaufzahl weit entfernt von der Auslegungsschnelllaufzahl (also der optimalen Schnelllaufzahl) ist oder die Strömung überhaupt abreisst (Stall). In jedem Fall wird so der Leistungsbeiwert wirksam herabgesetzt und damit die aufgenommene Windleistung reduziert. Bei normalen Windgeschwindigkeiten (unterhalb des Bremsbetriebes) wird die Drehzahl an den Wind angepasst, um eine optimale Schnelllaufzahl zu erreichen. Die Anlage besitzt kein eigenes Anemometer; die Ermittlung der optimalen Drehzahl erfolgt über ein Maximum Power Point Tracking (MPPT, auch Peak Power Tracking genannt, vgl. Abschnitt 3.3.2) [52, S. 22-24]. Die mit diesem Regelungskonzept erreichbare Windausbeute zeigt Abbildung 7. Der Hersteller gibt Diagramme für zwei verschiedene Fälle an: Die oberen Kurven beziehen sich auf ideale Bedingungen mit konstantem, nicht-turbulentem Wind, die unteren gelten für reale Bedingungen mit turbulenten Windverhältnissen. Die Anlage ist zur Montage auf einem Mast gedacht, der im Prinzip aus einem handelsüblichen Wasserrohr der Nenngröße 1 1/2 " (der Aussendurchmesser ist dann knapp 2") bestehen kann. Der Hersteller bietet folgende Turm-Bausätze an: • 8,3 m Rohrmast mit einfacher Abspannung [50] • 8,8 m Rohrmast mit doppelter Abspannung [55] • 13,7 m Rohrmast mit doppelter Abspannung [51] 16 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN Abbildung 7: Leistungskurve (links) und monatlicher Energieertrag (rechts) für die Air X. Die oberen Kurven gelten für ideale Bedingungen, die unteren für reale (turbulente Windverhältnisse) [52, S. 30]. Abbildung 8: Varianten des Rohrmastes mit Abspannung für die Air X [53]. • Bausatz für Dachmontage [56] • Bausatz für Bootsmontage [58] Die ersten drei Varianten (Abb. 8) sind umlegbare Ausführungen, die keinerlei Fundament benötigen und nur durch die Abspannseile gehalten werden. Es ist lediglich die sorgfältige Montage von Bodenankern notwendig, sodass der ganze Mast zu zweit in etwa einer Stunde errichtet werden kann. Bei schweren Stürmen wird nur eines der vier Abspannseile 5 gelöst und der Mast einfach umgelegt. 5 bzw. zwei der 8 Abspannseile bei doppelt abgespannten Masten 17 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN Die Windturbine alleine kostet etwa 890,00 e, der Mast je nach Ausführung zwischen 120,00 und 215,00 e (ohne MWSt.) [28]. Die Einsatzmöglichkeiten für solch einen Batterielader sind mannigfaltig und werden ausführlich in Abschnitt 2.5.1 beschrieben. Vergleichbare Anlagen anderer Hersteller sind (Auswahl): • Superwind 350 - Hersteller: Superwind GmbH Deutschland (superwind) (Deutschland) - Eckdaten: D = 1,20 m, A = 1,13 m 2 , z = 3, P = 350 W, U = 12/24 VDC m = 11,5 kg, C ≈ 1250 e (ohne MWSt.). - Ungewöhnlich bei Anlagen dieser Leistungsklasse ist die passive (mechanische) Pitch-Regelung der Rotorblätter durch Luft- und Fliehkräfte über eine in der Rotornabe integrierte Mechanik (vgl. Abschnitt 3.5.1). • Ampair 300 - Hersteller: Ampair - Boost Energy Systems Ltd. (ampair) (UK) - Eckdaten: D = 1,20 m, A = 1,13 m 2 , z = 3, P = 300 W, U = 12/24 VDC, m = 12 kg, C ≈ 1425 e (ohne MWSt., inkl. Laderegler). - Ähnliche passive Pitch-Regelung wie bei der Superwind 350. 2.3.2 1,4 kW-Anlage zur Haushaltsunterstützung: Passaat Hatten die in Abschnitt 2.3.1 vorgestellte Air X und die mit ihr vergleichbaren Anlagen primär die Aufgabe als Batterielader eine Stromversorgung auch in Gebieten fern des öffentlichen Niederspannungsnetzes sicherzustellen, soll hier nun eine Anlage vorgestellt werden, die den erzeugten Strom direkt in die Hausinstallation einspeist, um so die Menge des von einem Energieversorger bezogenen, kostenpflichtigen Stroms zu reduzieren (vgl. Abschnitt 2.5.5). Eine für diese Zwecke häufig installierte Anlage (weltweit 2.100 Stück [6, S. 47]) ist das Modell Passaat (Abbildung 9) der niederländischen Firma Fortis Wind Energy ( fortiswindenergy) mit 1,4 kW Nennleistung. Fortis Wind Energy (vormals LMW) stellt die Passaat seit über 25 Jahren her und ist nach eigenen Angaben Weltmarktführer bei Kleinwindkraftanlagen im Segment von 1,4 bis 10 kW Nennleistung. Tabelle 2 zeigt die wichtigsten technischen Daten. 18 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN Die Anlage besitzt einen Horizontalachsen-Rotor mit 3 Rotorblättern aus glasfaserverstärktem Epoxidharz. Die Energieumsetzung erfolgt in einem permanenterregten Synchrongene-rator und ohne Getriebe. Die Windrichtungsnachführung erfolgt über eine Windfahne. Die Rotorachse ist gegenüber der senkrechten Gierachse seitlich versetzt (vgl. Abb. 9 rechts), was bei Windanströmung zu einem Drehmoment um die Gierachse führt. Zusammen mit dem Drehmoment der Windfahne ergibt sich eine passive Leistungsregelung, die bei Starkwind dafür sorgt, dass der Rotor aus dem Wind gedreht wird [20]. Abbildung 10 zeigt die sich so ergebende Leistungskurve. Eine zentrale Bedeutung kommt bei dieser Anlage dem Einspeisewechselrichter zu, der erst die Einspeisung in ein bereits vorhandenes Niederspannungsnetz ermöglicht. Er unterscheidet sich wesentlich von gewöhnlichen, nicht-netzgebundenen Wechselrichtern, wie sie bei Batterieladern verwendet werden, um auch 230 V-Geräte betreiben zu können. Ein Ein- speisewechselrichter ist netzgeführt, was bedeutet, dass die Steuerung des Umrichters durch 19 2 MARKT UND ANWENDUNG VON KLEINWINDKRAFTANLAGEN Abbildung 10: Leistungskurve der Passaat (Die Zahlenwerte der Abszissenachse bezeichnen die Windgeschwindigkeit in m/s) [21]. die vorhandene Netzspannung erfolgt, um einen hinsichtlich Frequenz und Phasenlage zur Netzspannung passenden Betrieb zu ermöglichen. Gewöhnliche Wechselrichter hingegen sind fremdgeführt, bestimmen also selbst Frequenz und Phasenlage der erzeugten Spannung, weshalb sie auch niemals mit einem vorhandenen Netz verbunden werden dürfen. Eine genauere Beschreibung der technischen Eigenschaften von Netzeinspeisewechselrichtern erfolgt in Abschnitt 3.4, Details zum korrekten Anschluss für eine Netzeinspeisung werden in Abschnitt 2.5.5 gegeben. Vergleichbare Anlagen anderer Hersteller sind (Auswahl): • Skystream 3.7 - Hersteller: Southwest Windpower (skystreamenergy) (USA) - Eckdaten: D = 3,72 m, A = 10,87 m 2 , z = 3, P = 2,4 kW, U = 120/240 VAC m = 77 kg, C ≈ 6 300 e (ohne MWSt.). - Stall-geregelter Leeläufer (daher keine Windfahne notwendig) - Interessant ist der vollständig im Gehäuse integrierte Einspeisewechselrichter, sodass die Anlage ohne Zusatzgeräte unmittelbar an die Hausinstallation angeschlossen werden kann - ein Musterbeispiel für anwenderfreundliche Plug&Play-Funktionalität. • Inclin 1500 neo - Hersteller: Juan y David Bornay, S.L. (bornay) (Spanien) - Eckdaten: D = 2,86 m, A = 6,42 m 2 , z = 2, P = 1,5 kW, m = 42 kg, C = 3 335 e.
Posted on: Sun, 18 Aug 2013 23:03:24 +0000

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