Einstieg in die Energieversorgung der Zukunft anhand der Windenergie

  ABBILDUNGEN  3

  TABELLEN......................................................................................................3  

  ABKÜRZUNGEN.............................................................................................4  

1.  Einleitung 5  

1.1  Die Energie der Zukunft 5  

1.2.  Das Erneuerbare - Energien - Gesetz 5  

1.3.  Das Kyoto Protokoll 6  

2.  Die horizontale Windenergieanlage 6  

2.1.  Ringgenerator 7  

2.2.Rotor  8  

2.3.  Bremssystem 10  

2.4.  Sensorsystem 10  

2.5.  Anlagensteuerung 11  

2.5  Türme 12  

2.6.  Netzanbindungssystem 12  

3.  Belastungen und Strukturbeanspruchungen 12  

3.1.  Windbeanspruchung 12  

3.2.  Turmumströmung 12  

3.3.  An- und Abfahrvorgänge 13  

3.4.  Rotorstillstand 13  

3.5.  Blitzschutz 13  

4.  Windenergie und Umweltschutz 14  

4.1.  Standort 14  

4.2.  Geräuschemissionen 14  

4.3.  Vogelschutz 14  Vogelschutz...............................................................................14

4.4.  Optische Veränderung des Landschaftsbildes 15  

4.5.  Flächenverbrauch 15  

4.6.  Schattenwurf 15  

4.7.  Emissionen 16  

5.  Wirtschaftlichkeit 16  

5.1.  Jahresenergielieferung 16  

5.2.  Amortisationszeit 17  

5.3.  Externe Kosten 18  

5.4.  Investitionskosten 18  

5.5.  Betriebskosten 21  

5.6.  Energieerzeugungskosten 23  

5.6.1.  Definition der Randbedingungen zur Kostenrechnung 23  

5.6.2.  Energieerzeugungskosten Einzel-WEA 24  

6.  Anhang 26  

6.1.  Beispiel 26  

6.1.1.  Bürgerwindpark-Konzept Freisen Saarland Finanzierung26  

6.1.2.  Einspeisevergütung Windkraftanlagen 27  

6.1.3.  Obergrenze für Einspeisevergütungen Windkraftanlagen  28

7.  Literaturverzeichnis 29  

  Bücher  29

  Internetquellen  29

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ABBILDUNGEN Abb. 1: Schema einer Horizontalachsen-Windenergieanlage Abb. 2: Entwicklung der Preise für WEA in Windparks und für Einzel-WEA in Ab- hängigkeit des Aufstellungsjahres Abb. 3: Anteile der verschiedenen Investitionsnebenkosten für WEA in Windparks und für Einzel-WEA für das Jahr 1998 Abb. 4: Entwicklung der Betriebskosten für WEA in Windparks und für Einzel-WEA in Abhängigkeit der Betriebsjahre Abb. 5: Entwicklung der Reparatur- und Wartungskosten für WEA in Windparks und für Einzel-WEA in Abhängigkeit der Betriebsjahre

TABELLEN

Tab. 1: Daten von Windkraftanlagen mit elektrischer Leistung von 500 kW Tab. 2: Energetische Amortisationszeit für Herstellung, Betrieb und Entsorgung Tab. 3: Definition der Randbedingungen für die Berechnung der Energieerzeugungs- kosten Tab. 4: Anlagentyp 600 kW, Nabenhöhe 50 m, Rotorfläche 1450 m2, Abschreibungs- zeitraum 15 Jahre Tab. 5: Anlagentyp 600 kW, Nabenhöhe 50 m, Rotorfläche 1450 m2, Abschreibungs- zeitraum 15 Jahre, Ertrag 400 kWh/a

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ABKÜRZUNGEN Abb. Abbildung

bzw. beziehungsweise

BMU Bundesumweltministerium

ca. circa

CO 2 Kohlendioxid

d.h. dass heißt

db Dezibel

EEG Erneuerbare - Energien – Gesetz

EK Eigenkapital

EMV elektromagnetische Verträglichkeit

EVU Energie Versorgungsunternehmen

FK Fremdkapital

GWh Gigawattstunde

ha Hektar

kW Kilowatt

kWh Kilowattstunde

Mio. Million

Mrd. Milliarde

MW Megawatt

MWh Megawattstunde

p.a. pro Jahr

rd. Rund

S. Seite

Tab. Tabelle

UVP Umweltverträglichkeitsprüfung

vgl. Vergleich

VDEW Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke

WEA Windenergieanlage

WKA Windkraftanlage

z.B. zum Beispiel

SYMBOLE

a anno

d Rotordurchmesser

e j Jahresenergieertrag

h Benutzungsstunden

m Meter

m/s Meter pro Sekunde

m 2

Quadratmeter

Pt Turbinenleistung

t Tonne

w Strömungsgeschwindigkeit

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1. Einleitung

1.1 Die Energie der Zukunft

Um unsere Energieversorgung nachhaltig zu machen, ist neben der Effizienz- steigerung eine deutliche Steigerung des Anteils der erneuerbaren Energieträ- ger notwendig.

Das Deutsche Windenergie-Institut ermittelte zum 31.12.2002 die Aufstel- lungszahlen für die neuinstallierten Windenergieanlagen (WEA) in Deutsch- land. Zum 31.12.2002 waren in Deutschland insgesamt 13.759 WEA mit 12.001,22 MW installierter Leistung errichtet.

Gegenüber der Neuinstallation im Jahr 2001 von 2.658,96 MW bedeutet dies ein Zuwachs von 22 %. Die in den beiden Jahren erbaute durchschnittliche WEA-Größe erhöhte sich um ca. 9 % von 1.279 auf 1.395 kW, d.h. die WEA mit 1.500 kW und mehr installierter Leistung haben mit etwa 78 % Marktanteil die dominierende Rolle übernommen. Der gesamte Jahresumsatz der Wind- branche auf dem deutschen Markt liegt damit bei über 3,5 Mrd. Euro. Mit die- ser installierten Leistung ist die Windenergie in der Lage etwa 4,7 % des elekt- rischen Energieverbrauchs in Deutschland zu decken. 1

1.2. Das Erneuerbare - Energien - Gesetz

Das Erneuerbare - Energien - Gesetz (EEG), vom 1. April 2000, verpflichtet Stromnetzbetreiber, Elektrizität aus Sonne, Wasser, Wind, Geothermie und Biomasse abzunehmen und dafür Mindestvergütungen zu zahlen. Das Gesetz verpflichtet, die jeweils nächstgelegenen Netzbetreiber, Strom aus erneuerba- ren Energien aufzunehmen und zu vergüten. Die Mindestvergütungen an die Einspeiser sind abhängig von der Sparte der erneuerbaren Energien, von der Größe der Anlagen und von ihrem Standort. Sie orientieren sich an den tatsäch- lichen Stromgestehungskosten und sind degressiv, um die technische Entwick- lung zu fördern. 2 1 vgl. BMU, Themenpapier: Windenergie (2002), S. 3 - 4 2 vgl. BMU, Umweltbericht (2002), S. 63

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Die Höhe der Vergütung richtet sich danach, wie hoch die Herstellungskosten der Elektrizität sind. So gibt es für die Betreiber von Windrädern je nach Standort zunächst fest mit 9 Cent/kWh für die ersten 5 Jahre (Anfangsvergü- tung) und später mit 6,10 Cent/kWh. 3

Die Kosten legt das Gesetz auf alle Stromkunden in der Republik um. So wer- den die regionalen Unterschiede ausgeglichen und die Belastung für den Ein- zelnen bleibt gering. Gegenwärtig verteuert sich eine Kilowattstunde für die Endkunden um etwa 0,1 Cent, in einigen Jahren ist mit rd. 0,2 Cent zu rechnen. Wenn man allerdings berücksichtigt, dass die Nutzung von erneuerbaren Ener- gien die Kosten vermeidet, die durch Umwelt- und Klimaschäden der konven- tionellen Energien entstünden, dann sind die erneuerbaren Energien volkswirt- schaftlich kostengünstiger. 4

1.3. Das Kyoto – Protokoll

Das Kyoto – Protokoll fordert eine Reduktion der sechs Treibhausgase (Koh- lendioxid, Methan, Distickstoffoxid, teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe, perfluorierte Kohlenwasserstoffe, Schwefelhexalfluorid) um 21 Prozent bis zur Periode 2008 – 2012 gegenüber 1990. Darüber hinaus hat die Bundesregierung weitere ziele für den Einsatz von Technologien und Energieträgern zur Redu- zierung der Treibhausgasemissionen festgelegt:

• Verdoppelung des Anteils der erneuerbaren Energien

• Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung

• Steigerung der Energieeffizienz in den kommenden Jahren

• Minderungsvorhaben für private haushalte und Gebäude, Energiewirt- schaft, Industrie und Verkehr 5

2. Die horizontale Windenergieanlage

WEA mit horizontaler Lage der Drehachse werden nahezu ausschließlich in der Propellerbauart verwirklicht. Diese Bauform, zu der die europäischen Windmühlen gehören, wie die amerikanische Windturbine oder die modernen 3 vgl. BMU, Themenpapier: Windenergie (2002), S. 3 4 vgl. Greenpeace (2002), www.greenpeace.org/deutschland 5 vgl. BMU, Damit weniger in die Luft geht (2000), S. 6 - 7

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Windkraftanlagen, stellt das beherrschende Konstruktionsprinzip in der Wind- energietechnik dar.

Alle Anlagen bestehen aus dem Turm mit dem notwendigen Fundament, dem Rotor und einer Rotorbremse, häufig einer Windnachführung, fast immer ei- nem Getriebe, dem Generator, Regelungssystemen, Hilfsaggregaten und dem Netzanschluss.

Abb. 1: Schema einer Horizontalachsen-Windenergieanlage

Quelle: Hau (1996), S. 52

Die maximale Leistung der Anlage wird bestimmt von der durchströmten Ro- torfläche und ist zunächst unabhängig von der Anzahl der Flügel. 6

2.1. Ringgenerator

Der Ringgenerator wird vom Anlagenrotor (Rotorblätter) direkt angetrieben. Der Generatorrotor ist direkt mit der Rotornabe verbunden und benötigt so keine eigene Lagerung. Der Generator liefert bereits bei einer Drehzahl von 38 Umdrehungen die Minute seine Nennleistung von 500 bzw. 600 kW. Hierfür wurde ein hochpoliger Generator eingesetzt, dessen Betriebsweise auf dem 6 vgl. Dittmann und Zschernig (1998), S. 355

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Prinzip einer Synchronmaschine basiert. Über den gesamten Arbeitsbereich des Generators wird ein Wirkungsgrad von 94 % erzielt.

Geringe Temperaturschwankungen während des Betriebs, niedrige Temperatu- ren bei Nennlast und die Vermeidung von Wechsellasten vermindern mechani- sche Spannungen und die damit verbundene Alterung des Generatormaterials.

Nach dem Einlegen des Blechpaketes erhält der Stator, den ersten Korrosions- schutz. Danach werden die Kupferwicklungen eingebracht. Zwischen Nuten und Wicklung findet ein Mehrschichtisolierstoff als Nutenisolation Verwen- dung. Dieser Isolierstoff besteht aus drei Lagen: die Innenlage ist eine Elektro- isolierfolie und die Aussenlagen bestehen aus Aramidpapier. Diese Kombinati- on garantiert geringe Feuchtigkeitsaufnahme sowie eine gute thermische und chemische Beständigkeit. Der Kupferdraht selbst ist durch einen hochwärme- beständigen Grundlack versehen und dann noch mit einer zusätzlichen Lack- schicht auf Polyamidbasis geschützt. Die Gesamtisolation besteht aus einer Kombination von zwei verschiedenen Lackkomponenten. Durch diese Zwei- schichttechnik (Overcoattechnik) wird ein optimaler Schutzmantel für den Kupferdraht erzielt. Nach dem Wickeln wird der Stator in einer großen Vaku- umtränkanlage mir Harz. Zum Schluss erhält die Wicklung noch einen speziel- len zusätzlichen Überzugslack, der die Kupferwicklungen mechanisch und hydrostatisch schützt.

Eine komplette umfangreiche Prüfung der Wicklung schließt die Herstellung des Generators ab. 7

2.2. Rotor

Der Rotor aus glasfaserverstärktem Epoxidharz ist mitbestimmend für den Er- trag der Windenergieanlage, sowie für ihre Schallemission. Vorgaben hierfür sind:

• hoher Leistungsbeiwert

• lange Lebensdauer

• geringe Schallemission 7 vgl. Enercon E-40 (1999), www.windkraftwerke.de

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