Studienarbeit

Sommersemester 2007

am

Lehrstuhl für Energiewirtschaft

am

Institut für Energietechnik

Fakultät 3

Brandenburgische Technische Universität in Cottbus

Analyse von technischen Risiken und deren

Auswirkungen auf Investitionsstrategien bezüg-

lich Windenergieprojekten

von

Marco Groschke

Ort, Datum: Cottbus, 11.06.2007

Nachbearbeitung: 16.07.2007

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Aufgabenstellung:

Ziel der Studienarbeit ist die Analyse von technischen Risiken und deren Auswirkungen auf

Investitionsstrategien in Windenergieprojekte hinsichtlich folgender Schwerpunkte:

Beschreibung von Motiven, Zielen und Strategien von Investoren im Bereich der Er-

neuerbaren Energien, insbesondere Windenergie

Beschreibung und Bewertung der wesentlichen technischen Risiken von Investitionen

in Windenergieprojekte (Prognoserisiken des zu erwartenden Energieertrages, techni-

sche Betriebsrisiken der Windenergieanlagen und der technischen Infrastruktur)

Weiterentwicklung eines Lebenszyklus-Modells für den Betrieb von Windenergiean-

lagen (Analyse der Aktivitäten und Akteure entlang der Wertschöpfungskette, Weiter-

entwicklung eines DCF- Kalkulationsmodells um ein Monte-Carlo-Simulations-

Modul insbesondere für die Berechnung der Renditeerwartung unter Betrachtung der

Unsicherheit der Bestimmung des Energieertrages [jährlicher Energieertrag, Schwan-

kung in einzelnen Jahren, langfristige Schwankungen oder Trends])

Ableitung und Bewertung von Maßnahmen zur Verringerung des Projektrisikos im

Vorfeld der Investitionsentscheidung

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i

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis iii

Tabellenverzeichnis iv

Abkürzungsverzeichnis iv

1.

Einleitung 1

1.1.

Problemstellung 1

1.2.

Zielsetzung 1

1.3.

Aufbau der Arbeit 2

2.

Investitionsstrategien in Erneuerbare Energien- Projekte 2

3.

Das Lebenszyklusmodell von Windenergieanlagen 7

4.

Beschreibung von ausgewählten Risiken des Betriebs von
Windenergieanlagen 10

4.1.

Grundlagen 10

4.1.1.

Physikalische Grundlagen der Windenergienutzung 10

4.1.2.

Windverhältnisse 12

4.1.3.

Beschreibung von Windenergiekonvertersystemen 14

4.2.

Methoden der Ertragsprognose von Windenergieanlagen 17

4.2.1.

Die Windklimabestimmung 17

4.2.2.

Modellierung des Windfelds 19

4.2.3.

Modellierung des Parkwirkungsgrads 21

4.2.4.

Technische Daten der WEA 24

4.2.5.

Die Langzeitprognose 24

4.3.

Unsicherheiten der Ertragsprognose 25

4.3.1.

Unsicherheiten der meteorologischen Daten 25

4.3.2.

Die Unsicherheit der Modellierung des Windfelds 28

4.3.3.

Parkwirkungsgradunsicherheiten 29

4.3.4.

Die Unsicherheit der Leistungskennlinie 29

4.3.5.

Die Aggregation der Teilunsicherheiten 30

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ii

i i

4.4.

Technische Risiken und Betriebsrisiken 31

4.4.1.

Der Klimawandel 31

4.4.2.

Die Jahresschwankungen 34

4.4.3.

Technische Verfügbarkeit 36

4.4.4.

Netzengpässe 38

4.4.5.

Kosten- und Preisunsicherheiten 41

5.

Entwicklung eines Simulationsmodells für die Renditeerwartung von
Windenergieprojekten 42

6.

Möglichkeiten der Reduzierung von Projektunsicherheiten im Vorfeld
der Investitionsentscheidung 47

6.1.

Darstellung ausgewählter technischer Maßnahmen 47

6.2.

Darstellung ausgewählter betriebswirtschaftlicher Methoden 49

7.

Zusammenfassung und Ausblick 51

Danksagung 53

Quellenverzeichnis 54

Verzeichnis der Anhänge 58

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ii

i i

i i

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Struktur eines EE- Investitionsprojekts 3

Abbildung 2: Investitionszielgebiete von Iberdrola 6

Abbildung 3: Das Lebenszyklusmodell für ein Windenergieprojekt 9

Abbildung 4: Verlauf des Leistungsbeiwertes in Abhängigkeit des Windverhältnisses 11

Abbildung 5: Hindernisturbulenzen 13

Abbildung 6: Rotormaterialkennwerte 15

Abbildung 7: Vorgehensweise der Windenergieertragsbestimmung 17

Abbildung 8: Ermittlung von Langzeitprognosen aus Kurzzeitmesswerten 18

Abbildung 9: Weibull- Verteilung 19

Abbildung 10: Ablaufplan der Ertragsprognose mit WAsP 20

Abbildung 11: Oberfläche des Programms WAsP 21

Abbildung 12: Nachlaufeffekt einer WEA 22

Abbildung 13: WEA- Aufstellungsmöglichkeiten mit und ohne bevorzugte Windrichtung... 23

Abbildung 14: Berechnete Leistungskennlinie einer Enercon E­82 24

Abbildung 15: Meteorologische Unsicherheiten 28

Abbildung 16: Vergleich WAsP, FITNAH und Messwerte 29

Abbildung 17: Technische Daten der WEA 29

Abbildung 18: Stark abweichende Leistungskurve eines komplexen Standorts 30

Abbildung 19: Gesamtunsicherheit von Windenergieprojekten 31

Abbildung 20: Szenarienergebnisse WETTREG 32

Abbildung 21: Entwicklung der regionalen Windgeschwindigkeiten in Deutschland 33

Abbildung 22: Verteilungscharakteristik der Langzeitprognose 35

Abbildung 23: Normierte Ertragsschwankungen von 2003 bis 2007 35

Abbildung 24: Technische Verfügbarkeit im Jahr 2005 36

Abbildung 25: Störungsursachen WEA 37

Abbildung 26: Erhaltungsaufwand und Zeitpunkt von WEA- Komponenten 37

Abbildung 27: Schematische Darstellung des NSM 40

Abbildung 28: Darstellung der Normalverteilung 43

Abbildung 29: Histogramm für den Ertragswert bei geringen Unsicherheiten 45

Abbildung 30: Energieertragsunsicherheiten unter verschiedenen Parametern 48

Abbildung 31: Funktionsweise eines Windderivats 50

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iv

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Patentanmeldungen ausgewählter WEA- Anlagenhersteller 5

Tabelle 2: Rauhigkeitswerte 13

Tabelle 3: Getriebearten 15

Tabelle 4: Windtrends 33

Tabelle 5: Prognose der Windverhältnisse in Nordeuropa 34

Tabelle 6: Ausfallrate (MTBF) 38

Tabelle 7: Simulierte mittlere WEA Energieerträge bei verschiedenen Unsicherheiten 45

Tabelle 8: Simulierte Kapitalwerte bei verschiedenen Unsicherheiten 46

Abkürzungsverzeichnis

AEP

Annual Energy Production

allg.

allgemein

BAU

business as usual

bspw.

beispielsweise

c.p.

ceteribus paribus (unter sonst gleichen Bedingungen)

Ct

Eurocent

DCF

Discounted Cash Flow

Dena

Deutsche Energieagentur

EE

Erneuerbare Energien

EEG

Erneuerbare Energien Gesetz

EVU

Energieversorgungsunternehmen

FGW

Fördergesellschaft Wind

GWh

Gigawattstunden

IEC

International Electrotechnical Commission

ISET

Institut für Solare Energietechnik

IWET

Ingenieurwerkstatt Energietechnik

IWR

Internationales Wirtschaftsforum Regenerativer Energien

km

Kilometer

kWel

Kilowatt elektrisch

kWh

Kilowattstunde(n)

m

Meter

MS

Microsoft

MTBF

Meantime between Failures

---

v

NSM

Netzsicherheitsmanagement

s

Sekunde

spez.

spezifisch

Stck.

Stück

TA- Lärm

Technische Anleitung Lärm zum Schutz gegen Lärm

TR

Technische Richtlinien

u. a.

unter anderem

vgl.

vergleiche

WAsP

Wind Analysis and Application Program

WEA

Windenergieanlage

WMEP

Wissenschaftliches Mess- und Evaluierungsprogramm

Formelzeichen

ARotor

Kreisfläche des Rotors

AWEA

Flächenbeanspruchung Windenergieanlage

AWind

durchströmte Fläche des Windes

cp

Leistungsbeiwert

DRot

Rotordurchmesser

Ea

jährlicher Energieertrag

ES

Standardertrag

Ekin, Wind

kinetische Energie der Luftmassen

FE

Farmeffizienz

h

Häufigkeit der Windgeschwindigkeit v

v

i

i

i

Laufindex

kA

Abstandsfaktor

LK

Leistungskurve

mWind

Masse des Windes

m

&

Massenstrom des Windes

Wind

n

Ende des Laufindex

P(X)

Wahrscheinlichkeit von X

PNutz ,WEA

durch WEA nutzbare Leistung des Windes

P

Leistungswert bei v

v

i

i

PWEA

abgegebene Leistung des Windkonverters

PWind

im Luftmassenstrom enthaltene Leistung

PV

Produktionsverfügbarkeit

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vi

T

Zeitdauer

U

Unsicherheit

UWind

Unsicherheit der Windprognose

Umeteo

meteorologische Unsicherheit

vWind

Geschwindigkeit des Windes

z

Höhe

H

Hellmann Exponent

i

Netzverfügbarkeit

i

Technische Verfügbarkeit

el

elektrischer Wirkungsgrad/ Netzwirkungsgrad

Farmeffizienz

Rauhigkeitslänge

Wind

Dichte des Windes

µ

Erwartungswert

Standardabweichung

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