Großwindkraft hat in den vergangenen 20 Jahren eine beeindruckende Entwicklung vollzogen und leistet in vielen Ländern bereits einen wichtigen Beitrag zur Stromversorgung: In Dänemark wurde 2008 rund ein Fünftel des Strombedarfs aus Windkraft gedeckt, in Deutschland lag der Wert bei knapp 8 %. Langsam gedeiht nun auch ein bunter Markt für Kleinwindkraft im Schatten der großen Mühlen. Seit Jänner 2009 gibt es in Deutschland einen eigenen Bundesverband für Kleinwindkraftanlagen und im März dieses Jahres hat Europas erstes Symposium für diesen Teil der Ökostrombranche stattgefunden.
Obwohl sich mittlerweile eine Vielzahl von Unternehmen mit dem Thema beschäftigen und dabei auf beachtliches Kundeninteresse stoßen, fehlt es der Branche häufig noch an definierten Mindeststandards, angepassten rechtlichen Rahmenbedingungen und der gesonderten Berücksichtigung im Rahmen der Ökostromförderung. Während die Großwindkraft eine hochprofessionelle Industrie darstellt, stecken viele Kleinwindkraftkonzepte noch in den Kinderschuhen und bringen eine Reihe von Problemen mit sich. Dabei ist noch nicht einmal klar definiert, wo die Grenzen zwischen Mikro-, Klein- und Großwindkraft zu ziehen sind.
Die vorliegende Arbeit versucht praxisnah eine solche Abgrenzung zu finden und das Segment Kleinwindkraft zu definieren. Weiters sind meteorologische und technische Grundlagen, die für den Einsatz von Kleinwindkraftanlagen relevant sein können, Thema dieses Papiers. Ebenso wird ein kurzer Marktüberblick geliefert. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich einem einjährigen Praxistest, mit dem der Betrieb von Kleinwindkraftanlagen auf typischen Standorten in Ober- und Niederösterreich untersucht wurde. Aus den Ergebnissen sollen Stärken, Schwächen und Verbesserungsvorschläge abgeleitet werden.
Die Arbeit soll zeigen, was Kleinwindkraft auf „Leichtwind-Standorten“ zu leisten in der Lage ist. Ziel ist es, das Verständnis für diese Technik zu schärfen und Potenziale sowie Grenzen aufzuzeigen. Für Interessenten und potenzielle Kunden soll die vorliegende Arbeit eine Hilfestellung bei der Entscheidungsfindung bieten.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Methodik
3. Geschichte der Windkraft
3.1 Die Ursprünge der Nutzung der Windenergie
3.1.1 Windmühlen
3.1.2 Westernräder
3.1.3 Strom aus Wind – die ersten Kleinwindkraftanlagen
3.2 Moderne Windkraft – Neustart in den 1970ern
4. Aktuelle Zahlen aus der Windkraft
4.1 Windkraft International
4.2 Windkraft in Österreich
5. Meteorologische und physikalische Grundlagen
5.1 Ursprung der Windenergie – globale Zirkulation
5.2 Einteilung der Windressourcen und Windschichten
5.2.1 Eckmann-Schicht
5.2.2 Prandtl-Schicht
5.2.3 Bodennahe, turbulente Schicht
5.2.4 Spezielle, lokale Winde
5.2.5 Diskussion zu Windressourcen und Windschichten
5.3 Einflussgrößen auf die Wind-Energie
5.3.1 Luftdichte
5.3.2 Windgeschwindigkeit
5.3.3 Rotorfläche
5.4 Wichtige Begriffe bei der Windenergie-Nutzung
5.4.1 Rauhigkeitslängen und Rauhigkeitsklassen
5.4.2 Windscherung
5.4.3 Das Betz’sche Gesetz
5.4.4 Standort-Effekte
5.4.5 Weibull-Verteilung
5.4.6 Windrose und Rauhigkeitsrose
5.4.7 Die Leistungskurve einer Windkraftanlage
5.4.8 Schnelllaufzahl
5.4.9 Der Leistungsbeiwert bzw. Wirkungsgrad
5.4.10 Der Auslastungsfaktor
5.5 Stetigkeit des Windes
5.5.1 Tagesgang
5.5.2 Jahreszeitliche Unterschiede
5.5.3 Langfristige Schwankungen des Windpotenzials
6. Technische Grundlagen von Windkraftanlagen
6.1 Einteilung nach verschiedenen Bauformen
6.1.1 Widerstandsläufer und Auftriebsläufer
6.1.2 Langsamläufer und Schnellläufer
6.1.3 Vertikal- und Horizontalläufer
6.1.4 Luv- oder Lee-Läufer
6.2 Eigenschaften verschiedener Rotorbauformen
6.3 Baumaterialen für Rotorblätter
6.4 Windnachführung des Rotors
6.4.1 Windfahnen
6.4.2 Leeseitige Ausrichtung
6.4.3 Seitenräder
6.4.4 Aktive Azimut-Regelung
6.5 Leistungsregelung von Windkraftanlagen
6.5.1 Blattwinkelregelung (Pitch-Regelung)
6.5.2 Stall-Regelung (Strömungsabriss)
6.5.3 Aktive Stall-Regelung
6.5.4 Azimut-Regelung (Rotor aus dem Wind drehen)
6.6 Weitere wichtige Komponenten einer Windkraftanlage
6.6.1 Generator
6.6.2 Getriebe
6.6.3 Turm und Fundament
6.6.4 Steuereinheit und Frequenzumrichter
6.7 Betriebssicherheit von Windkraftsystemen
7. Kleinwindkraft
7.1 Abgrenzung von Mikro-, Klein- und Großwindkraft
7.1.1 Mikrowindkraftanlagen (MWA)
7.1.2 Kleinwindkraftanlagen (KWA)
7.1.3 Großwindkraftanlagen (GWA)
7.2 Definition von MWA, KWA und GWA
7.2.1 Mikrowindkraftanlagen
7.2.2 Kleinwindkraftanlagen
7.2.3 Großwindkraftanlagen
7.3 Kosten und Wirtschaftlichkeit von KWA
7.4 Potenzial von KWA
7.5 Rechtlicher Rahmen bei der Errichtung von KWA
7.5.1 Gesetzeslage zur Kleinwindkraft in NÖ
7.5.2 Gesetzeslage zur Kleinwindkraft in OÖ
7.6 Diskussion zu Kleinwindkraftanlagen
7.6.1 Spezial-Segment „Urban Wind Turbines“
7.6.2 Kleinwindkraft im historischen Kontext
7.6.3 Kleinwindkraft und Photovoltaik
8. Spielen mit dem Wind: Eine Marktanalyse
9. Kleinwindkraftanlagen von Austrowind
9.1 Firmenchronologie
9.2 Technische Beschreibung der Austrowind-Produkte
9.2.1 Generator
9.2.2 Rotor
9.2.3 Wechselrichter und Steuereinheit
9.2.4 Kippmasten
9.2.5 Fundament
9.2.6 Betriebsdaten
9.3 Anlagekosten und Wirtschaftlichkeit
10. Austrowind im einjährigen Praxistest
10.1 Standortbeurteilung bei Kleinwindkraftanlagen
10.1.1 Professionelle Wind-Potenzialanalyse
10.1.2 Wind-Potenzialanalyse in der Kleinwind-Praxis
10.2 Standortbeurteilung des Standortes in Altenberg
10.3 Ertragsprognose für den Standort Altenberg
10.3.1 Ermittlung der Weibull-Verteilung
10.3.2 Ermittlung des theoretischen Jahresertrages
10.3.3 Kontrolle der Ertragsprognose
10.3.4 Alternative Ertragsprognose mit der Aventa AV-7
10.4 Tatsächlich erbrachte Erträge im ersten Jahr
10.5 Erkenntnisse aus dem einjährigen Praxistest
10.5.1 Zur Windmessung
10.5.2 Zum Standort in Altenberg
10.5.3 Zur Technik der Anlage
10.5.4 Zur Dimensionierung
10.5.5 Zur Wirtschaftlichkeit
11. Schlussfolgerungen für den Standort St. Valentin
12. Resümee zur Kleinwindkraft im Allgemeinen
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit definiert den Begriff Kleinwindkraft, analysiert meteorologische sowie technische Grundlagen und untersucht in einem einjährigen Praxistest an Standorten in Ober- und Niederösterreich die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit von Kleinwindkraftanlagen, um potenziellen Kunden eine fundierte Entscheidungshilfe zu bieten.
- Definition und Abgrenzung von Mikro-, Klein- und Großwindkraft.
- Meteorologische und technische Grundlagen der Windenergienutzung.
- Analyse der Marktentwicklung und rechtlicher Rahmenbedingungen.
- Einjährige Praxisbeobachtung und Ertragsanalyse von Anlagen.
- Bewertung der Wirtschaftlichkeit und Ableitung von Verbesserungspotenzialen.
Auszug aus dem Buch
3. Geschichte der Windkraft
Die Nutzung der Windenergie ist seit Jahrtausenden von zentraler Bedeutung für den Menschen. Der Wind hat Segelschiffe über die Weltmeere getrieben und war Triebkraft für abertausende Getreidemühlen, Schmiedehämmer, Sägen und Wasserpumpen. Auch bei der Elektrifizierung des ländlichen Raumes, Anfang des 20. Jahrhunderts, leistete die Windkraft ihren Beitrag. Mit dem Aufkommen der Dampfmaschine im 19. Jahrhundert wurde der Niedergang der Windmühlen eingeläutet, mit der Nutzung von Billig-Energie aus Kohle, Öl und Gas besiegelt. Noch vor dem zweiten Weltkrieg war die Windnutzung in ökonomisch unbedeutende Nischen zurückgedrängt. Noch nie in der Geschichte des modernen Menschen war die Windenergie so unbeachtet wie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts.
Am Beginn des neuen Jahrtausends lassen Klimawandel, Energiekonflikte und das Wissen um die Endlichkeit der fossilen und atomaren Ressourcen viele Menschen umdenken. Mit modernen Kraftwerken hat die Windkraft in vielen Ländern bereits ein starkes Comeback gefeiert. Die Windenergienutzung tritt erneut einen Siegszug rund um den Globus an. Und im Schatten der großen Windkraftwerke gedeiht ein bunter Markt an Kleinwindkraftanlagen (KWA). So, wie vor hunderten von Jahren, können auch heute Kleinanlagen für einzelne Betriebe oder Dorfgemeinschaften Energie bereitstellen. Welche Blüten der Markt treibt und was Kleinwindkraftanlagen in der Praxis heute tatsächlich schon leisten, soll die vorliegende Arbeit beleuchten.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Motivation und Entstehung der Diplomarbeit auf Basis der Marktsituation für Kleinwindkraftanlagen.
2. Methodik: Gliederung der Arbeit in einen theoretischen Teil zur Windenergienutzung und einen Praxisteil mit Standortanalyse und Ertragsmessung.
3. Geschichte der Windkraft: Historische Entwicklung von der frühen Windmühlennutzung bis zum modernen Comeback der Windenergie.
4. Aktuelle Zahlen aus der Windkraft: Internationale und nationale Marktdaten sowie Zielsetzungen für den Ausbau der Windkraft.
5. Meteorologische und physikalische Grundlagen: Erläuterung der physikalischen Parameter und meteorologischen Zusammenhänge, die für die Windenergieernte relevant sind.
6. Technische Grundlagen von Windkraftanlagen: Überblick über Bauformen, Rotorik und Regelungstechniken von modernen Windkraftanlagen.
7. Kleinwindkraft: Abgrenzung und Definition der Größenklassen sowie rechtliche Rahmenbedingungen.
8. Spielen mit dem Wind: Eine Marktanalyse: Marktübersicht und Typisierung der vielfältigen Konzepte für Kleinwindanlagen.
9. Kleinwindkraftanlagen von Austrowind: Technische Beschreibung der Produkte und Firmenchronologie des Herstellers.
10. Austrowind im einjährigen Praxistest: Detaillierte Auswertung des einjährigen Testbetriebs an realen Standorten, inklusive Ertragsprognosen.
11. Schlussfolgerungen für den Standort St. Valentin: Übertragbarkeit der Erkenntnisse aus Altenberg auf ein weiteres Projektbeispiel.
12. Resümee zur Kleinwindkraft im Allgemeinen: Abschließende kritische Einschätzung zur Zukunft und Wirtschaftlichkeit der Branche.
Schlüsselwörter
Kleinwindkraft, Windenergie, Ertragsprognose, Standortanalyse, Windpotenzial, Windgeschwindigkeit, Wirtschaftlichkeit, Windkraftanlagen, Windmessung, Windschichten, Rotorfläche, Leistungsbeiwert, Ökostrom, Energiewende, Praxisbeobachtung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Masterarbeit befasst sich mit der Rolle der Kleinwindkraft in der modernen Stromversorgung, wobei Grundlagen, Marktsituation, technisches Potenzial und die wirtschaftliche Realität beleuchtet werden.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Arbeit deckt die Historie, die meteorologischen Grundlagen, technische Details von Anlagenbauformen, eine Marktanalyse sowie eine umfassende wirtschaftliche Bewertung von Kleinwindprojekten ab.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, ein besseres Verständnis für die Leistungsfähigkeit von Kleinwindkraftanlagen an typischen Standorten zu schaffen und eine Hilfestellung für die Entscheidungsfindung potenzieller Kunden zu bieten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit kombiniert eine theoretische Literaturanalyse mit einem einjährigen, empirischen Praxistest an realen Standorten, gestützt durch Windmessungen und darauf basierende Prognosemodelle.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in meteorologische Grundlagen (wie Windscherung und Weibull-Verteilung), technische Details zur Anlagenkonfiguration und eine tiefgehende Analyse der Austrowind-Anlagen im einjährigen Praxistest.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist durch Begriffe wie Kleinwindkraft, Windpotenzial, Standortanalyse, Wirtschaftlichkeit, Ertragsprognose und Windenergienutzung charakterisiert.
Wie zuverlässig sind herkömmliche Wetterstationen für die Windmessung?
Der Praxistest zeigt, dass günstige Wetterstationen aus dem Elektrofachhandel für eine professionelle Standortanalyse ungeeignet sind, da sie das Windaufkommen oft massiv falsch einschätzen und technisch anfällig sind.
Ist ein wirtschaftlicher Betrieb einer Kleinwindkraftanlage derzeit realistisch?
Nach den Ergebnissen der Arbeit ist ein wirtschaftlicher Betrieb bei aktuellen Marktpreisen und fehlender spezieller Tarifförderung für Kleinwindanlagen an den meisten Standorten sehr schwierig zu erreichen.
- Quote paper
- Christian Kirchweger (Author), 2009, Kleinwindkraft in der Praxis, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/141495
