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09-2019

Special Windenergie

Special Windenergie Bild: Mowea Der erste Prototyp von Moweas modularer Windenergieanlage stand 2012 auf einem Testfeld des Germanischen Lloyd auf dem Kaiser-Wilhelm-Koog in Dithmarschen, Schleswig-Holstein. Urbane Windkraft ist modular Die Mowea GmbH, ein Spin-Off der TU-Berlin, bietet Windenergiesysteme nach dem Lego-Prinzip an. Das Versprechen: auch bei schwachen Windverhältnissen effektive Energieerträge. Wind- und Sonnenenergie stellen die wichtigsten Säulen der Energiewende dar. Wir versuchen, wo es geht, mit großen Megawatt-Anlagen Wind zu ernten, wohingegen man in Städten Windkraftanalgen immer noch selten sieht. Dies liegt auch an fehlenden technologischen Standardisierungen und einem zu hohen Preis für den Energieertrag. Kleine effizienten Windkraftanlagen fehlen. Soll eine Kleinwindkraftanlage im urbanen Raum installiert werden, müssen bestimmte Rahmenbedingungen sicherstellen, damit eine solche Anlage wirtschaftlich betrieben werden kann: Sie braucht kinetische Windenergie, welche aufgrund typischer urbaner Topologien schwieriger zu „ernten“ ist als auf dem Freifeld. Aufgrund unterschiedlicher Gebäudehöhen und Parkanlagen reicht die durchschnittliche Windgeschwindigkeit auf einer Höhe um die 10 m meist nicht für einen wirtschaftlichen Betrieb einer kleinen Windkraftanlage aus. Eine fundierte Einschätzung des resultierenden Ertrags ist nur mit einer vorhergegangenen Messung möglich. Denn die Strömungsbedingungen sind oft ungünstig und schwer zu berechnen – aufgrund der Turbulenzen und wegen der hohen Rauhigkeitslänge. Letzteres ist ein Maß für die Topologie der Gegend, beziehungsweise für Windgeschwindigkeitsentfaltung in vertikaler Richtung: Ein glatter See hat eine sehr niedrige, eine Wiese eine niedrige, ein Wald eine mittellange und eine Stadt eine große Rauhigkeitslänge. Küstennahe Städte, welche es global gesehen viele gibt, weisen deutlich bessere Windverhältnisse auf, als welche die im Landesinneren liegen. Trotz der Schwierigkeiten gibt es zahlreiche Anwendungsfälle, wo ein wirtschaftlicher Betrieb einer KWA erreicht werden kann. Potentiale der Kleinwindkraft Auf dem Weg, dem Klimawandel effektive Lösungen entgegenzusetzen, finden wir ein Spannungsfeld zwischen politischen Zielen, den rechtlichen Rahmenbedingungen, aber auch der gesellschaftlichen Akzeptanz. Der globale Klimawandel ist für viele Menschen ein Anstoß, sich mit alternativen Energieversorgungskonzepten auseinanderzusetzen. Dabei ist eine gesteigerte Akzeptanz für den öffentlichen Ausbau regenerativer Energiequellen sowie die damit einhergehende Nachfrage nach zentralem Ökostrom zu beobachten, welche 2018 erstmals über die 40 Prozent-Marke stieg (Fraunhofer 2019). Auch die Nachfrage nach dezentralen Lösungen für den Energieeigenverbrauch steigt kontinuierlich. Der Zuwachs kleiner Photovoltaikanlagen offenbart das Bedürfnis nach individuellen Lösungen und Unabhängigkeit von Energiepreisen. 26 UmweltMagazin September 2019

Windenergie Special Festzustellen bleibt letztlich, dass vor allem im urbanen Raum neben der Solarenergie zu wenig wettbewerbsfähige alternative regenerative Energiequellen zur Verfügung stehen und das Marktpotential für standardisierte Hightech- Produkte, welche preislich und qualitativ mit Solarprodukten (€/kW) mithalten können, groß ist. Kleinwindkraft hat das Potential sich als Alternative oder Ergänzung zur Photovoltaik am Markt durchzusetzen. Genehmigungsverfahren Der Bau einer Kleinwindkraftanlage auf einem Hausdach ist genehmigungspflichtig. Er unterliegt Regelungen etwa des Bauplanungs- und Bauordnungsrechts, des Immissions-, Naturschutzund Denkmalschutzes sowie des Luftverkehrsrecht, welche zudem von Bundesland zu Bundesland unterschiedlich behandelt werden. Eine Erstberatung bei der zuständigen Bauaufsichtsbehörde wird dringend empfohlen und sollte vorbereitet sein, um das geplante Projekt hinreichend beschreiben zu können (Lageplan der Immobilie, Skizzen, Fotos und Datenblätter sowie Zertifikate). Desweiteren existiert eine Differenzierung verschiedener Baugebiete. In „reinen“ Wohngebieten ist der Betrieb einer Kleinwindkraftanlage unzulässig; in „allgemeinen“ Wohngebiete sowie Dorf-, Misch-, Kern-, Gewerbe- und Industriegebieten ist diese bauliche Nutzung planungsrechtlich erlaubt. Viele Kleinwindkraftanlagen Es gibt bereits viele Hersteller und Typen von Kleinwindkraftanlagen: Einige nutzen den Windwiderstand aus, andere das Auftriebsprinzip. Bei einigen drehen sich Rotorblätter um die horizontale, bei anderen um die vertikale Achse. Auch preislich und qualitativ sind die Unterschiede groß. Die Preise liegen zwischen 1.000 bis 5.000 € je kW Nennleistung. Insgesamt lässt sich feststellen, dass der Preis für Kleinwindkraft bisher zu hoch ist, um eine Wirtschaftlichkeit für den Verbraucher zu erreichen. Insbesondere im Bereich der Anlagen mit einer Nennleistung bis 5 kW, die aufgrund ihrer vergleichsweise geringeren Lasten hauptsächlich für urbane Anwendungen in Betracht gezogen werden können, werden selten zertifizierte Leistungskurven oder Gutachten zur Schallemission zur Verfügung gestellt. Dies stellt eine weitere Herausforderung in dem vorher erwähnten Genehmigungsprozess dar, wenn derartige Dokumente fehlen oder nicht den Tatsachen entsprechen. Für die städtische Nutzung werden Windenergiesysteme benötigt, die aus standardisierten, effizienten und preiswerten Turbinen bestehen, dafür ist es notwendig bei der Herstellung Kostendegressionen zu erzielen. Da fast alle Komponenten einer Turbine, wie Generator oder Spritzgussteile des Gehäuses, Standartbauteile sind, können schon bei geringen Stückzahlen erheblich Kosteneinsparpotentiale realisiert werden. Darüber hinaus können die Herausforderungen des Genehmigungsverfahrens durch Zertifikate und neuen Sicherheitsfunktionen (Blitzschutz, Personen- und Vogelschutz, Eisflug) minimiert werden. Moweas Module Statt die Nennleistung von Einzelturbinen zu skalieren, werden bei MOWEA standardisierte Einzelturbinen mit einer Leistung von je 500 W zu einem Windenergiesystem kombiniert. Dies gibt dem Kunden die Möglichkeit, sich sein gewünschtes Energiesystem je nach Energiebedarf im Baukasten zusammenzustellen. Durch die langjährige und intensive universitäre Forschung an der TU-Berlin konnte eine Einzelturbine entwickelt werden, welche sowohl in der Aerodynamik als auch in der Elektrotechnik größtem technologischen Anspruch gerecht wird und sich damit von Wettbewerbern abhebt. Die Einzelmodule sind schwachwindoptimiert: Jedes Windenergiemodul besitzt eine eigene Steuerungselektronik, mit der auf Böen und Turbulenzen effizient reagiert werden kann. Die Nennleistung wird aufgrund des relativ großen Rotors (1,5m Durchmesser) schon bei 9,5 m/s erreicht. Die Effizienzsteigerungen beim Energieertrag werden durch den Einsatz eines modularen Systems verstärkt. Mehrere kombinierte Turbinen laufen effizienter als eine Einzelturbine, welches bei einer Nennleistung von 10 kW vom Germanischen LIoyd zertifiziert bestätig wurde. Die weiterführende Forschung wird aufzeigen, wie weit nach oben diese Effizienzvorteile bestehen bleiben. Die Verfügbarkeit einer Windkraftanlage spielt eine entscheidende Rolle hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit. Eine modular aufgebaute Anlage besitzt hier Vorteile, da Einzelmodule ausfallen können, ohne, dass die gesamte Anlage ihren Betrieb aufgibt. Somit sind auch neue Reparatur- und Wartungsintervalle möglich, da nicht die Notwendigkeit einer sofortigen Reparatur besteht, sondern bis zur nächsten Flaute gewartet werden kann. In Summe können Steigerungen beim gemittelten Energieertrag erreicht werden, anderseits entsteht Kundennutzen durch die gewonnene Flexibilität der Anwendbarkeit sowie Kosteneinsparungen. Der zwischen dem modularen Turbinensystem und der Lastseite installierte „Controller“ kommuniziert mit jedem Modul, dem Internet und dem User. Somit werden neue Systemoptimierungs- und Wartungskonzepte ermöglicht und eine Integration in die „Smart City“ der nahen Zukunft möglich. Wirtschaftlichkeit Wann der Betrieb einer Kleinwindkraftanlage wirtschaftlich ist, hängt von Anschaffungs- und Anschluss-, sowie Kapital- und Betriebskosten ab. Dem gegenüber steht der resultierende Energieertrag, welcher der Effizienz der Anlage und den lokalen Windverhältnissen geschuldet ist. Als Kennwert werden die sogenannten Stromgestehungskosten angesehen, welche die aufgewendeten Kosten den Energieertrag gegenüberstellt (€/kWh). Wenig aussichtsreich hinsichtlich eines ökonomisch sinnvollen Betriebs ist die Vergütung der erzeugten Energie nach dem Erneuerbaren Energie Gesetz (EEG-Betreiber erhielten im Juli je nach Anlagengröße bei Netzeinspeisung aktuell zwischen knapp 8 und gut 10 Cent pro Kilowattstunde). Eine gesonderte Regelung für kleine Windkraftanlagen fehlt. Liegen die Stromgestehungskosten unter den Bezugskosten (Netzparität), ist ein wirtschaftlicher Betrieb durch die so genannte Strom-Eigennutzung möglich. Die hierfür benötigte Technologie – also Speicher und intelligente Energiemanagementsysteme – sind erhältlich. Ein Hybrid-System, also die Kombination von Wind und solar PV, verringert die Kosten und erhöht die Sicherheit des gesamten Systems, da aufgrund zweier unabhängiger Energiequellen der Speicher kleiner ausfallen kann. Till Naumann, Geschäftsführer Mowea GmbH t.naumann@mowea.world UmweltMagazin September 2019 27

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