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Kleinwind

Grundlagen und Technik

In Deutschland waren im Jahr 2015 etwa 17.000 Kleinwindenergieanlagen (KWEA)  mit einer Leistung von etwa 26.000 Kilowatt (kW) installiert. Im europäischen Ländervergleich ist Deutschland bezüglich der Anzahl an KWEA Spitzenreiter (Stand 2015), liegt jedoch bei der gesamten installierten Leistung mit Abstand hinter Italien (1.725 KWEA; ca. 60.000 kW).

Die Diskussionen um die Folgen und Auswirkungen des globalen Klimawandels und der Wunsch vieler Bürgerinnen und Bürger, einen Beitrag zur Energiewende zu leisten, rückt diese Form der Energiegewinnung kontinuierlich in den Fokus der Öffentlichkeit.

Definitionen und baurechtliche Rahmenbedingungen

Der rechtskräftige Windenergie-Erlass NRW 2015 definiert KWEA als Anlagen, die unterhalb einer Gesamthöhe von 50 Metern errichtet werden. Ergänzend dazu definieren der Bundesverband Windenergie (BWE) und die World Wind Energy Association (WWEA) KWEA als Anlagen, die eine Leistung von weniger als 100 Kilowatt (kW) besitzen. Der BWE unterteilt die KWEA anhand der Nennleistungen in Mikro-WEA mit maximal 5 kW, Mini-WEA mit 5 bis 30 kW und Mittel-WEA mit 30 bis 100 kW. In der Praxis haben installierte KWEA in Deutschland jedoch selten eine Nennleistung von mehr als 30 kW.

Vor Errichtung und Installation einer KWEA gilt es, die in Nordrhein-Westfalen geltenden Baugesetze und Auflagen zu beachten. Zwar fallen KWEA mit einer Gesamthöhe unterhalb von 50 Metern nicht unter die Genehmigungspflicht nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG), jedoch gelten sie laut Baugesetzbuch (BauGB) sowie der Landesbauordnung Nordrhein-Westfalen (BauO NRW) als bauliche Sonderanlagen. Entsprechend des BauGB bzw. der BauO NRW ist eine Baugenehmigung erforderlich. Ausgenommen davon sind Anlagen außerhalb von Wohn- und Mischgebieten bis zu einer Gesamthöhe von zehn Metern. Bei Aufdachanlagen wird die Gebäudehöhe nicht zur Anlagengesamthöhe hinzuaddiert.

Einsatzmöglichkeiten und Wirtschaftlichkeit

Obwohl die Einsatzmöglichkeiten von KWEA vielfältig sind, ist der Markt für KWEA in Deutschland bisher ein Nischenmarkt. KWEA können ohne Anschluss an das öffentliche Stromnetz betrieben werden und Bestandteil einer autarken Insellösung sein (Off-Grid), sie können aber auch als netzgekoppelte Anlage mit Inverter bzw. Wechselrichter und Stromzähler an das öffentliche Stromnetz angebunden sein (On-Grid). Der Strom aus KWEA kann vor allem für private Haushalte, landwirtschaftliche Betriebe oder auch für klein- und mittelständische Unternehmen genutzt werden.

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in der Fassung vom 1.1.2017 führt in § 46 aus, dass Betreiber von KWEA mit einer installierten Leistung bis einschließlich 50 kW berechtigt sind, die Anfangsvergütung von 8,38 Cent (ct) pro Kilowattstunde (kWh) ab dem 1.1.2017 über einen Zeitraum von 20 Jahren zu beziehen. Eine Absenkung des Einspeisetarifs erfolgt durch den Aufwand der Direktvermarktung um 0,4 pro kWh. Eine weitere Degression des Einspeisetarifs erfolgt seit dem 1.3.2017: Die Vergütung verringert sich pro Monat um 1,05 Prozent, seit dem 1.10.2017 beträgt die Degression 0,4 Cent je Quartal.

Eine KWEA lohnt sich betriebswirtschaftlich nur, wenn der erzeugte Strom maximal selbst genutzt wird, denn dann lassen sich - entsprechend des Stromtarifs - zwischen 25 und 29 ct/kWh einsparen.

Technik

Die erste nachweisbare Existenz einer Windmühle rührt aus dem Jahr 644 nach Christus und wird dem persisch-afghanischen Raum zugeordnet. Historische Quellen zeigen eine Skizze mit Beschreibung einer Windmühle mit vertikaler Rotorachse aus dem Jahr 945  . Die damaligen Windmühlen wandelten die Windenergie „nur“ in mechanische Energie um, mit der das Getreide gemahlen wurde.

Im Bereich der KWEA sind die Konstruktionstypen und Bauformen variantenreicher als bei Windenergieanlagen (WEA) der Megawatt (MW)-Klasse. Grundsätzlich kann zwischen horizontaler und vertikaler Rotorachse unterschieden werden. Der am meisten installierte Konstruktionstyp ist eine KWEA mit horizontal angeordneter Rotorachse. Alle WEA der MW-Klasse hingegen sind Horizontalläufer.

Ein Vorteil der horizontalen Achse lässt sich aus den physikalischen Gesetzmäßigkeiten ableiten: Der Wirkungsgrad einer WEA, auch Leistungsbeiwert genannt, kann theoretisch maximal bei 59,3 Prozent liegen. Der Leistungsbeiwert bzw. der Wert nach dem Betz’schen Gesetz stellt das Verhältnis zwischen der entziehbaren mechanischen Leistung und der im Luftstrom enthaltenen Leistung dar. Mehr Energie kann dem Wind aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten nicht entnommen werden. Horizontalläufer der MW-Klasse können nach dem Stand der Technik einen Leistungsbeiwert von ca. 50 Prozent erreichen, während die Leistungsausbeute von Vertikalläufern lediglich bei 20 bis 40 Prozent liegt.

Auftriebs- und Widerstandsläufer

Auf einen mit Luft angeströmten Körper wirkt sich eine Luftkraft aus. In Abhängigkeit der Geometrie des Körpers verursacht entweder der entstandene Luftwiderstand (Widerstandsprinzip) oder die aerodynamische Auftriebskraft (Auftriebsläufer) die Rotorbewegung einer WEA. Bei WEA bzw. KWEA mit horizontaler Rotorachse wird die Auftriebskraft genutzt, die einen deutlich höheren Leistungsbeiwert hervorruft als bei Widerstandsläufern.

Konstruktionstypen von KWEA

Es können zwei Konstruktionstypen von KWEA unterschieden werden: Horizontal- und Vertikalachsenanlagen.

Die Mantelturbine stellt einen speziellen Konstruktionstyp dar und ist der Horizontalachsenanlage zuzuordnen.

 

KWEA mit horizontaler Rotorachse

Horizontaler Rotorachse.
Grafik: Kleinwind-Marktreport, P. Jüttemann
Horizontaler Rotorachse.
Grafik: Kleinwind-Marktreport, P. Jüttemann
Unterscheidungsmerkmal: Luv- und Leeläufer
KWEA mit horizontaler Achse werden in den Wind gedreht. Bei sogenannten Luvläufern stehen die Rotorblätter in Windrichtung, so wie bei den MW-Turbinen. Bei KWEA erfolgt die Nachführung mit einer Windfahne, die den Rotor zum Wind ausrichtet. Bei Leeläufern dreht sich der Rotor vom Wind weg - der Rotor befindet sich so hinter dem Mast in dessen Windschatten.

Unterscheidungsmerkmal: Anzahl der Rotorblätter
Analog zu den WEA der MW-Klasse ist auch bei den KWEA die horizontale Bauform mit drei Rotorblättern am weitesten verbreitet. Im Laufe der technologischen Entwicklung von WEA hat es sich erwiesen, dass die Steigerung der Leistungsentnahme aus dem Wind mit mehr als drei Rotorblättern nicht signifikant ist. Aber: Je mehr Rotorblätter eine Anlage hat, desto langsamer läuft sie.

Konzentratoren / Mantelturbinen
Ein besonderer Konstruktionstyp im Bereich der KWEA stellen Konzentratoren dar; ein gängiger Typ sind dabei die sogenannten Mantelturbinen. Die Rotorblätter werden durch einen Trichter umfasst mit dem Ziel, die auf den Rotor treffende Windenergie zu erhöhen. Konzentratorenanlagen eignen sich besonders für den urbanen Raum, da sie auch bei wenig Wind eine hohe Beschleunigung generieren und so die Stromausbeute maximieren.

Vertikale Rotorachse.
Grafik: Kleinwind-Marktreport, P. Jüttemann
Vertikale Rotorachse.
Grafik: Kleinwind-Marktreport, P. Jüttemann
KWEA mit vertikaler Rotorachse

Darrieus-Rotor
Darrieus-Rotoren fungieren ähnlich wie Tragflügel, der anströmende Wind erzeugt einen Auftrieb (Auftriebsläufer). Bei dieser Bauform sind die senkrecht angeordneten Rotorblätter gekrümmt und an den jeweiligen Drehachsen montiert. Der Darrieus-Rotor muss zum Anlaufen Strom aus dem Netz beziehen, um dem Rotor auf eine entsprechende Drehzahl zu bringen. Der Generator wird für diesen Zweck als Motor geschaltet.

H-Darrieus-Rotor
Der H-Darrieus-Rotor stellt eine Sonderform des Darrieus-Rotors dar. Der Unterschied dazu ist, dass die Rotorblätter nicht gekrümmt, sondern gerade sind.

Savonius-Rotor
Savonius-Rotoren nutzen zum Antrieb den gesamten Widerstand des Rotorblattes (Widerstandläufer). Im Vergleich zu den Darrieus- und H-Darrieus-Rotoren haben Savonius-Rotoren einen geringeren Wirkungsgrad. Merkmale dieser Bauform sind z. B. eine kleine Leistung bei hoher Drehzahl oder die eigenständige Einschaltung bei geringen Windgeschwindigkeiten.

Gegenüberstellung: Horizontale oder vertikale KWEA

Vorteile horizontaler KWEA

  • Höhere Wirkungsgrade,
  • höhere Energieerträge,
  • Maschinenhaus auf variablen Mast- bzw. Turmhöhen installierbar.

Vorteile vertikaler KWEA

  • Niedrigere Schallemissionen,
  • geringerer Schattenwurf,
  • einfachere Wartung, da sich die Maschinenteile in Bodennähe befinden,
  • vergleichsweise niedrige Anlaufgeschwindigkeit ab einer Windgeschwindigkeit von 2 bis 2,5 Meter pro Sekunde (m/s),
  • Eignung auch für turbulente Windverhältnisse,
  • meist ansprechendes Design,
  • Laufruhe.

Leistung und Ertrag

Die Stromerträge einer KWEA hängen von folgenden Faktoren ab:

  • Nennleistung der Anlage,
  • Nabenhöhe,
  • Windgeschwindigkeit und -verteilung am konkreten Standort,
  • Strömungsverhältnisse (laminar oder turbulent),
  • Rotorfläche,
  • Anlagentechnik, d. h. Wirkungsgrad der Turbine,
  • Lebensdauer und Störungsempfindlichkeit.

Die Leistungskurve einer KWEA bildet die Abhängigkeit der Leistung und damit der Stromerträge von der Windgeschwindigkeit ab. Dabei ist ein überproportionaler Anstieg der Leistung bei steigender Windgeschwindigkeit zu verzeichnen: Wenn sich die Windgeschwindigkeit verdoppelt, steigt der Stromertrag um das Achtfache.

Da der Rotor des Windrads die Windenergie „erntet“, hat dessen Größe maßgeblichen Einfluss auf die Stromerträge. Die sogenannte überstrichene Rotorfläche gilt dabei als Referenzgröße.

Dipl.-Ing. Lars Schnatbaum-Laumann
Stv. Leiter Themengebiet Windenergie
EnergieAgentur.NRW
0211 86642244
schnatbaum@energieagentur.nrw
XING

Tobias Scholz
Erneuerbare Energien
EnergieAgentur.NRW
0211 86 64 2412
scholz@energieagentur.nrw

Sie erreichen die EnergieAgentur.NRW außerdem werktags von 8 bis 18 Uhr über die Hotline unter 0211 - 8371930.

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