Stromerzeugung aus Windkraft in Deutschland
Stromerzeugung aus Windkraft in Deutschland
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Technische Universität München<br />
<strong>Stromerzeugung</strong> <strong>aus</strong> <strong>W<strong>in</strong>dkraft</strong> <strong>in</strong> <strong>Deutschland</strong><br />
Vortragsreihe Erneuerbare Energien<br />
Straub<strong>in</strong>g 9. Juli 2007<br />
Dr.-Ing. Peter Tzscheutschler<br />
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik<br />
Technische Universität München<br />
� E<strong>in</strong>leitung<br />
� Technik<br />
� Offshore<strong>aus</strong>bau<br />
� Integration <strong>in</strong> die Stromversorgung<br />
� Fazit<br />
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik<br />
Univ. Prof. Dr.-Ing. U. Wagner
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Entwicklung der <strong>Stromerzeugung</strong> <strong>aus</strong><br />
W<strong>in</strong>denergie<br />
170 kW<br />
Erzeugung [TWh]<br />
Installierte Leistung [GW]<br />
durchschnittliche Leistung<br />
e<strong>in</strong>er Neuanlage<br />
39308C07<br />
500 kW<br />
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1.100 kW<br />
1.850 kW<br />
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006<br />
Quellen: DEWI 07, AG-Energiebilanzen 07
Geschichte der W<strong>in</strong>denergienutzung<br />
Bockw<strong>in</strong>dmühle<br />
11. Jahrhundert<br />
Holländerw<strong>in</strong>dmühle<br />
15. Jahrhundert<br />
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Westernrad<br />
USA, 19. Jahrhundert<br />
Moderne<br />
<strong>W<strong>in</strong>dkraft</strong>anlage<br />
39-A-350-07
Bauformen von <strong>W<strong>in</strong>dkraft</strong>anlagen<br />
Widerstandspr<strong>in</strong>zip<br />
Auftriebspr<strong>in</strong>zip<br />
Horizontalachsensysteme<br />
Westernrotor Holländer-W<strong>in</strong>dmühle<br />
Zweiblattrotor<br />
39-A-363-07<br />
Dreiblattrotor<br />
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Vertikalachsensysteme<br />
Heidelberg-Rotor<br />
Savonius-Rotor<br />
Darrieus-Rotor<br />
Quelle: www.energiewelten.de
Rotorleistungsbeiwert<br />
W<strong>in</strong>d<strong>aus</strong>nutzung verschiedener Typen von<br />
<strong>W<strong>in</strong>dkraft</strong>anlagen<br />
70%<br />
60%<br />
50%<br />
40%<br />
30%<br />
20%<br />
10%<br />
Westernrotor<br />
LANGSAM-<br />
LÄUFER<br />
Savonius-<br />
Rotor<br />
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Theoretischer Leistungsbeiwert e<strong>in</strong>es idealen W<strong>in</strong>dkonverters<br />
Darrieus-<br />
Rotor<br />
Holländer-<br />
W<strong>in</strong>dmühle<br />
Dreiblattrotor<br />
SCHNELLLÄUFER<br />
0% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />
Schnelllaufzahl l<br />
Zweiblattrotor<br />
E<strong>in</strong>blattrotor<br />
39309A05<br />
Quelle: WAGN99
Leistungskennl<strong>in</strong>ien<br />
5.000<br />
4.000<br />
3.000<br />
2.000<br />
1.000<br />
0<br />
P [kW]<br />
natürliche<br />
W<strong>in</strong>dleistung<br />
0 5 10 15 20 25 30<br />
W<strong>in</strong>dgeschw<strong>in</strong>digkeit [m/s]<br />
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theoretisch maximal<br />
nutzbare W<strong>in</strong>dleistung<br />
maximale<br />
mechanische<br />
Leistung des Rotors<br />
Generatorleistung<br />
39310B06
Rotorblattprofile für <strong>W<strong>in</strong>dkraft</strong>anlagen<br />
• Rotorblattgeometrie • Rotorblattprofile<br />
a) Idealform c 100%; fertigungstechnisch aufwendig<br />
p<br />
b) Trapezform Δc p ≈ -1%; gute Kompromisslösung<br />
c) Rechteckform Δc p ≈ -7%; relativ schlechter Wirkungsgrad<br />
Quelle: WAGN07<br />
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1827B06<br />
Quelle: TU Delft<br />
39-A-362-07
Bauform mit Asynchrongenerator und Getriebe<br />
• Doppeltgespeiste<br />
Asynchronmasch<strong>in</strong>e<br />
• Anpassungsgetriebe<br />
• Umrichter<br />
ca. 3 0% der<br />
Nennleistung<br />
• Aufgelöste Bauform<br />
wartungsfreundlich<br />
• E<strong>in</strong>satz von Standardkomponenten<br />
Generator<br />
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Getriebe<br />
Masch<strong>in</strong>enträger<br />
Quelle: Vestas
Bauform mit Synchrongenerator ohne Getriebe<br />
• Umrichtergespeiste<br />
vielpolige<br />
Synchronmasch<strong>in</strong>e<br />
• Umrichter auf volle<br />
Leistung <strong>aus</strong>gelegt<br />
• Ger<strong>in</strong>gerer Verschleiß<br />
durch niedrige Drehzahl<br />
• Hohes Gondelgewicht<br />
• Besserer Ausgleich von<br />
W<strong>in</strong>dböen<br />
• E<strong>in</strong>satz von eigens<br />
entwickelten<br />
Komponenten<br />
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Quelle: Enercon
Erschließung von Standorten auf See<br />
• Genehmigungsbehörde: Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie<br />
– Zuständig für AWZ <strong>in</strong> Nord- und Ostsee<br />
– Genehmigung muss erteilt werden, wenn Sicherheit und Leichtigkeit der Schifffahrt nicht<br />
bee<strong>in</strong>trächtigt und die Meeresumwelt nicht gefährdet wird.<br />
– Genehmigung gilt 25 Jahre, <strong>in</strong>nerhalb von 2,5 Jahren muss mit dem Aufbau begonnen<br />
werden<br />
– Bereits 15 genehmigte Parks <strong>in</strong> der Nordsee und 3 <strong>in</strong> der Ostsee<br />
– Standards für Umwelt-, Baugrunduntersuchung, konstruktive Ausführung,<br />
Risikoe<strong>in</strong>schätzung<br />
• Anforderungen an Offshore W<strong>in</strong>denergieanlagen<br />
– Robuste Komponenten<strong>aus</strong>legung<br />
– Fernüberwachung, Fernbee<strong>in</strong>flussung<br />
– Hohe Zuverlässigkeit<br />
– Korrosionsschutz<br />
– Kransysteme<br />
– Hubschrauberplattform<br />
– Gründung (Senkkasten, Monopile, Tripod)<br />
• Netzanb<strong>in</strong>dung über Kabeltrassen<br />
– Platzbedarf<br />
– Kompensation bzw. HGÜ<br />
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Geplante Offshore-W<strong>in</strong>dparks <strong>in</strong> <strong>Deutschland</strong><br />
Nordsee Ostsee<br />
22 W<strong>in</strong>dparks mit bis zu 4.700 MW,<br />
<strong>in</strong>sgesamt bis zu 22.800 MW geplant<br />
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39-A-372-07<br />
11 W<strong>in</strong>dparks mit bis zu 1.000 MW,<br />
<strong>in</strong>sgesamt bis zu 4.400 MW geplant<br />
Quelle: dena, BSH
Integration fluktuierender E<strong>in</strong>speisung <strong>in</strong> den<br />
liberalisierten Strommarkt<br />
Bevorzuge Abnahme von <strong>Stromerzeugung</strong> nach EEG<br />
Netzbetreiber muss die E<strong>in</strong>speisung von W<strong>in</strong>denergieanlagen zu jeder Zeit und <strong>in</strong> voller<br />
Höhe abnehmen<br />
Und dafür gesetzlich vorgeschriebene Vergütung zahlen<br />
Kennzeichen der liberalisierten Stromversorgung<br />
Abbildung von prognostiziertem Bedarf und geplanter Erzeugung anhand von Fahrplänen<br />
Verursachergerechte Abrechnung der Kosten für Netznutzung und<br />
Systemdienstleistungen (<strong>in</strong>kl. Inanspruchnahme von Regel-/Reserveleistung)<br />
E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung fluktuierender Erzeugung (W<strong>in</strong>denergie)<br />
Sozialisierung durch Kostenwälzung an die Lieferanten der Letztverbraucher<br />
Sammeln des W<strong>in</strong>dstroms im EEG-Bilanzkreis<br />
Abrechnung der W<strong>in</strong>dstrome<strong>in</strong>speisung als Bandlieferung (Durchschnittsleistung)<br />
Prognose der E<strong>in</strong>speisung anhand der W<strong>in</strong>dvorhersage (DWD)<br />
Netzbetreiber kauft Differenzlastgang am Spotmarkt e<strong>in</strong> (Day-Ahead-Ausgleich)<br />
Abweichung von der W<strong>in</strong>dprognose wird als Regelenergie <strong>in</strong> Anspruch genommen<br />
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Leistung [MW]<br />
Netzlast und W<strong>in</strong>dstrome<strong>in</strong>speisung<br />
Eon-Regelzone<br />
18.000<br />
16.000<br />
14.000<br />
12.000<br />
10.000<br />
8.000<br />
6.000<br />
4.000<br />
2.000<br />
0<br />
1. 8. 15. 22. 29.<br />
Juni 2003<br />
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Netzlast<br />
W<strong>in</strong>dstrome<strong>in</strong>speisung<br />
52119B05
W<strong>in</strong>de<strong>in</strong>speisung [MW]<br />
W<strong>in</strong>dstromprognose und –e<strong>in</strong>speisung<br />
- Beispiel Eon Regelzone<br />
7.000<br />
6.000<br />
5.000<br />
4.000<br />
3.000<br />
2.000<br />
1.000<br />
0<br />
Prognose<br />
E<strong>in</strong>speisung<br />
0 5 10 15 20 25 30<br />
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Tage im Juni 2007<br />
Quelle: EON07
E<strong>in</strong>speisevergütung nach EEG für W<strong>in</strong>dstrom<br />
E<strong>in</strong>speisevergütung m<strong>in</strong>destens 5,5 €c/kWh für onshore Anlagen<br />
ab Inbetriebnahme erhöht sich die Vergütung um 3,2 €c/kWh<br />
- <strong>in</strong> den ersten fünf Jahre, wenn <strong>in</strong> der Zeit 150% des Referenzertrages erzielt werden<br />
- für zusätzlich zwei Monate je 0,75% des Referenzertrages, der unter 150% erzielt wurde<br />
Referenzertrag<br />
Ertrag, den e<strong>in</strong>e bestimmte <strong>W<strong>in</strong>dkraft</strong>anlage rechnerisch an e<strong>in</strong>em Referenzstandort <strong>in</strong> fünf<br />
Betriebsjahren nach den allgeme<strong>in</strong> anerkannten Regeln der Technik erzeugen würde<br />
Der Referenzstandort wird durch e<strong>in</strong>e Rayleigh-Verteilung mit e<strong>in</strong>er mittleren Jahresw<strong>in</strong>dgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
von 5,5 m/s <strong>in</strong> 30 m über Grund, bei logarithmischem Höhenprofil und<br />
Rauhigkeitslänge von 0,1 m<br />
E<strong>in</strong>speisevergütung m<strong>in</strong>destens 6,19 €c/kWh für offshore Anlagen<br />
Bei Inbetriebnahme bis 31.12.2010 erhöht sich die Vergütung um 2,91 €c/kWh für 12<br />
Jahre<br />
Diese Frist verlängert sich ab 12 Seemeilen und 20 m Wassertiefe um 0,5 Monate je<br />
Seemeile und 1,7 Monate je Meter Wassertiefe<br />
offshore d.h. m<strong>in</strong>destens 3 Seemeilen vor der Küstenl<strong>in</strong>ie<br />
Vergütungssätze s<strong>in</strong>ken für neu <strong>in</strong> Betrieb genommene Anlagen<br />
onshore am dem 1.01.2005 um jährlich 2%<br />
offshore ab dem 1.01.2008 um jährlich 2%<br />
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Quelle: EEG05
E<strong>in</strong>speisevergütung <strong>in</strong> €c/kWh<br />
E<strong>in</strong>speisevergütung für W<strong>in</strong>dstrom<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Stufe 2<br />
Stufe 1<br />
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015<br />
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onshore<br />
offshore<br />
Quelle: EEG 2000, EEG 2005, VDN06
Zukünftiger Ausbau der W<strong>in</strong>denergie<br />
heute 2020<br />
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik<br />
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Quelle: ROTH05
Erforderlicher Netz<strong>aus</strong>bau im 380 kV Netz<br />
bis zum Jahr 2010: 460 km<br />
1) Hamburg/Nord – Dollern 45 km<br />
2) Ganderkesee – Wehrendorf 80 km<br />
3) Neuenhagen – Bertikow/Vierraden 110 km<br />
4) Lauchstädt – Vieselbach 80 km<br />
5) Vieselbach – Altenfeld 80 km<br />
6) Altenfeld – Redwitz 60 km<br />
7) Netzverstärkung Franken<br />
8) Netzverstärkung Thür<strong>in</strong>gen<br />
bis zum Jahr 2015: zusätzlich 390 km<br />
9) Diele – Niederrhe<strong>in</strong> 200 km<br />
10) Wahle – Mecklar 190 km<br />
Quelle: DEWI, E.ON Netz, EWI, RWE Transportnetz Strom,<br />
VE Transmission, dena<br />
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60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Weiterer Ausbau der W<strong>in</strong>dstromerzeugung<br />
kumulierte Leistung<br />
[GW] Onshore Repower<strong>in</strong>g (Zuwachs) Offshore<br />
1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020<br />
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik<br />
Univ. Prof. Dr.-Ing. U. Wagner<br />
39-A-371-07<br />
Quelle DEWI
Zusammenfassung und Ausblick<br />
• W<strong>in</strong>denergie hat sich <strong>in</strong> den vergangenen Jahren sehr dynamisch<br />
entwickelt<br />
• An Land ist <strong>in</strong> den nächsten Jahren e<strong>in</strong>e Sättigung erreicht<br />
• Große Ausbaupotenziale bestehen auf See, diese werden <strong>in</strong> den<br />
nächsten Jahren erschlossen<br />
• Das Ausbauziel der Bundesregierung bis 2020 kann vor<strong>aus</strong>sichtlich<br />
schon 2013 übertroffen werden<br />
• Der steigenden Anteil fluktuierender Erzeugung erfordert e<strong>in</strong>e<br />
Anpassung der Kraftwerksstrukturen du den Ausbau der<br />
Übertragungsnetze<br />
• Die Suche nach effizienten, kostengünstigen Energiespeichern ist<br />
notwendig<br />
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Univ. Prof. Dr.-Ing. U. Wagner
Literatur<br />
BSH07 Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie. www.bsh.de<br />
VDN07 N.N.: Daten zum erneuerbare Energie Gesetz. Verband der Netzbetreiber –<br />
VDN - e.V.; www.vdn-berl<strong>in</strong>.de/global/downloads/Netz-Themen/eeg/EEG-<br />
Ist-Daten-2007-04.xls; Berl<strong>in</strong> 2007<br />
ROTH05 Roth, H., Brückl, O., Held, A.: W<strong>in</strong>denergiebed<strong>in</strong>gte CO 2-Emissionen<br />
konventioneller Kraftwerke. In: IfE-Schriftenreihe, Heft 50, E&M Energie und<br />
Management Verlagsgesellschaft mbH, Herrsch<strong>in</strong>g 2005<br />
VDN06 N.N.: EEG-Mittelfristprognose bis 2012. Verband der Netzbetreiber – VDN –<br />
e.V.; www.vdn-berl<strong>in</strong>.de/global/downloads/Netz-Themen/eeg/EEG-Mifri-<br />
2012.pdf; Berl<strong>in</strong> 2006<br />
N.N.: Global W<strong>in</strong>d Report 2006. Global W<strong>in</strong>d Energy Council, Belgium 2006<br />
DEWI07 Ender, C.: Übersicht über <strong>in</strong> <strong>Deutschland</strong> <strong>in</strong>stallierte W<strong>in</strong>denergieanlagen.<br />
Deutsches W<strong>in</strong>denergie<strong>in</strong>stitut GmbH; Anlage zur VDMA, BWE<br />
Presse<strong>in</strong>formation, Berl<strong>in</strong> 16.01.2007<br />
AGEB07 N.N.: Bruttostromerzeugung <strong>in</strong> <strong>Deutschland</strong> 1990 bis 2006.<br />
Arbeitsgeme<strong>in</strong>schaft Energiebilanzen; Stand 25.01.2007, www.agenergiebilanzen.de,<br />
Berl<strong>in</strong> 2007<br />
WAGN99 Wagner, U., Rouvel, L., Schaefer, H.: Nutzung regenerativer Energien, IfE<br />
Schriftenreihe Heft 1, ISBN 3-98051179-3-4, München 1999<br />
Vestas N.N.: Vestas Datenblatt zur V120-4,5 MW. www.vestas.de<br />
Enercon N.N.: Enercon Datenblatt zur E112. www.enercon.de<br />
Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik<br />
Univ. Prof. Dr.-Ing. U. Wagner
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