Tipps zur Kleinwindkraft

Immer mehr private Windanlagenbetreiber produzieren mit Wind unabhängig saubere Energie. Kleinwindanlagen werden unter anderem für die Energieversorgung von Wohnhäusern in dezentralen Gebieten, in Berghütten, Wirtschaftsgebäuden, Forschungsstationen und Mobilfunkstationen sowie im Bereich der Schiff,- und Luftfahrt genutzt.

Kleinwindanlagen gibt es als Einzelinstallation, als Hybridsystem in Kombination mit anderen Energieanlagen, als effizienzorientiertes Modell, an Bodenstandorten, als Dachanlage oder schwimmend auf Bojen und Booten. Kleinwindanlagen gibt es in verschiedenen Bauweisen, Größen, Typen und Modellen.

Bei aller Formvielfalt gilt die Rotorachse als grundlegendes Unterscheidungsmerkmal. Dabei gibt es zwei Varianten: Horizontal oder Vertikal.

Der Begriff der Kleinwindkraft oder Kleinwindenergie unterliegt keiner einheitlichen Formulierung. Darunter werden alle Windkraftanlagen verstanden die eine Generatorleistung bis 100 kW aufweisen. Laut der internationalen Norm IEC 61400-2 werden Kleinwindkraftanlagen (KWKA) definiert als Windenergieanlagen die eine Spannung unter 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung erzeugen und deren vom Rotor überstrichene Fläche kleiner als 200 m2 ist.

Vertikal/Horizontal Anlage

Horizontale oder vertikale Achse?

Laut dem Small Wind World Report 2012 sind 74% der Hersteller von Kleinwindkraftanlagen auf Anlagen mit horizontaler Achse spezialisiert. Nur 28% haben ihre Produktion auf Vertikalachsanlagen ausgerichtet.

Beide Technologien haben ihre Vor- und Nachteile.

Vorteil der vertikalen Anlagen (VAWT) ist, dass sie den Wind unabhängig von seiner Richtung nutzen können. Zudem benötigt man bei dieser Bauweise keine Windnachführung im Vergleich zu Horizontalachsanlagen (HAWT). Diese sind gegenüber sich schnell ändernden Windrichtungen anfälliger als VAWT, da ihre Rotorachse im Wesentlichen parallel zur Windströmung ausgerichtet ist. Die dazu benötigte Windnachführung kann unterschiedlich ausgeführt sein. Im kleinen Leistungsbereich <5 kW verwenden Hersteller von KWEA eine Windfahne. Die Anlage wird automatisch in die optimale Position gebracht. Vorteil dabei ist die geringe Anfälligkeit für Störfälle und Unempfindlichkeit gegenüber schnell wechselnden Windrichtungen. Bei größeren Anlagen erfolgt die Nachführung in den Wind vor allem durch ein automatisches System. Für die optimale Einstellung dieses Systems müssen im Vorfeld Windrichtungsmessungen durchgeführt werden. Horizontale Kleinwindkrafträder weisen meist einen 3-Blatt Rotor auf. Dies hat unter anderem folgenden Grund: Je weniger Flügel eine WKA hat (z.B. 1-2 schmale) desto empfindlicher ist sie gegen Turbulenzen. Je geringer die Turbulenz ist desto besser ist die Leistungsausbeute. 30% Turbulenzgrad kann den Ertrag bei einem Rotor auf ein Drittel absinken an einem als „normal“ (Windgeschwindigkeiten ab 4-5 m/s) definierten Standort für Kleinwindkrafträder.

Vertikale Achsen passen besser zu verbauten Gebieten

Von der einfachen Anordnung der vertikalen Achse profitiert der Savonius Rotor und der Darrieus Rotor. Aufgrund der geringeren Blattspitzengeschwindigkeit, eignen sich Vertikalachsanlagen für bebaute Gebiete, da sie geringere Schallemissionen als Horizontalachsanlagen aufweisen. Da die von der Anlage verursachten Geräuschemissionen einerseits von der Umlaufgeschwindigkeit der Rotorblattspitzen sowie von der qualitativen Ausführung der Rotorblätter abhängig sind. Die Schallemissionen sind bei HAWT deshalb meist höher, da ihre Blattspitzengeschwindigkeiten deutlich höher sind.

Horizontale Achsen sind leichter und kompakter

Ein Vorteil von horizontalen Anlagen ist die kompakte Bauweise und das dadurch resultierende leichtere Gewicht, sprich auch vergleichsweise kostengünstiger Anlagen, als bei VAWT. Ein wesentlicher Nachteil einer VAWT gegenüber den Anlagen mit horizontalen Achsen, ist der allgemein geringere Wirkungsgrad. Das heißt, die Anlage wandelt bei gleicher überstrichener Rotorfläche weniger kinetische Energie in elektrische Energie um als eine Horizontalachsanlage. Begründet wird dies dadurch, dass sich im Betrieb der Anlage Teile des Rotors sich gegen den Wind bewegen. Eine Auflistung aller gängigen Kleinwindkraftanlagen bietet der BWE in seinem Marktüberblick an.

Entscheidend für den Ertrag einer Anlage ist nicht nur die Leistung, sondern in erster Linie die Rotorfläche, mit welcher der Wind “geerntet” wird. Für eine 10 kW Anlage liegt diese typischerweise zwischen 30 und 55 m2, je nachdem, ob eine Anlage für einen Standort mit Starkwind oder Schwachwind ausgelegt ist. Außerdem ist wesentlich, dass der Generator in einem Bereich arbeitet, in dem er einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Ein unnötig überdimensionierter Generator weist zwar einen hohen Leistungswert, aber bei einem Schwachwindstandort einen niedrigen Gesamtwirkungsgrad auf. Windkraft-Anlagen sollten daher immer an den Standort angepasst sein.

Windgeschwindigkeit

Maßgeblich für den Ertrag ist vorrangig die mittlere Windgeschwindigkeit am Standort der Anlage. Die Leistung nimmt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu. Das heißt: Doppelte Windgeschwindigkeit = achtfache Leistung. Daraus folgt, dass insbesondere bei wechselhaften Windverhältnissen (Böen) enorme Leistungsschwankungen an der Windkraftanlage auftreten. Zum Beispiel entsprechen 4 m/s Windgeschwindigkeit ca. 40 W/m2 durchströmte Fläche. Eine Windgeschwindigkeit von 8 m/s entspricht ca. 310 W/m2.

Standort und Hindernisse

Die Fragestellung, wo sich ein Kleinwindrad in Österreich rechnet, ist vom jeweiligen Standort und von der verwendeten Kleinwindanlage abhängig. Weitere Faktoren sind die Erwartungshaltung im Bezug auf Leistung/Ertrag/Energieautarkie und der ökologische Gedanke der künftigen Kleinwindkraftbesitzer. Der Standort muss an die Windverhältnisse, an die Topographie und an das Ortsbild angepasst werden. Bevorzugter Standort für eine KWEA ist im ländlichen, unbebauten und nicht bewaldeten Gebiet, da die Hindernisse Verwirbelungen und Strömungsabrisse verursachen.

Gebäude, Bäume oder Hügel verursachen Turbulenzen in der Windströmung und beeinflussen den Ertrag einer Windkraftanlage. Als Maß für die Beschaffenheit eines Geländes dient die Rauigkeit. Die Rauigkeit ist die Bezeichnung für die Unebenheit der Erdoberfläche und die damit verbundene Reibungswirkung auf die Luftströmung. Für einen hohen Ertrag und eine geringe Störungsanfälligkeit ist eine geringe Rauigkeit von Vorteil. Tipp für die Platzierung der Windkraftanlage: Die Anlage sollte entweder zehn Mal die Höhe der Hindernisse von diesen entfernt sein. Oder: Der Windanlagen-Turm sollte mindestens die doppelte Hindernishöhe aufweisen. Ansonsten kann ein einziges Gebäude oder ein Baum den hoffnungsvoll kalkulierten Ertrag einer Windkraftanlage entscheidend mindern. In der Hauptwindrichtung muss das Windrad in einer Entfernung, die der zwanzigfachen Hindernishöhe entspricht, das mit Abstand höchste Bauwerk sein, damit es einigermaßen turbulenzfrei angeströmt werden kann. Wichtig ist, dass zumindest ein Abstand zwischen Rotorunterkante und Gebäudeoberkante, der zumindest einem Drittel der längsten Gebäudediagonale entspricht, eingehalten wird. Zudem sollte die Windkraftanlage nicht in einer Turbulenzschleppe aus der Hauptwindrichtung stehen.

Der Standort ist für den Energieertrag essentiell. Ohne entsprechende Windverhältnisse ist ein wirtschaftlicher Betrieb kaum möglich. Klarerweise gibt es Regionen in denen mehr oder weniger Wind vorherrscht. Erste Auskunft bieten Windpotential-Karten. Eine verlässliche Grundlage bieten diese Karten jedoch nur bedingt. Wer 100 Prozent Sicherheit möchte, muss vor Ort über längeren Zeitraum den Wind messen. Windkraftplanungsbüros bieten eine entsprechende Windmessung an.

Faustregeln:

  1. Der Mast der Kleinwindanlage sollte mindestens 50% höher, sprich doppelt so groß sein wie die umgebenden Objekte
    oder
  2. Ist ein Hindernis größer als die KWEA, muss ein Abstand von mind. 20 mal der Hindernishöhe eingehalten werden.
  3. Die Windkraftanlage soll an der Gebäudeseite der Hauptwindrichtung platziert werden
  4. Die Windkraftanlage soll in Hauptwindrichtung ein ungestörtes Strömungsfeld haben
  5. Bewaldete Gebiete sollten vermieden werden. Wenn dies nicht möglich ist, soll die Windkraftanlage vor der Bewaldung in Hauptwindrichtung aufgestellt werden
  6. Windkraftanlagen in hügeligen Landschaften, sollten am Hochpunkt am Hügel platziert werden.

Generell gilt: Je höher eine Windanlage positioniert wird, desto höher sind die zu erwartenden Erträge. Wichtig für einen Standort ist die zu erwartende Windgeschwindigkeit, welche mittels Windmessungen ermittelt werden soll. Realistischer Zeitraum für ein aussagekräftiges Ergebnis sind mind. 6 Monate. Der Kauf eines Windmessgeräts ist nicht notwendig. Man kann diese ausleihen bzw. die Windmessung von einem Planungsbüro durchführen lassen.

Bevor man sich für eine Kleinwindenergieanlage entscheidet, sollten folgende Überlegungen berücksichtigt werden:

  1. Visuelle Standortbewertung (Höhenlage, umgebende Hindernisse, Hauptwindrichtung, Windstärke mittels vorh. Wetterdaten/karten,…)
  2. Bestimmung der tatsächlichen Windgeschwindigkeiten (Messung/Auswertung)
  3. Turbinenwahl (Leistungskurve, Schallpegel, Masthöhe, Nennleistung,…)
  4. Ermittlung des Energieertrages der Turbine (Errechnet durch Leistungskurve und Windverteilung. Ca. 5-15% können aufgrund von Stillstandzeiten abgezogen werden.)
  5. Wirtschaftliche Berechnungen
  6. Genehmigungsverfahren.

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