Rated Power of Wind Turbines: What is Best? - Leistungsinstallation bei Windturbinen: Was ist richtig?
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Rated Power of Wind Turbines:
What is Best?
Leistungsinstallation bei Windturbinen:
Was ist richtig?
J. P. Molly; DEWI GmbH, Wilhelmshaven
English - Deutsch
Summary Zusammenfassung
With over 27 GW of installed wind power, Germany is no Deutschland ist mit über 27 GW installierter Windleistung
longer the leading country of the world, but with a capacity nicht mehr das führende Land der Erde, aber mit einer auf die
of 76 kW per square kilometre it is the country most densely Landesfläche bezogenen Leistung von 76 kW pro Quadratki-
packed with wind turbine generator systems (WTGS). The lometer das mit Windenergieanlagen (WEA) am dichtesten
offshore installations planned will be of a similar size, which bestückte. Künftig wird noch der geplante Offshore-Ausbau
means that by 2050 the installed wind power capacity in Ger- in ähnlicher Größenordnung hinzu kommen, so dass 2050
many will amount to more than 50 GW. The dena Grid Study mit über 50 GW installierter Windleistung in Deutschland zu
II comes to the conclusion that 3,500 km of new extra high rechnen ist. Die dena-Netzstudie 2 sieht einen notwendigen
voltage routes must be built, not including the sea cable con- Ausbau des Übertragungsnetzes um über 3.500 km, nicht
nection of the offshore wind farms to the onshore grid con- eingerechnet die Seekabelanbindung der Offshore-Wind-
nection point. Utilities and research institutes are thinking parks bis zum Netzankupplungspunkt. Energieversorger und
about suitable storage facilities to even out the fluctuations Forschungsinstitute machen sich Gedanken über geeignete
of the wind energy supply, in order to meet the requirements Zwischenspeicher zur Glättung der Windenergieschwankun-
of a secure power supply. Strangely enough, the question of gen, um den Herausforderungen einer gesicherten Strom
the most suitable power output design of wind turbines does versorgung gerecht zu werden. Erstaunlicherweise spielt
not seem to play a part in this mixture of requirements in diesem Gemenge der Anforderungen die Frage nach der
Today, under the current economic framework conditions, richtigen Leistungsauslegung der Windturbine bisher keine
wind turbines are designed for maximum energy production Rolle.
at lowest cost, because only the amount of electricity gener- Windenergieanlagen werden bei den geltenden Rahmen-
ated is remunerated and not, for example, a more stable flow bedingungen richtigerweise so ausgelegt, dass sie die Kilo-
of energy and therefore an improved planning ability. There wattstunde zu den geringsten Kosten produzieren, da nur die
are several reasons why one should start now to optimise erzeugte Energiemenge vergütet wird und bspw. nicht eine
the lay-out of wind turbines in accordance with the require- höhere Gleichförmigkeit und damit eine bessere Planbarkeit
DEWI MAGAZIN NO. 38, FEBRUARY 2011 49
700
600 Starkwind
Strong Wind
Spezifische Installierte Leistung, W/m²
Specific Power Installation, W/m
500
Normalwind
400
Moderate Wind
Schwachwind
300
Weak Wind
200
100
0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Nennleistung / Rated Power, kW
Fig. 1: Specific power installation of today’s wind turbines.
Abb. 1: Auslegung der spezifischen Leistungsinstallation von heutigen Windturbinen.
7000
6000 706 W/m²
5000
Leistung / Power, kW
530W/m²
4000
412W/m²
3000
294W/m²
2000
212 W/m²
177 W/m²
1000
100 W/m²
0
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0
Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe / Wind Velocity at Hub Height, m/s
Fig. 2: Theoretical power curves for different specific rated power installations, derived from a wind turbine type available on the market
Abb. 2: Theoretische Leistungskurven für verschiedene spezifische Nennleistungsinstallationen, abgeleitet von einer auf dem Markt erhältlichen
Windturbine
ments of the entire electric supply system and with a view der Energieabgabe. Mehrere Gründe sprechen dafür jetzt
to cost-effectiveness. The result will be a lower rated power damit zu beginnen, die Auslegung der Windturbinen gemein-
of the wind turbines in relation to the rotor disk area as this sam mit den Erfordernissen des gesamten elektrischen Ver
is the case today. With the current feed-in tariffs applicable sorgungssystems kostenmäßig zu optimieren. Herauskom-
today, this compromise means that the wind farm operator men wird eine niedrigere Nennleistungsinstallation der WEA
will generate less profit, and therefore future tariff regula- bezogen auf die Rotorkreisfläche, als dies derzeit der Fall ist.
tions must provide financial compensation for this contribu- Da dieser Kompromiss für den Windparkbetreiber unter heu-
tion of the wind farm to a higher stability of power capacity tigen Vergütungsbedingungen zwangsläufig zu mehr oder
available in the grid. This claim is legitimate and on the whole weniger hohen Einbußen in der Vergütung führen wird, müs-
much more cost-effective for the utilities than storage facili- sen künftige Vergütungsregelungen so gestaltet werden, dass
ties or unnecessarily „thick“ and therefore more expensive dieser positive Beitrag zu einer größeren Gleichförmigkeit fi
power transmission lines. nanziell ausgeglichen wird. Dieser Anspruch ist berechtigt
und im Ganzen gesehen für die Versorgungswirtschaft viel
kostengünstiger als Speicher oder unnötig „dicke“ und damit
teurere Stromübertragungsleitungen.
50 DEWI MAGAZIN NO. 38, FEBRUARY 2011
Gründungsberatung und Bemessung
für Windenergieanlagen
Foundation Expertise and Design for Windturbines
Windenergieanlagen mit immer größerer Leistung werden unter immer schwierigeren
Randbedingungen gebaut. Standorte im Meer mit komplexen Wind- und Wellenbelastungen
stellen dabei besonders hohe Anforderungen an die Gründungskonstruktion, aber auch
an Land müssen die gewählten Gründungssysteme die wechselnden Beanspruchungen
ohne übermäßige Verformungen und über einen langen Zeitraum sicher abtragen.
GuD-Leistungen
• Baugrunderkundung und Gründungsberatung on- und offshore
• Ermittlung des Tragverhaltens von Flach- und Tiefgründungen
unter hochzyklischer Belastung
• Nachweis der Standsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit der Gründung
• Rammbarkeitsstudien und Überprüfung der Berechnungsansätze
• Ermittlung der Tragfähigkeit mit dynamischen Pfahltests
Zyklisch belastete Gründungssysteme von Offshore- • Messung der Stahlspannungen während des Rammens als
Windenergieanlagen und dynamische Pfahlprüfung Baustein zum Lebensdauernachweis
Analysis of cyclically loaded foundations for offshore • Prognose der Langzeitverformung von zyklisch belasteten Gründungssystemen
windturbines and dynamic pile tests • Überwachung und Prüfung der Gründungsmaßnahmen
• Qualitätssicherungskonzepte
Mit speziellen Test- und neuen Berechnungsverfahren • Langzeitüberwachung im Betrieb
sowie spezialisiertem Fachwissen beraten und planen wir
bei Pfahl- und Schwergewichtsgründungen von Offshore-
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Technical Background Technischer Hintergrund
Up to now, wind turbines have been designed for specific Windturbinen werden bisher mit spezifischen Leistungsins-
power outputs resulting in lowest power generation costs, tallationen ausgelegt, die letztlich zu den geringsten Strom-
so that with a given remuneration per kilowatt hour the wind erzeugungskosten führen, so dass bei gegebener Vergütung
farm operator can achieve the highest profit. At the begin- pro Kilowattstunde der höchste Profit für den Betreiber rea-
ning of wind energy use this was certainly the right approach lisiert werden kann. Am Beginn der Windenergieentwicklung
because wind energy played only a minor part in the public sicherlich die richtige Herangehensweise, da Windenergie
supply grid. In the meantime this has changed drastically. von der Menge her im öffentlichen Stromversorgungsnetz
Saxony-Anhalt with 52% and the federal states Branden- eine untergeordnete Rolle spielte. Dies hat sich mittlerwei
burg, Schleswig-Holstein, Mecklenburg-Vorpommern with le drastisch geändert. Sachsen-Anhalt mit 52% und die
43% to 45% wind energy penetration in the electric supply Bundesländer Brandenburg, Schleswig-Holstein, Mecklen
show clearly that it is necessary to integrate wind energy burg-Vorpommern mit 43% bis 45% Windenergieanteil
into the grid in an economically sensible manner. In the long in der elektrischen Versorgung machen deutlich, dass die
run it does not seem acceptable to view energy generation Windenergie in einer volkswirtschaftlich vernünftigen Art
only under the aspect of profit maximisation by selling en- und Weise im Netz integriert werden muss. Die Sichtweise
ergy. This applies in particular to the offshore application of einer Energieerzeugung unter der ausschließlichen Vorga-
wind energy, still in its initial stages of development, because be der Gewinnmaximierung durch Verkauf der Energie ist
here it could be possible to influence the design of the wind auf Dauer gesehen nicht haltbar. Dies gilt besonders für die
turbines in order to minimise the energy generation costs am Anfang der Entwicklung stehende Offshore-Anwendung
in connection with the necessary grid expansion measures der Windenergie, auf deren Windturbinenauslegung noch
from a macroeconomic perspective. dahingehend Einfluss genommen werden könnte, dass die
The technical idea behind this can be explained quite simply Energieerzeugungskosten im Zusammenhang mit den not-
by means of an example. If a wind turbine of 100m rotor di- wendigen Netzausbaumaßnahmen im volkswirtschaftlichen
ameter were equipped with a generator of only 1 kW size, it Sinne minimiert werden.
should be clear to everyone that this wind turbine could run Die dahinter stehende technische Überlegung ist an einem
throughout the whole year at rated power without requiring Beispiel relativ einfach zu erklären. Würde eine Windenergie
expensive storage facilities or overdimensioned grid connec- anlage mit 100 m Rotordurchmesser mit einem Generator
tions because the capacity factor or the guaranteed power von nur 1 kW ausgerüstet, so wäre jedem klar, dass diese
DEWI MAGAZIN NO. 38, FEBRUARY 2011 517000
6000 706 W/m²
530 W/m²
412 W/m²
5000
294 W/m²
Leistung / Power, kW
212 W/m²
4000
177 W/m²
100 W/m²
3000
2000
1000
0
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Dauer pro Jahr / Duration per Year, %
Fig. 3: Power duration curves of the wind turbines from Fig. 2 at a site with the same site-specific wind speed conditions.
Abb. 3: Leistungsdauerlinien der Windturbinen aus Abb. 2 an einem Standort mit denselben Standortwindgeschwindigkeitsbedingungen.
capacity would be almost 100%. The remuneration for the Windturbine praktisch das ganze Jahr mit Nennleistung laufen
kilowatt hour generated in this way, however, would have to würde und keine teuren Zwischenspeicher und überdimensi-
be very high, because with only 8760 kWh generated at best, onierte Netzanschlüsse benötigte, weil der Kapazitätsfaktor
the expenditure for the large rotor, bearings, tower, founda- oder die garantierte Leistung nahe 100% läge. Allerdings
tions etc. could not be paid otherwise. müsste die erzeugte Kilowattstunde sehr hoch vergütet wer-
On the other hand the same rotor diameter could be coupled den, da der Aufwand für den riesen Rotor, die Lagerungen,
with a 10 MW generator. In this case, the wind turbine would den Turm, das Fundament, etc. mit den im günstigsten Fall
generate the rated power only for a few hours a year, in oth- erzeugten 8760 kWh sonst nicht bezahlt werden könnte.
er words, enormous costs for the mechanical and structural Andererseits wäre es auch möglich, denselben Rotordurch-
components of the turbine which are out of all proportion to messer von 100 m mit einem 10 MW Generator zu koppeln.
the increased yield of the wind turbine. Even the cross-sec- Bei dieser Auslegungsvariante wäre die Nennleistung nur an
tions of the transmission lines would have to be dimensioned wenigen Stunden des Jahres zu erreichen, d.h., ein enormer
so as to be able to transmit the rated power generated only Kostenaufwand für den maschinenbaulichen Teil und die
during a few hours a year. In other words, the cable cross- sonstige Struktur der Windturbine, der in keinem vernünf-
section is under-utilized and therefore much too expensive. tigen Verhältnis zum Mehrertrag der Windturbine steht.
Between these two extremes there must be an optimum Selbst die Querschnitte der Übertragungsleitungen müssten
lay-out for the system. This must be developed, taking into so dimensioniert werden, dass sie die für wenige Stunden
account the costs for the combination of wind turbine and anstehende Nennleistung übertragen können. Mit anderen
grid requirements. Worten, der Kabelquerschnitt wird nicht ausreichend genutzt
Today’s wind turbines are provided with specific power instal- und ist damit viel zu teuer. Zwischen diesen beiden extremen
lations adapted to the respective site-specific wind speeds. Auslegungsvarianten muss es ein Optimum geben. Dies gilt
There are typical power installations for strong, moderate es herzuleiten, unter Berücksichtigung der Kosten für die
and weak wind conditions. (Fig. 1). In this way it is possible to Kombination aus Windturbine und Netzanforderung.
offer WTGS for the different site-specific wind speeds which Heutige Windturbinen haben spezifische Leistungsinstallatio
are able to achieve the lowest energy generation costs. Since nen, die im Wesentlichen eine Anpassung an die Standort
the support structures for wind turbines are designed ac- windgeschwindigkeit erreichen sollen. So gibt es typische
cording to the site-specific wind speed, weak-wind WTGS for Auslegungen für Starkwind-, Normalwind- und Schwach
example are normally designed according to IEC class III and windstandorte (Abb. 1). Mit dieser Anpassung gelingt es, für
therefore not robust enough for operation in moderate or die verschiedenen Standortwindgeschwindigkeiten Wind
strong wind areas. By far the largest number of WTGS types energieanlagen anbieten zu können, die die günstigsten
have a specific power installation in the range of 400 W/m², Energieerzeugungskosten ermöglichen. Da die tragenden
whereas a typical weak-wind design is in the range of around Strukturen der Windturbine entsprechend der Standortwind
300 W/m² or less, and strong-wind types are around 600 W/ geschwindigkeiten ausgelegt werden, sind bspw. Schwach
m² (Fig. 1). wind-WEA in der Regel nach IEC Klasse III ausgelegt und so-
Fig. 2 shows theoretical power curves of wind turbines of dif- mit nicht genügend robust für den Betrieb in Normal- oder
ferent specific rated power installations of a range between Starkwindgebieten. Die weitaus größte Zahl der Windturbi-
850 kW and 6.000 kW rated power. If these wind turbine nen weist eine spezifische installierte Leistung im Bereich um
52 DEWI MAGAZIN NO. 38, FEBRUARY 2011120%
Capacity Factor = 75.5%, 100 W/m²
Capacity Factor = 62.7%, 177 W/m²
Capacity Factor = 57.9%, 212 W/m²
100%
Normierte Leistung / Standardised Power
Capacity Factor = 48.9%, 294 W/m²
Capacity Factor = 39.3%, 412 W/m²
Capacity Factor = 32.4%, 530 W/m²
80% Capacity Factor = 25.6%, 706 W/m²
60%
40%
Mittlere Leistung
Average Power
20%
0%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Dauer pro Jahr / Duration per Year
Fig. 4: Standardised power duration curves at 100 m hub height and a Weibull distribution of A = 8.2 and K = 2.92 at a height of 60m
Abb. 4: Normierte Leistungsdauerlinien bei 100 m Nabenhöhe und einer Weibullverteilung von A = 8,2 und K = 2,92 in 60m Höhe
types are installed at a site with the same wind speed distri- die 400 W/m² auf, während die typische Schwachwind-Aus-
bution for all of them, this will result in the power duration legung eher bei 300 W/m² oder darunter und die Starkwind-
curves shown in Fig. 3. The graph clearly shows that the wind Variante bei 600 W/m² liegen (Abb. 1).
turbine with 100 W/m² (850 kW) operates at rated power In Abb. 2 sind theoretische Leistungskurven für Windturbinen
for almost 50% of the year, whereas at the same site the verschiedener spezifischer Nennleistungsinstallationen dar-
wind turbine with equal rotor size, but an installed power of gestellt. Die Spanne reicht im dargestellten Fall von 850 kW
706 W/m² (6,000 kW) would reach its rated power for only bis 6.000 kW Nennleistung. Werden diese WEA-Varianten an
a few hours a year. The difference becomes even more dras- einen Standort mit einer für alle selben Windgeschwindig-
tic when taking a closer look at the average performances. keitsverteilung gestellt, so ergeben sich die in Abb. 3 gezeig-
As an annual average, the wind turbine with 850 kW rated ten Leistungsdauerlinien. Deutlich wird, dass die Windturbi-
power (100 W/m²) would have a power output of 75.5 % of ne mit 100 W/m² (850 kW) ihre Nennleistung fast 50% des
the rated power, i.e. 642 kW, for a period of at least around Jahres erbringt, während am selben Standort die vom Rotor
64% of the year. That means, the average or even higher her gleich große Windturbine mit 706 W/m² (6.000 kW) ihre
power output can be expected with a high degree of cer- Nennleistung für allerhöchstens wenige Stunden im Jahr er-
tainty, because only during a period of 24.5 % of the year this reichen würde. Noch drastischer werden die Unterschiede bei
output cannot be achieved because of low winds. In case of näherer Betrachtung der Durchschnittsleistungen. Die WEA
the wind turbine with 706 W/m² the situation is completely mit 850 kW Nennleistung (100 W/m²) wird im Durchschnitt
different. At the same site, this turbine would only have an über ein Jahr 75,5 % der Nennleistung, also 642 kW abgeben
annual average power output of 25.6 % (1,536 kW) of the und zwar mindestens über einen Zeitraum von rund 64% des
rated power of 6,000 kW. This average or higher output could Jahres. D.h., die Durchschnittsleistung oder eine noch höhere
only be guaranteed for 39 % of the year, i.e. the uncertainty Leistung ist mit einer relativ hohen Sicherheit zu erwarten,
of a forecast is much higher than compared to the wind tur- da sie nur in 24,5 % des Jahres wegen zu geringen Windes
bine with a low rated power installation. Thinking of the cost- nicht möglich wäre. Ganz anders sieht es bei der Windturbi-
relevant cross-section of the grid connection, the 6,000 kW ne mit 706 W/m² aus. Sie würde am selben Standort im Jah-
WTGS needs a cross-section four times bigger than required resdurchschnitt nur 25,6 % (1.536 kW) der Nennleistung von
for the transmission of the average power. In case of the 850 6.000 kW liefern. Auch wäre diese oder eine höhere Leistung
kW wind turbine, the cross-section needed for transmitting nur während 39 % des Jahres zu erreichen, d.h. das Risiko für
the rated power only has to be 1.32 times bigger, a much eine Vorhersage steigt deutlich gegenüber der Anlage mit
better utilization of the electricity transmission line. When niedriger Nennleistungsinstallation. Denkt man an die kos-
comparing both grid connections, the cross-section of the tenrelevanten Querschnitte der Netzanbindung, so muss bei
transmission line for the wind farm with the 6,000 kW wind der 6.000 kW-WEA ein viermal größerer Querschnitt als für
turbines would have to be about 3 times bigger and there- die Durchleitung der Durchschnittsleistung vorgesehen wer-
fore also more expensive than for a wind farm with 850 kW den. Im Fall der 850 kW-Windturbine müsste der Querschnitt
wind turbines, provided that both wind farms have the same für die Durchleitung der Nennleistung nur um das 1,32-fache
annual energy yield. größer sein, eine wesentlich bessere Ausnutzung der einge
setzten elektrischen Übertragungsleitung. Werden beide
Netzanschlüsse verglichen, dann müsste der Querschnitt der
DEWI MAGAZIN NO. 38, FEBRUARY 2011 53Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Mean
V mean 8.4 7.7 6.6 5.0 5.4 7.0 7.6 8.4 9.0 9.7 9.6 8.9 8.0
Tab. 1: Monthly wind speed mean values for a site with 8.0 m/s annual mean
Tab. 1: Monatliche Windgeschwindigkeitsmittel für einen Standort mit 8,0 m/s Jahresmittel
3,50
v = mittler Windgeschwindigkeit in 100m Nabenhöhe
v = average wind velocity at 100m hub height v = 6 m/s
3,00 (Rayleigh distribution)
Spezifische Energieerzeugungskosten
v = 5 m/s
Specific Energy Generation Cost
2,50
v = 7 m/s
2,00
1,50 v = 8 m/s
1,00 v = 10 m/s
v = 12 m/s
Fig. 5: Specific energy generation costs for
400 W/m² and 8 m/s wind speed as a 0,50
function of the specific installed
power
Abb. 5: Auf 400 W/m² und 8 m/s Wind 0,00
geschwindigkeit bezogene Energie 0 200 400 600 800 1000
erzeugungskosten in Abhängigkeit der
Spezifische installierte Leistung / Specific Power Installation, W/m²
spezifischen installierten Leistung
Development of Wind Turbine Costs as a Function of the Übertragungsleitung für den Windpark mit den auf 6.000 kW
Installed Specific Rated Power ausgelegten WEA ca. 3-mal größer sein und damit auch teurer
als für den Betrieb mit 850 kW Windturbinen, vorausgesetzt,
For a further analysis it is necessary to estimate how the cost dass beide Parks den gleichen Jahresenergieertrag erzeugen.
of a wind turbine and therefore the energy generation cost
would develop if the rotor diameter is kept constant, but dif- WEA-Kostenentwicklung in Abhängigkeit der installierten
ferent rated powers are installed. Examples for such wind spezifischen Nennleistung
turbines are difficult to find because this subject has not yet
been taken up by the industry and therefore such designs Für die weitere Analyse ist es notwendig, eine Abschätzung
have not been realised. Only recently there are wind turbines vorzunehmen, wie sich die Kosten einer Windturbine und da-
which, although equipped with a large rotor diameter, have mit die Energieerzeugungskosten entwickeln könnten, wenn
an “unusually” low rated power. Examples of these wind der Rotordurchmesser konstant gehalten wird, aber verschie-
turbine types are Nordex N117/2400 (223 W/m²), Vestas dene Nennleistungen installiert werden. Reale Beispiele sind
V100-1.8 MW (229 W/m²), GE 1.5xle (284 W/m²), REpower schwer zu finden, da solche Überlegungen von der Indust-
3.2M114 (314 W/m²), all of which are designed for IEC wind rie bisher kaum vorgenommen wurden und folglich auch
class III or II, and therefore cannot really be used in strong nicht realisiert wurden. Erst neuerdings gibt es WEA, die bei
wind areas. This, however, is a question of the proper design großem Rotordurchmesser eine „unüblich“ niedrige Nenn-
and not a general obstacle to the feasibility of such a design leistung aufweisen. Hierzu gehören beispielsweise die An-
for strong-wind sites. lagentypen Nordex N117/2400 (223 W/m²), Vestas V100-1.8
A rough estimate of how the power generation cost of a MW (229 W/m²), GE 1.5xle (284 W/m²), REpower 3.2M114
wind turbine could develop if its specific installed power is (314 W/m²), allerdings in der Regel ausgelegt für die IEC Wind-
changed while keeping the same rotor diameter, is shown in klasse III oder II, also nicht unbedingt einsetzbar in Gebieten
Fig. 5. The energy generation costs shown are related to a mit starkem Wind. Letzteres ist jedoch eine Auslegungsfrage
wind turbine of 400 W/m² and an average wind speed at hub und nicht ein genereller Hinderungsgrund dafür, dass eine
height of 8 m/s (Rayleigh distribution). If at the same wind solche Auslegung für Starkwind nicht machbar wäre.
speed the wind turbine is operated with a specific power in- Eine grobe Abschätzung, wie sich die Stromerzeugungskosten
stallation of only 200 W/m², the energy generation cost will einer Windturbine verhalten könnten, falls zwar ihre instal
increase by approx. 20 % according to this estimate. lierte Leistung geändert würde, aber nicht der Rotordurch
messer, veranschaulicht Abb. 5. Die dargestellten Energieer
Consequences of the Lower Specific Rated Power zeugungskosten werden auf eine Windturbine von 400 W/m²
und bei 8 m/s Jahresmittel der Windgeschwindigkeit in Na-
In the example of the wind turbines with a specific rated benhöhe bezogen. Wird bei derselben Windgeschwindig-
power of 400 W/m² (moderate wind) and 200 W/m² (weak keit die Windturbine mit einer Leistungsinstallation von nur
wind) and an annual mean wind speed assumed of 8 m/s the 200 W/m² betrieben, dann wird die erzeugte Energie dieser
capacity factor rises from 39.3% to 57.9%, which is a signifi- Abschätzung nach um ca. 20 % teurer.
54 DEWI MAGAZIN NO. 38, FEBRUARY 2011Werbung
Kunde
1/1
s/w oder 4ccant increase in steadiness. Also, the probability to achieve Auswirkungen der niedrigen spezifischen Nennleistung
at least the average power output will rise from 43% to 52%
(Fig. 4). A similar effect could only be achieved with storage In dem Beispiel der Windturbinen mit 400 W/m² (Normal-
facilities which, however, should not cost more than 20% of wind) und 200 W/m² (Schwachwind) spezifischer Nennleis-
the turnkey wind turbine investment. Assuming a financing tung erhöht sich bei dem angenommenen Jahresmittel der
volume of 4.4 million € for a ready-to-use wind turbine with Windgeschwindigkeit von 8 m/s der Kapazitätsfaktor von
3,400 kW and 100 m rotor diameter (400 W/m²) a loss-free 39,3 % auf 57,9 %, ein deutlicher Gewinn an Gleichförmig-
storage facility with similar effect should cost at most 0.88 keit. Auch ist die Wahrscheinlichkeit mindestens die Durch-
million €. schnittsleistung zu erhalten von 43 % auf 52 % gestiegen
In some countries auctions of wind energy projects are car- (Abb. 4). Ein ähnlicher Effekt wäre nur durch einen Speicher
ried out as a contribution to securing a guaranteed capacity. zu erzielen, der dann nicht mehr als 20 % der schlüsselferti
In such a case the wind farm operator for example has to gen WEA-Investition kosten dürfte. Wird ein finanzieller
guarantee an average power output month by month over Aufwand von 4,4 Mio. € für eine betriebsfertig installierte
a period of 20 years, and the wind farm must not fall below Windturbine mit 3.400 kW und 100 m Rotordurchmesser an-
this average output by more than 10%. In this case, too, a genommen (400 W/m²), so dürfte ein verlustloser Speicher
low specific rated power is an advantage. Tab. 1 shows the mit ähnlichem Effekt maximal 0,88 Mio. € kosten.
monthly wind speed values of a site with an annual mean In manchen Ländern werden Versteigerungen von Windener
wind speed of 8.0 m/s. If for the annual average a deviation gieprojekten als Beitrag zur gesicherten Leistung durchge
of for example -5 % is assumed, the wind turbine with 200 führt. Es muss dann beispielsweise vom Betreiber des Wind
W/m² shows a reduced yield of 6 % and the turbine designed parks über 20 Jahre Monat für Monat eine durchschnittliche
for 400 W/m² has a yield reduced by 8 %. Both values are Leistungsabgabe garantiert werden, die er um nicht mehr als
within the margin of the allowed 10% reduced yield. -10% unterschreiten darf. Auch in diesem Fall ist eine niedrige
If considered on a monthly basis, however, the case is differ- spezifische Nennleistung von Vorteil. Tab. 1 gibt die monatli-
ent. With a wind speed of only 5.0 m/s the monthly minimum chen Windgeschwindigkeitswerte eines Standorts mit einem
is reached in April. In the example mentioned above of a wind Jahresmittel von 8,0 m/s an. Wird für das Jahresmittel eine
speed reduced by 5 % (4.75 m/s) the energy yield would be Windabweichung von -5 % angenommen, dann liegt die WEA
reduced by 10.5 % for the turbine with 200 W/m² (100 m ro- mit 200 W/m² bei einem Minderertrag von -6 % und die Anla-
tor diameter and 1,700 KW) , which is just about within the ge mit 400 W/m² bei -8 %. Beide Werte liegen im Bereich der
margin of the allowed reduced yield. For the 400 W/m² wind erlaubten maximal -10% Minderertrag.
turbine, however, the yield would be -14 %, siginificantly less Anders sieht es aus, wenn eine monatsweise Betrachtung
than the required -10 % of the monthly mean value. In that erfolgt. Mit nur 5,0 m/s Wind wird im April das Monatsmi-
case the wind farm operator would have to accept a penalty nimum erreicht. Jetzt ergäbe sich für das oben aufgeführte
which would have a negative effect on the economic result of Beispiel eines um 5 % geringeren Windes (4,75 m/s) für die
the wind farm. The wind turbine designed for a lower specific Anlage mit 200 W/m² (100 m Rotordurchmesser und 1.700
rated power there reduces the risk to fall below the guaran- KW) ein Minus im Energieertrag von rund 10,5 %, also gera-
teed energy yield. This is similar to an increased contribution de noch so im Bereich des erlaubten Minderertrags. Für die
to the guaranteed power output. Windturbine mit 400 W/m² liegt der Ertrag aber mit -14 %
deutlich niedriger als die verlangten -10 % vom Monatsmit-
Conclusion telwert. In diesem Fall müsste der Betreiber eine Strafzahlung
akzeptieren, die sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit des
Today, wind turbines are normally designed for specific pow- Windparks auswirkt. Die mit niedriger spezifischer Nennleis-
er outputs resulting in low power generation costs. Other tung ausgelegte Windturbine mindert demnach sein Risiko,
aspects, such as the steadiness of the power output, are die garantierten Ertragswerte zu unterschreiten. Dies kommt
not considered, because remuneration is paid only for the einem höheren Beitrag zur gesicherten Leistung gleich.
power generated and not for the contribution to guaranteed
capacity. In case of very high penetration levels of wind en- Fazit
ergy in the electric supply grid, however, this approach is no
longer appropriate. Power fluctuation of wind turbines can Windenergieanlagen werden heute in ihrer spezifischen
be compensated by storage facilities, but this is very expen- Nennleistung meist auf geringste Energieerzeugungskosten
sive. Therefore, what we ought to do is discuss which modi- ausgelegt. Andere Aspekte, wie die Gleichförmigkeit der Ener-
fications are possible to the wind turbine itself to be able to gieabgabe werden nicht berücksichtigt, da nur die erzeugte
improve its guaranteed capacity. Energie vergütet wird und nicht der Beitrag zur gesicherten
A wind turbine with a low specific capacity has the follow- Leistung. Bei sehr hohen Anteilen der Windenergie im elekt-
ing advantages compared to a turbine with a higher specific rischen Versorgungsnetz ist diese Sichtweise aber nicht mehr
capacity: zielführend. Hohe Leistungsschwankungen der Windturbinen
• The average or even higher power output is provided durch entsprechende Speicher auszugleichen ist möglich,
over a longer period of time (Fig. 4), i.e. the predictability aber sehr teuer. Viel eher sollte ins Kalkül gezogen werden,
of power is improved and therefore shows a lower risk welche Änderungen an der WEA möglich sind, um sie stärker
(higher guaranteed capacity), an advantage regarding the als gesicherte Leistung einbeziehen zu können.
necessity to provide reserve capacity in the grid. Eine Windturbine mit niedriger spezifischer Nennleistung
weist daher gegenüber einer Anlage mit höherer spezifischer
Nennleistung folgende Vorteile auf:
56 DEWI MAGAZIN NO. 38, FEBRUARY 201125
20
5 m/s + 5%
Abweichung von der Durchschnittsleistung, %
6 m/s + 5%
15
7 m/s + 5%
Deviation from Average Power, %
8 m/s + 5%
10
5
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
-5
-10
8 m/s - 5%
7 m/s - 5%
-15 6 m/s - 5%
5 m/s - 5%
-20
‐25
Spezifische installierte Leistung / Specific Power Installation, W/m²
Fig. 6: Deviation of power output from average power when mean wind speed is changed by +/- 5% as a function of the specific installed power.
Abb. 6: Abweichung der abgegebenen Leistung von der Durchschnittsleistung bei Änderung der mittleren Windgeschwindigkeit um +/- 5% in Abhän
gigkeit der spezifischen Nennleistung der Windturbine
• The longer availability of at least the average capacity can • die Durchschnittsleistung oder eine noch höhere Leistung
be compared to a storage effect, i.e. if storage is required wird über einen längeren Zeitraum erbracht (Abb. 4), d.h.
for balancing the fluctuations, the storage facilities can die Vorhersagbarkeit der Energieabgabe wird besser und
be smaller and therefore less expensive. weist dadurch ein geringeres Risiko auf (höhere gesicher-
• The difference between rated power and average power te Leistung), ein Vorteil hinsichtlich der Bereitstellung von
is smaller, which means that the transmission line cross- Ersatzkapazität im Netz.
sections can be utilized better, also resulting in a cost • die längere Verfügbarkeit von mindestens der Durch-
reduction. schnittsleistung ist einem Speichereffekt gleichzusetzen,
• It is less likely that the power output falls below certain d.h. eventuell erforderliche Speicher für die Verminde-
agreed margins of energy output fluctuations, and there- rung der Schwankungen werden kleiner und damit gerin-
fore “penalties“ can be avoided. (Fig. 6). ger in den Kosten.
In an overall assessment of the combined costs for wind tur- • Die Differenz zwischen Nennleistung und Durchschnitts-
bine, grid connection and a resulting efficient grid operation, leistung ist geringer, was zu einer wesentlich besseren
the advantages mentioned above have to be evaluated from Nutzung der Übertragungsquerschnitte für die Netzan-
a monetary perspective. A resulting bonus for better stabil- bindung führt und damit Kosten senkt.
ity thus achieved must compensate the profit reduced as a • Die Unterschreitungswahrscheinlichkeit bestimmter
result of the lower amount of energy generated, because erlaubter Margen der Energieabgabeschwankungen wird
otherwise an investor would not use such a wind turbine. geringer und vermindert dadurch eventuelle „Strafzah-
Designing a wind turbine with the aim to achieve a higher lungen“ (Abb. 6).
capacity factor of power output is particularly important Bei einer Gesamtbetrachtung der Kosten aus Windenergie-
when there is a high penetration level of wind energy. The anlage, Netzanbindung und daraus resultierendem möglichst
importance of this issue will increase when the large offshore wirtschaftlichem Netzbetrieb müssen diese genannten Vor-
wind farms planned are connected to the grid whose energy teile einer geringen spezifischen Auslegung monetär bewer-
has to be transmitted to the consumer centres over large dis- tet werden. Ein daraus abzuleitender Bonus für die größere
tances and for which it is necessary to have a reliable short- Gleichförmigkeit muss den Minderertrag durch die geringe-
term forecast of the power output in order to maintain the re Energieerzeugung kompensieren, sonst wird ein Investor
grid stability. eine solche Windturbine nicht einsetzen. Die Auslegung der
WEA mit dem Ziel einer größeren Gleichförmigkeit der Ener-
gieabgabe ist insbesondere dann wichtig, wenn ein hoher
Anteil der Stromeinspeisung aus Windenergie im Netz vor-
handen ist. Dies wird beispielsweise mit den kommenden
großen Offshore-Windparks an Bedeutung gewinnen, deren
erzeugte Energie über große Distanzen in die Verbrauchszen-
tren transportiert werden muss und für die eine zuverlässige
kurzfristige Vorhersage der erzeugten Leistung für die Auf-
rechterhaltung der Netzstabilität notwendig ist.
DEWI MAGAZIN NO. 38, FEBRUARY 2011 57Sie können auch lesen
