Der Kapazitätsfaktor der Windkraftanlage: Einfluss auf die Stromerzeugung & Was Sie darüber wissen sollten

Was ist der Kapazitätsfaktor einer Windkraftanlage und sein Einfluss auf die Stromerzeugung?
Was ist der Kapazitätsfaktor einer Windkraftanlage und sein Einfluss auf die Stromerzeugung?

Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit einer Windkraftanlage hinsichtlich der Stromerzeugung an einem bestimmten Standort existieren ein paar Maße, die üblicherweise berücksichtigt werden. Der Kapazitätsfaktor einer Windturbine ist einer dieser Werte, der oft mit dem Wirkungsgrad oder dem gesamten Leistungsvermögen einer Anlage verwechselt wird. Allerdings bezieht der Kapazitätsfaktor neben internen auch externe Einflüsse in die Berechnung mit ein.


Kapazitätsfaktor und Nennleistung einer Windkraftanlage: Ein direkter Zusammenhang

Das maximale Leistungsvermögen einer Windkraftanlage (auch Nennleistung genannt) beschreibt, wie viel elektrische Leistung die Anlage bei optimalen Windverhältnissen generieren kann. Beispielsweise kann die 1.5 kW Doppel Helix als vertikale Windkraftanlage von LuvSide ihre namensgebenden 1,5 kW Leistung bei einer nominalen Windgeschwindigkeit von 15 m/s erreichen. Diese Windturbine besitzt demnach ein maximales Leistungsvermögen von 1,5 kW. Oder anders formuliert hat unsere 1.5 kW Doppel Helix eine Nennleistung von 1,5 kW.

Ähnlich verhält es sich mit einer horizontalen Windkraftanlage, die im Onshore-Betrieb bei nominalen Windgeschwindigkeiten 2 MW erzeugen kann: Die Turbine besitzt folglich eine Nennleistung von 2 MW.

Stromerzeugung ist die Leistung multipliziert mit der Länge der Stunden.
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Elektrische Energie: Das Produkt aus Leistung und Zeit

Generell wird jegliche Menge an elektrischer Energie, die von einer beliebigen Quelle ausgeht oder von einem Konsumenten bzw. einer Konsumentin verbraucht wird, in Bezug auf ein bestimmtes Zeitintervall gemessen. In den meisten Fällen dient dabei die Einheit „Stunde“ als Basis. Wenn zum Beispiel eine LuvSide-Turbine bei einer konstanten Leistung von 1,5 kW eine volle Stunde lang in Betrieb ist, produziert die Anlage in dieser Zeit 1,5 kWh (Kilowattstunden) elektrische Energie. Befindet sich die Anlage für zwei Stunden im Einsatz, können dementsprechend 2 x 1,5 = 3,0 kWh erzeugt werden.

Abhängig von ihrem Design können Turbinen den einströmenden Wind in unterschiedlichen Weisen verwenden, um den Generator anzutreiben und so elektrische Energie zu erzeugen. Während sich diese Designunterschiede hauptsächlich auf den Wirkungsgrad sowie die Nennleistung einer Windkraftanlage auswirken, spielen auch externe Faktoren eine Rolle hinsichtlich der im Laufe der Zeit erzeugten Strommenge. Diese Faktoren werden wiederum bei der Angabe des Kapazitätsfaktors berücksichtigt.


Wind ist nicht immer kraftvoll, beständig oder gar allgegenwärtig

Wie viel Strom eine Turbine erzeugen kann, hängt zu großen Teilen von der Geschwindigkeit sowie der Beständigkeit des einströmenden Windes ab. Bei geringeren Windgeschwindigkeiten nimmt die Energiegewinnung drastisch ab: Die gemessene Geschwindigkeit muss beispielsweise bloß um die Hälfte sinken, schon reduziert sich die Stromerzeugung um das Achtfache.

So verhält es sich auch mit den Turbinen von LuvSide. Zum Beispiel läuft eine Windkraftanlage mit 1,5 kW ideal bei Windgeschwindigkeiten von 15 m/s. Bläst der Wind hingegen bloß mit 10 m/s, kann die 1,5-kW-Turbine in einer Stunde nur 1 kWh generieren. Beträgt die Windgeschwindigkeit zwar 15 m/s, flaut aber schon nach 30 Minuten ab, erzeugt dieselbe Turbine während dieser Zeit insgesamt bloß 0,75 kWh.

Windgeschwindigkeit und Windbedingungen beeinflussen die Stromerzeugung.
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Wie man weiß, weht Wind nicht tagtäglich oder gar das ganze Jahr über im gleichen Tempo. An manchen Orten ändern sich die Windverhältnisse in Abhängigkeit zur Jahreszeit und in seltenen Fällen können unverhoffte Wetterphänomene die Strömungen des Windes bereits innerhalb weniger Stunden beeinflussen. Aus diesen Gründen bleiben Windkraftanlagen des Öfteren hinter ihren Nennleistungen zurück. Herrscht konstanter Windmangel, kann es sogar durchaus vorkommen, dass die Turbine für längere Zeit stillsteht.


Der Kapazitätsfaktor einer Windkraftanlage gibt Auskunft über die realistische Energieproduktion

Der Kapazitätsfaktor einer Windkraftanlage beschreibt die Differenz zwischen der maximalen und der realisierbaren Energiegewinnung an einem bestimmten Standort über einen festgelegten Zeitraum hinweg. Dieser Wert gibt also das Verhältnis der tatsächlich gewonnenen zur maximal möglichen Energie einer Windturbine an.

Hier eine einfache Veranschaulichung des Kapazitätsfaktors: In manchen Museen stehen Fahrräder, deren Antrieb mit einer Glühbirne verbunden ist. Wenn Besucherinnen oder Besucher in die Pedale treten, generieren sie Energie, welche die Glühbirne zum Aufleuchten bringt. Bedingt durch die technische Auslegung existiert ein Maximum an Helligkeit, mit der diese Lampe leuchten kann. Allerdings könnte nur eine olympische Rennradfahrerin schnell genug treten, um diese theoretischen 100 % zu erreichen.

Jetzt besucht aber gerade mein Großvater das Museum und setzt sich auf das Rad. Er ist so langsam, dass die Lampe bei aller Anstrengung nur mit 30 % Helligkeit leuchtet. In dieser Zeit liegt der Kapazitätsfaktor des Systems also bei 30 %.

In dieser Metapher steht das Fahrrad für die Windturbine und das Licht der Glühbirne für die erzeugte Energie. Die Profisportlerin repräsentiert die bestmögliche Windgeschwindigkeit, die wir uns für die Turbine wünschen. Tatsächlich herrschen aber oft Windbedingungen, deren Auswirkungen eher mit den Bemühungen des Großvaters vergleichbar sind.

Mein Großvater hat einen Kapazitätsfaktor von 30%.
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Der Kapazitätsfaktor hängt von vielen Kriterien ab und wird über eine Zeitspanne berechnet

Normalerweise wird der Kapazitätsfaktor anhand der Daten eines vollen Jahres berechnet. Er wird deshalb von einer Vielzahl an Umständen und Ereignissen beeinflusst, die in diesem Jahr stattfinden. Dabei fallen gewisse Varianzen der Windgeschwindigkeit stark ins Gewicht, aber auch Ausfälle (bedingt etwa durch Wartung oder Reparatur), die der Wert des Kapazitätsfaktors widerspiegelt.

Um den Wert des Kapazitätsfaktors einer Windturbine zu berechnen, teilen wir die tatsächlich produzierte Menge an Energie durch den Betrag, der unter perfekten Bedingungen in der gleichen Zeit erreicht werden könnte.

Ziehen wir noch einmal die 1.5 kW Doppel Helix von LuvSide als Beispiel heran. Die Nennleistung dieser Windturbine liegt bei einem Wert von 13.140 kWh im Jahr – vorausgesetzt der Wind weht das ganze Jahr ununterbrochen mit einer Geschwindigkeit von 15 m/s. In Wirklichkeit konnten bei der Turbine in diesem Jahr jedoch nur 2.628 kWh gemessen werden, da die Windverhältnisse nicht mehr hergaben. Damit würde der Kapazitätsfaktor dieser Windturbine 2.628 kWh / 13.140 kWh = 20 % betragen.

Der Kapazitätsfaktor gleicht der tatsächlichen Stromerzeugung geteilt durch die optimale Stromerzeugung.
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Wie der Kapazitätsfaktor einer Windturbine verbessert werden kann

Wissenschaftliche Messungen haben ergeben, dass eine Windturbine nur etwa 40 % ihrer Betriebszeit mit einem durchschnittlichen Tempo (oder höher) läuft. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass in 60 % der Fälle wenig bis gar keine Energie produziert wird. Im Schnitt liegt der Kapazitätsfaktor einer Windkraftanlage bei einem Zeitraum von einem Jahr zwischen 20 und 30 %. Doch schon kleinere Anpassungen können diesen Wert erhöhen.

Gleich zu Beginn kann eine gründliche Planung noch vor der Montage der Windkraftanlage helfen, den Kapazitätsfaktor der Turbine zu maximieren. Essenziell ist beispielsweise die Wahl des richtigen Standorts, damit im Umfeld der Anlage optimale Windverhältnisse herrschen. Dabei sollten Sie nicht nur auf eine kontinuierliche Windströmung achten, sondern auch sicherstellen, dass in Strömungsrichtung keine Hindernisse entstehen, die den Wind blockieren könnten. Denn je mehr Wind die Flügel der Turbine erreicht, desto mehr Strom kann produziert werden.

Allerdings wird der Kapazitätsfaktor einer Windkraftanlage nicht ausschließlich von den Windverhältnissen bedingt. Das Design sowie die Bauweise beeinflussen in erheblichem Maße, inwieweit die Anlage die Kraft des Windes verarbeiten kann. Erfahrungsgemäß erweisen sich zu niedrige Windgeschwindigkeiten oder zu hohe Turbulenzen als zwei der größten Herausforderungen für den Turbinenbetrieb.

Moderne Windturbinen, die schon bei geringen Windgeschwindigkeiten Strom erzeugen können, besitzen deshalb bessere Kapazitätsfaktoren. Funktionieren die Turbinen außerdem bei turbulentem Wind problemlos, ergeben sich daraus eindeutige Wettbewerbsvorteile. Die Auswahl des richtigen Modells, das sich für die lokalen Windverhältnisse am besten eignet, ist für die Gewährleistung einer idealen Leistungsabgabe von entscheidender Bedeutung.

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