Private Windkraftanlagen für Einfamilienhäuser – der Traum, komplett autark zu werden?

Windkraftanlagen für Einfamilienhäuser

Die Vorstellung, als Privatperson mit einer Windkraftanlage im Garten des eigenen Hauses autark Strom zu erzeugen, ist sehr attraktiv. Doch was kann man von einer privaten Kleinwindkraftanlage wirklich an erzeugter Energie erwarten und was ist zu beachten bei der Installation an Einfamilienhäusern?


Dimensionen und Leistung einer Kleinwindkraftanlage

Um zu einer realistischen Einschätzung zu gelangen, was man von einer privaten Windkraftanlage an Energieerzeugung erwarten kann und inwiefern diese den eigenen Strombedarf deckt, kann man einige Rechnungen grob überschlagen.

Laut einer Studie zur Nutzung vertikaler Kleinwindkraftanlagen in Bayern, liegt der Jahresstromverbrauch eines typischen deutschen Einfamilienhauses bei etwa 35.000 kWh. Geht man davon aus, dass eine Windkraftanlage über das gesamte Jahr durchgehend Strom erzeugt, entspricht das einer benötigten Leistung dieser Anlage von 4 kW.

Wie der Formel in der untenstehenden Grafik zu entnehmen ist, sind die Rotorgröße, die vorherrschende Windgeschwindigkeit und der Leistungsertrag einer Windkraftanlage direkt voneinander abhängig. Im Folgenden wird von einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 4 m/s ausgegangen. Diese entspricht in Deutschland einem Gebiet mit mäßigem bis mittelstarken Wind und dient nur zur groben Orientierung. Zur eigenen Standorteinschätzung sollte man unbedingt präzise Windmessungen durchführen und Durchschnittswerten keine zu große Aussagekraft beimessen. Nimmt man also diese Geschwindigkeit an und betrachtet die oben als Durchschnittsverbrauch genannten 4 kW als den gewünschten Leistungsertrag, so ergibt sich, dass eine Windkraftanlage, die diesen Bedarf komplett decken kann, eine Windfläche von ganzen 172 m2 abgreifen muss.

Konkret bedeutet das bei horizontalen Windkraftanlagen einen Rotordurchmesser von 14,7 m. Bei vertikalen Anlagen nach Savonius- oder Darrieus-Prinzip ergibt sich bei einer Rotorhöhe von 4 m ein erforderlicher Durchmesser von ganzen 43 m. Stellt man sich eine solche Windkraftanlage im eigenen Garten vor, wird schnell klar, dass es nicht möglich ist, einen durchschnittlichen deutschen Haushalt in durschnittlichen Windverhältnissen mit marktüblichen Kleinwindkraftanlagen komplett autark zu versorgen.

P_max = 0.593 * 0.5 * rho * A * v^3

Der Leistungsertrag von Windkraftanlagen für Einfamilienhäuser ist abhängig von der Luftdichte, der im Wind stehenden Fläche der Turbine und der dritten Potenz der vorherrschenden Windgeschwindigkeit


Rahmenvorstellungen für private Windkraftanlagen am Einfamilienhaus

Diese Erkenntnis mag frustrierend erscheinen, ist aber zentral, wenn man ein realistisches Projekt für eine private Windkraftanlage auf die Beine stellen möchte. Sie ist die Grundlage für einige realistische Konsequenzen:

1. Wer einen nennenswerten Stromertrag erzeugen möchte, sollte nicht auf allzu kleine Modelle setzen. Grund dafür ist, dass die Leistung, wie oben beschrieben, unmittelbar von der Größe der Anlage abhängt.

2. Die Standortwahl ist unbedingt gut zu durchdenken. Der bedeutendste Einflussfaktor für den Leistungsertrag einer Windkraftanlage ist die Windgeschwindigkeit. Durch umstehende Gebäude, Bäume und ähnliches kann diese je nach Position auf einem Privatgrundstück stark variieren und signifikant eingeschränkt werden.

3. Mit dem vorhergehenden Punkt unmittelbar gekoppelt: die Windgeschwindigkeit im eigenen Wohngebiet wird sehr häufig überschätzt. Da man von der Windgeschwindigkeit allerdings so stark und zentral abhängig ist, sollte man unbedingt eine Windmessung durchführen, um Enttäuschung zu vermeiden.

4. Eine realistische Erwartungshaltung ist dringend vonnöten: Mit einer privaten Windturbine wird man kein gesamtes Einfamilienhaus versorgen können. Dafür könnte man beispielweise ein Gartenhaus abdecken, das Haus teilversorgen oder in windstarken Gebieten möglicherweise sogar ein Elektroauto aufladen.

Nebenbei sei bemerkt: von der Einleitung überschüssigen Stroms ins städtische Stromnetz wird aufgrund des hohen Aufwands und mangelnder Rentabilität meist abgeraten – empfohlen wird gemeinhin, den Strom zum Eigenverbrauch zu nutzen und gegebenenfalls zu speichern.


Herausforderungen


Platzierung

Die geeignete Standortwahl ist, wie bereits beschrieben, entscheidend für den Leistungsertrag einer Windturbine. Stellt man die Turbine direkt auf dem Bodenniveau auf, so sollte man einen möglichst hohen Mast verwenden. Dies ist besonders in der Nähe von Gebäuden oder Bäumen der Fall, um deren Wind-bremsenden Effekt zu minimieren. Ab einer Gesamthöhe von mehr als 10 m ist dabei allerdings ein verkompliziertes Genehmigungsverfahren in Kauf zu nehmen.

Bringt man die Windkraftanlage auf dem Dach an, so wird die Höhe und die damit verbundenen höheren Windgeschwindigkeiten besser ausgenutzt. Es gibt international einige Vorbilder an Hochhäusern, auf deren Dächern Turbinen platziert sind. Verlockend für diese Entscheidung sind meist bessere Strömungsverhältnisse, da in größerer Höhe nicht nur eine höhere Windgeschwindigkeit herrscht, sondern diese auch weniger gestört, gebremst und turbulent ist. Der wesentliche Nachteil in der Montage auf einem Hausdach ist mechanischer Natur. Um keine Einsturzgefahr oder brummende Geräusche zu verursachen, muss die Statik des Hauses mit der zusätzlichen Last einer Windkraftanlage umgehen können und deren Schwingungen müssen entkoppelt werden. Dies verhindert deren Einleitung ins Haus, die mit Vibration und ungewünschten Geräuschen sowie mit einem Sicherheitsrisiko verbunden wäre.

Je nach Entfernung vom Haus muss zusätzlich zur Turbine selbst auch deren Stromanbindung zum Haus bedacht werden. Zudem sollte man auch auf den Abstand zu Nachbarn achten, um diese nicht durch eventuelle Schlagschatten und/oder Schallemissionen zu stören.


Schwingungs- und Schallemissionen

Unabhängig von ihrem Standort erzeugt jede Windturbine Schall. Dieser entsteht hauptsächlich durch die Umströmung der Rotorblätter und durch Schwingungen, die durch den Mast an umlegende Strukturen wie Gebäude übertragen werden und in den Räumen wie in einem Gitarrenkorpus verstärkt werden können. Aus ebendiesem Grund sind bei der Montage an Gebäuden Schwingungsentkoppler unumgänglich. Je nach Standort können diese jedoch auch sonst erforderlich sein. Zur Abklärung dafür sollte man seinen Windkraftanlagen-Anbieter und ggf. einen Statiker konsultieren.


Einleitung statischer Lasten ins Haus

Durch die Windlast auf die Turbine selbst und auf deren Mast entsteht über Rotationsbewegung und Schwingungen hinaus auch eine statische Last. Diese muss über die Befestigung der Anlage abgetragen werden können. Bei Neubauten ist dies in der Regel unproblematisch – insbesondere gilt das dann, wenn man diese Lasten von Anfang an in die Planung mit einbezieht und der Statiker das Haus entsprechend auslegt.

Bei Altbauten oder besonders leichten Dächern sieht das ganze anders aus, die Anbringung am Dach kann hier schwierig bis unmöglich sein. In solchen Fällen empfiehlt sich je nach Standort eher eine Platzierung neben dem Haus.

Prinzipiell ist diese Thematik für Statiker eine Routineaufgabe, da auch andere Gebäudeteile, wie Fassade, Dach, Schornstein etc. Windlasten standhalten müssen. Dennoch sollte sie nicht vernachlässigt werden.


Baugenehmigung

Wie für alle Bauprojekte in Deutschland, ist auch für das Aufstellen einer privaten Kleinwindkraftanlage eine Baugenehmigung erforderlich. Die dafür relevantesten Faktoren sind meist die Bauhöhe und die Schallemissionen der Anlage, insbesondere bei der Aufstellung in Wohngebieten. In jedem Fall ist es ratsam, frühzeitig mit den Nachbarn über die Pläne zu kommunizieren, da deren Akzeptanz ebenfalls kritisch für den Erfolg des Projekts sein kann.

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