Wirtschaftlichkeitsanalysen

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Im Rahmen des Wahlpflichtmoduls Wirtschaftlichkeitsanalysen ist unter Berücksichtigung der Kenntnisse aus Kostenrechnung, Finanzierung und Wirtschaftlichkeitsrechnung eine Wirtschaftlichkeitsanalyse eines exemplarischen Projektes durchzuführen. Dabei ist das Wahlfach Wirtschaftlichkeitsanalysen Teil des berufsbegleitenden Masterstudiums Wirtschaftsingenieurwesen an der htw saar. Jan-Philipp Bartel (Profil von Jan-Philipp Bartel bei XING), Studierender im Masterstudiengang Wirtschaftsingenieurwesen, stellt Ihnen an dieser Stelle seinen Beitrag zum Wahlfach zur Verfügung.

Beispiel zu den Wirtschaftlichkeitsanalysen: Windkraftanlagen

Nachfolgend finden Sie beispielhaft die Entwicklung einer Wirtschaftlichkeitsanalyse für eine kleine Windkraftanlage, wie sie im Saarland auf privaten Grundstücken oder Häusern installiert werden könnte.

Zur Erfüllung der Aufgabenstellung des Wahlpflichtmoduls sind zwei gleichgewichtete Umfänge zu bearbeiteten. Dazu ist in einem ersten Schritt eine softwarebasierte Wirtschaftlichkeitsanalyse mit Microsoft Excel durchzuführen. Und im zweiten Schritt muss man in Form einer schriftlichen Ausarbeitung die Funktionsweise des erstellten Analysewerkzeuges veranschaulichen und erklären.

Einerseits sollen Interessenten mit Hilfe der schriftlichen Ausarbeitung das softwarebasierte Werkzeug verstehen und gewählte Daten und Parameter nachvollziehen können. Andererseits sollen die Anwender eine Wirtschaftlichkeitsanalyse mit eigenen Daten durchführen können und anhand des Tools bewerten können, ob eine Investition in eine Kleinwindkraftanlage mit den gewählten Gegebenheiten aus wirtschaftlicher Sicht sinnvoll ist.

Im Zuge der Untersuchung wird angenommen, dass zum Zeitpunkt der Stromerzeugung ein Stromverbraucher die gewonnene Energie nutzt. Das heißt, solange der Jahresenergieertrag größer dem Jahresenergiebedarf ist, wird kein Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen. Weitere nicht direkt monetäre Aspekte, wie der Umweltgedanke, die Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien oder die autarke Energiewirtschaft des Haushaltes, spielen bei der Wirtschaftlichkeitsuntersuchung keine Rolle.

Aufbau der Wirtschaftlichkeitsanalyse

Die schriftliche Ausarbeitung ist neben der Darstellung der Aufgabenstellung in drei weitere Teile untergliedert. An diesen Teil schließt sich die Beschreibung des grundsätzlichen Aufbaus des Lösungsansatzes an. Hier ist die Herangehensweise an das Problem skizziert. Und die Schritte zur Lösung sind verdeutlicht. Der dritte Teil der Verschriftlichung bildet den Schwerpunkt des Projektberichts. Dieser umfasst eine Handlungsanweisung für die softwarebasierte Tabellenkalkulationsanwendung, welche die Funktionsweise des Tools anhand von Beispieldaten verdeutlicht. Im Rahmen dieses Kapitels sind auch die Herkunft der gewählten Daten und Parameter beschrieben. Schließlich sind im vierten und letzten Teil in einer Schlussfolgerung die Ergebnisse der Beispielrechnung bewertet und reflektiert.

Aufbau des Lösungsansatzes zur Wirtschaftlichkeit einer Windkraftanlage

Um die Wirtschaftlichkeit einer Investition bewerten zu können, ist es ideal, Kennzahlen zu nutzen, die eine objektive Bewertung ermöglichen. Dazu ist es für alle weiteren Betrachtungen grundlegend, dass man zunächst die Rahmenbedingungen absteckt.

im Ergebnis setzt sich das Tool aus sieben Tabellenblättern zusammen. Alle relevanten Daten, ausgenommen der Daten einer – gegebenenfalls selbstdurchgeführten Windmessung – werden direkt auf dem ersten Tabellenblatt „1_Cockpit“ von oben nach unten eingetragen (vgl. Anhang 1). Dies ermöglicht eine einfache Steuerung des Anwenders ohne ständiges Wechseln der Tabellenblätter. Allerdings muss man, um weitere Details der Wirtschaftlichkeitsanalyse zu erhalten, auf die entsprechenden Tabellenblätter wechseln.

Strombezug aus dem öffentlichen Netz und Strompreisentwickung

Die Ausgangssituation, mit der die Investition im Folgenden zu vergleichen sind, ist der herkömmliche Strombezug über das öffentliche Stromnetz. Dabei ergeben sich die Stromkosten aus dem Produkt des Strompreises und des Stromverbrauchs im betrachteten Zeitraum. Jedoch ist der Strompreis abhängig vom Stromanbieter, regionalen Gegebenheiten und der Menge des Stromverbrauchs. Exemplarisch kann man für den durchschnittlichen Strompreis in Deutschland im Jahr 2019 mit einem Wert von ca. 30 Cent/kWh rechnen.

Als Basiszeitraum für die Betrachtung der Windmessung und der Analyse wird ein Jahr gewählt, wodurch tageszeitliche und jahreszeitliche Schwankungen geglättet werden. Es ist anzunehmen, dass diese jährlichen Stromkosten einer Steigerung bzw. Senkung über die Lebensdauer tLeben der Investition ausgesetzt sein können. Die Vergangenheit zeigt, dass der Strompreis in den letzten 20 Jahren nahezu stetig gestiegen ist. Auch diese Tatsache ist in der Wirtschaftlichkeitsanalyse zu berücksichtigen.

Investition in einer Kleinwindanlage

Den Werten aus der Ausgangssituation muss man nun vergleichbare Werte aus der geplanten Situation – der Investition in eine Kleinwindkraftanlage – gegenüberstellen. Für den Begriff der Kleinwindkraftanlagen existiert keine einheitliche Definition. In der Regel findet die Klassifizierung anhand ganz unterschiedlicher Kriterien statt. So definiert das Bundesimmissionsschutzgesetz eine Windkraftanlage als Kleinwindkraftanlage bei einer Anlagenhöhe bis maximal 50 Meter. Dagegen klassifiziert der Bundesverband Kleinwindanlagen die Kleinwindanlagen über die Nennleistung der Anlage. Dabei besitzt eine Kleinwindanlage, die für den privaten Haushalt gedacht ist, in der Regel eine Nennleistung von maximal 5 kW (vgl. Bundesverband Kleinwindanlagen o.J.).

Kosten und Erlöse einer Windkraftanlage

Außerdem müssen für die geplante Situation die Kosten bzw. Erlöse pro Jahr und Kosten bzw. Erlöse über die Lebenszeit der Investition berechnet werden. Um die Kosten und Erlöse zu bestimmen, sind sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten der Kleinwindanlage zu berücksichtigen. Dabei sind sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten in erster Linie von der gewählten Windkraftanlage abhängig.

Der Erlös aus einer möglichen Netzeinspeisung und der Mehrbedarf an Energie in Form eines Zukaufs des Stroms aus dem öffentlichen Netz sind ebenfalls in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung miteinzurechnen. Dabei ergibt sich der Erlös aus der Netzeinspeisung aus dem Überangebot der gewonnenen Energie der Kleinwindkraftanlage und dem zugrundeliegenden Einspeisetarif.

Ist die mit Hilfe der Windkraftanlage gewonnene Energie nicht ausreichend, um den jährlichen Strombedarf zu decken, muss man Strom aus dem öffentlichen Netz zukaufen. Allerdings: da der Tarif der Einspeisevergütung mit ca. 8 Cent/kWh deutlich unter dem öffentlichen Strompreis liegt, sollte der Jahresenergieertrag der Windkraftanlage möglichst mit dem Jahresenergiebedarf übereinstimmen. Somit ist eine Einspeisevergütung wenig rentabel. Somit hat jede Kilowattstunde, die der Erzeuger selbst nutzen kann, einen deutlichen größeren Effekt auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage als jede kWh, die man in das öffentliche Stromnetz einspeist.

Energieertrag einer Windkraftanlage zur Erstellung der Wirtschaftlichkeitsanalysen

Der Energieertrag der Windkraftanlage ist basierend auf den Einflussfaktoren der Windenergie zu berechnen. Diese Faktoren sind die Klassenleistung der Windkraftanlage, die relativen Häufigkeiten der mittleren Windgeschwindigkeiten, der betrachtete Zeitraum und ein Wirkungsgrad, der mögliche Verluste miteinberechnet.

Energieertrag einer Windkraftanlage zur Erstellung der Wirtschaftlichkeitsanalysen

(nach Hau 2016, S. 560 und S. 638 sowie Schmelmer & Denk 2015, S. 24 und S. 29.)

 

Leistung einer Windkraftanlage

Die Klassenleistung der Windkraftanlage lässt sich über die dem Wind entnehmbare Leistung und einen Korrekturfaktor dem Leistungsbeiwert der Windkraftanlage wie folgt bestimmen:

Leistung einer Windkraftanlage

(nach Hau 2016, S. 560)

 

Aus der Formel der Leistung lässt sich schließen, dass die Windgeschwindigkeit den entscheidenden Faktor der Energiebetrachtung darstellt. Vor allen zeigt sich dies darin, dass die Windgeschwindigkeit in ihrer 3. Potenz einzurechnen ist. Beispielsweise ergibt eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit einen 8-fachen Energiebetrag.

Windgeschwindigkeit als Basis der Wirtschaftlichkeitsanalysen

Aus dieser Tatsache lässt sich ableiten, dass es bei einer Investition in eine Windenergieanlage von zentraler Bedeutung ist, dass ausreichend hohe Windgeschwindigkeiten vorliegen. Nur Daten , die auf einer validierten Begutachtung basieren, ermöglichen fundierte Aussagen zum Energieertrag. Dabei könne Abweichungen im Nachkommabereich leicht zu einer falschen Aussage über die Wirtschaftlichkeit der Investition führen. Daher ist in dem erstellten Tool großen Wert auf die Korrektheit der Winddaten gelegt. Folglich wird aus diesem Grund der Standort der Kleinwindanlage über drei Schritte ausgewählt.

Zunächst sind über eine Windkarte des DWD die grundsätzlichen Windbedingungen des potenziellen Standortes zu prüfen (vgl. Tabellenblatt „2_Windkarte“). Dann sind im zweiten Schritt über eine Schnellcheckliste örtliche Gegebenheiten abgefragt (vgl. Tabellenblatt „3_Windmessung“). Im letzten Schritt wird die Durchführung einer Windmessung vor jeder Investition empfohlen (vgl. Tabellenblatt „3_Windmessung“). Diese soll in einem Zeitraum von mindestens einem Jahr stattfinden. Letztlich steigt mit der Menge der gesammelten Windmessungen im gewählten Zeitraum die Aussagekraft über den späteren Energieertrag. Ist eine Bestimmung der Windgeschwindigkeit in Rotorhöhe nicht möglich, kann man die Windgeschwindigkeit über die logarithmische Höhenformel (vgl. Tabellenblatt „4_Windgeschwindigkeit Rotorhöhe“ und Abschnitt 3.2) bestimmen.

Um eine möglichst exakte Vorhersage über den Energieertrag zu treffen ist die Durchschnittsgeschwindigkeit nicht ausreichend.  Eine genauere Aussage wird mit Hilfe der Häufigkeitsverteilung der einzelnen Windgeschwindigkeiten erreicht. Hierzu sind die Windgeschwindigkeiten klassifiziert und deren Auftretenshäufigkeit bestimmt.

Auswahl der Kleinwindanlage

Nachdem der Standort für die Kleinwindanlage mit den dazugehörigen Windgeschwindigkeit bekannt ist, wird eine Kleinwindkraftanlage ausgewählt, die der Untersuchung zugrunde gelegt werden soll. Die ertragsrelevanten Parameter der Anlage, wie der Rotordurchmesser oder die Nennleistung werden in das Berechnungstool auf dem Tabellenblatt „1_Cockpit“ in den dafür vorgesehenen Bereich eingetragen. Basierend auf den technischen Daten der Windkraftanlage und der Wind- und Standortdaten rechnet das Tool auf dem Tabellenblatt „5_Ertrag“ den erwarteten Jahresenergieertrag der Windkraftanlage aus. Dieser Ertrag wird entweder oberhalb oder unterhalb des jährlichen Stromverbrauchs liegen. Diese Differenz wird bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung im weiteren Verlauf wieder aufgegriffen.

Kosten der Windkraftanlage zur Bestimmung der Wirtschaftlichkeit

Um die Wirtschaftlichkeit der Anlage zu bewerten, müssen in der Folge die Kosten der Windkraftanlage in das Exceldokument eingegeben werden. Die Kosten lassen sich in Investitionskosten und Betriebskosten unterteilen. Die Betriebskosten sind laufende, wiederkehrende Kosten, die in einem Zeitraum von einem Jahr anfallen. Wie auch bei den Kosten der Stromeinspeisung über das öffentliche Netz, müssen potenzielle Kostenreduzierungen oder Kostensteigerungen berücksichtigt werden.

Diese Betriebskosten fallen über den gesamten Zeitraum der technischen Lebensdauer an. Die technische Lebensdauer gilt zugleich als zu betrachtender Zeitraum für die Wirtschaftlichkeitsanalyse. Diese Lebensdauer ist vom Anwender individuell wählbar.

Finanzierungparameter zur Durchführung der Wirtschaftlichkeitsanalysen

Der letzte Baustein zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit ist die Eingabe der Finanzierungsparameter. Hierzu wird der Eigenkapitalanteil der Investition eingetragen. Der Fremdkapitalanteil wird verzinst. Die angenommenen jährlichen Fremdkapitalzinsen werden ebenso wie die Tilgungsrate eingegeben.

Mit diesem Input ist die Datensammlung zur Wirtschaftlichkeitsanalyse abgeschlossen. Die Wirtschaftlichkeitsrechnung erfolgt auf Tabellenblatt „6_Wirtschaftlichkeitsrechnung“. In die Wirtschaftlichkeitsberechnung fließt ebenfalls der Über- beziehungsweise Unterertrag aus der Ertragsrechnung „5_Ertrag“. Der Mehrertrag wird in das öffentliche Stromnetz zum Einspeisetarif eingespeist. Die Lücke zwischen zu niedrigem Ertrag und jährlichem Stromverbrauch wird durch den Zukauf von Strom aus dem öffentlichen Netz geschlossen.

Kennzahlen zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit wird über drei Kennzahlen bewertet. Als erste Kennzahl werden die Stromgestehungskosten ausgegeben. Diese werden aus dem Verhältnis des Ertrags der Windkraftanlage zu den Gesamtkosten für das Betreiben der Windkraftanlage berechnet. Die Stromgestehungskosten werden mit den durchschnittlichen Strombezugskosten verglichen. Als zweite Kennzahl wird die Einsparung der Windkraftanlage über die Lebensdauer tLeben in Euro angegeben. Als dritte Kennzahl wird die Amortisationsdauer in Jahren angezeigt. Sind die Stromgestehungskosten kleiner als die durchschnittlichen Strombezugskosten, ist die Einsparung nach der angenommenen Lebensdauer positiv und ist die Amortisationsdauer kleiner der Lebensdauer der Windkraftanlage, dann ist das Investitionsszenario als wirtschaftlich bewertet.

Alle drei Kennzahlen werden zugunsten einer schnellen Erfassung der Ergebnisse auf dem ersten Tabellenblatt im Kopfbereich übersichtlich und für den Anwender direkt ersichtlich dargestellt.

Handlungsanweisungen zur Realisation der Wirtschaftlichkeitsanalysen

Jan-Philipp Bartel hat die Handlungsanweisungen zur Verwendung des Tools zur Bestimmung der Wirtschaftlichkeit einer Kleinkraftwindanlag ein einer pdf Datei zusammengefasst. Zudem erhalten Sie an dieser Stelle die Gelegenheit, selbst mit der Tabellenkalkulation zu arbeiten:

Wirtschaftlichkeitsanalysen einer Windkraftanlage: Handlungsanweisungen von Jan-Philipp Bartel

Tabellenkalkulation zur Wirtschaftlichkeitsanalyse von Jan-Philipp Bartel

Quellenverzeichnis zu den Wirtschaftlichkeitsanalysen

Fachbücher und weitere Printliteratur

Hau, E. 2016, Windkraftanlagen. Grundlagen. Technik. Einsatz. Wirtschaftlichkeit., 6. Auflage, Springer Vieweg, München.

Heier, S. 2005, Windkraftanlagen. Systemauslegung, Netzintegration und Regelung, 4. Auflage, Teubner Verlag, Wiesbaden.

Langreder, W. & Bade P. 2005, Der Wind, in: Gasch R. & Twele J. (Hrsg.), Windkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb, 4. Auflage, Teubner Verlag, Wiesbaden, S. 123 -178.

Schlütter, M. & Kaltschmitt, M. 2014, Stromerzeugung aus Windenergie. Physikalische Grundlagen., in: Kaltschmitt, M., Streicher, W., Wiese, A. (Hrsg.), Erneuerbare Energien. Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte., 5. Auflage, Springer Vieweg, Berlin, S. 453 -471).

Schmelmer, R. & Denk, P. 2015, Vertikale Kleinwindanlagen in Bayern: Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse, Springer Gabler, Wiesbaden.

Özdirk, B., Kaltschmitt, M., Skiba M. & Schulz D. 2014, Stromerzeugung aus Windenergie. Systemtechnische Beschreibung., in: Kaltschmitt, M., Streicher, W., Wiese, A. (Hrsg.), Erneuerbare Energien. Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte., 5. Auflage, Springer Vieweg, Berlin, S. 471 -523).

Internetquellen zum Kapitel Wirtschaftlichkeitsanalysen von Windkraftanlagen

BDEW 2019, Index zur Entwicklung des Strompreises für Haushalte in Deutschland in den Jahren 1998 bis 2019 (1998 = Index 100), in Statista URL https://de.statista.com/statistik/daten/studie/234370/umfrage/
entwicklung-der-haushaltsstrompreise-in-deutschland/
(Abruf am 24.12.2019).

Betreiber-Datenbasis o.J., URL http://www.btrdb.de/index.html (abgerufen am 26.12.2019).

Bundesverband Kleinwindanlagen o.J., Definition Kleinwindanlagen, URL http://bundesverband-kleinwindanlagen.de/definition-kleinwindanlagen/ (abgerufen am 28.12.2019).

Bundesverband WindEnergie o.J., Was bedeutet Nennleistung? URL https://www.wind-energie.de/glossar-liste/glossar/nennleistung/ (Abgerufen am 24.12.2019).

Bundesverband WindEnergie o.J., Was bedeutet Volllaststunden? URL https://www.wind-energie.de/glossar-liste/glossar/volllaststunden/ (Abgerufen am 24.12.2019).

Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V. o.J., Wirtschaftlichkeit und Beispielberechnung, URL https://www.carmen-ev.de/sonne-wind-co/windenergie-neu/kleinwindkraft/1651-wirtschaftlichkeit (Abruf am 19.12.2019).

ConSolaris Energietechnik GmbH o.J., Windspot: Windgeneratoren bis 15 kW, URL http://www.consolaris-windenergie.de/tl_files/downloads/sonkyo-energy.pdf (Abgerufen 20.12.2019).