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Flexibilisierung von Biogasanlagen in Deutschland

Tino Barchmann, Eric Mauky, Marcus Trommler

Energiecluster trifft Wissenschaft, HTWK Leipzig, 21. Juni 2016

DBFZ - Steckbrief

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•  Gemeinnützige GmbH (100% Gesellschafter ist das BMEL)

•  Gegründet 2008 im Wissenschaftspark Leipzig

•  193 Mitarbeiter davon 158 Wissenschaftler (Stand: Ende 2015)

•  Forschungsbereiche: •  Bioenergiesysteme

•  Biochemische Konversion

•  Thermo-chemische Konversion

•  Bioraffinerien

Foto: DBFZ

Flexibilisierung von Biogasanlagen in Deutschland - Tino Barchmann

Die Forschungsschwerpunkte des DBFZ

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Bilder: DBFZ, Gabriele Jepsen - Fotolia.com (oben)


Anaerobe Verfahren

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© D

BFZ

„Biogasanlagen müssen hinsichtlich ihrer Substrate und der Bioenergiebereitstellung flexibler werden. Nur dann werden sie auch in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Sicherung der Energieversorgung leisten können“. (Dr. Jan Liebetrau, DBFZ)

Zielsetzung des Forschungsschwerpunkts

§  Flexibilisierung in Bezug auf Substrate und Prozessführung

§  Prozessüberwachung und -regelung §  Emissionsminderung §  Effizienzsteigerung und Kostensenkung §  Koppelung von stofflicher und energetischer

Biomassenutzung

Wichtige Projektreferenzen (Auswahl): Bioenergie-Flexibilisierung als regionale Ausgleichsoption im deutschen Stromnetz (Regiobalance) Betriebsbedingte Emissionen an Biogasanlagen (BetEmBGA) Potenziale zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Biogasanlagen - Energetische Effizienz von Repoweringmaßnahmen

Bild: DBFZ


Angewandte Forschung am DBFZ

Fotos: DBFZ, Jan Gutzeit 5

Forschungsbiogasanlage Verbrennungstechnikum

HTC-Prüfstand Motorprüfstand


Biogaslabor

Analytiklabor

Agenda

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•  Anlagenbestand Biogas

•  Flexibilisierung im Energiesystem

•  Konzepte zur Flexibilisierung von Biogasanlagen

•  Versuchsanlagen und Fütterungsmanagement

•  Perspektiven und Rechtlicher Rahmen

•  Zusammenfassung und Ausblick


Anlagenbestand - Biogasanlagen

•  in 2015 – kein signifikanter Zubau (insbesondere Bemessungsleistung)

•  überwiegend Erweiterungen bestehender Anlagen, motiviert durch den Flexibilitätszuschlag für die bedarfsgerechte Stromerzeugung

•  der Neubau von Biogasanlagen beschränkte sich auf die Errichtung von Güllekleinstanlagen (< 75 kWel) und wenige Anlagen zur Bioabfallvergärung

•  Ende 2015: rund 8000 Biogaserzeugungsanlagen mit einer gesamt installierten Leistung (inkl. Erweiterungen ohne Strommehrertrag (Überbauung)) von rund 4.500 MWel

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Flexibilisierung und Direktvermarktung

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instal. el. Leistung, MWel Anlagenzahl

n = 1.534© DBFZ

•  70 % der installierten elektrischen Leistung in der Direktvermarktung •  Zum 31.12.2015 befanden sich rund 1540 Biogasanlagen mit einer

Gesamtleistung von 967 MWel in der Flexibilisierung.


Technische Flexibilisierungsoptionen für einen FEE-zentrierten Strommarkt

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Quelle: IZES gGmbH, Kompassstudie Marktdesign, 2012

•  Entstehende Diskrepanzen zwischen Bedarf und Einspeisung müssen ausgeglichen werden

•  Noch kann diese Aufgabe von konventionellen Kapazitäten übernommen werden

•  Ausbau EE benötigt alternative ausgleichende Lösungen wie

Ø  Transport / Stromnetzausbau

Ø  Speichertechnologien

Ø  Lastmanagement

Ø  Erzeugungsmanagement

•  Forschungsfrage: Welchen Anteil kann flexibel eingesetzter Strom aus Biogas zur Stabilisierung des Elektrizitätsnetzes leisten?


Was ist Flexibilität?

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•  Verschiebung der Zeitpunkte und –räume der Leistungserbringung -  planmäßig (z.B. Wochenfahrpläne, day ahead)

-  ad hoc (Regelleistung pos./neg.)

•  Veränderung der Höhe der aktuellen Leistungserbringung -  bedingt durch zeitliche Verschiebung für Erhaltung der Gesamtleistung

Beispielhafter Verlauf von nicht disponibler Erzeugung und Nachfrage (links) sowie resultierende Residuallast (rechts) – Basisszenario 2030, Aprilwoche Quelle: Verändert nach Consentec, IAEW (Aachen, 2011) für BDEW

zu wenig

zu viel

Steile Gradienten


Bedarf für zusätzliche flexible Kraftwerkskapazität für die Jahre 2020 und 2030

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Quelle: DBFZ i.A.a IZES gGmbH, Kompassstudie Marktdesign, 2012


Übersicht Energiemärkte

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Quelle: Energy Brainpool


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Installierte elektrische Leistung Status quo

Flexibilität - Überbauungsgrad

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Basisfall:500kWel-Biogas-BHKW(Tageslastgang)

Varia&onen:ZubauelektrischerLeistung;Bemessungsleistungbleibtkonstant

Ø  1,5-facheÜberbauungauf750kWel(16hVerstromung)Ø  2-facheÜberbauungauf1MWel(12hVerstromung)Ø  2,5-facheÜberbauungauf1,25MWel(9,6hVerstromung)

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Installierte elektrische Leistung Status quo 50% zusätzliche Leistung

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100% zusätzliche Leistung

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100% zusätzliche Leistung 150% zusätzliche Leistung

Dauer

Amplitude

Quelle: DBFZ, 2014

Flexibilität – Qualität Bsp. Wochenfahrplan

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begrenzt flexibel

„wirklich“ flexibel

Quelle: DBFZ, 2014


Ansätze und Technik zur bedarfsgerechten Stromerzeugung an Biogasanlagen

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Notwendige Komponenten: •  BHKW •  Gasspeicher •  IKT (Informations-Kommunikations-

Technologie)

Abhängig vom Flexibilisierungs-Konzept: •  Anpassungen an das

Fütterungssystem •  Gasleitungen (Anpassungen an

Gasvolumenströme) •  Anpassung der Gasaufbereitung

(Entschwefelung, Trocknung etc.) •  Trafo •  Netzanbindung •  Wärmespeicher Quelle: DBFZ, 2014


Was bestimmt die Grenzen der Flexibilität?

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Beschickung → Biogasproduktion → Gasspeicher → Gasverwertung Dimensionierung der Querschnitte, Komponenten, Regeltechnik Quelle: DBFZ, 2014


Versuchsanlagen

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DBFZ- Forschungsbiogasanlage

Biogasanlage „Unterer Lindenhof“ (Uni Hohenheim)

190 m3 (165 m3 aktives Volumen) Verwendete Substrate:

•  Maissilage, •  Rindergülle, •  Zuckerrübensilage

923 m3 (800 m3 aktives Volumen) Verwendete Substrate:

•  Maissilage, •  Grasssilage, •  Getreideschrot

Quelle: Novatech

Quelle: DBFZ


Modellgestützte Optimierung der Fütterung (DBFZ - Forschungsbiogasanlage)

45% weniger

Gasspeicherbedarf

Quelle: DBFZ, 2014

Potentielle Folgen des EEG 2014 - Betrieb von Anlagen ohne langfristige Perspektive

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•  Kein Zubau im „Kerngeschäft“ •  Keine Perspektive für den Anlagenbestand •  Keine Ersatzinvestitionen •  Betrieb auf Verschleiß •  Steigende Stillstandzeiten •  Keine technische Weiterentwicklung •  Sinkende Effizienz •  Emissionen und Sicherheitsrisiken •  Rückbau?


Aktuelle Perspektive nach EEG 2014 – Zusammenfassung I

•  Wegfall von 30 TWhel Stromerzeugung auf Basis Biogas (plus Wärme) •  Aufgabe von Flexibilisierungsoptionen (nur Biogas: 4,85 GW + ca. 50 % von 1,6

GW im Festbrennstoffbereich) •  Wertschöpfung in der Landwirtschaft •  Kostensenkung im Betrieb auf EEG 2014 (Energiepflanzen) oder Marktpreise ist

nicht absehbar •  Kein Generalkonzept zur Nutzung ohne EEG, da relevante zusätzliche Einnahmen

absehbar nicht erzielbar sind und Abfallpotentiale nicht ausreichen •  Entwicklung Strommarkt und Flexibilisierungserlöse unklar

•  Entscheidung für oder gegen Flexibilisierung muss entsprechend der Restlaufzeit bald gefällt werden Ø  Orientierung und evtl. notwendige Investitionen müssen bald angegangen

werden – langfristige Orientierung der Anlagen auf neue Betriebsmodelle/Verwertungsstrukturen notwendig

Zeitfenster für die Flexibilisierung

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Flexprämie (10 Jahre)

Vergütungsdauer (21 Jahre)

Zeitfenster

Quelle: Dotzauer, 2016

Zusammenfassung II

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•  Für unterschiedliche Märkte sind unterschiedliche Qualitäten von Flexibilität

erforderlich

•  Gesamtkette definiert Grenzen der Anlagen hinsichtlich Flexibilität

•  Fütterungsmanagement kann Gasspeicherbedarf ersetzen

•  Heute Flexibilisierungskonzepte im Bereich EPEX-SDL-Märkte verbreitet

•  Flexibilisierungskonzepte mit Berücksichtigung der Wärmeseite erforderlich


DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH

Torgauer Straße 116 D-04347 Leipzig Tel.: +49 (0)341 2434 – 112 E-Mail: [email protected] www.dbfz.de

Forschung für die Energie der Zukunft – Wir laden Sie ein!

Ansprechpartner

Tino Barchmann Tel. +49 (0)341 2434 – 375 E-Mail: [email protected]

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