Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz aus technischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Sicht

Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz

aus technischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Sicht

auf nationaler und internationaler Ebene

Wolf Thyssen | 10. Juni 2004

Prozess der Energiemarktliberalisierung in der Praxis

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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz

GliederungGliederung

[a] Motivation

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen

[c] Aufbereitungstechniken

[d] Wirtschaftlichkeit

[e] Biogasanlagen in Deutschland

[f] Wie machen es die Nachbarn ?

[g] Fazit

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[a] Motivation[a] Motivation

Was ist Biogas ?

Entstehung

Mehrstufigen Vergärungs- oder Faulungsprozess biogener

Substanzen durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, d.h. unter Luft bzw.

Sauerstoffausschluss.

Hydrolyse Säurebildung Essigsäurebildung Methan

Zusammensetzung

• 60 %vol Methan• ca. 40 %vol Kohlendioxid• bis zu 8.000 mg/m³ Schwefelwasserstoff• Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak

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Nutzbares Aufkommen von Biogas in Deutschland

Mist & Gülle 80 PJ / a (22 TWh)

Biomüll 10 PJ / a (3 TWh)

Energiepflanzen 200 PJ / a (55 TWh)

insgesamt 290 PJ / a (80 TWh) 25 TWhel

1 m³ Biogas 0,6 l Heizöl 6 kWh

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Bestandsaufnahmen der Biogasanlagen in Europa

Quelle: SGC, 2001

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Schemazeichnung

Quelle: T. Schmalschläger, 2003

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Nutzung von Biogas

Variante AGewinnung / Erzeugung von BiogasVorreinigung

a) Deckung von Eigenbedarf (BHKW, Fermenter, ...)

b) Betrieb von kommerziellem BHKW Absatz von Strom & WärmeVariante B

Gewinnung/Erzeugung von Biogas Aufbereitung auf Erdgasqualität

a) Absatz / Einspeisung ins Erdgasnetzb) Einsatz als Treibstoff für Kraftfahrzeuge

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[a] Motivation

[g] Fazit

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[b] Rechtliche Rahmenbedingungen[b] Rechtliche Rahmenbedingungen

Abgabe und Vergütung von Biogas in Deutschland gesetzlich bislang nicht explizit geregeltperiphere Regelungen in:

• Erneuerbare-Energien-Gesetz

• Biomasseverordnung

• Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz

• Energiewirtschaftsgesetz

EU-Richtlinienentwurf (06/2002):

diskriminierungsfreier Zugang für Biogas zum Gasnetz

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Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)

...regelt die Abnahme und Vergütung von Strom aus regenerativen Energiequellen

• u.a. Biomasse einschließlich Biogas

• Wärmeäquivalenzregel ...Gas ist Biogas, wenn das entnommene Gas an anderer Stelle wärmeäquivalent als Biogas eingespeist wurde

• höhere Vergütung für Strom aus Biogas mit Erdgasqualität

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Biomasseverordnung

...regelt für das EEG,

• welche Stoffe als Biomasse gelten,

Pflanzen, Pflanzenbestandteile, Abfälle & Nebenprodukte pflanzlicher & tierischer Herkunft aus Land-, Forst- und Fischwirtschaft sowie daraus erzeugtes Gas

nicht: Deponie- und Klärgase, Tierkörper

• welche Verfahren zur Stromerzeugung anwendbar sind und

• welche Umweltanforderungen dabei einzuhalten sind

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Energiewirtschaftsgesetz (EnWG)

...regelt u.a. technische Anforderungen an die Gasversorgung

Verweis auf die technischen Regeln des

Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW)

insbesondere

• Arbeitsblatt G 260 (Gasbeschaffenheit)

• Merkblatt G 262 (Nutzung von Deponie-, Klär- und Biogasen)

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DVGW G 260 - Anforderungen an die ErdgasbeschaffenheitDVGW G 260 - Anforderungen an die Erdgasbeschaffenheit

Quelle: DVGW G 260Quelle: DVGW G 260

Gruppe L Gruppe H

Heizwert HS,n

[kWh/m³]8,4 ... 13,1

relative Dichte [Gas/Luft]

0,55 ... 0,75

Wobbe-Index (HS,n/d) [kWh/m³]

10,5 ... 13,0

12,8 ... 15,7

Sauerstoff - trockenes Netz [%] - feuchtes Netz [%]

Gesamtschwefel (nicht odoriert) [mg/m³]

30 ... 150 (kurzzeitig)

Schwefelwasserstoff [mg/m³]

5 ... 10 (kurzzeitig)

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CH4 [%vol] CO2 [%vol] O2/N2 [%vol] H2S [mg/m³]

Biogas 60...80 20...40 Rest .. 8.000

Erdgas H

> 96*keine

besondere

Festlegung

O2 < 0,5 < 5Erdgas L > 90*

DVGW G 262 - BiogaseDVGW G 262 - Biogase

Methananteil erhöhen & Schwefelwasserstoff entfernenMethananteil erhöhen & Schwefelwasserstoff entfernen

* Mindestmethangehalt nach Aufbereitung zur Gewährleistung des erforderlichen Wobbe-Indexes

...Rohgase aus Biogasanlagen sind keine Brenngase im Sinne des DVGW G 260

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installierte thermische Leistung

Mindestvergütung

< 0,5 MW 10,2 ct/kWhth

> 3,0 MW 5,1 ct/kWhth

Vergütungsmodell für BiogasVergütungsmodell für Biogas

Vorschlag des Fachverbandes für Biogas e.V. (2001)

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[a] Motivation

[g] Fazit

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[c] Aufbereitungstechniken[c] Aufbereitungstechniken

a) als Austauschgas

Biogas derart aufbereitet und verdichtet, dass es sich bei Brennwert und Wobbe-Index nur marginal vom Erdgas in der Transportleitung unterscheidet.

denkbare Varianten der Erdgasnetzeinspeisung

b) zur Konditionierung

aufbereitetes Biogas enthält noch höhere Anteile an CO2 sowie weitere Gasbegleitstoffe und ist nicht kompatibel, wird geringfügig beigemischt.

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[c] Aufbereitungstechniken[c] Aufbereitungstechniken

• Abscheiden fester/flüssiger Partikel

• Trocknung

• Methan-Anreicherung

Voraussetzungen für die Einspeisung ins Erdgasnetz

• Odorierung

• Entschwefelung

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[c] ..Partikelabscheidung / Trocknung[c] ..Partikelabscheidung / Trocknung

Abscheiden fester/flüssiger Partikel

• Kiestöpfe (Grobfilter, Entwässerung)

• Patronenfilter (Feinfilter)

Leiten des Biogases durch verschiedene Filterstufen

Trocknung

• Kältetrocknung (auch Adsorptions- und Drucktrocknung)

• Unterschreiten des Taupunkts von Wasser ein- oder zweistufig, abhängig vom Einsatz „trockener“ oder „nasser“ Gasreinigungstechniken

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[c] ..Entschwefelung[c] ..Entschwefelung

Schwefelgehalt beeinträchtigt Lebensdauer von Leitungen und Verbrauchseinrichtungen

• hauptsächlich chemische Adsorptionsverfahren

• gewöhnliches Verfahren in der Landwirtschaft

- katalytische Oxidation

- Oxidation mit Eisenhydroxid

Entschwefelung

- biologische Oxidation

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Umsetzung von Schwefelwasserstoff zu Schwefel an einem Katalysator

2 H2S + O2 2 S + 2 H2O

katalytische Oxidation

Katalysator

Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Eisenhydroxid und Sauerstoff zu Schwefel.

2-stufige Reaktion mit den Zwischenprodukten Wasser und Eisen-III-Sulfid.

Eisen-III-Sulfid oxidiert mit Sauerstoff zu Schwefel.

Oxidation mit Eisenhydroxid

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Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Sauerstoff zu Schwefel

• Zuführung von Luft in den Gasraum des Gärbehälters

• auch extern durch Biofiltration im Rieselbett möglich

• Reinigungsleistung schlechter als bei chemischen Verfahren

• Reingaskonzentration max. < 50 ppm

biologische Oxidation

2 H2S + O2 2 S + 2 H2O

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[c] ..Methananreicherung[c] ..Methananreicherung

• Druckwäsche

Methananreicherung / Kohlendioxidabtrennung

• Druckwechselverfahren (PSA = Pressure Swing Adsorption)

• Membran-Trennverfahren

• Gasverflüssigung

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Druckwäsche

„absorptives“ bzw. „nasses“ Verfahren zur Methananreicherung

Prinzip: Ausnutzen der unterschiedlichen Wasserlöslichkeit von CO2 und Methan

> 96 % CH4

Quelle: Weiland, Peter (2003)

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Druckwechselverfahren (PSA)

Quelle:

Widmer, Ch. 1999

Rohgas 8 bar < 25 °C

t < 5°CS

Reingas

Beladen Evakuieren Desorbieren Druckausgleich

„adsorptives“ bzw. „trockenes“ Verfahren zur Kohlendioxidabtrennung

Prinzip: Adsorption von CO2 an Molekularsieben auf Kohlenstoffbasis (Aktivkohle)

96 % CH4

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[a] Motivation

[g] Fazit

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[d] Wirtschaftlichkeit[d] Wirtschaftlichkeit

Wirtschaftlichkeit

Variante AGewinnung / Erzeugung von BiogasVorreinigung

a) Deckung von Eigenbedarf (BHKW, Fermenter, ...)

b) Betrieb von kommerziellem BHKW Absatz von Strom & WärmeVariante B

Gewinnung/Erzeugung von Biogas Aufbereitung auf Erdgasqualität

a) Absatz / Einspeisung ins Erdgasnetzb) Einsatz als Treibstoff für Kraftfahrzeuge

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Aufbereitungskosten

1 Großvieheinheit (GVE) 1,5 m³ Biogas / Tag

• 1 Rind

• 6 Schweine

• 150 Hühner

Alternativen: Vergärung von Energiepflanzen, Biomüll

8001600

50 100 150 200 400

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Aufbereitungskosten – Kalkulationsbeispiel Variante B

Annahmen:

• Verarbeitungskapazität: 50 m³/h sowie 400 m³/h

• Aufbereitungsverfahren: Druckwäsche

• Kühlwasserbedarf: 1 m³/h aus eigenem Brunnen,

Einleitung in Kanalisation

• Strom: Opportunitätskosten für Strom aus

Biogas-BHKW bei EEG-Vergütung

• Auslastung: 8000 h/a

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Aufbereitungskosten – Kalkulationsbeispiel Variante B 50 m³ / h 400 m³/h

Investitionen 120.000,00 555.000,00 €

Personal & Betrieb 16.000,00 22.000,00 €/a

Strom 10.660,00 50.000,00 €/a

Wasser 29.680,00 162.180,00 €/a

Sonstiges 1.000,00 8.000,00 €/a

Kapitalkosten 12.356,00 57.144,00 €/a

Betriebskosten 69.696,00 299.324,00 €/a

spezifische Kosten 2,70 1,40ct/kWh

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Aufbereitungskosten Variante B

Bandbreite je nach Kühlwasserbedarfsdeckung (1. Leitungswasser, 2. eigener Brunnen, 3. keine Abwassergebühr)

4ct/kWh

signifikante Einflüsse: • Leistungsklasse

• Kühlwasserbedarfsdeckung

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Gestehungskosten Variante B

Investitionskosten Leitung: 50 € / m (ländlicher Raum)

Kosten für Gebläse, Wartung, etc. geringer als Kapitalkosten

50 100 200 400

Biogaserzeugung [m³/h]

Biogaserzeugung

Erdgasqualität

Gesamtkosten

Vergleich: GASAG Einsteigertarif: 3,7 ct/kWh (Verbraucherseite)

Beschaffungspreis = anlegbarer Preis

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Aufbereitungskosten Variante A BHKW 1 BHKW 2

Leistung el./therm. 241 / 326 412 / 557 kW

Stromerzeugung 3.264 MWh

nutzbare Wärme 2.784 MWh

Investition 229.000,00 362.000,00 €/a

spezifisch 950,00 880,00 €/kWhel

Jahreskosten 52.400,00 74.860,00 €/a

Stromerlöse 114.600,00 181.100,00 €/a

Wärmeerlöse2,0

ct/kWh :55.680,00 €/a

2,5 ct/kWh :

69.600,00 €/a

200 m³/h

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Wärmeerlöse Variante A

Externe Nutzung von

Biogas i.A. günstiger

als Aufbereitung und

Einspeisung

Entfernung

BHKW 2

Wärmeerlös bei

2,0 ct / kWh

Wärmeerlös bei

2,5 ct / kWh

0,5 km 16.369 30.289

1 km 13.420 27.340

2 km 7.522 21.442

3 km 1.624 15.544

4 km - 4.274 9.646

5 km 3.748

10 km - 25.743

• Anlagen mit 400 m³/h auch bei 10 km Entfernung wirtschaftlich

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[a] Motivation

[g] Fazit

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[e] Biogasanlagen in Deutschland[e] Biogasanlagen in Deutschland

aktuell keine Anlage zur Biogaseinspeisung in Betrieb• Klärgasaufbereitung Kläranlage Stuttgart

5 Mio. m³ zwischen 1986-93, H-Qualität, 4 Pf/kWh, lokales GVU• Klärgasaufbereitung Kläranlage Mönchengladbach

19,7 Mio. m³ zwischen 1981-96, L-Qualität, lokales GVU

• Biogasanlage Schleswig (Versuchsanlage, in Planung)

50 % Gülle/50 % Schlempe, 400 m³/d, H-Qualität

Busbetrieb, Tankstellenverkauf, Einspeisung in lokales GVU-Netz

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[a] Motivation

[g] Fazit

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[f] Wie machen es die Nachbarn ?[f] Wie machen es die Nachbarn ?

Schweden

• Biogasaufbereitung und –einspeisung Laholm

ursprünglich zur Reduzierung der Bucht-Eutrophierung

50.000 t Gülle und 20.000 t Bioabfälle jährlich

Aufbereitungskapazität 250 m³/h

Entschwefelung, CO2-Abtrennung, Addition von Propan

Nutzung in BHKW zur Wärmeerzeugung

Einspeisung in lokales Gasnetz, wenn Wärmelast absinkt

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Schweden

• Rahmenbedingungen

organischer Deponieabfall besteuert, ab 2005 verboten

Erdgasnetz gering ausgebaut

Qualität des Mischgases im Netz ausschlaggebend

Maximaleinspeisung durch Wobbe-Index gegeben

Einspeisung ohne Aufbereitung möglich (Dänemark)

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Schweiz

• Erdgas Zürich

Ende 1998 7 Anlagen mit bis zu 10.000 t / a

Vergärung von biogenen Abfällen & Industrieabwässer

Entschwefelung, Gastrocknung, CO2-Abtrennung

Verwertung in BHKW, Aufbereitung je 50 % geringere Beschränkungen der Biogas-Einspeisung in

höhere Druckstufen (Transportnetz)

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Niederlande

• Deponiegasaufbereitung an 5 Standorten EU-Forschungsprojekt ALTENER

Vergärung organischer Abfälle & Klärschlamm

Druckwasserwäsche

Einspeisung ins öffentliche Gasnetz

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[a] Motivation

[g] Fazit

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[g] Fazit[g] Fazit

• CO2-neutral

• gesetzliche Grundlagen noch in den Kinderschuhen

• unwirtschaftlich unter jetzigen Rahmenbedingungen

bislang Nutzung in BHKW-Variante vorteilhafter• viel Potential, falls Gaseigenschaften nicht am Einspeisepunkt, sondern im Netz maßgeblich sind; wie in anderen europäischen Ländern

• technisch sehr weit, innovative + funktionierende Systeme

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QuellenQuellen

Quellen

• bremer energie institut – gutachten, 06/2003

„Untersuchung zur Aufbereitung von Biogas zur Erweiterung der Nutzungsmöglichkeiten“

• T. Schmalschläger, 06/2003 „Aufbereitung von Biogas und Einspeisung ins Erdgasnetz“

• N. Dichtl, 2002

„Technische Voraussetzungen zur Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz“

• BMU, 2003

„Basisdaten Biogas Deutschland“

Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz aus technischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Sicht

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