Wärmepotential landwirtschaftlicher Biogasanlagenbioenergie.fnr.de › uploads › media ›...

Thüringer Landesanstalt für LandwirtschaftNaumburger Str. 98, 07743 Jena

G. Reinhold

Wärmepotential landwirtschaftlicher Biogasanlagen

Fachgespräch: Effiziente Nutzung biogener Wärmequellen5.November 2012 – Jena

BGA- Bau Maisanbau

TLL Jena 2012, Reinhold

Wirtschafts-Dünger

OrganischeReststoffe

Absterben

Düngung

Photo-synthese

H2O

O2

CO2

Vieh

Biomasse-Produktion

Mensch

Bioabfall

Klär-

schlamm

Ungenutzte Energie

Verbrennung, Deponie

Stoffkreislauf

Methan-gärung

BiogasStrom Wärme

Kompost

TLL Jena 2012, Reinhold

Quelle:

www.tll.de/ainfo

Betreiber: AgroPower GmbH Co. KG

Größe:1200 m³ Rührkessel1200 m³ Nachgärer

BHKW: 100 kW MAN BHKW (Gas-Otto-Motor)

Substrat:Rindergülle, StallmistSonstiges: Reine WirtschaftsdüngervergärungPlaner/Errichter: AgroPower GmbH Co. KGInbetriebnahme: 2008

105. Biogasanlage Großrudestedt

- > 90 % der BGA in den Landwirtschaftsbetrieben

� kaum Substrathandel u. keine Wirkung auf Pacht

���� geringes Wärmepotential- Nutzung: 65 % der Rindergülle, 38 % der Schweinegülle

16 % des Stallmistes, 160 % des HTK (Importe)

- fast 75 % Wirtschaftsdünger am Substratmix� geringe Verweilzeit 50 …80 d --

���� Hoher Prozesswärmebedarf 25 %-EEG 2012 - Abschaffung Anreize für Wärme

226 BGA nach EEG an 201 Standorten

(1.1.2012)

450 kW/BGA102 MWinstalliert

TLL Jena 2012, Reinhold

Auslastung Thüringer BGA 2011

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

BGA (sortiert nach Inbetriebnahmezeitpunkt)

Aus

last

ung

angemeldete Leistung ???

Mittelwert ohne 2011er BGA

Planungswert 7800 h = 89 %

Mittelwert 79 % = 6921 VLh (ohne 2011er BGA)

TLL Jena 2012, Reinhold

Wärmepotential der Thüringer BGA

•Installierte Leistung 102 MW (* 7000 h/d = 714 GWh)

�Versorgung von 240.000 Haushalten (bei 3000 kWh/Haushalt)

•Installierte therm. Leistung 120 MW(bei 38 % elekt. und 45 % therm. Wirkungsgrad)

- Prozesswärme (25 %) = 90 MW (* 7000 h/d = 630 GWh)

� Versorgungspotential von 22.000 Haushalten(bei 3000 l Heizöl)

� Versorgungvon 11.000 Haushalten(bei 40 % Wärmeabgabe = 65% Wärmenutzung)

TLL Jena 2012, Reinhold

Energiefluss in einer BiogasanlageProzessstromElektroenergie

8…10 %

Elektroenergie 35 … 42 %

Wärme 30 … 45 %

Verluste

Nutz-EnergieBio-

gas

Einspeisung

nutzbare WärmeProzesswärme

z.B. Trafoverluste 1…2 %

Nicht nutzbar (da z.B. kein

Wärmebe-darf am

Standort)

Prozesswärmebedarf 15 … 35 %

hängt ab vom- Gülleanteil (Gülleanlage bis 35%)- Substrattemperatur (Winter/Sommer)- Biologische Eigenerwärmung- Verweilzeit

TLL Jena 2012, Reinhold

Monatliche Wärmebilanz einer kleinen BiogasanlageVoraussetzung für hohe Wärmenutzung

0

20

40

60

80

100

120

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Wär

mel

eist

ung

(kW

)Wärmebedarf Wärmeanfall (feste Verweilzeit)

Kalte EinzeltageKalte EinzeltageKalte EinzeltageKalte Einzeltage

TLL Jena 2012, Reinhold

These:Vor-Ort-Verstromung ist ineffizient, da oft nur geringe Wärmenutzung

Aber:

• Wärmenutzung bei Strom aus Großkraftwerke = Null sowie Energieverluste beim Stromtransport

• Wärmenutzung bei Mobilität = Null

• Biomethaneinspeiser benötigen – Prozessstrom (10 … 20 %) bzw. Prozesswärme

(Aminwäsche, z. T. auch als Hochtemperatur)

• Wärme-Nutzungsanteile von > 30 % beim BHKW sind sinnvoller als z.B. Großkraftwerke

TLL Jena 2012, Reinhold

Bewertung - Primärenergiebezug

• Strom (η= 35 %) = 11 GJ/kWh, Industriepreis: 10…15 ct/kWh, Haushaltspreis 25 ct/kWh

• Wärme (η= 90 %) = 4 GJ/kWh; Ölpreis: 8… 10 ct/kWh

Alternative:KWK - Anlagen

kWh

MJ11Transport

kWh

MJ3,6*

35%

kWh 1 ≈+

kWh

MJ4

kWh

MJ3,6*

90%

kWh 1 ≈

TLL Jena 2012, Reinhold

Energetischer VergleichVerbrennen: 90 % Wirkungsgrad, 100 % Wärmenutzung

Vergären: 38% elektrischer und, 45 % thermischer Wirkungsgrad

-500

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

Input Output Input Output Output Output

Prim

ären

ergi

e M

J/dt

Get

reid

e

N-Wirkung

Primärenergie Wärme(4 MJ/kWh)PrimärenergieStrom(11 MJ/kWh)Anlagenbetrieb (ELT)

Prozesswärme

Getreide schroten

Dünger

DieselEigenerzeugte Prozessenergie

Wärmenutzung: 0% 100 % 50 %

BHKW-Wirkungsgrad: 38 % 38 % 43 %

Verbrennen Vergären

TLL Jena 2012, Reinhold

Aspekte Wärmenutzung• Wärmenutzung wird durch den Standort bestimmt

– BGA im lw. Betrieb • Güllenutzung � höherer Prozesswärmebedarf, aber wenig

Wärmeverkaufspotential

– BGA an der Wärmesenke• Kaum Güllenutzung � höheres Wärmeverkaufspotential

• Nutzungsalternativenvon Biogasabwärme– Abgasnachverstromung � geringer Wirkungsgrad, aber

hochwertige Energie

– ORC- Anlagen � anerkannte Wärmenutzung im EEG 2012�geringer Wirkungsgrad, aber hochwertige Energie

– Absorptionskältemaschine – ökonomisch schwierig

TLL Jena 2012, Reinhold

Ökonomischer Wert der Wärme (BZA Jahr 2009)

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

7 15 19 22 25 34 36 39 40 4143

/138 45 46 49 53 55 59 60 61 69 80 83 86 87 90 95 96 99 101

104

120

120 n 12

312

4

BGA Nr.

c t/k

Wh

Str

om

Wäremeverkauf (3 ct/kWh)

Wärme eigen (7 ct/kWh)

Stromverkauf

Wärme = Zusatzerlös (EEG 2009) + Inflationsausgleich= Vergütungsvoraussetzug (EEG 2012)

TLL Jena 2012, Reinhold

Wärmenutzung 2009 (Vergütung 20,3 ct/kWh)

(37 von 158 BGA erfasst; ohne Prozesswärme, Mittel 28 %)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

7 15 19 22 25 34 36 39 40 4143

/138 45 46 49 53 55 59 60 61 69 80 83 86 87 90 95 96 9910

110

411

612

012

0 n

123

124

Ant

eil W

ärm

enut

zung

Mittel 28 %

TLL Jena 2012, Reinhold

Wärmenutzung 2011 (Vergütung 21,6 ct/kWh)

Mittel 28 %

(57 von 226 BGA erfasst; ohne Prozesswärme; Mittel 44,2 %)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55

Mittelwert 44,2 %

TLL Jena 2012, Reinhold

Auslegung der Wärmeversorgung

0

200

400

600

800

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Zeitraum (h)

Net

zlei

stu

ng

in k

WWärmebedarfskurve z.B. TLL

(Wochenmittelwerte)

375 kW bei2000 VLh/a

100 kW bei 6000 VLh/a

TLL Jena 2012, Reinhold

Wärmebedarf(Quelle: Wagner 2012 CARMEN)

75 kWGülle + 20 % Mais100 d Verweilzeit

500 kWNAWARO

Quelle: Wagner 2012 CARMEN

Quelle: Wagner 2012 CARMEN

TLL Jena 2012, Reinhold

Leistungsbedarf Heizung SZA 2009

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Dez. 0

8

Jan.

09

Feb. 0

9

Mrz. 0

9

Apr. 09

Mai.

09

Jun.

09

Jul. 0

9

Aug. 0

9

Sep. 0

9

Okt. 09

Nov. 09

Leis

tung

in K

W

Wärme-Leistungsbedarf SZA

100 % Wärmenutzung der BGA

100 % Wärmeabsicherung des Stalls

TLL Jena 2012, Reinhold

WärmenutzungAuslegung einer BGA

für Schweinezuchtbetriebaus Wärmesicht

TLL Jena 2012, Reinhold

Wäremebedarf der 350 kW BGA (TLL)16.000 m³ SG

0

20

40

60

80

100

120

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Leis

tung

sbed

arf i

n kW

Leistungsbedarf AufheizungLeistungsbedarf Wärmeverlust

Prozesswärmebedarf der BGA 16.000 SG + NAWARO = 345 kW installiert 3500 m³ Faulraum

Achtung biologische Eigenerwärmung beachten

TLL Jena 2012, Reinhold

Wärmekonzept SZA Niedersynderstedt (16000 m³ SG, 345 kW)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Wär

emle

istu

ng in

kW

Wärmebedarf SZAWäremnutzungWärmeanfall in BGA

85 % des Bedarfs abgesichert

70 % des Anfalls verwertet

TLL Jena 2012, Reinhold

Strukturelle Wirtschaftlichkeitsfaktoren• Wärmenutzung

– Standort bestimmt Höhe und Struktur der Wärmenutzung

– Hoher Gülleanteil reduziert Wärmeanfall (besonders

im Winter) und steigert Investition (150 d Gärrestlager)

– BGA an der Wärmesenkeführt oft zu erhöhten Transportaufwand

– Biomethan = Suche nach ganzjähriger Wärmenutzung

(Erdgasnetz als Speicher und wäremegeführteKWK Nutzung)

TLL Jena 2012, Reinhold

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0 kW 50 kW 0 kW 50 kW

Wäremenutzung in der 200 kW BGA

Kos

ten

/ V

ergü

tung

ct/k

Wh

Verwaltung/sonstigesHilfsstoffe, -leistungen Wartung, ICH

Personal

Biomasse

Versicherung

KapitalbedingteKosten Stromerlös

Gesamterlösect/kWh

77 ha Mais 77 ha Mais 113 ha Mais 113 ha Mais + 10.000 m³ RG

Gewinn: 42,8 T€/a 74,0 T€/a -7,7 T€/a 14,7 T€/a

Wirtschaftlichkeitsfaktoren Wärmenutzung(EEG 2009, 200 kW BGA, 7500 Vlh, 35 €/t Mais, 50 kW Wärmenutzung zu 2 ct/kWh)

Prozesswärme: 28 % 12 %

TLL Jena 2012, Reinhold

Verfahren: Temperatur 35 � 43 °C

95 % der BGA

Senkung des Prozesswärmebedarfs - Fermentation bei 35 °C ?

- Isolierung Fermenter ?

TLL Jena 2012, Reinhold

Effekte der Wärmenutzung (EEG 2009)

• Leistungen aus Wärmeverkauf (1 … 6 ct/kWh)– Abnahmeprofil (Leistung / Jahrsverlauf / …)

– Vollversorgung � höherer Preis

– Anreiz (Ölpreis als Maßstab)

– Wer zahlt für die Wärmeleitung?

• Leistungen aus KWK–Bonus (2 bzw. 3 ct/kWh)

• Weitere Effekte– Weniger Prozessstrom (Notkühler)

– Akzeptanz der BGA (Wärmekunden

gründen keine Bürgerinitiative)

– …

EEG 2012+ ORC+ Holztrockung+ Gärresttrockung

TLL Jena 2012, Reinhold

Vergütungsbedingungen EEG 2012

• Grundvergütung KWK - u. Luftreinhalte-Bonus integriert, größengestaffelt (14,3…11,0 ct/kWh):

• Mindestwärmenutzung 60 %(incl. 25 % Prozesswärme) oder nach 5 Jahren 80 % der Vergütung

• 150 d Mindestverweilzeit im gasdichten Raum oder 100 % Gülle

• Einsatzstoffvergütung (6 bzw. 8 ct/kWh)

• Aufhebung des Ausschließlichkeitsgebotes

• Kleine Gülleanlagemax.75 kW � 25 ct/kWh

TLL Jena 2012, Reinhold

Alternative zu 60 % Wärmenutzung

• Gülleanteil > 60 %; ggf. Lösung für BGA in Thüringen, aber was ist Gülle?

• § 3 � nach EU 1069 � alle WD (ohne Pferde)

• § 27 b � ohne WD von Pferden, Schafe, Geflügel

• § 6 Düngegesetz � < 15 TS

• � Bei geringem Güllezusatzbedarf, dann:– Güllezukauf oder

– TS reichen Mais nutzen

– Getreide einsetzen

TLL Jena 2012, Reinhold

Alternative: Direktvermarktung

• Marktprämie für Stromverkauf am Markt

• Pflicht ab 2014 für BGA > 750 kW und als Ausweg für Anlagen ohne Wärmenutzung– Marktprämie = Differenz zwischen mittleren Markterlös und

mögl. EEG–Vergütung plus Managementprämie

• Flexibilitätsprämie– Vergütung von Leistungsbereitstellung für Spitzenlaststrom

– 10 Jahre Bindungspflicht

– Mehrerlös am Markt und Ausgleich Mehraufwand BHKW-Kapazität und Gasspeicher

TLL Jena 2012, Reinhold

Zusammenfassung

• EEG 2009 hat Wärmeverwertung gesteigert• Prozesswärme hat gegensätzlichen Verlauf zum

Bedarf–Hoher Bedarf bei: Kleinanlagen, Gülleeinsatz und

Foliendach–Monatsbilanz für Wärmeanfall ist wichtig

• Altanlagen: Steigerung der Wärmenutzung als Inflationsausgleich

• EEG 2012 –ökonomischer Anreiz reduziert auf Wärmepreis–60 % Schwelle mit Alternativen (60 % Gülle oder

Direktvermarktung)

–Zugelassenen Verwertung: ORC, Gärrest- u. Holztrockung, …

Vielen Dank !