Bioenergie rentabel flexibilisieren:

Vergleich von Betriebsstrategien für Biogasanlagen

Martin Dotzauer

AEE-Regionalkonferenz

Universität Rostock

2

Agenda

• Rolle von Flexibilitätsoptionen in der Energiewende

• Bioenergie als flexible Ausgleichsoption

• Grundlagen der Anlagenflexibilisierung

• Betriebsstrategien

• Praxisbeispiele

• Handlungsempfehlungen

• Zusammenfassung

3

Flexibilitätsoptionen und Energiewende

• Wind- und Solaranlagen habe in den letzten Dekaden eine Lernkurve

durchschritten und besitzen weiteres Kostensenkungspotential

• beide Kraftwerkstypen weisen nur marginale Grenzkosten auf

• In der Energiewende wird im Stromsektor der Anteil von Solar- und

Windstrom sehr stark zunehmen

• Erzeugung aus Wind- und Solaranlagen ist witterungsabhängig,

ergänzt sich teilweise, weist aber große Schwankungen auf

• Zusätzlich passen die Einspeisezeiten nicht immer zu den

Bedarfsprofilen im Strommarkt, so das sich Über- oder

Unterdeckungen der residualen Last ergeben können

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Stunden einer Woche (Mo 00:01 bis So 00:00)

Lastkurven Deutschland vom 23.10.2017 bis 29.10.2017

Residuallast 2

PV

Wind

Bio Grundlast

Last

Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org4

Flexibilitätsoptionen und Energiewende I

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1 25 49 73 97 121 145 169

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Residuallastkurve Deutschland vom 23.10.2017 bis 29.10.2017

Residuallast 2

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Flexibilitätsoptionen und Energiewende II

Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org

1 - Müller, T., Schreiber, S., Herbst, A., Klingler, A.-L., Wyrwa, A., Fermi, F., Reiter, U., 2017. How to balance intermittent feed-in from renewable energies? – A techno-economic comparison of flexibility options:

Policy brief. Reflex Analysis of the European energy system 6

Bioenergie als Flexibilitätsoption I

• Flexibilitätsoptionen (Grundtypen i.e.S. nach Müller et. al.1):

• Abwärtsflexibilität (temporäre Absenkung der Residuallast)

• Verlagerungsflexibilität (Verlagerung von „Überschüssen“ in Mangelzeiträume)

• Aufwärtsflexibilität (temporäre Erhöhung der Residuallast)

• Bioenergietechnologien bietet „Abwärtsflexibilität“

• Weitere Flexibilitätsoptionen

• Stromnetz (-ausbau) für den überregionalen Ausgleich

7

Bioenergie als Flexibilitätsoption II

• Residuallast in Deutschland weist schon heute enorme

Schwankungsbreiten auf

• Residuallastschwankungen werden derzeit vor allem durch fossile

Kraftwerke sowie durch Im- und Export von Strom ausgeglichen

• Doppelfunktion der Bioenergie

• Absolute Absenkung der Residuallast durch (Band-) Einspeisung

→ Funktion als erneuerbare Stromquelle

• Mögliche Glättung der Residuallast durch bedarfsgerechte Einspeisung

→ Funktion als Flexibilitätsoption

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Lastkurven Deutschland vom 23.10.2017 bis 29.10.2017

Residuallast 2'

PV

Wind

BioFlex

Last

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Bioenergie als Flexibilitätsoption III

Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org

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Stunden einer Woche (Mo 00:01 bis So 00:00)

Residuallastkurve Deutschland vom 23.10.2017 bis 29.10.2017

Residuallast 2

Residuallast 2'

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Bioenergie als Flexibilitätsoption IV

Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org

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Sortierte Jahresstunden

Residuallast Deutschland 2017

RL 1

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Bioenergie als Flexibilitätsoption V

Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org

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Re

sid

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W]

Sortierte Jahresstunden

Residuallast minus "BioBand" Deutschland 2017

RL 2

RL 1

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Bioenergie als Flexibilitätsoption VI

Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org

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Re

sid

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last

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W]

Sortierte Jahresstunden

Residuallast minus "BioFlex" Deutschland 2017

RL 2

RL 2'

RL 1

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Bioenergie als Flexibilitätsoption VII

Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org

13

Grundlagen der Flexibilisierung I

Rechtsrahmen:

• Seit der EEG-Novelle 2012 können Bestandsanlagen die Flexibilitätsprämie in

Anspruch nehmen (bisher nur für Biogasanlagen relevant)

• Flexibilitätsprämie für zusätzlich installierte (bzw. vorgehaltene Leistung)

• die nach dem 30.07. über die Flexibilitätsprämie vergütungsfähige Leistung ist auf

1.350 MW begrenzt

• Für Neuanlagen gibt es seit der EEG-Novelle 2014 einen Flexibilitätszuschlag,

gleichzeitig wurde eine Limitierung der Auslastung eingeführt

14

Grundlagen der Flexibilisierung II

• Für einen flexiblen Betrieb ist eine „Überdimensionierung“ der

Verstromungskapazität im Verhältnis zur Gasprodukt notwendig

• Verstromungskapazität = Pinst

• Mittlere Gasproduktion = PBem

• Überdimensionierung (Leistungsquotient) = QP

QP=Pinst/PBem

• Bei steigendem Leistungsquotienten (QP > 1) kann die

Stromproduktion verdichtet werden

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Leis

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Wel

]

Stunde

Grundschema der Flexibilisierung von Biogasanlagen

Gasproduktion

PQ=1,5

PQ=2

PQ=3

PQ=4

PZusatz [kW]

Verstromungszeit [h]- vollflexibel -

15

Grundlagen der Flexibilisierung III

Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung

16

Grundlagen der Flexibilisierung IV

• technischen Voraussetzungen

• Erhöhung der Verstromungskapazität (bzw. Absenkung der

Bemessungsleistung

• Vorhalten eines ausreichend großen Gasspeichers für die

Entkoppelung von (kurzfristig) nicht regelbarer Gasproduktion

und alternierendem Gasverbrauch durch das / die BHKW

• Ggf. Anpassung der Anlagenperipherie für die

Leistungserweiterung (Gaskonditionierung, Einspeisepunkt)

• Anpassung der Komponenten zur Erhaltung der

Wärmeauskoppelung (Wärmespeicher, Spitzenlastkessel)

17

Betriebsstrategien I

• Anbieten von Regelleistung (vor allem negative SRL, (andere

Produkte möglich) für konstant betriebene BHWK

• Teilflexibler Anlagenbetrieb für den Fall das die Anlage mehrere

BHKW hat und ein Teil der Maschinen weiter konstant betrieben wird

• Vollflexibler Anlagenbetrieb bei dem alle BHKW als ein virtueller

Block gefahren wird

• i.d.R. empfiehlt sich ein Start-Stopp-Betrieb der Aggregate (geringere

Wirkungsgradverluste und höhere Arbitrage-Erträge)

• Direktvermarkter können durch das Pooling von Anlagen und eine

automatisierte Einsatzplanung verschiedene Märkte bedienen

18

Betriebsstrategien II

• Die Flexibilisierung ist zwingende Voraussetzung für eine Teilnahme

am Ausschreibungsdesing des EEG 2017 (QP ≥ 2)

• Flexibilisierung sollte vor dem Wechsel in die Ausschreibung

erfolgen → Abschreibung Zusatzinvestitionen über Flexprämie

• „Flexdeckel“ limitiert die zusätzlich installierbare Leistung,

ca. die Hälfte der 1.350 MW sind bereits verbraucht

• Alternative: Flexibilisierung über die Absenkung der

Bemessungsleistung

• Pro: keinen Zusatzkomponenten und Kostenoptimierung der Einsatzstoffe

• Contra: mind. Halbierung des Umsatzes → fehlender Deckungsbeitrag

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An

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g [M

W]

Jahr

Zubaudynamik für Biogasanlagen in Deutschland

installierte Leistung [MW p.a.] kumulierter Anteil am Gesamtbestand [%]Quelle: DBFZ, eigene Abbildung M. Dotzauer

19

Betriebsstrategien III

Flexprämie (10 Jahre)

Vergütungsdauer (21 Jahre)

Ze

itfen

ste

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Betriebsstrategien III

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5%

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2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Anteil der Anlagen, je Jahrgang die die Flexprämie in Anspruch nehmen.

Quelle: DBFZ, eigene Abbildung M. Scheftelowitz

1 – Projekt Langtitel: „Kommunikationsmaßnahmen für ein besseres Verständnis der Systemintegration Erneuerbarer Energien unter besonderer

Berücksichtigung der Rolle der Bioenergie“, gefördert über die Fachagentur nachwachsende Rohstoffe (FNR), durch das Bundesministerium für

Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)21

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für flexible

Bioenergieanlagen

• Berechnungen im Rahmen des Projektes: „energie-update“1 der AEE

• Berechnung von standardisierten Flexibilisierungsvarianten von

insgesamt 7 Anlagen (6 BGA, 1 Holzheizkraftwerk)

• Vereinfachung der Anlagenkonzepte um Berechnungen mit dem

BioFlex-Werkzeug des DBFZ durch zu führen

• Veröffentlichung der Ergebnisse auf einer Homepage der AEE:

https://energie-update.de/

22

Praxisbeispiel 1 - Anlagensteckbrief

Steckbrief Anlagenbeispiel 1

Anlagenbeschreibung

erstmalige Inbetriebnahme 04.12.2009 Weiterbetrieb bis k.A.

BHKW BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 BHKW 4 BHKW 5 BHKW 6

(B)HKW-Bauart Otto-Gasmotor

(B)HKW-Betriebsart Dauerbetrieb

Installierte Leistung 210

Elektrischer Wirkungsgrad 38,6%

Thermischer Wirkungsgrad 41,9%

Jahresbetriebsstunden (vbh) 7.522

Inbetriebnahmejahr 2009

Gasspeicher

Bauart

InbetriebnahmejahrBruttovolumen [m³]

Einsatzstoffe (ES) ES 1 ES 2 ES 3 ES 4 ES 5 ES 6

Substrat Typ R.-Gülle R.-Mist Mais Gras

Einsatzmenge (FM) im 5-jähr. Mittel [t] 13.000 20 1.640 1.380

Anteil an der eingesetzten FM [%] 81% 0% 10% 9%

Preis im 5-jähr. Mittel [€/t] 3 5 32 56

Energieumsatz

Stromproduktion (brutto) [kWh] 1.689.000 Wärmesenke 1 100%

Stromeinspeisung (netto) [kWh] 1.523.957 Wärmesenke 2

Prozesswärmebedarf [kWh] k. A. Wärmesenke 3

Prozesswärmeanteil (alternativ) [%] 7% Wärmesenke 4

Externe Wärmenutzung [kWh] 463.928 Wärmesenke 5

Einfamilienhaus

2009

180

Anlagenbeispeil 1: Biogasanlage, 200 kW, vorrangige Güllenutzung

Gasspeicher 1 Gasspeicher 2 Gasspeicher 3Fermeter doppellagig

23

Praxisbeispiel 1 - Flexibilisierungsvarianten

-20 -19

-7 -5

-15 -14

3 5

-100

-80

-60

-40

-20

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40

60

80

100

EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027

QP2 tf QP2 vf QP4 tf QP4 vf

Jäh

rlic

he

Ko

sten

/ E

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se [

Tsd

. € p

.a.]

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Anlagenflexibilisierung

zusätzliche BHKW

zusätzlicher Gasspeicher

Wärmespeicher

Spitzenlastkessel

Brennstoffkosten für SLK

Flexprämie

EPEX-Mehrerlös

Neg. SRL-Erlöse

Kosteneffekte Bestands-BHKW

betriebsgebundene Kosten

sonstige Kosten

Differenzsaldo

Anlagenbeispiel 1 - relative Werte ggü. Status Quo

24

Praxisbeispiel 1 - Schlussfolgerungen

• Anlage ist relativ klein und daher sind die spezifischen

Flexibilisierungskosten relativ hoch

• Varianten mit moderater Überbauung versprechen keine

Amortisation der notwendigen Investitionen

• Zusatzaufwendungen für die Absicherung der Wärmeauskoppelung

fallen auf Grund des geringen Nutzungsgrades relativ gering aus

• Flexprämie kann 10 Jahre beansprucht werden, ggf. ließe sich die

Wirtschaftlichkeit ggf. durch andere Maßnahmen steigern ließe

• Wenn die Flexibilisierung als Vorbereitung für die Ausschreibung

erfolgt, sollte möglichst stark zugebaut werden

25

Praxisbeispiel 2 - Anlagensteckbrief

Steckbrief Anlagenbeispiel 7

Anlagenbeschreibung

erstmalige Inbetriebnahme 27.12.2001 Weiterbetrieb bis k.A.

BHKW BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 BHKW 4 BHKW 5 BHKW 6

(B)HKW-Bauart Otto-Gasmotor Otto-Gasmotor

(B)HKW-Betriebsart Dauerbetrieb Dauerbetrieb

Installierte Leistung 836 330

Elektrischer Wirkungsgrad 45,0% 37,0%

Thermischer Wirkungsgrad 45,5% 41,0%

Jahresbetriebsstunden (vbh) 8.426 8.260

Inbetriebnahmejahr 2010 2011

Gasspeicher

Bauart

Inbetriebnahmejahr

Bruttovolumen [m³]

Einsatzstoffe (ES) ES 1 ES 2 ES 3 ES 4 ES 5 ES 6

Substrat Typ R.-Gülle R.-Gülle R.-Mist Futterreste

Einsatzmenge (FM) im 5-jähr. Mittel [t] 100.000 20.000 4.500 4.000

Anteil an der eingesetzten FM [%] 78% 16% 4% 3%

Preis im 5-jähr. Mittel [€/t] 3 3 5 32

Energieumsatz

Stromproduktion (brutto) [kWh] 9.769.936 Wärmesenke 1 27%

Stromeinspeisung (netto) [kWh] 9.300.000 Wärmesenke 2 7%

Prozesswärmebedarf [kWh] k. A. Wärmesenke 3 7%

Prozesswärmeanteil (alternativ) [%] k. A. Wärmesenke 4 27%

Externe Wärmenutzung [kWh] 3.222.000 Wärmesenke 5 40%

Anlagenbeispiel 7: Gülledominierte Biogasanlage 1.166 kW

Gasspeicher 1 Gasspeicher 2 Gasspeicher 3

Fermeter doppellagig Fermeter doppellagig

2000

800

Metall & Kfz

Trocknung

Gaststätten

Beherbergung

Gemeinde & Feuerwehr

26

Praxisbeispiel 2 - Flexibilisierungsvarianten

76 83126 135

198 205

268 277

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027

QP2 tf QP2 vf QP4 tf QP4 vf

Jäh

rlic

he

Ko

sten

/ E

rlö

se [

Tsd

. € p

.a.]

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Anlagenflexibilisierung

zusätzliche BHKW

zusätzlicher Gasspeicher

Wärmespeicher

Spitzenlastkessel

Brennstoffkosten für SLK

Flexprämie

EPEX-Mehrerlös

Neg. SRL-Erlöse

Kosteneffekte Bestands-BHKW

betriebsgebundene Kosten

sonstige Kosten

Differenzsaldo

Anlagenbeispiel 7 - relative Werte ggü. Status Quo

27

Praxisbeispiel 2 - Schlussfolgerungen

• Mittelgroße Anlage mit mittlerem Wärmenutzungsgrad, die

erstmalig 2001 in Betrieb gegangen ist und 2022 aus der regulären

Vergütung ausscheiden würde → max. 5 Jahre Flexprämie

• Trotz der kurzen Betrachtungsdauer sind alle Varianten im Saldo

positiv zu bewerten (bei Berücksichtig der Restwerte für BHKW)

• Die Unterschiede zwischen teil- und vollflexibler Fahrweise sind

jeweils sehr stark ausgeprägt

• Methodische Unschärfe: Anlage wird als einen zusammengefasster

Standort betrachtet, Satteliten-BHKW nicht separat berücksichtigt

• Ggf. ist de Satelliten-Standort besser nicht zu flexibilisieren

(Kapazität Rohgasleitung, Absicherung Wärmeauskoppelung)

28

Handlungsempfehlungen

Anlagenbetreiber:

• In Abhängigkeit der „Restlaufzeit“ entscheiden ob die Anlage noch

wirtschaftlich flexibilisierbar ist (Verkürzung der Abschreibung)

• Ausschöpfung des „Flexdeckels“ in Sichtweite, sollte bei der Planung mit

berücksichtigt werden (wie schnell bin ich wirklich in der Umsetzung?)

• Strategisch prüfen ob die Anlage nach der regulären Vergütungsdauer ins

Ausschreibungsdesign wechseln soll → Zwingende Flexibilisierung

Politik:

• Verknüpfung von Flexibilitätsanforderungen im Ausschreibungsdesign und

dem Flexdeckel könnte ein „Flaschenhals“ für den Teilerhalt des

Anlagenbestandes sein → Verlust einer verfügbaren Flexibilitätsoption

29

Zusammenfassung

• Flexibilisierung von Bestandsbiogasanlagen ist vor allem bei

größeren Anlagen ökonomisch attraktiv

• stärkere Überbauung ist unter der Vernachlässigung von möglichen

Zusatzkosten für den Netzanschluss vorteilhaft

• Wechselwirkungen zur Wärmeauskoppelung sind gegeben, stellen

aber kein grundsätzlich Hindernis für hohe Überbauung dar

• Teilflexible Fahrweise schneidet in Modellrechnungen immer

schlechter ab

• Flexibilisierung als „Eintrittskarte“ für die Ausschreibungen erfordert

frühzeitige Umsetzung vor dem Vergütungsende

DBFZ Deutsches

Biomasseforschungszentrum

gemeinnützige GmbHTorgauer Straße 116

D-04347 Leipzig

Tel.: +49 (0)341 2434-112

E-Mail: info@dbfz.de

www.dbfz.de

Smart Bioenergy – Innovationen für eine nachhaltige Zukunft

Ansprechpartner

M.Sc. Martin Dotzauer

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Fotos: DBFZ, Jan Gutzeit, DREWAG/Peter Schubert (Titelfolie, rechts), Pixabay / CC0 Public Domain