Wärmepotential landwirtschaftlicher Biogasanlagenbioenergie.fnr.de › uploads › media › 1_Reinhold.pdf · AgroPower GmbH Co. KG Inbetriebnahme: 2008 105. Biogasanlage Großrudestedt

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


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


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)


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)


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


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


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


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 ≈


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


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


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)


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 %


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 %


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


Wärmebedarf(Quelle: Wagner 2012 CARMEN)

75 kWGülle + 20 % Mais100 d Verweilzeit

500 kWNAWARO

Quelle: Wagner 2012 CARMEN

Quelle: Wagner 2012 CARMEN


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


WärmenutzungAuslegung einer BGA

für Schweinezuchtbetriebaus Wärmesicht


Wäremebedarf der 350 kW BGA (TLL)16.000 m³ SG

0

20

40

60

80

100

120


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


Wärmekonzept SZA Niedersynderstedt (16000 m³ SG, 345 kW)

0

50

100

150

200

250

300

350

400


Wär

emle

istu

ng in

kW

Wärmebedarf SZAWäremnutzungWärmeanfall in BGA

85 % des Bedarfs abgesichert

70 % des Anfalls verwertet


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)


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 %


Verfahren: Temperatur 35 � 43 °C

95 % der BGA

Senkung des Prozesswärmebedarfs - Fermentation bei 35 °C ?

- Isolierung Fermenter ?


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


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


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


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


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 !

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