Flexibilitätsoptionen

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1 soptionen Ergebnisse aus dem Projekt auf Kläranlagen Kläranlagen in der Energiewende: Faulung optimieren & wagen, Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, FG Siwawi TU Kaiserslautern Inka Hobus, WiW mbh, Wuppertal

2 Gliederung Hintergrund & Projektziele : Bausteine & Potenziale Innovative Fazit 1: Fazit 2: Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 2

3 aus: DWA Landesverbandstagung HRPS 11/2013, Mainz: Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 3

4 Strombedarf vs. EE-Stromerzeugung GW Strombedarf (2010) Wind und PV-Einspeisung (variabel) Überschüsse (negative Residuallast) Starke Schwankungen auf Erzeugerseite Über- UND Unterschreitung Bedarf Netzstabilität: Abregelung EE- Erzeuger Engpässe (positive Residuallast) zunehmend kritische Systemzustände! EE 100 % - Flexi & Speicher! EE 80 % - Flexi & Speicher! EE 60 % - Flexi! Speicher? (Stadler 2012) EE 40 % - Flexi! Speicher? (heute) EE 20 % Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 4

5 Strombedarf, -erzeugung & Speicherbedarf 2 zentrale Fragen: Wie kann die Netzstabilität sowohl im Übertragungsnetz (Frequenzhaltung) als auch im Verteilnetz (Spannungshaltung) auch zukünftig sichergestellt werden? Wie können diese Energieüberschüsse sinnvoll verwertet bzw. gespeichert werden OHNE EE-Anlagen abzuregeln? Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 5

6 Projektziele Entwicklung einer Systemlösung zur Integration von Kläranlagen mit anaerober Schlammstabilisierung in ein optimiertes s- und Speicherkonzept Lösungsansätze zur Bereitstellung von System- und Netzdienstleistungen für Verteil- und Übertragungsnetze zum Ausgleich fluktuierender erneuerbarer Energie an der Schnittstelle Energie- und Wasserwirtschaft (Gretzschel & Schäfer 2015) Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 6

7 Projektkoordination Experteninterviews & Workshops Szenarien Rechtlicher Rahmen Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 7

8 in aller Munde? Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 8

9 in den Stromnetzen Was ist das? Stromdefizit Stromüberschuss Netz Netz Verbraucher abschalten (z.b. Gebläse) Kläranlage Positive Erzeuger anschalten (BHKW) Kläranlage Verbraucher anschalten (z.b. Entwässerung) Erzeuger abschalten (BHKW) Negative Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 9

10 in der Energieversorgung Erneuerbare und konventionelle Stromerzeugungsanlagen Flexible Verbraucher und Prozesse (Demand-Side-Management, Demand-Response) 3 3 Unterschiedliche Speichertechnologien (Batterien, Power-to-Gas, etc.) (3) Kläranlagen verfügen über spotenziale in allen drei Teilbereichen und sind somit per se interessant für weiterführende Untersuchungen hinsichtlich der Bereitstellung von. Quelle: nach (DENA, 2017a) Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 10

11 Einsatzmöglichkeiten S Marktdienlich Systemdienlich N Netzdienlich M Systemdienlicher Einsatz: Regelenergiemarkt Einsatzort: Übertragungsnetz Funktion: Frequenzhaltung (50 Hertz) Produkt: Regelleistung (MRL/SRL/PRL) Markt: aktiv Marktdienlicher Einsatz: Kosten- und Erlösoptimierung Einsatzort: Spotmarkt der Strombörse Funktion: Verwertung EE-Überschüsse Produkt: Day-Ahead, Intraday Markt: aktiv Netzdienlicher Einsatz: lokales Netzkapazitätsmanagement Einsatzort: Verteilnetz Funktion: Spannungshaltung, Betriebsmitteleffizienz Produkt: noch nicht definiert Markt: noch nicht aktiv ( 2016) (Gretzschel et al. 2015) Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 11

12 auf Kläranlagen Bereitstellung von mittels Aggregatemanagement Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 12

13 erkennen & nutzen! (Schäfer et al. 2015) Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 13

14 10 Aggregategruppen + 2 Stromerzeuger Ermittlung des spotenzials (Pilot) Aggregatgruppe Belebungsbecken 1+2 (Belüftung) Belebungsbecken 1 (Rührwerk) Kontrollparameter NH 4 -Konzentration (biologische. Stufe & Ablauf Nachklärung) Zulauffracht (NH 4 -/ CSB) Mindestlaufzeit Schaltzyklen Abschaltdauer (min./max.) Zuschaltdauer (min./ max.) Regenerationszeit Anfahrzeit Abfahrzeit [min] [min] [min] [s] [s] BHKW 1+2 NEA Füllstand Gasspeicher max. Schaltvorgänge Füllstand Treibstoffspeicher Max. Nutzungsstunden /30* Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 14

15 Datenblätter für relevante Aggregate Empfehlungen zu: Leistungspotenzial je nach Größenklasse Nutzungsart: Positive / negative Klärtechnische Kenngrößen: Min./max. Abschaltdauern, Regenerationszeiten Technischen Kenngrößen: z.b. An- Abfahrzeiten Regelkriterien: Restriktionen zur Einhaltung des Reinigungsbetriebs Einsatzbereich Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 15

16 Stromerzeugungspotenziale im (optimierten) Bestand KWK Abbildung: Optimierte Stromproduktion auf KA mit anaerober Schlammstabilisierung Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 16

17 spotenziale im Bestand KWK, NEA u. Aggregate (Anlagenkonzept I) Tabelle: spotenziale der bundesweiten Kläranlagen Leistung P Zuschaltbare Energiemenge Abschaltbare Energiemenge [MW el ] [MWh/d] [MWh/d] NEA (+) 98,0-48,3 - KWK-Anlagen (+ / -) 214, , ,35 KA-Aggregate (+) 337,8 (-) 122,90 34,01 323,25 184,25 244,91 (-) 337, (+) 650,78 MW MW 1.767,90 ca ,14 2 GWh 2,3 GWh 2.330, ,26 Flexible Leistung Durch Zu- und Abschalten Flexible Energiemenge Unter Berücksichtigung der Restriktionen Aktuelle sleistung der Kläranlagen nutzbar für: Ausgleich bei Flaute von 325 Windenergieanlagen (WEA) bzw. Verbrauch des Stroms (Stromüberschuss) von 170 WEA à 2 MW el Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 17

18 Wasserstoffnutzung aus der Elektrolyse Stromnetz Gasanwendungen Wind Sonne (Rück-) Verstromung Stromdefizit Speicherung im Erdgasnetz Stromüberschuss 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 Elektrolyse CH 4 Gastrocknung Biogasanlage und Biologische Methanisierung des PFI Pirmasens im Energiepark Winzeln Faulgas CH 4, CO 2 CH 4, CO 2, H 2 Gasspeicher Biologische Methanisierung 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O Biologische Methanisierung von Viessmann in Allendorf Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 18

19 Konzept I. Status Quo Konzept II. Druckluft Konzept III. H 2 -Nutzung Konzept IV. H 2 -Einspeisung Erdgasnetz H 2 Gasspeicher CH 4 Gasspeicher Elektrolyse (95+%) CH 4 Methanisierungsreaktor Gasspeicher BHKW (95+%) Faulbehälter NEA + CH 4 Strom H 2 O 2 Neg. Pos. Konzept V. Biologische Methanisierung Elektrolyseur als innovativer sbaustein zur Schaffung von Synergien auf der Kläranlage O 2 Gasspeicher bar O 2 Sauerstoffnutzung + bar O 3 4. Reinigungsstufe Ozonierung EE-Strom Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 19

20 erweitern Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 20

21 Untersuchte Erarbeitung von technischen n Überprüfung der Interaktion zwischen Markt Netz und Kläranlage Bewertung der Konzepte hinsichtlich ihres Speicher- und spotenzial / Wirtschaftlichkeit Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 22

22 Innovative Konzept IV Energiebilanzierung Annahmen für statische Energiebilanzierung: fortgeschrittener Ausbau fee 4.000h/a Überschussstrom 4.000h/a Elektrolyselaufzeit 4.000h/a Netzstrombezug Probleme: Faulgasspeicherung vor Ort zeitlich limitiert, u. U. nicht im Einklang mit EE-Stromerzeugung. Wärmeüberschuss Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 23

23 Innovative Konzept V Verzicht auf Eigenstromerzeugung Faulgas wird zu 100% zu Speicherzwecken genutzt. biologische Methanisierung Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 24

24 Innovative GK 4 & 5 Speicherpotenzial GK 4 & 5 9,5 TWh 1,6 GW Großes Potenzial: 1,6 GW ca. 800 WEA à 2 MW oder ~ 1,5 AKW Großes Potenzial: Speicher 9,5 TWh ca. 3 EE- Abregelung in 2015: 3,1 TWh Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 25 (SFV 2016) (Götz et al. 2016)

25 & Forderungen an den Gesetzgeber (HE) arrivee Technische HE Energierechtliche Hinweise für Betreiber Politische Forderungen an den Gesetzgeber HE für Kläranlagenbetreiber Anpassungen bestehender gesetzlicher Vorschriften HE für Verteilnetzbetreiber Fortentwicklung der Energiewendepolitik Fachverbände der Ver- und Entsorgungswirtschaft Fortentwicklungen in den Politikfeldern Abwasser und Kommunalwirtschaft Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 26

26 - Ergebnisse - Erkenntnisse Kläranlagen sind in der Lage ihre Betriebsweise temporär aufgrund externer sowie interner Anforderungen anzupassen, ohne den Klärprozess negativ zu beeinflussen. mit Schlammfaulung sind - abhängig von der örtlichen Situation der Strom- und Gasnetze - geeignete Standorte zur Umsetzung von Power-to-Gas-Anlagen. ermöglichen die Sektorenkopplung (Strom-Gas-Wärme). Voraussetzung: Die Nutzung vorhandener en muss durch die Schaffung von Anreizsystemen und transparenter, lösungsorientierter (rechtlicher & politischer) Rahmenbedingungen gestützt werden. Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 27

27 - Ergebnisse - Erkenntnisse arrivee-konzepte sind innovativ und gesellschaftlich relevant : Vorhandene Ressourcen werden energetisch effizient genutzt. Technologisch innovativen Verfahren für dezentrale Energiemärkte der Zukunft wird der Weg bereitet. Die gemeinwohlorientierte Kommunalwirtschaft wird aktiv in die Stabilisierung der Energiewende einbezogen. Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 28

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vortrag und alle Projektergebnisse als, & siwawi.bauing.uni-kl.de Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, FG Siwawi TU Kaiserslautern Inka Hobus, WIW mbh Wuppertal Oliver Gretzschel, Michael Schäfer, Theo G. Schmitt, Inka Hobus 29