Strom und Wärme aus Biogas Energetische Optimierung von Biogasanlagen

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1 Strom und Wärme aus Biogas Energetische Optimierung von Biogasanlagen energie + konzept, Dipl. Ing. Joachim Kohrt, Max Brauer Alle 186, Hamburg Tel: 040/ , Fax: 040/ energie.konzept@t-online.de 1 Einleitung Der erfolgreiche Betrieb einer Biogasanlage ist geprägt von der Qualität und der Verwendung des Biogases. Wie und in welcher Form das Gas in elektrische und thermische Energie umgewandelt wird, ist abhängig von der Betriebsstruktur potentieller Verbraucher und anderer Parameter wie z.b. gültigen Tarifverträgen. Auf jeden Fall sind die aus dem Biogas erzeugten Energiemengen und das Verbraucherprofil aufeinander abzustimmen. 2 Aus Biogas wird Strom und Wärme 2.1 Blockheizkraftwerke Für die Nutzung des Biogases wird meistens die Verbrennung des Biogases in einem Blockheizkraftwerk bevorzugt. In einem Blockheizkraftwerk (BHKW) erfolgt die Verbrennung des Biogases in einem Verbrennungsmotor, der zur Stromerzeugung einen Generator antreibt. Die Abwärme des Motors und der Abgase wird mittels Wärmetauscher ausgekoppelt und kann zum Heizen oder als Prozeßwärme genutzt werden. Im BHKW wird die im Biogas enthaltene Energie zu ca. 30 % in elektrische Energie und zu ca. 55 % in thermische Energie umgewandelt. Für die thermische Anwendung ist Niedertemperatur in einem Temperaturbereich bis 90 C am weitesten verbreitet. Es gibt aber auch Anwendungen, bei denen Heißwasser oder Dampf mit dem BHKW erzeugt werden. Um eine BHKW-Anlage zu errichten, sind jedoch einige Randbedingungen zu beachten. 2.2 Motorentypen BHKW-Motoren für Biogas sind im Leistungsbereich von 5kW el bis zu mehr als 2000 kw el verfügbar. Beim Einkauf der BHKW s ist darauf zu achten, daß sie für den Betrieb mit Biogas ausgestattet sind und dass sich die technischen Angaben auf Biogasbetrieb beziehen. Selbstverständlich ist bei den Maschinen darauf zu achten, daß die Grenzwerte für das Genehmigungsverfahren eingehalten werden. Beim Betrieb mit Biogas sind am häufigsten Zündstrahlmotoren und Gas-Otto-Motoren anzutreffen. Der Zündstrahlmotor arbeitet nach dem Dieselmotorprinzip und benötigt einen zusätzlichen Zündstrahl aus Heizöl oder Diesel, damit die Verbrennung des Biogases möglich wird. Beim Gas-Otto- Motor erfolgt die Zündung des Biogasgemischtes mit Zündkerzen. BHKW 100kW mit Schalschutzhauabe

2 2.3 Biogas im Heizkessel Alternativ zum BHKW kann das Biogas in einem Kessel zur Niedertemperaturerzeugung für Heizungs- und Trocknungsanlagen oder für die Dampferzeugung genutzt werden. Bis zum Anfang der 80er Jahre war es weit verbreitet, Biogas in Heizkesseln für die Wärme und Dampferzeugung einzusetzen. Mit der steigenden Vergütung Strom aus erneuerbaren Energien hat sich jedoch die Anwendung des Biogases in BHKW durchgesetzt. Bedingt durch die steigenden Ölpreise ist es jedoch seit einigen Monaten interessant, in bestehenden Kesselanlagen das Biogas einzusetzen und somit die Investitionen und die Betriebskosten für das BHKW einzusparen. 3 Kenngrößen für die Optimierung 3.1 Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältniss von abgegebener Energie eines Motors, zur zugeführten Energie, ist somit ein Parameter für die Qualität des BHKW s. Wirkungsgrade werden in den meisten Fällen für festgelegte Werte nach DIN angegeben. Der Wirkungsgrad hat jedoch auch einen erheblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit einer Anlage. So macht z.b. bei einem BHKW mit 100 kw el. 1% mehr Wirkungsgrad einen Mehrertrag von ca DM Stromertrag aus. Dieser Mehrertrag rechtfertigt häufig die höheren Investitionen für einen hochwertigen Motor. Weiterhin ist der Wirkungsgrad im Nennpunkt und im Teillastbereich von Bedeutung. So fälltz.b. bei Gasmotoren der Wirkungsgrad im Teillastbereich erheblich ab. 3.2 Verfügbarkeit Die Verfügbarkeit einer Maschine beschreibt das Verhältnis zwischen tatsächlicher Laufzeit und maximal möglicher Laufzeit und ist somit als ein Qualitätsmerkmal zu betrachten. Jedoch ist die Verfügbarkeit auch sehr stark abhängig von der Wartung und der Pflege durch den Betreiber. 3.3 Standzeiten Die Standzeit eines Motors beschreibt die Lebensdauer des Motors bis zur ersten grossen Überholung des Motors. Bei kleineren Motoren im Bereich bis 100kW werden Standzeiten bis zu 30000h angegeben, bei Motoren ab 250 kw steigt dieser Wert auf bis zu h an. 3.4 Betriebskosten Die Betriebskosten setzen sich zusammen aus Kosten für Verbrauchsmaterial wie z.b. Öl und Kerzen, kleinere Reparaturen, Einstellarbeiten, und Arbeitszeiten. Mit Beträgen zwischen 1,5 Pf und 3,5 Pf / kwh sind diese Kosten wichtig für die Wirtschaftlichkeit einer Maschine.

3 4 Optimierung durch Verfahrenstechnik 4.1 Methangehalt Die Hauptbestandteile des Biogases sind Methangas und CO 2. Der Anteil des Methans am Biogas Beträgt ca. 60% bis 80%. In welcher Zusammensetzung das Gas vorliegt, hängt von dem zugeführtem Substrat und von der vorhandenen Anlagentechnik ab. Während es in vielen Fällen nur bedingt möglich ist auf die zugeführten Substrate Einfluss zu nehmen, so ist umso mehr ein Augenmerk auf die Verfahrenstechnik zu richten. So ist zum Beispiel bei Anlagen mit getrennter Hydrolyse und Methanphase ein geringerer CO 2 Anteil im Gas festzustellen als in einstufigen Anlagen. Liegt nun ein Gas mit einem geringen Methangehalt vor, so muss bei gleicher Leistung mehr Biogas durch den Verbrennungsraum des Motors geführt werden. Diese 20% bis 40% C0 2 und andere in kleine mengen Vorkommende Bestandteile sind jedoch für die Verbrennung auf hohe Temperaturen zu bringen, tragen jedoch nicht zum Energieertrag bei. Messungen an Motoren haben gezeigt, dass bei einem sinkenden Methananteil im Gas die Wirkungsgrade der Motoren erheblich zurückgehen. Die Folgen von einem geringen Methangehalt sind weniger Ertrag, und höhere Betriebskosten 4.2 Schwefelgehalt im Biogas Je nach Substrat, Anlagentyp und Betriebsweise entsteht bei der Schwefelwasserstoff,der für den Betrieb von Verbrennungsmotoren schädlich ist. Zu hohe Konzentrationen führen zu häufigen Ölwechseln, verminderter Standzeit und schlimmstenfalls führt ein zu hoher Schwefelgehalt zur Zerstörung des Motors. Die Folgen von Schwefelwasserstoff sind also höhere Betriebskosten und geringere Verfügbarkeit. Sinnvoll erscheint es durch die Verfahrenstechnik Einfluss auf den Schwefelgehalt zu nehmen um den Motor zu schonen. dieses können Entschwefelungsanlagen oder Zuschlagstoffe für die Biogasanlage sein 5 Einbindung in das Stromnetz Der Anschluss des BHKW s ist bei dem zuständigem Energieversorger anzumelden. Bei der elektrischen Einbindung eines BHKW sind die Anschlußbedingungen des Energieversorgungsunternehmens (EVU) zu beachten. Gefordert wird das automatische Abschalten der Anlage bei Netzausfall sowie der Zugang des EVU zu Schalteinrichtungen. Da an das EVU Energie verkauft wird, aber auch Energie vom EVU bezogen wird, werden eventeull neue Tarifverträge mit dem EVU fällig. Besteht ein Tarifvertrag für Sondertarifkunden, bei dem nach Arbeits- und Leistungspreis abgerechnet wird, so sind Änderungen in der Bemessung zu erwarten. Die Einspeisung der elektrischen Energie aus Biogas ist im Einspeisegesetz geregelt und beträgt im Jahr 20Pfg/kWh. 6 Energiebedarf Der Energiebedarf eines Betriebes setzt sich üblicherweise aus dem Wärmebedarf und dem Strombedarf zusammen. In Gewerbe und Industrie kommt oftmals Prozeßenergie oder eine Dampfkesselanlage hinzu. Während die Prozeßenergie größtenteils abhängig ist vom Produktionsablauf, so ist der Wärmebedarf geprägt durch Außentemperaturen und gewünschte Raumtemperaturen. Die Energiekosten werden bestimmt durch Bezugspreise und Tarife für die Energie. Sind die Betriebsdaten und die Rahmenbedingungen bekannt, so kann die entsprechende Biogasanlage ausgelegt und konzipiert werden. Neben den vielen Faktoren aus der Verfahrenstechnik entscheidet sich an dieser Stelle, welches Anlagenkonzept, welche BHKW und Kessel und welche Betriebsweise zu bevorzugen sind. Ebenso müssen Betriebssicherheit und Verfügbarkeit, sowie die Gasausbeute berücksichtigt werden.

4 Lastgang 15 min Werte für elektrische Leistung 7 Regelung des BHKW s Für BHKW sind unterschiedliche Fahrweisen üblich. Sie wird durch das Konzept der Biogasanlage und das Energiekonzept des Verbrauchers bestimmt. 7.1 Anzahl der BHKW Ein oder zwei BHKW s ist oft eine entscheidende Frage bei der Errichtung einer Biogasanlage. Während Zwei BHKW s mehr Sicherheit bringen, so kann mit einem BHKW ein besserer Wirkungsgrad bei geringeren Investitionsund Betriebskosten erreicht werden. 7.2 Konstantleistungsregelung Hier wird die elektrische Leistungsabgabe auf einen festen Wert eingestellt. Der Motor kann im optimalen Betriebspunkt betrieben werden. Die anfallende Wärme muß jedoch durch die thermischen Verbraucher abgenommen oder mit einem Notkühler abgeführt werden. 7.3 Nullbezugsregelung Eine Einspeisung und der Bezug von elektrischer Energie werden vermieden. Diese Regelung hat zum Ziel, in erster Linie den Eigenbedarf an elektrischer Energie zu decken. Die Wärmeabgabe schwankt entsprechend der elektrischen Erzeugung. Produzierte Wärme kann durch Pufferspeicher abgefangen werden. 7.4 Wärmegeführter Betrieb Das BHKW wird entsprechend dem Bedarf an thermischer Energie im Betrieb geregelt. Vorrangiges Ziel ist es, die Wärme für den Eigenbedarf zu decken. Die eingespeiste elektrische Leistung schwankt entsprechend dem Wärmebedarf, schlechte Wirkungsgrade in der Teillast werden in Kauf genommen. Die erzeugte elektrische Energie wird entweder selbst verbraucht oder an das EVU abgegeben. 7.5 Gasgeführter Betrieb Das BHKW wird entsprechend des erzeugtem Biogases geregelt. Vorrangiges Ziel ist es, die erzeugte Gasmenge abzufahren. In Verbindung mit einer Gasblase wird der optimale Betriebpunkt angestrebt. Die Wärmeabgabe schwankt entsprechend der elektrischen Erzeugung.

5 7.6 Energiemanagement Ein Energiemanagement regelt die Erzeugung der elektrischen und thermischen Energie, um eine optimale Ausnutzung des Biogases zu erreichen. In die Berechnungen gehen die Kosten für die Energieträger ein. Weitere Eingangsdaten sind die tägliche Gasmenge, Wirkungsgrade, Mindestlaufzeiten, die Größe des Gasspeichers und des Wärmespeichers. Für eine Wärmeversorgung sind die Außentemperatur, sowie die Vor- und Rücklauftemperatur von Bedeutung. Das Energiemanagement wird auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten und sorgt für einen optimalen und störungsfreien Produktionsbetrieb. So wird z.b. bei geringem Wärmebedarf der optimale Wirkungsgrad angestrebt, Während bei einem hohen Wärmebedarf ein Teillastbetrieb zugelassen wird um möglichst viel Heizöl zu sparen. Selbstverständlich werden Mindestlaufzeiten und Vorwärmphasen für die Motoren berücksichtigt, um eine gute Verfügbarkeit und Standzeit der BHKW s zu erreichen. Das Energiemanagement erinnert außerdem an Wartungsintervalle und veranlasst, dass bei einer Störung sofort andere Aggregate angesteuert werden, und ruft den Monteur an, damit schnell Abhilfe geschaffen wird. Das Energiemanagement erfordert einen höheren Aufwand an Meß- und Regeltechnik, der sich schnell durch die Vorteile hinsichtlich des Ertrags und der Betriebskosten bemerkbar macht. Blockbild für ein Energiemanagement zur Versorgung einer Brennerei mit Elektrizität, Warmwasser und Dampf

6 kwh bzw cbm 80 Tages-Lastgang mit BHKW und Energiemanagement Verbrauch Einspeisung Bezug BHKW Gasblase Stunden Tagesgang eine geregelten Gasblase unter Berücksichtigung der Verbrauchstruktur des Betriebes. 8 Spitzenlastbetrieb 8.1 Anforderungen aus dem Netzbetrieb Der Verbrauch an elektrischer Energie orientiert sich an den Lebensgewohnheiten der Verbraucher und den Produktionszeiträumen der Industrie. Der Verbrauch an elektrischer Energie ist z.b. in den Morgenstunden besonders groß, da zu dieser Zeit die Produktion in den Betrieben beginnt. Eine weitere Spitze erscheint häufig in den Nachmittagsstunden, verursacht von vielen Haushalten. In der Nacht, d.h. von ca. 22 bis 6 Uhr, ist der Strombedarf am geringsten (siehe nachfolgende Grafik). Die maximalen Kosten der Stromerzeugung treten immer dann auf, wenn kurzfristig und unvorhersehbar eine Energielieferung angefordert wird. Leistung Netzbelastung im Tagesablauf Uhrzeit Aufteilung der Netzbelastung in Grund-, Mittel- und Spitzenlast Bedarf Grundlast Mittellast Spitze Die Grafik zeigt einen typischen Tagesgang mit Spitzenlastanforderung. Angenommen wurde hier der Extremfall, daß zwei Spitzen innerhalb eines Tages auftreten. Das Energiemanagementsyste m veranlaßt, daß das nachts in der Gasblase eingespeicherte Biogas in der Spitzenzeit am Vormittag in den BHKW zur Stromerzeugung eingesetzt wird. Das im Lasttal am frühen Nachmittag erzeugte Biogas wird zur Abendspitze verschoben

7 8.2 Vergütung von Spitzenlaststrom Leistungspreis Arbeitspreis DM/kW Pfg/kWh Nachttarif 0 6,9 Sommer HT 0 8,9 Winter HT 0 9,2 Winter Spitze ,2 bereitgestellte Leistung: z.b. 200 kw Winter Spitze: Oktober bis März 07:30 bis 12:30 16:30 bis 19:30 Verfügbarkeit: Mittelwert der drei kleinsten eingespeisten Leistungen in der Winter Spitzenzeit Die Lieferung von elektrischer Energie zu Spitzen-Lastzeiten ist unter Berücksichtigung der Erträge in vielen Fällen sehr interessant. Es ist dabei jedoch zu beachten, daß in jeder Preisregelung eine Klausel enthalten ist, die die Verfügbarkeit bewertet. Nur wenn eine sichere Einspeisung zu den Spitzenlastzeiten erfolgt, kommt der Mehrertrag auch wirklich zum Tragen. Weiterhin ist zu beachten, dass immer nur eine Vertragsart möglich ist. Ein Vertrag nach dem Einspeisegesetz kann nur selten mit einem Vertrag zur Spitzenslast-Lieferung gemischt werden. Das Einspeisen von Spitzenslast-Strom, anstelle einer Lieferung der Energie nach dem Stromeinspeisegesetz sollte aus den o.g. Gründen genauestens geprüft werden. 9 Wärmeabnehmer Für die Wirtschaftlichkeit einer Biogasanlage ist der Absatz von Wärme von großer Bedeutung. Besteht nun an der Biogasanlage kein bedeutender Wärmebedarf, so liegt es nahe, sich in der Nachbarschaft umzuschauen. Der Abnehmer sollte einen kontinuierlichen Wärmebedarf haben, der in unmittelbarer Nachbarschaft der Biogasanlage angesiedelt ist. Der Wärmebedarf orientiert sich sehr häufig an den Außentemperaturen. Somit ist in vielen Fällen eine Starke abnahme von Wärme im Winter und eine geringe Abnahme von Wärme im Sommer zu erwarten. Besser ist es, wenn ein Abnehmer mit einem kontinuierlichem Wärmebedarf gefunden wird. Die gelieferte Wärmemenge wird üblicherweise mit isolierten Nahwärmerohren übertragen, mit Wärmemengenzählern erfasst und entsprechend vergütet. Der Preis wird meistens an den Heizöl oder an den Gaspreis gekoppelt 9.1 Teilversorgung mit Wärme Erfolgt zusätzlich zur der bestehenden Heizungsanlage eine Wärmelieferung des Nachbarn, so handelt es sich um eine Teilversorgung. Die Wärme wird in die bestehende Heizungsanlage eingespeist. Das erfolgt meistens mit einem Wärmetauscher, der in Rücklauf die Temperatur anhebt. Die Versorgungssicherheit des Gebäudes wird in diesem Fall über die Heizungsanlage des Besitzers sichergestellt. Der Betreiber des Biogasanlage braucht keine Investitionen für die Versorgungssicherheit tätigen. 9.2 Vollversorgung Bei der Vollversorgung übernimmt der Betreiber der Biogasanlage die gesamte Wärmeversorgung für eine Gebäude oder für einen Betrieb. Er ist somit für die gesicherte Wärmeversorgung verantwortlich. Dieses hat zur Folge, dass er z.b. einen Reservekessel, der mit Biogas und Erdgas betrieben wird vorhält. Auch ist darauf zu achten, daß die Wärmemenge für die kalten Wintertage ausreicht. Für eine Vollversorgung sind zusätzliche Investitionen z.b für einen Kessel und einen Pufferspeicher zu berücksichtigen. 9.3 Biogasgemeinschaftsanlagen Eine Biogasanlage zu errichten macht nur dann Sinn, wenn die Energiebilanz der Gesamtanlage inklusive der angeschlossenen Energieverbraucher stimmig ist. Rinderbetriebe haben gewöhnlich einen sehr geringen Wärmebedarf, Schweinezuchtbetriebe hingegen einen sehr hohen. Einzelhofanlagen der verschiedenen Tierhaltungsbetriebe haben üblicherweise ungünstige Energiebilanzen, da sie entweder zu viel Energie liefern oder einen zu hohen Wärmebedarf haben. Eine Gemeinschaftsanlage kann einerseits genügend Energie liefern, um den Wärmebedarf zu decken, es besteht - 7 -

8 andererseits aber auch ein ausreichender Wärmebedarf, um die gewonnene Energie sinnvoll verwenden zu können. Durch eine Gemeinschaftsanlage wird also die Nutzung des gesamten vor Ort vorhandenen Potentials ermöglicht. Durch die Integration, mehrerer landwirtschaftlicher Betriebe, in einer Biogasgemeinschaftsanlage wird es möglich, mit einer großen, zusammenhängenden Fläche in der Gemeinde eine erhebliche Entlastung von Geruchsemission und Grundwasserbelastung herbeizuführen. Beim Betrieb einer Gemeinschaftsanlage wird ein deutlicher Schritt in Richtung umweltschonende Landwirtschaft gegangen, der sicherlich auch von den Bürgern der Gemeinde und vom Tourismus in der Region wahrgenommen wird. 9.4 Nahwärmeversorgung Grundlage der Energieversorgung ist eine Biogasanlage, mit der aus Reststoffen der Agrarproduktion Biogas gewonnen wird. Aus dem Biogas werden in einer Heizzentrale Wärme und Strom erzeugt und über ein Wärme- und Elektrizitätsnetz den einzelnen Häusern zugeleitet. Die Biogasanlage wird abseits vom Wohngebiet errichtet. Hier erfolgt die Anfuhr der Reststoffe, die Aufbereitung und die Herstellung des Biogases. Die Lieferung des Biogases an die Heizzentrale erfolgt über eine Gasleitung. Die gesamte im Neubaugebiet benötigte elektrische Energie und Wärme wird in der Heizzentrale aus Biogas erzeugt. Die Stromversorgung übernehmen die BHKW. Der Strom wird ins öffentliche Netz eingespeist und entsprechend dem gültigem Stromeinspeisegesetz vergütet. Die Wärmeversorgung erfolgt ebenfalls durch die BHKW sowie durch den Spitzenlastkessel. Eine Wohnungsbebauung, als Abnehmer des Biogases, bedeutet eine kompliziertere Situation, als der Eigenverbrauch, da mit vielen verschiedenen Verbrauchern Verträge abgeschlossen werden müssen. Allerdings korreliert beispielsweise die Biogasproduktion einer mit Gülle beschickten Biogasanlage sehr gut mit dem Energiebedarf der Wohnhäuser. Wenn auf der Produktionsseite im Winter mehr Gülle vorhanden ist, da die Tiere nicht auf der Weide stehen, gibt es gleichzeitig auf der Abnehmerseite einen höheren Heiz-Wärmebedarf. Energiekonzept Neubaugebiet Nahwärme für 36 Wohneinheiten Blockheizkraftwerk Schlempelager Kessel Wärme und Strom Biogasanlage Energiekonzept mit Biogasanlage und Nahwärmeversorgung für ein Neubaugebiet Speicher - 8 -