Neues aus der Forschung: Forschungsvorhaben GAZELLE Ganzheitlich flexibler Betrieb

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1 Anklam Bioethanol GmbH Neues aus der Forschung: Forschungsvorhaben GAZELLE Ganzheitlich flexibler Betrieb Tino Barchmann, Eric Mauky, Peter Kornatz, Nadja Rensberg, Jörg Kretschmar Messe energy decentral - FlexForum Hannover, 14. November 2018

2 Agenda Status quo - Anlagenbestand Biogasanlagen Technische Grenzen der Flexibilisierung Forschungsvorhaben GAZELLE Kurzvorstellung Sächsischer Anlagenbestand Modellbasierte Regelung und Fütterungsmanagement Ökonomie Fazit und Ausblick

3 Biogasanlagen Status Quo 3

4 Bereitstellung von Energie aus Biogas und Biomethan in 2017 Art der Biogasproduktionsanlage Anlagenzahl Landwirtschaftliche Biogasproduktionsanlagen ca davon Güllekleinanlagen ( 75kW) gemäß 27b EEG 2012/ 46 EEG 2014 Abfallvergärungsanlagen (Anteil org. Abfälle 90 %, massebezogen) Biogasaufbereitungsanlagen zu Biomethan (Erweiterungen nicht als separate Anlage erfasst) ca Biogasproduktionsanlagen, gesamt ca Quelle: Umweltbundesamt (2018): Erneuerbare Energien in Deutschland 3/2018; dena branchenbarometer 2018, DBFZ Abschätzung zur Verteilung der Wärmenutzung aus Biogas-VOV und Biomethan-KWK 4/2018

5 Anlagenzahl [-] Installierte elektrische Anlagenleistung [MW el ] Entwicklung der Biogasanlagen (ohne Biomethan) Anzahl nach Leistungsklasse und installierte Leistung > 1000 kwel kwel > 500 kwel kwel kwel kwel 70 kwel install. el. Leistung [MWel] Seit 2012 kein signifikanter Zubau überwiegend Leistungserweiterungen bestehender Anlagen, (motiviert durch Flexibilitätszuschlag/- prämie) Neubau beschränkt sich auf Güllekleinstanlagen (< 75 kwel) und wenige Anlagen zur Bioabfallvergärung * Prognose DBFZ, Stand 4/2018 Quelle: Daniel-Gromke et al. 2018; Aktuelle Entwicklungen bei der Erzeugung und Nutzung von Biogas, Innovationskongress 2018, Osnabrück 5

6 Anzahl BHKW [n] Installierte elektrische Anlagenleistung [MWel] Entwicklung der Flexibilisierung von Biogas- & Biomethan-BHKW Anzahl Biogas-BHKW, [n] install. el. Leistung Biomethan-BHKW, [MWel] Anzahl Biomethan-BHKW, [n] install. el. Leistung Biogas-BHKW, [MWel] DBFZ: Abrechnungsdaten auf Basis des Anlagenregisters, der BNetzA und ÜNB vs. IEE: Meldungen im Anlagenregister der BNetzA (ggf. mit Dopplungen) Diskrepanz Inanspruchnahme und Anmeldung Σ Biogas-BHKW n = Σ Biomethan-BHKW n = 342 9/2018: mehr als 80% in Direktvermarktung, davon: Anlagen (Biogas+Biomethan) mit Flexprämie, ca. 2,02 GWel DBFZ 08/2018 Standorte Flex-BHKW überwiegend in Bayern (rd. 37%), Niedersachsen (rd. 22%) und NRW (11%) Quelle: DBFZ auf der Basis der jährlichen Stromerzeugung nach BNetzA , monatlichen Berichten zur Direktvermarktung der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien der Übertragungsnetzbetreiber für die Jahre mit Stand 09/2018, sowie Daten des Anlagenregisters der BNetzA zum Stand 08/2018 6

7 Technische Grenzen der Flexibilisierung 7

8 Was bestimmt die Grenzen der Flexibilität? Beschickung Biogasproduktion Gasspeicher Gasverwertung Dimensionierung Komponenten, Regeltechnik Quelle: DBFZ,

9 Flexibilisierung technische Fragestellungen Flexibilität des Gesamtprozesses insbesondere: Biologie: präzise Regelung der Gasproduktionsrate bei hoher Prozessstabilität Gasspeichersystem: verlustfreier Betrieb mit präziser Prognose und Messung der Füllstände 9

10 Warum flexibilisieren? Erhöhung Nutzungsgrad von Wärme und Strom Netzstabilisierung Netzauslastung Preisorientierung Betriebsoptimierung (z.b. bei Wartungen) Strom aus Biomasse muss langfristig in flexiblen Konzepten mit hoher Wärmenutzung und THG Einsparungen erzeugt werden 10

11 Flexibilisierung - betroffene Anlagenteile Quelle: DBFZ, 2014 Prozess bzw. Medium Flexibilität bzw. Speicherbarkeit Regelenergie Tageslastkurven Wochenlastgänge saisonale Bedarfe Substrat Gas Fermenter Gasspeicher Verstromung im BHKW Strom Wärme Gaskonditionierung Gaskonditionierung Substrat Fermentation Hochflexibel Einsetzbar, Lagerbarkeit > 1Jahr (außer Entsorgung), kurzfristiger Einsatz bisher zum Ausregeln von Produktionsschwankungen mit dem Ziel gleichförmiger Produktion Saisonal ja, erste Erfahrungen Praxis Hochflexibel, bisher jedoch Bildquelle: nur für wenige eigene DBFZ????????? Regelereignisse am Tag als vertretbar angesehen, Gas Speicherbar, inert, Hochflexibel einsetzbar Gasspeicherung Verstromung Hochflexibel, Kapazitätsbegrenzung, Füllstandsbestimmung optimierbar/kritisch Relativ flexibel, abhängig von Gasqualität und notwendigem Aufwand, aktuell kapazitätsbegrenzt, einfach ausbaufähig (+) kapazitätsbegrenzt (+) Strom Nicht speicherbar Wärme Bedingt speicherbar, abhängig von Nutzungsart, Speichertechnologie ausbaufähig + + (0) - 11

12 Gasspeicher Messtechnik für eine genaue Bestimmung des Füllstandes vor allem außerhalb der Grenzbereiche oft nicht geeignet Flexibilität der Gasmembranen begrenzt Gasleitungen für schnellen Gasaustausch ertüchtigen Quelle: Stur et al Gasmanagement um Verluste zu minimieren 12

13 Vorstellung Forschungsvorhaben GAZELLE 13

14 Grunddaten Forschungsvorhaben GAZELLE Erweiterung existierender und Entwicklung neuer Optimierungsansätze für Biogasanlagen die technische und ökonomische Parameter vereinen. Gefördert durch: Freistaat Sachsen und Europäischer Fonds für regionale Entwicklung Projektdauer: Budget: 1 Million Projektteam: Eric Mauky, Tino Barchmann, Nadja Rensberg, Ulf Müller, Sören Weinrich, Martin Dotzauer, Mathias Stur, Christian Krebs, Jörg Kretzschmar 14

15 Projektziel GAZELLE Im Projekt GAZELLE soll durch die optimale Kombination von Substratmanagement, Substrataufschluss und Anlagenüberwachung eine größtmögliche Steigerung der Flexibilität und Effizienz von bestehenden Biogasanlagen erzielt werden. 15

16 AP 1 - Betreiberbefragung Jährliche Betreiberbefragung DBFZ (schriftlicher Fragebogen) Durchführung Befragung im März/April 2017 Versand an Biogasanlagen in Deutschland rd. 81% des Anlagenbestandes davon 266 sächs. Biogasanlagen ergänzender Fragebogen zu projektspezifischen Fragestellungen Bezugsebene: PLZ 16

17 AP1 Anlagenbestand Biogas Substrate Substratinput landwirtschaftliche Biogasanlagen Deutschland Sachsen 0,2 0,4 43,7 56,1 NawaRo Exkremente ind./ gewerbl./ landw. Reststoffe 74,5 25,1 NawaRo Exkremente ind./ gewerbl./ landw. Reststoffe n=925 DBFZ 02/2017 n=52 DBFZ 02/2017 Betreiberbefragung DBFZ 2015, 2016; Bezugsjahr 2014, 2015 Substratmix landw. Biogasanlagen: Verteilung Substratmix in Biogasanlagen [%] ind./ gewerbl./ NawaRo Exkremente landw. Reststoffe Deutschland 61,9 37,9 0,1 Sachsen 39,7 59,9 0,4 17

18 Zeitfenster für die Flexibilisierung Vergütungsdauer (21 Jahre) Flexprämie (10 Jahre) Zeitfenster Quelle: Dotzauer,

19 Flexibilisierung Modellbasierte Regelung Model Predictive Control (MPC) Schematisches Funktionsbeispiel: Systemantwort im Zeitbereich Stellgröße Vorhersage Systemantwort Sollwert Vergangenheit Heute Zukunft 19

20 Flexibilisierung Fütterungsmanagement Flexibles Substratmanagement Optimierte Substratzufuhr für bedarfsorientierte Biogasproduktion konstante Substratzufuhr Gasproduktion Gasspeicher Energiebedarf Substratzufuhr Zeit Gasspeicherreduzierung durch flexiblen Substrateinsatz flexible Substratzufuhr Gasproduktion Gasspeicher Energiebedarf Substratzufuhr Zeit 20

21 Ökonomie Zielstellung Evaluierung der Rentabilität aus Betreibersicht für Flexibilisierungs- und Erweiterungsmaßnahmen bei ausgewählten sächsischen Bestandsbiogasanlagen Konkret: Orientierung zur Bedeutung unterschiedlicher Technologien und Betriebskonzepte im zukünftigen Versorgungssystem Hilfe bei der Suche nach neuen Geschäftsmodellen Verdeutlichung, in welchem Umfang sich Erlöse und Kosten bei unterschiedlich starken Veränderungen des Anlagenbetriebs verhalten 21

22 Ökonomie Wissenschaftliche Fragestellungen Anlagenmodell zur Abbildung flexibler Stromerzeugung Ist eine Amortisation zusätzlicher Investitionsaufwendungen für die Flexibilisierung oder Erweiterung der ausgewählten Beispielanlagen zu erwarten? Wie kann die in der Praxis sehr komplexe und heterogene Struktur von Biogasanlagen in geeigneter Weise abstrahiert werden? Welche Aspekte sind im Kontext der Anlagenflexibilisierung relevant? Wie können relevante Aspekte in eine passende Bewertungsmethodik übersetzt werden? 22

23 Ökonomie BioFlex-Werkzeugsammlung Anlagenmodell zur Abbildung flexibler Stromerzeugung Weiterentwicklung der Methodik aus bestehenden Projekten Schnelle, standardisierte Berechnungsmethode Durch modularen Aufbau leicht auf jeweilige Fragestellung anpassbar Quelle: DBFZ

24 Ökonomie BioFlex-Werkzeugsammlung Notwendiger Anpassungsbedarf Strompreisoptimierte Fahrweise nach EPEX mit den Nebenbedingungen Statische Sperrzeiten (z. B. 22 bis 6 Uhr) Begrenzung der maximalen Startvorgänge BHKW Mindestlaufzeit BHKW Mindestruhezeiten Berücksichtigung der Gasspeicherkapazitäten Implementierung der Wochenendabsenkung zur Erlösoptimierung (flexible Gasproduktion) Quelle: DBFZ

25 Fazit und Ausblick 25

26 Zusammenfassung Für unterschiedliche Märkte sind unterschiedliche Qualitäten von Flexibilität erforderlich Gesamtkette definiert Grenzen der Anlagen hinsichtlich Flexibilität Fütterungsmanagement kann Gasspeicherbedarf ersetzen Heute Flexibilisierungskonzepte im Bereich EPEX-SDL-Märkte verbreitet Flex-Konzepte mit Berücksichtigung der Wärmeseite erforderlich Ausblick Stärkere Konvergenz von Strom-Wärmemärkten Optimierung von Betriebskonzepten für Biogasanlagen bspw. durch weitere Optimierung der bedarfsgerechten Gaserzeugung und verbesserten Integration in Strom- und Wärmemärkte 26

27 Ausblick Nächstes Biogas-Fachgespräch zum Projekt GAZELLE: Thema: Biogas auf den Sprung flexibel und zukunftsorientiert! Datum / Uhrzeit : 6. Februar 2019 / 12:30 17 Uhr Ort: Nossen, LfULG (Sachsen) DBFZ DBFZ LfULG 27

28 Smart Bioenergy Innovationen für eine nachhaltige Zukunft Wir laden Sie ein! Ansprechpartner M. Sc. Tino Barchmann Tel.: +49 (0) DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Tel.: +49 (0)