Zukunftsperspektive Regelenergie: Die Flexibilisierung von Klärgas-BHKW s zur Integration in den Strommarkt eine wirtschaftliche Option?

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1 Zukunftsperspektive Regelenergie: Die Flexibilisierung von Klärgas-BHKW s zur Integration in den Strommarkt eine wirtschaftliche Option? Tagung: Von Klärschlammvergärung bis Regelenergie - Zukunftsperspektiven für kommunale Abwasserreinigungsanlagen Dipl.-oec. Uwe Welteke-Fabricius Seite 1 Zusammenfassung Die Energiewende ist erfolgreich in Gang gekommen und spart nachweislich auch Geld. Die Stromkosten sinken und bringen die konventionelle Kraftwerkswirtschaft in Bedrängnis. Nach Abschaltung weiterer konventioneller Kapazitäten muss die Versorgung gesichert bleiben. In Zukunft besteht meist ein günstiges Angebot von Strom aus Wind oder Sonne. Grundlast ist nicht mehr gefragt. Die Flexibilität kann in hohem Maß von bestehenden regenerativen Gasen bereitgestellt werden. KWK-Strom, auch aus Klärgas, kann auf die Bereitstellung der Residuallastspitzen ausgelegt werden. Dafür muss die installierte Leistung vergrößert, sowie Gas- und Wärmespeicher für täglich einige Stunden Stillstand bereit gestellt werden. Leider gibt es für Klärgas-BHKW im EEG keine Flexibilitätsprämie. Die in Spitzenzeiten erzielte Zusatzerlöse am Spotmarkt allein sind kein ausreichender Investitionsanreiz. Die ökonomischen Effekte addieren sich: die spezifisch Umwandlungskosten von Klärgas in Strom und Wärme sinken mit größeren BHKW, die Lebensdauer erstreckt sich auf einen längeren Zeitraum. Die Mehrinvestitionen in Zusatzleistung sind gering (Grenzkosten), die Zinsen langfristiger Investition aktuell niedrig. Die Flexibilisierung ist nahe an der Rentabilität. Dennoch wäre die Flexibilitätsprämie als Anreiz auch für Klärgasstandorte sinnvoll, notfalls durch Landesprogramme. Die herausragende Schwarzstartfähigkeit der Klärgas-BHKW kann dafür eine katastrophenfeste Stromversorgung für die öffentliche Daseinsvorsorge anbieten. Seite 2 1

2 Klärgasanlagen Die Tagung zeigt viele gute Beispiele für Energieeffizienz Beispiele für beginnende Integration in den Strommarkt Jetzt: Rollenfindung in der Energiewende! Strompreis ist Führungsgröße für die bedarfsgerechte Stromeinspeisung, deshalb ist die Direktvermarktung sinnvoll Dezentrale BHKW sind eine verfügbare, günstige, vielseitige und erneuerbare Flexibilitätsoption Klärgas (und auch anderes Biogas) in KWK ist der ideale Sicherheitsgurt der Energiewende Seite 3 Energiewende im Strommarkt: fee brauchen eine regelbare Ergänzung Wind und Sonne liefern zu viel, oder zu wenig Strom Quelle: Stadtwerke Wolfhagen Seite 4 2

3 Aktuelle Herausforderung: Energieökonomie völlig neu denken Die Energiewende mag teuer erscheinen (am Anfang) Das Gegenteil ist wahr! (Strompreis ist gesunken!) An immer mehr Stunden bekommen wir Strom im Überfluss, er ist nichts wert = keine Grenzkosten Der übrige Bedarf (Residuallast) muss sicher gedeckt werden in Zukunft ohne Kohle und Kernkraft hat immer weniger Betriebsstunden Muss im energy-only-markt bestehen Das kann am Besten: die Zusatzleistung von dezentralen KWK-Anlagen! Seite 5 EPEX merit order Die Residuallast bestimmt den Preis: bei wenig EE Seite 6 3

4 EPEX merit order Die Residuallast bei hoher EE-Einspeisung: Strompreis sinkt Seite 7 Energiewende im Strommarkt EPEX-Preise spiegeln die Residuallast Die Direktvermarktung am Spotmarkt soll anreizen, steuerbare Anlagen gezielt an- oder abzuschalten Aus der Verlagerung der Klärgasproduktion in die Spitzenzeiten entstehen Einsparung beim Zukauf oder Erlöse bei Einspeisung Seite 8 4

5 Die flexible Klärgasverstromung Flexibilitätsarten nach Zeitmaßstab Wichtige Unterscheidung: Kurz: BHKW-Regelleistung (0,5 15 Minuten) = flinke Anpassung als Netzdienstleistung auf Abruf Mittel: Fahrplanbetrieb (Tagesrhythmus) BHKW mit mehr Leistung und Gasspeicherung Betrieb nach Spotmarktpreis day ahead planbare, bedarfsgerechte Lieferzeit am Folgetag Langfristig: Saisonale Flexibilität (im Winter mehr, im Sommer weniger Strombedarf) Für Klärgas nur über Power-to-Gas erreichbar Seite 9 Die flexible KWK-Anlage Achtung! Nicht jede Flexibilität ist Regelleistung! Regelenergie = Systemdienstleistung übernimmt die Nachsteuerung von Prognosefehlern Marktvolumen = 4 5 GW Leistung maximal (Preise volatil) ÜNB gleicht aus und ruft RL ab bei Über-/Unterspeisung bei steilen Lastgradienten Prognoseabweichungen: Minutenreserve, Sekundärregelung Frequenzschwankungen: Primärregelleistung Fahrplanbetrieb: bedarfsorientiert nach EPEX-Spotmarkt day ahead Marktplatz für Stromhandel Marktvolumen GW Leistung auch Terminkontrakte werden am Spotmarkt ausgeglichen day ahead-auktion ganze Stunden (Vortag 12 Uhr) day ahead Viertelstunden (2. Auktion Vortag 15 Uhr) Intraday (¼-Stundenhandel bis 45 Min. vor Lieferung) Seite 10 5

6 Strom-Handelsmärkte im Überblick Kurzfristige Flexibilität Mittelfristige Flexibilität Seite 11 Regelleistung Last./.Deckung: bei Abweichung = Regelleistung Unterspeisung: Positive Regelleistung Überspeisung: Negative Regelleistung Quelle: Seite 12 Std. 6

7 Regelleistung KWK im Regelleistungsmarkt geringe Investitionen in Steuerschnittstelle, Fernsteuerung negative MRL oder SRL: bei Dauer-Volllast Leistung reduzieren Erlös: Leistungspreis für die Bereitschaft zur Regelung Arbeitspreis für Abrufe: nur kurze Zeiten, geringe Mengen Starker Preisverfall positive RL bei Dauer-Ruhe oder Dauer-Teillast: Anlage hochfahren Warmhaltung, schnelle Reaktionszeit: BHKW können das Bisher: Regelleistung erfordert starren Fahrplan EPEX-Mindererlöse (Bild: Clean Energy Sourcing 2012) Seite 13 Regelleistung Entwicklung der Erlöspotenziale Summe mittlerer Leistungspreis negative Sekundärregelleistung /MW HT NT Summe mittlerer Leistungspreis positive Sekundärregelleistung /MW HT NT HT neg. NT neg. HT pos. NT pos. Seite 14 7

8 Fahrplanbetrieb nach Strompreis Betriebsweise nach EPEX Spotmarkt BHKW mit 500 kw + 2 MW im Flex-Betrieb mit Gasspeicher und Wärmepuffer Bedarfsorientierter Betrieb möglichst nur noch zur Hochpreiszeit Speicher: voll/leer im Tagesrhythmus Seite 15 Klärgasanlage: herkömmliche Betriebsweise nach Anfall Faulturm Faulturm Faulturm Klärgas konstanter Anfall (nach Feststoffanteil) BHKW BHKW BHKW BHKW s Dauerbetrieb, Modulare Teillast Eigenbedarf Wärmenutzung Nahwärmenetz Trocknung Betrieblicher Strombedarf Öffentliches Stromnetz Zukauf Residuallast Leistungspreis? Spotmarktpreis? selten: Rückspeisung zum Spotmarktpreis Regelleistung Seite 16 8

9 Die flexible Klärgasanlage für bedarfsorientierten Fahrplanbetrieb Faulturm Faulturm Faulturm Fermenter Zubau Flex-BHKW Mehr Leistung Start-Stopp-Betrieb (auch Bestands-BHKW) zus. Flex BHKW BHKW BHKW BHKW Wärmepuffer: Wärmeversorgung bei BHKW-Ruhe Wärmenutzung Nahwärmenetz Trocknung Betrieblicher Strombedarf Gasspeicher für BHKW - Ruhe voll - leer im Wechsel Strombezug/-einspeisung nach EPEX-Spotmarkt (Day Ahead) Regelleistung positiv bei BHKW-Ruhe Seite 17 Mehr BHKW Leistung nötig = Zusatzleistung zu Grenzkosten Größeres BHKW Trafo und Netzanschluss Gasspeicher für sauberes Gas Wärmepuffer + -einbindung Ggf. Netzanbindung Bei Einspeisung Für Regelleistung Investitionsrendite (bisher) geringe Zusatzerlöse keine Flexibilitätsprämie Finanzierung?! bei Neuinvestition Bei Ersatzbedarf! Seite 18 9

10 Der Preisteppich 2014 Fahrplan nach Bedarf: jeder Tag, jede Stunde ist anders. Volle Ertragspotenziale nur bei täglicher Fahrplanoptimierung Tagesstunden 1 24 Uhr Tag im Jahr Preise EPEX Spot day ahead Seite 19 Flexibilisieren lohnt sich Steigerung der Effizienz neue, größere Flex-BHKW haben höheren Wirkungsgrad Mehr Strom aus der gleichen Gasmenge Die spezifischen Investitionskosten sind geringer Spezifische Wartungskosten sinken Lebenserwartung wächst Seite 20 10

11 Geschäftsmodell: Zusatzleistung Voraussetzung Flexibilität durch Gasspeicher und ggf. Wärmepuffer Neubeschaffung eines BHKW Strategien nach Geschäftsmodell 1 bis 3 (folgend) Senkung der spezifischen BHKW-Kosten durch Überdimensionierung der installierten Leistung Effekte Geringe Grenzkosten je kw installierte Leistung Senkung der spezifischen Kosten je kwh Stromerzeugung Höherer Wirkungsgrad Niedrigere Wartungskosten Trade off mit Kosten Höhere Zinskosten Start und Warmhaltung im Intervallbetrieb Modulierung mit Teillast kostet Effizienz Seite 21 Geschäftsmodell 1: Peak shaving Voraussetzungen Netto-Strombezug, wechselnde Lasten für traditionelle Bezugsverträge Strategie BHKW-Betrieb systematisch an den eigenen Spitzenlasten ausrichten Effekt Effizienzsteigerung bei Klärgasverwertung im BHKW Senkung der Leistungspreiskomponente beim Strombezug Entlastung des vorgelagerten Stromlieferanten/Netzkosten Seite 22 11

12 Geschäftsmodell 2: Spotmarktorientierung Voraussetzungen Netto-Strombezug Strombeschaffung nach Börsenpreis Strategie Installierte Leistung auf Deckung des höchsten Eigenbedarfs auslegen Effekt Effizienzsteigerung bei Klärgasverwertung im BHKW Strombezugskostensenkung Bezug nur in Niedrigpreiszeiten volle Eigenbedarfsdeckung in Hochpreiszeiten Seite 23 Geschäftsmodell 3: Voraussetzung Netto-Stromüberschuss, wechselnde Lasten Strategie BHKW-Betrieb in Hochbedarfszeiten Einspeisung des Überschusses BHKW-Ruhe in Niedrigpreiszeit Achtung: Eigenstromnutzung ist bei aktuellen Rahmenbedingungen wirtschaftlicher als Einspeisung Effekt Erlösverbesserung für direkt vermarkteten BHKW-Strom Effizienzsteigerung bei Klärgasverwertung im BHKW Seite 24 12

13 Klärgas: Flexibilität für den Strommarkt erschließen Bei Reinigung mit Gärprozess Klärgas gewinnen Zusatz-BHKW (an Spitzenlast orientieren) Flexibilität durch Gasspeicher (nach Gastrocknung und -reinigung) Eigenbetrieb Stadtentwässerung Mannheim Seite 25 Beispiel Nürnberg Seite 26 13

14 Anforderungen der Zukunft Stoffströme nachhaltig gestalten Gärfähige Reststoffe in Biogas/Klärgasprozesse lenken Regeneratives Methan optimal ausnutzen: KWK maximale Wärme nutzen Wärmenutzung über Flexibilitäten optimieren nötigenfalls Pufferspeicher einsetzen Systemdienliche Stromerzeugung = BHKW größer wählen! Eigenstromerzeugung auf Lastspitzen konzentrieren Stromeinspeisung in Hochpreiszeiten des Tages BHKW ruhen bei viel Wind und Sonne im Netz Konfiguration in Simulationen optimieren von Jahresarbeit - Leistung zur dynamischen Betrachtung Seite 27 Potenziale heben mit Simulationen Zusatzerlöse können (nur) mit Hilfe von seriellen, ganzjährigen Simulationen in stündlicher Auflösung ermittelt werden! Optimierung der Konfiguration: BHKWs, Speicher, Fahrweise Berücksichtigung: Investition, Wirkungsgrade, Gasproduktion, Strombedarf, Wärmelasten, Spotmarkt, Kosten, Lebensdauer Analyse zuschussfähig als Feinanalysen zur Ermittlung der Einspar-/Eigenerzeugungspotentiale nach DWA-A 216? 70 % Zuschuss für Kosten bis Angebot für Energieagentur von CUBE Engineering: 5 Flex Analysen für Klärgas als Modellprojekt pauschal zu je MWSt.. Bei Interesse: Mail U.Welteke-Fabricius@cube-engineering.com Seite 28 14