RegModHarz-Forschung praktisch. Die FlexAnalyse für Biogas-BHKW für bedarfsorientierte Stromeinspeisung
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- Kilian Hofmeister
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1 RegModHarz-Forschung praktisch. Die FlexAnalyse für Biogas-BHKW für bedarfsorientierte Stromeinspeisung Betreiberschulung PlanET Biogastechnik GmbH Ahaus Dipl.-Oec. Uwe Welteke-Fabricius Seite 1
2 CUBE Engineering GmbH über 20 Jahre Erfahrung in Windenergie und Photovoltaik Unabhängiges + Internationales akkreditiertes Ingenieurbüro Niederlassungen: Kassel (Hauptsitz), Hannover und Hamburg enge Kooperation mir EMD (Softwarehersteller) Beratungs- und Ing.-Leistungen für Planung, Genehmigung, Umsetzung und Betrieb von EE > 65 Mitarbeiter > Projekte > 15 GW inst. Leistung bereits ca. 20 FlexAnalysen Forschungsprojekte: - RegModHarz - Kombikraftwerk 2 Standortsuche Windmessung Windgutachten Genehmigungen Umweltgutachten Projektmanagement Wirtschaftlichkeit Ausschreibung Vergabe Bauvorbereitung Überwachung Aufbau Inbetriebnahme Betriebsführung Seite 2 2
3 Entwicklung dezentraler Erzeugungsstruktur in DK Status DK 2008 Maximale Lastspitze: Großkraftwerke: Windenergieanlagen: Verteilte KWK Anlagen: Gesamte Leistung MW MW MW MW 8.200MW Historisches Drei-Tarif-System EMD
4 Die Projektpartner von RegModHarz CUBE/in.power Konsortialtreffen Halberstadt Seite 4 Seite 4
5 Ergebnis: flexible KWK-Anlagen sind der Schlüssel zur erfolgreichen Energiewende Die Energiewende ist nur mit flexibilisierten BHKWs erfolgreich! Schneller Start (Warmstart 5 Minuten bis hunderte von MW) Kapazitäten gut erschließbar (hohes bestehendes Potenzial: GW) Günstiger und höhere Akzeptanz als elektrische Speicher (Pumpspeicher, Batterie) Hocheffizient P2G Gasspeicher Seite 5 5
6 Zusammenfassung: Bedarfssituation Flexibilisierung lohnt sich für (fast) jede Biogasanlage, besonders bei: Wechsel in die Direktvermarktung Erstmalige Beantragung Flexibilitätsprämie (Beginn 10-Jahres-Frist) neue gasdichte Abdeckung Gärrestlager Ersatzinvestitionen in BHKW, Änderungen der Biogasanlage wenn die Wirtschaftlichkeit verbessert werden soll Seite 6
7 Zusammenfassung: Nutzen für Betreiber Die Direktvermarktung generiert zusätzliche Erträge Die Flexprämie finanziert ein geschenktes großes BHKW Der flexible Fahrplanbetrieb bringt EPEX-Mehrerlöse Größere BHKW haben geringere Betriebskosten höherer Wirkungsgrad mehr Energieausbeute geringere spezifische Kapitalkosten geringere Wartungskosten Verlängerte BHKW-Lebensdauer durch kürzere Betriebszeit Durch Flexibilisierung werden Biogasanlagen und Biomethan-BHKW deutlich wirtschaftlicher! Seite 7
8 Zusammenfassung: Einwände? Betreiber möchte nicht fremdgesteuert werden bei Regelenergie steuert der Händler Im Fahrplanbetrieb bestimmt der Betreiber den Fahrplan Genehmigung Biogasanlage Privilegierung für Landwirtschaft limitiert auf max. 2 MW FWL Gesetz (BauGB) 35 ist geändert. Jahresmenge gilt! BHKW verschleißen durch Intervallbetrieb Deshalb: Warmhaltung, Startprogramm, Vorlaufzeit > 12 Std. Netzverträglichkeit reicht nicht Netze werden durch Flex entlastet, da Einspeisung nur bei Strommangel Gasspeicher, Wärmespeicher zu klein Stimmt! Aber: Auch Speichererweiterung wird mit Flexprämie finanziert EPEX-Börsenerlöse sind spekulativ Fahrpläne kommen als Service, Ertragsgarantie möglich Investitionen auf EEG-Grundlage ist unsicher BMU Altmaier: Idee des Bestandseingriffs war ein Fehler Seite 8
9 Was macht die FlexAnalyse für die Betreiber: Seite 9
10 Zusammenfassung: Was tun? Einstieg: Direktvermarktung Stromhändler auswählen ggf. Regelenergie anbieten Guter Rat ist nicht teuer! optimale Anlagenkonfiguration ermitteln CUBE Engineering FlexAnalyse: Tel Netzverträglichkeitsprüfung beantragen (Netzbetreiber) Finanzierung klären Planer, GU beauftragen Investitionen in Gang setzen FlexPrämie anmelden: Rechtsanspruch nach EEG 2012 Seite 10
11 Direktvermarktung nach EEG 2012 Markterlös über den Stromhändler von der Strombörse EPEX Marktprämie (inkl. Managementprämie, zuzügl. Flexprämie) vom Netzbetreiber EPEX Seite 11
12 Ertragspotenzial (1) Markt + Managementprämie Die Marktprämie deckt die Differenz zwischen Markterlös (Monatsmittelwert EPEX-Spot SE in Leipzig) und EEG-Vergütung Die Marktprämie wird monatlich nach aktuellen Preisen ermittelt = der bisherige Erlös ist weiter gewährleistet Seite 12
13 Ertragspotenzial (2): Regelleistung Bei Dauerbetrieb: Leistungspreis für die Bereitschaft zur Abregelung: negative Minutenreserveleistung MRL oder Sekundärregelleistung SRL Geringe Investitionen ( e-box, Next-Box ), schneller ROI! Teillastbetrieb (für SRL) nicht effizient wg. Wirkungsgradverlusten Der Markt ist begrenzt (Preisverfall wahrscheinlich) (Bild: Clean Energy Sourcing 2012) Seite 13
14 Ertragspotenzial (2): Regelleistung 2012 Regelleistung Leistungspreise Übersicht über die Potenziale SRL/MRL (2012) Betriebsweise Leistungserlös T /MW Erlöspotenzial im Dauerbetrieb Erlöspotenzial im Flexbetrieb pos. MRL < 5 nein Arbeitserlös neg. MRL 27 ja gering pos. SRL HT (8 20 Uhr) 5,5 pos. SRL NT (20 8 Uhr) 16,5 nein nur bei Teillastbetrieb möglich neg. SRL HT 30 max. 100% Flex ja neg. SRL NT 75 Nein EPEX-Zusatzerlöse 100 nein Ja Seite 14
15 Bestehende Biogasanlage: Volllast Seite 15
16 Flexibilität = BGA + Gasspeicher + BHKW Seite 16
17 Biogasanlage: Repowering für bedarfsorientierte Einspeisung mehr BHKW-Leistung: Biogasspeicher Gasstrecke, Gaskühlung Trafo und Netz Wärmeeinbindung Fermenterheizung Platz: im Maschinenhaus? Containeraufstellung? Investition Genehmigung Netzanschluss Seite 17
18 Ertragspotenzial (3) Flexprämie EEG in Formeln (min.) P Bemessung > 0,2 x P inst x 5 = P Bemessung x 5 > P inst (max.) = wenn (P inst > P Bemessung x 5), dann keine Flexprämie EEG im Effekt: die FlexPrämie endet nicht bei verdoppelter Leistung! Größere BHKW sind spezifisch günstiger, daher: entschlossene Flexibilisierung lohnt sich! * Zusatzleistung (Biogas): installierte Leistung (Bemessungsleistung x 1,1) * Zusatzleistung (Biomethan): installierte Leistung (Bemessungsleistung x 1,6) ** Installierte Leistung: maximale Einspeiseleistung (Umweltgutachter) *** Bemessungsleistung: Jahresarbeit./. Jahresstunden (= durchschnittliche Leistung) Seite 18
19 Ertragspotenzial (3) Flexprämie FlexPrämie wird für nicht genutzte BHKW-Leistung gezahlt: 10 Jahre x 130 je kw Zusatzleistung* oder 10 Jahre x 130 je kw x installierte Leistung** x 0,5 (wenn Zusatzleistung > installierte Leistung x 0,5) max. installierte Leistung ist das 5-fache der Bemessungsleistung*** Seite 19
20 Ertragspotenzial (3) Flexprämie für Biogas Der CUBE-Flexprämienrechner Flexibilitätsprämie bei Biogas-BHKW installiert jährliche Flexibilitätsprämie ZusatzleistunFlexprämie/aFlexprämie/a für Biogas-BHKW installierte Leistung [kw] [kw] [kw] kw berechtig Betriebsstunden Bh/a 771 Jahresarbeit MWh/a Bemessungsleistung 700 [kw] (grüne Linie) PB em Korrekturfaktor Biogas 1, Flexprämie ab 771 [kw] (grüne Linie) max. installierte Leistung [kw] (schwarze Linie) Flexibilitätsprämie 130 je kw pro Jahr maximale Flexprämie pro Jahr P Zusatz > Bemessungsl. > 0,2 * installierte Leistung (bis schwarze Linie) Zusatzleistung < 0,5 * installierte Leistung (rote Linie) installierte Leistung BHKW (kw) Grafik: CUBE Engineering P max Seite 20
21 EPEX day ahead Fahrplanbetrieb: Angebot auf der Strombörse EPEX Einsatzplanung bis 9:00 Uhr am Vortag -> Stromhändler Spotmarkt hat nichts mit Regelenergie zu tun! zugelassene Stromhändler platzieren an der Börse Angebotspreis 0 Zuschlag sicher außer bei negativen Strompreisen Tatsächlicher Erlös nach merit order der höchste Preis gilt für alle Ziel: vorher wissen, wann kann/muss ich produzieren genug Gas im Speicher? Noch Speicher verfügbar? Wärme Speicherstand? Bedarf? Verwertung? wann wird der höchste Strompreis bezahlt Bedarfsspitzen nach Tages-/Wochenzeit Kraftwerkspark, Havarien Sonneneinstrahlung, Windstärke Seite 21
22 Ertragspotenzial (4): höhere Spotmarkterlöse Grundlage der flexiblen Einspeisung: gleiche Biogas- und Strommenge wie beim Dauerbetrieb Stillstand bei niedrigen Erlösen, vielfache Leistung bei hohen Erlösen Höherer Ertrag als bei Dauerbetrieb! Seite 22
23 Ertragspotenzial (4) BHKW 500 kw im Dauerbetrieb Seite 23
24 Ertragspotenzial (4) BHKW mit 500 kw + 2 MW im FlexBetrieb Seite 24
25 Ertragspotenzial (4) BHKW mit 500 kw + 2 MW im FlexBetrieb mit doppeltem Speicher (7.200 m³) Seite 25
26 Ertragspotential (4) EPEX Zusatzerlöse ca /Jahr/MW bei Standardfahrplan bei optimalem Fahrplan bis zu 50 % mehr (CUBE Flex-TOP, ab Juli 2013): 12 EPEX Zusatzerlöse bei unterschiedlicher Laufzeit/Tag 10 Zusatzerlös in /MWh y = 0,0008x 3 + 0,015x 2 0,5358x + 11, Seite 26
27 Ertragspotenzial (4) EPEX-Preisspread wächst wieder EPEX-Preis: Abweichung vom Mittel /MWh % 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% Quantilsgrenzen 90% Seite 27
28 Weitere Ertragspotenziale (5) (8) 1. Marktprämie garantiert EEG-Erlösniveau 2. Regelenergie (neg.) im Dauerbetrieb Regelenergie (pos.) im Flexbetrieb ist geringer 3. Flexibilitätsprämie deckt Investitionen in zusätzliches BHKW! 4. EPEX-Zusatzerlöse können > 1 Ct/kWh bringen (wachsend) 5. Zusatz-BHKW bringt 100 % Biogasverwertung, größere BHKW- Verfügbarkeit bringt ca. 1 3 % zusätzliche Stromerzeugung 6. Neues, großes BHKW bringt Wirkungsgradgewinn ( %) 7. Das Flex-BHKW altert langsamer: Bh/a! = stille Reserven 8. Größeres BHKW hat geringere spezifische Wartungskosten (wird wg. erhöhte Wartungskosten bei häufigen Starts nicht berechnet) Seite 28
29 Ertragspotenziale Übersicht abhängig von der Leistung des (Zusatz-)BHKW Erlösveränderung bei einer 220 kw BGA Leistungspreis SRL Managementprämie Flexprämie EPEX-Zusatzerlöse Wirkungsgrad Verfügbarkeit Stromerlös Referenz 0 p.a. EEG- Fest Marktprämie 210 kw 400 kw 600 kw 800 kw Zusatz-BHKW Seite 29
30 Intervallbetrieb Anforderungen Start 12 Stunden vorgeplant, auf Wunsch ferngesteuert Startvorgänge pro Jahr zusätzlich nur noch > Betriebsstunden pro Jahr Motorschonende Maßnahmen: Warmhaltung bei Ruhe (60 C aus Wärmespeicher) Automatisches Startprogramm Gasaustausch durch Bypass (Problem: Satellit) Druckschmierung vor Start Anlauframpe (kurz, wg. Gasverlust, Ausgleichsenergie) Seite 30
31 Wärmebedarf Fermenter Simulierung des Temperaturverhaltens im Fermenter Abkühlung durch Transmissionswärmverluste Abkühlung durch Fütterung (Gülle!) Erwärmung durch bakterielle Eigenwärme Ermittlung des passenden Wärmepufferspeichers Beispiel: BHKW 252 kw mit Zusatz-BHKW 400 kw, Winterwoche Seite 31
32 Fahrplanbetrieb Gasspeicher für BHKW-Ruhezeit Wärmespeicher abhängig von Redundanzheizung Fermenterabkühlung bei nawaro: unkritisch (je nach Fermentergröße!) Gülle: kritisch Puffer notwendig simulierte Temperatur im Fermenter am Beispiel nawaro-anlage großer Fermenter, starke Flexibilisierung, Winterwoche: Abkühlung in Ruhezeiten des BHKW bis zu 0,2 C. (Höhe der y-achse entspricht 0,5 C) Seite 32
33 Was fehlt? Die Optionen des EEG 2012 wurden bisher kaum angenommen Die Erlösquellen sind vielfältig und unübersichtlich EPEX-Erlöse nur in ganzjährigen Simulationen kalkulierbar Die richtige Konfiguration braucht externe Berater Dafür sind die Forschungsergebnisse aus RegModHarz jetzt für Anlagenbetreiber kostengünstig verfügbar: in der FlexAnalyse Seite 33
34 Rechtssicherheit? FlexPrämie ist sicher? für 10 Jahre ab erstmaliger Beantragung installierte Leistung Anlagenbegriff? BMU: jeder Standort wird einzeln betrachtet EEG-Vergütung: welches Inbetriebnahmedatum gilt? Biogasanlage: die bisherige EEG-Vergütung bleibt. Ein neues Flex-BHKW bewirkt keine neue Inbetriebnahme Satelliten-BHKW: offen und unklar. Eine neues Flex-BHKW wird nach EEG 2012 vergütet der Netzbetreiber muss antworten Seite 34
35 Komplexe Rahmenbedingungen Gasspeicher: Reichweite? Erweiterung nach Wirtschaftlichkeit Baugenehmigung im BImSchG-Verfahren ab 1 MW FWL oder m³ Gasspeicher Landwirtschaftliche Privilegierung bis 2,3 Mio m³/a Biogas = 1,2 Mio m³ CH 4 = 12 Mio. kwh = 4,8 MWh/a = 550 kw Bemessungsleistung - im Jahresdurchschnitt Die alte Grenze: kw FWL ist gefallen! Elektrische Leistungsaufnahme am Einspeisepunkt? Vorrang EE + Entlastung durch flexible Einspeisung! Optimierte Konfiguration? FlexAnalyse von CUBE Engineering Seite 35
36 BHKW in der Direktvermarktung: Neue Fragen an die Auslegung von Anlagen: Wie groß ist die optimale Leistung des BHKW? Wie groß ist der optimale Wärmepufferspeicher? Laufzeit: Speicherung Wärme vom BHKW Auszeit: Versorgung aus Pufferspeicher oder Redundanzheizung Aufgabe: Spotmarktpreise schwanken nach Windstärke (saisonal unterschiedlich) -> für Optimierung der Konfiguration müssen ganzjährige Simulationen durchgespielt werden! Dienstleister: CUBE Engineering ( Seite 36
37 Simulationen Biogasanlagen Verschiedene BHKW-Leistungsgrößen: Netzverträglichkeit Flexprämie vs. Investitionskosten Wartungskosten und Wirkungsgrad Biogas-Speichervarianten bestehender Speicher, Nutzung Gärrestlager Verschiedene Speichervolumen (1/3-, Kugelschnitt) Optimierung in Zwischenschritten Wärmespeicher Fermenter Einfluss auf Fermentertemperatur Wärmespeicher Wärmenetz optimale Wärmenutzung, Speichergröße Seite 37
38 Beispiel Konfiguration - Bestand Fallbeispiel 1: Wirtschaftlichkeit Flexibilisierung Biogasanlage Übersicht: Referenz Seite 38
39 Beispiel Konfiguration - Varianten Fallbeispiel 1: Wirtschaftlichkeit Flexibilisierung Biogasanlage Aufgabe: optimale Konfiguration für die Flexibilisierung Biogasspeicher m³ Wärmespeicher m 3 BHKW kw Seite 39
40 Fahrplan: optimiert Ziel: Börsenoptimum Stündliche Variablen: EPEX-Preisprognose Wärmebedarfe (Außentemperaturabhängig) Wärmespeicherbeladung Fermenter (Transmission, Futter, bakterielle Wärme) Nahwärmenetze oder andere Wärmenutzung (Trocknung) BHKW Strom, Wärme, Wirkungsgrad Startkosten: Wartung, Zündöl, Anfahrrampe Biogasspeicher Jahresmenge Biogas Seite 40
41 BHKW-Varianten (Bestand: 220 kw) Variante A B C D Zusatz BHKW Zusatzleistung [kw] installierte Leistung [kw] Bemessungsleistung [kw] Flexibilitätsfaktor 100% 167% 254% 339% Zusatzleistung für FlexPrämie [kw] Wirkungsgrad el. 39,6% 42,8% 42,7% 42,8% Seite 41
42 Erlösverbesserungen Variante A B C D Zusatz BHKW [kwh] Flexbilitätsprämie Managementprämie Marktprämie EPEX Summe Betriebliche Einnahmen Seite 42
43 Erlösverbesserungen Variante A B C D Erlösveränderung davon Managementprämie davon durch Verfügbarkeit davon durch Wirkungsgrad davon EPEX Zusatzerlös davon FlexPrämie Seite 43
44 Kostenveränderungen Variante A B C D Investition [ ] Annuität Investition Summe [ /a] Stromhandel Intervallbetrieb Kostenveränderung Seite 44
45 Ergebnis Variante A B C D Zusatz BHKW Erlösveränderung Kostenveränderung Betriebsergebnis Cash Flow ROI in % der Investition 26,7% 39,2% 34,3% 30,0% Amortisationszeit in Jahren 3,8 2,6 2,9 3,3 Seite 45
46 Optimierung Gasspeicher (Beispiel) Speicheroptimierung Volumen Erlös Ist Grenzerlös Ist Erlösveränderung [m³] Cash Flow nach Speichergröße 8.000, , , , , , , ,0 0, Speichervolumen [m³] Erlösverbesserung Grenzertrag Seite 46
47 Beispiel eines Anlagenfahrplans kw Beispiel: BHKW 252 kw mit Zusatz-BHKW 400 kw, Winterwoche Seite 47
48 Beispiel eines Anlagenfahrplans kw Beispiel: BHKW 252 kw mit Zusatz BHKW 800 kw, Winterwoche. Seite 48
49 Weitere Aufwand/Nutzen Höherer Wirkungsgrad des BHKW: mehr Stromerzeugung - Mehr Starts des BHKW Trotzdem: weniger Betriebsstunden p.a. = längere Lebensdauer des BHKW = nicht abgenutzte BHKW nach Abschreibung = stille Reserven durch BHKW Keine Verluste mehr bei Gasübermengen (Redundanz durch BHKW statt durch Notfackel) Ausweitung BGA-Kapazität möglich Seite 49
50 CUBE Dienstleistungen für Biogas und Biomethananlagen 1. FlexAnalyse, Varianten Berechnung: Modellierung optimale Konfiguration der Anlage BHKW Größe Biogasspeicher Wärmespeicher Gutachten 2. Flexgutachten: Bankfähiges Gutachten Angebote Hersteller Netzanschluss 3. FlexTOP, Optimaler täglicher Fahrplan, Einsatzoptimierung für den tägl. Betrieb (Wärmeprognose, Preisprognose) Seite 50 50
51 Täglicher Fahrplan flexibilisierte Biogasanlage Seite 51 51
52 CUBE FlexTOP: Täglich Optimierter Plan auf der Basis professioneller Prognosen (EPEX-Spot, Wetter) Für die spezielle Anlagenkonfiguration optimiert Seite 52
53 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 3 Contact: P.Ritter@cube-engineering.com J.Franke@cube-engineering.com U.Welteke-Fabricius@cube-engineering.com Seite 53
CUBE Engineering GmbH. Bedarfsorientierte Stromerzeugung in Biogasanlagen - Anforderungen und Ertragspotenziale. Biogas-Fachtagung Thüringen, 1/2014
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