CUBE Engineering GmbH. Bedarfsorientierte Stromerzeugung in Biogasanlagen - Anforderungen und Ertragspotenziale. Biogas-Fachtagung Thüringen, 1/2014

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1 RegModHarz-Forschung praktisch: Bedarfsorientierte Stromerzeugung in Biogasanlagen - Anforderungen und Ertragspotenziale Biogas-Fachtagung Thüringen, 1/2014 Erfurt, 20. März 2014 Dipl.-Oec. Uwe Welteke-Fabricius wcube w w FlexAnalyse. c u b e - e n g i n e e r i n g. c o m Seite 1 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 Entwicklung dezentraler Erzeugungsstruktur in DK Status DK 2008 Maximale Lastspitze: MW Großkraftwerke: MW Windenergieanlagen: MW Verteilte KWK Anlagen: MW Gesamte Leistung 8.200MW Historisches Drei-Tarif-System EMD CUBE: Forschung für die Energiewende RegModHarz (mit Fraunhofer IWES) Kombikraftwerk BioPower-to-Gas (Jühnde 2.0) CUBE/in.power Konsortialtreffen Halberstadt Seite 4 Seite 4

3 Ergebnis des Forschungsprojekts: flexible KWK-Anlagen sind der Schlüssel zur erfolgreichen Energiewende DieEnergiewendeistnurmitflexibilisiertenBHKWserfolgreich! SchnellerStart(Warmstart5MinutenbishundertevonMW) Kapazitätenguterschließbar(hohesbestehendesPotenzial:20 30GW) GünstigeralselektrischeSpeicher(Pumpspeicher,Batterie) Hocheffizient EinstieginPowertoGas Seite 5 5 Flexibilität: warum? Seite 6

4 Flexibilität: warum? GW 80 Fastkeine fossilenkraftwerke 2030GW fossilekraftwerke Stromnachfrage 60 Photovoltaik FossileKraftwerke 40 Wasser 20 WindOnshore/Offshore MoDiMiDoFrSaSo Biomasse AgoraEnergiewende(2012) Seite 7 Direktvermarktung nach EEG 2012 Markterlös über den Stromhändler von der Strombörse EPEX Marktprämie (inkl. Managementprämie, zuzügl. Flexprämie) vom Netzbetreiber EPEX Seite 8

5 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 9 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 10

6 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 11 Ertragspotenzial (2): Regelleistung Tendenz: uneinheitlich Seite 12

7 Bestehende Biogasanlage: Volllast Seite 13 Flexibilität = BGA + Gasspeicher + BHKW Seite 14

8 Biogasanlage: Repowering für bedarfsorientierte Einspeisung mehr BHKW-Leistung: Biogasspeicher Gasstrecke, Gaskühlung Trafo und Netz Wärmeeinbindung Fermenterheizung Platz: im Maschinenhaus? Containeraufstellung? Investition Genehmigung Netzanschluss Seite 15 Flexibilität nach EEG 2012 lohnt sich sehr! 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 16

9 Flexibilität nach EEG 2014 Abwrackprämie nach aktuellem Entwurf ( ) Keine Steigerung der Strommenge mehr über P HBem Keine Verlängerung der EEG-Laufzeit über 20 Jahre Flexprämie nur noch bei Verringerung der Biogasproduktion um % = Teilstillegung der Biogasstrecke 400 /kw pro Jahr für den Rest der Laufzeit Verzicht auf 8,5 MWh/kW pro Jahr bei 20 Ct/kWh = /kw lohnt sich bei Problemen mit der Gasstrecke (Fermenter zerstört) zu teuren Substraten (> 70 /to FM) Seite 17 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

10 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 Ertragspotenzial (3) Flexprämie für Biogas Der CUBE-Flexprämienrechner jährliche Flexibilitätsprämie für Biogas- BHKW installierte Leistung BHKW (kw) Grafik: CUBE Seite 20

11 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 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

12 Ertragspotenzial (4) BHKW 500 kw im Dauerbetrieb Seite 23 Ertragspotenzial (4) BHKW mit 500 kw + 2 MW im FlexBetrieb Seite 24

13 Ertragspotenzial (4) BHKW mit 500 kw + 2 MW im FlexBetrieb mit doppeltem Speicher (7.200 m³) Seite 25 Ertragspotenzial (4) EPEX-Preisspread wächst wieder EPEX-Preis: Abweichung vom Durchschnittspreis 60 /MWh Seite 26

14 Ertragspotenziale Übersicht 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 > 1,5 Ct/kWh bringen (wachsend) 5. BHKW-Verfügbarkeit: 100 % Biogasverwertung durch Zusatz- BHKW = ca. 1 3 % zusätzliche Stromerzeugung 6. Wirkungsgradgewinn: großes BHKW bringt +5 bis +15 % 7. stille Reserven: Flex-BHKW altern langsamer ( Bh/a) 8. Wartungskosten sinken bei größeren BHKW (kann bei häufigen Starts z.t. ausgeglichen werden) 9. Wärmenutzung: mehr KWK durch saisonales Fütterungsmanagement (weniger im Sommer, mehr im Winter) Seite 27 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 28

15 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 29 Komplexe Rahmenbedingungen Investition? lohnt sich, ist finanzierbar! Genehmigung nach Baurecht: Grenze für Gasmenge! BImSchG-Verfahren nötig! Netzverträglichkeit am Einspeisepunkt? Vorrang EE gilt bei Flex erst recht Entlastung durch flexible Einspeisung! Gasspeicher: Reichweite? Erweiterung nach Wirtschaftlichkeit ggfs. Störfallmanagement nötig (Störfallverordnung) Optimierte Konfiguration? FlexAnalyse von CUBE Engineering Seite 30

16 Neue Fragen an die Konfiguration der Biogasanlage BHKW und Speicher Verschiedene BHKW-Leistungsgrößen: Flexprämie vs. Investitionskosten Wartungskosten Wirkungsgrad Biogas-Speichervarianten bestehender Speicher, Nutzung Gärrestlager Verschiedene Speichervolumen (1/3-, Kugelschnitt) Optimierung Kosten/Nutzen (EPEX-Erlöse) Wärmespeicher Fermenter Einfluss auf Fermentertemperatur Wärmespeicher Wärmenetz optimale Wärmenutzung, Speichergröße Seite 31 Was macht die FlexAnalyse für die Betreiber: Seite 32

17 Beispiel Konfiguration - Varianten Wärmespeicher m 3 Biogasspeicher m³ BHKW kw Seite 33 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 34

18 BHKW-Varianten Variante A B C D E ZusatzBHKW[kW el ] Zusatzleistung[kW el ] installierteleistung[kw el ] Bemessungsleistung[kW el ] Wirkungsgradel. 39,7% 42,8% 42,7% 42,9% 42,6% Invest. mitgärrestlager! AnnuitätInvest[ /a] FlexPrämie[ /a] Seite 35 Ertragspotenziale Übersicht abhängig von der Leistung des (Zusatz-)BHKW Cent/kWh 7,00 ErlösveränderungnachUrsacheinCentproKilowattstunde 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 Verfügbarkeit Managementprämie EPEXZusatzerlös Wirkungsgrad FlexPrämie 1,00 0,00 A B C D E Variante Seite 36

19 Kostenveränderungen Variante A B C D E Zusatz BHKW Invest[ ] Gasspeicher Invest[ ] Wärmespeicher Invest[ ] Summe Investition[ ] Annuität Investition[ /a] Stromhandel Intervallbetrieb Summe betrieblicher Kosten Seite 37 Ergebnis 420 kw Bemessungsleistung T Annuität für Investition + 70 T Reingewinn p.a. ROI < 5 Jahre, Rendite < 20 % pro Jahr Variante A B C D E Zusatz BHKW Erlösveränderung Kostenveränderung Betriebsergebnis Seite 38

20 Optimierung Gasspeicher (Beispiel) Speicheroptimierung Volumen Erlös Ist Grenzerlös Ist Seite 39 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 als Obergrenze! 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 Seit Ende Oktober durch BGH geklärt: weiter Anlagenbegriff gilt, daher bei Zubau von einem Flex-BHKW bleibt es beim bisherigen EEG Seite 40

21 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 41 Zusammenfassung: Was tun? Einstieg: Direktvermarktung Stromhändler auswählen, ggf. Regelenergie anbieten FlexPrämie nach EEG 2012 sichern! Bis spätestens Ende Mai anmelden Umweltgutachten Flexibilität Im Juli: 10 % weniger Leistung fahren = Anspruch sichern In Ruhe die richtige Konfiguration realisieren: BHKW-Zubau, Speicher Dann höhere installierte Leistung nachmelden Leistung zu bauen: Netzverträglichkeitsprüfung beantragen (Netzbetreiber) Finanzierung klären Planer, GU beauftragen Investitionen in Gang setzen optimale Anlagenkonfiguration ermittelt: CUBE Engineering FlexAnalyse: Tel Seite 42

22 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 Täglicher Fahrplan flexibilisierte Biogasanlage 44 CUBE FlexAnalyse Seite 44

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 3 Contact: P.Ritter@cube-engineering.com J.Franke@cube-engineering.com U.Welteke-Fabricius@cube-engineering.com Seite 45