Die Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix

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1 Die Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix Ingolstadt, Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Matthias Sonnleitner Prof. Dr.-Ing. Wilfried Zörner

2 2 I n h a l t e Eckdaten der Biogaserzeugung Funktionsweise von Biogasanlagen Nutzungspfade von Biogas Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix Herausforderungen F a z i t

3 3 Eckdaten der Biogaserzeugung Funktionsweise von Biogasanlagen Nutzungspfade von Biogas Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix Herausforderungen F a z i t

4 Agentur für Erneuerbare Energien (2012) Grafik zum Thema Strom [WWW] Abrufbar: [Zugriff am ] 4 Eckdaten der Biogaserzeugung (1) Strommix in Deutschland 2011 Biogas 3,1 %

5 FACHVERBAND BIOGAS e.v. (2012) Branchenzahlen Biogas [WWW] Fachverband Biogas e.v.. Verfügbar unter: [Zugriff: ] 5 Eckdaten der Biogaserzeugung (2) Biogasanlagen in Deutschland (1)

6 FACHVERBAND BIOGAS e.v. (2012) Branchenzahlen Biogas [WWW] Fachverband Biogas e.v.. Verfügbar unter: [Zugriff: ] 6 Eckdaten der Biogaserzeugung (3) Biogasanlagen in Deutschland (2) Einheit Ende 2010 Prognose 2011 Prognose 2012 Anlagenanzahl (45) (60) (80) Installierte el. Leistung [MW] Netto-Stromproduktion [MWh/a] 15 Mio. 18 Mio. 20 Mio. Mit Biogas-Strom versorgte Haushalte Anteil am Stromverbrauch 4,2 Mio. 5,1 Mio. 5,7 Mio. [%[ 2,5 3,1 Umsatzvolumen in D [ ] 5,1 Mrd. 6,1 Mrd. 5,6 Mrd. Arbeitsplätze Exportrate [%]

7 Leistung 7 Eckdaten der Biogaserzeugung (4) Betriebsweise heute Grundlastbetrieb Kontinuierliche Stromproduktion Hohe Volllaststundenzahl Kein Anreiz für Erzeugungsmanagement und Regelleistung aufgrund EEG-Ausgestaltung 2000, 2004 und Zeit [Tage]

8 Agentur für Erneuerbare Energien (2012) Anbau nachwachsender Rohostoffe in Deutschland [WWW] Abrufbar: [Zugriff am ] 8 Eckdaten der Biogaserzeugung (5) Anbau nachwachsender Rohstoffe in Deutschland (1)

9 Agentur für Erneuerbare Energien (2012) Anbau nachwachsender Rohostoffe in Deutschland [WWW] Abrufbar: [Zugriff am ] Energiepflanzen Industriepflanzen 9 Eckdaten der Biogaserzeugung (6) Anbau nachwachsender Rohstoffe in Deutschland (2) Pflanzen Rohstoff 2010 [ha] 2011* [ha] Industriestärke Industriezucker Technisches Rapsöl Technisches Sonnenblumenöl Pflanzenfasern Arznei- und Farbstoffe Summe Industriepflanzen Rapsöl für Biodiesel / Pflanzenöl Pflanzen für Bioethanol Pflanzen für Biogas Pflanzen für Festbrennstoffe (u.a. Agrarholz, Miscanthus) Summe Energiepflanzen Gesamtanbaufläche NR *Prognose

10 Agentur für Erneuerbare Energien (2009) Erneuerbare Energien 2020 Potenzialatlas Deutschland [WWW] Abrufbar: [Zugriff am ]; Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (n.d.) Anbaufläche Energiemais [WWW] Abrufbar: [Zugriff am ]. Legende 0,8 Mio. ha 10 Eckdaten der Biogaserzeugung (7) Anbau Bioenergie in Deutschland 16,9 Mio. ha Landwirtschaftliche Nutzfläche Fläche für Bioenergie Pflanzen für Biogas Energiemais für Biogas ,7 Mio. ha 16,7 Mio. ha 0,7 Mio. ha Energiemais 22,2 % 3,7 Mio. ha 9,5 % 1,6 Mio. ha 11,9 % 2,0 Mio. ha

11 11 Eckdaten der Biogaserzeugung Funktionsweise von Biogasanlagen Nutzungspfade von Biogas Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix Herausforderungen F a z i t

12 agrikomp GmbH (n.d.) Biogasanlagenschema [WWW] Abrufbar: [Zugriff am: ]. 12 Funktionsweise von Biogasanlagen (1) Biogasanlage Prozessschema

13 13 Funktionsweise von Biogasanlagen (2) Biogas Zusammensetzung Bestandteil Abkürzung Einheit Schwankungsbreite Durchschnitt Methan [CH 4 ] % Kohlendioxid [CO 2 ] % Wasserdampf [H 2 O] % ,1 Stickstoff [N 2 ] % 0, Sauerstoff [O 2 ] % 0,01 2 0,03 Wasserstoff [H 2 ] % 0 1 < 1 Ammoniak [N 2 ] mg/m³ 0,01 2,5 0,7 Schwefelwasserstoff [H 2 S] mg/m³ Sonstige Spurengase ppm

14 14 Funktionsweise von Biogasanlagen (3) Biogas Mikrobieller Prozess Gülle Stallmist Bioabfälle NaWaRos 1. Stufe: Aufspaltung der Makromoleküle 2. Stufe: Vergärung der Spaltprodukte 3. Stufe: Bildung von methanogenen Substraten 4. Stufe: Biogasbildung Kohlenhydrate Fette Eiweiße Zucker Fettsäuren Aminosäuren Basen Carbonsäure Gase Alkohole Essigsäure Wasserstoff Kohlendioxid Methane Kohlendioxid hydrolytische fermentative Bakterien Aerob ph 4,5 6,3 (sauer) ca. 30 C acetogene methanogene Bakterien Anaerob ph 6,5 7,5 (neutral) ca. 40 C

15 15 Funktionsweise von Biogasanlagen (4) Biogas Substrate Nachwachsende Rohstoffe (NaWaro) Maissilage Ganzpflanzensilage Grassilage Rückstände aus der Tierhaltung Gülle (Rinder- / Schweinegülle, Hühnerkot,usw.) Mist Organische Reststoffe Trester / Treber / Schlempe Speisereste Lagerung in Silos Lagerung in Vorgruben

16 agrikomp GmbH (n.d.) Biogasanlagenschema [WWW] Abrufbar: [Zugriff am: ]. 16 Funktionsweise von Biogasanlagen (5) Biogas Einbringsystem Zuführung vergärbarer Biomasse Feste Substrate (Maissilage, Grassilage) Eintragschnecke Eintragkolben Flüssige Substrate (Gülle) Kreiselpumpe Drehkolbenpumpe Balgpumpe Exzenterschneckenpumpe

17 agrikomp GmbH (n.d.) Biogasanlagenschema [WWW] Abrufbar: [Zugriff am: ]. 17 Funktionsweise von Biogasanlagen (6) Biogas Fermenter Vergärung von Substrat Reaktor zur Biogasproduktion Volldurchmischt Pfropfenstrom

18 agrikomp GmbH (n.d.) Biogasanlagenschema [WWW] Abrufbar: [Zugriff am: ].; BAYERISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT (LfU) (2007) Biogashandbuch Bayern [WWW] Verfügbar: [Zugriff am: ]. 18 Funktionsweise von Biogasanlagen (7) Biogas Rührwerk Homogenisieren des Fermenterinhaltes Gleichmäßige Nährstoffverteilung Gleichmäßige Biogasproduktion

19 agrikomp GmbH (n.d.) Biogasanlagenschema [WWW] Abrufbar: [Zugriff am: ].Gmeiner Biogas Heizungen (n.d.) Gaskühlstrecke [WWW] Abrufbar: [Zugriff am: ]. 19 Funktionsweise von Biogasanlagen (8) Biogasanlage Fermenter BHKW Gasspeicherung Entschwefelung Gasentfeuchtung Gasverdichtung

20 20 Eckdaten der Biogaserzeugung Funktionsweise von Biogasanlagen Nutzungspfade von Biogas Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix Herausforderungen F a z i t

21 21 Nutzungspfade von Biogas (1) Überblick BHKW Wärme Strom lokales Biogasnetz BHKW Wärme Strom Biogas Gasaufbereitung Kraftstoff Erdgasnetz BHKW Methanisierung Strom Wärme

22 agrikomp GmbH (n.d.) Biogasanlagenschema [WWW] Abrufbar: [Zugriff am: ]. 22 Nutzungspfade von Biogas (2) Biogas BHKW Wärme Strom Vor-Ort-Verstromung Nutzung von Biogas Erzeugung von Strom und Wärme BHKW Arten Zündstrahl BHKW Gas BHKW

23 UTS Biogastechnik GmbH (n.d.) Biogasleitung [WWW] Abrufbar: [Zugriff am: ]; badenova AG & Co. KG (n.d.) Biogasleitung [WWW] Abrufbar: [Zugriff am: ]. 23 Nutzungspfade von Biogas (3) Biogas lokales Biogasnetz BHKW Wärme Strom Lokales Biogasnetz Nutzung von Biogas Erzeugung von Strom und Wärme BHKW Arten Zündstrahl BHKW Gas BHKW Transport von Biogas über weitere Entfernung Nutzung von Biogas an geeignetem Wärmeabnehmer

24 24 Nutzungspfade von Biogas (4) Biogas Gasaufbereitung Erdgasnetz BHKW Wärme Strom Gasaufbereitung Trennung von Methan und Kohlendioxid Einspeisung von BioErdgas (Methan) in Erdgasnetz Transport von BioErdgas zu KWK-Anlagen Nutzung in effizienten KWK-Anlagen Biogas CH 4 Gasaufbereitung Erdgasnetz BHKW CO 2 CH 4 (Methan) Strom Wärme CO 2 (Kohlendioxid)

25 25 Nutzungspfade von Biogas (5) Biogas Methanisierung Erdgasnetz BHKW Wärme Strom Methanisierung Erzeugung von Methan aus CO 2 und H 2 Elektrolyse von Wasser durch überschüssigen Strom aus Wind- und Photovoltaik-Anlagen Wasserstoff (H 2 ) Chemische Reaktion von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Biogas Speicherung von Methan im Erdgasnetz Großes Potenzial zur Energiespeicherung

26 26 Eckdaten der Biogaserzeugung Funktionsweise von Biogasanlagen Nutzungspfade von Biogas Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix Herausforderungen F a z i t

27 SACHVERSTÄNDIGENRAT FÜR UMWELTFRAGEN (Hrsg.) (2010) 100% erneuerbare Stromversorgung bis 2050: klimaverträglich, sicher, bezahlbar. Berlin: Sachverständigenrat für Umweltfragen 27 Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (1) Entwicklung der Energieversorgung (1) SRU-Szenario zur Entwicklung der Stromerzeugungskapazitäten in Deutschland bis GW 113 GW 142 GW 83 GW 59 GW 23 GW

28 GERHARDT, U.; HOLZHAMMER, U. (2012) Statement zur Direktvermarktung und zur Marktprämie. In: 21. Jahrestagung Fachverband Biogas e.v., Bremen, 10. Januar Freising: Fachverband Biogas e.v. 28 Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (2) Entwicklung der Energieversorgung (2) Lokal kann diese Situation heute schon erreicht werden

29 GERHARDT, U.; HOLZHAMMER, U. (2012) Statement zur Direktvermarktung und zur Marktprämie. In: 21. Jahrestagung Fachverband Biogas e.v., Bremen, 10. Januar Freising: Fachverband Biogas e.v. 29 Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (3) Entwicklung der Energieversorgung (3) Grundlasterzeugung durch Biomasse

30 GERHARDT, U.; HOLZHAMMER, U. (2012) Statement zur Direktvermarktung und zur Marktprämie. In: 21. Jahrestagung Fachverband Biogas e.v., Bremen, 10. Januar Freising: Fachverband Biogas e.v. 30 Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (4) Entwicklung der Energieversorgung (4) Hohe fluktuierende Strommengen nutzbar machen

31 FAULSTICH, M. (2011) Energiespeicher als notwendige Voraussetzung für die Integration der erneuerbaren Energien ins Stromnetz, Bei: Energiespeicher Technologie für die zukünftige Stromversorgung, Nürnberg, Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (5) Entwicklung der Energieversorgung (5) Unterproduktion: zusätzliche Stromreserven werden benötigt Überproduktion: Einspeisung in Speicher oder Verteilung des Stroms zum sinnvollen Verbrauch

32 Fachverband Energietechnik (n.d.) Grafik zum Thema Smart Metering [WWW] Verfügbar bei: [Zugriff: ]; Wikipedia (2009) Grafik zum Thema virtuelles Kraftwerk [WWW] Verfügbar bei: [Zugriff am: ] 32 Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (6) Entwicklung der Energieversorgung (6) Lastmanagement Energiespeicherung Erzeugungsmanagement

33 EPEX SPOT SE (2012) [Online Bild] Verfügbar bei: [Zugriff: ] Regelleistung.net (2012) [Online Bild] Verfügbar bei: [Zugriff: ] 33 Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (7) Stromhandel Überblick Außerbörsliche, bilaterale, langfristige Verträge Spotmarkt EPEX Spot SE Day-ahead-Auktion Intraday-Markt Markt für Regelleistung Primärregelleistung Sekundärregelleistung Minutenreserveleistung Ungeplant Geplant nach Prognosen Erzeugungsmanagement Systemdienstleistung

34 Regelenergie (2012) [Online Bild] Amprion GmbH. Verfügbar bei: [Zugriff: ] 34 Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (8) Stromhandel Systemdienstleistung Regelleistung Ausgleich von Differenzen zur Prognose Gemeinsam durch alle deutsche ÜNB Präqualifikation Primärregelleistung Sekundärregelleistung Minutenreserve Leistungsbereitstellung innerhalb 30 Sekunden 5 Minuten 15 Minuten

35 35 Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (9) Potenzial (1) 100 % der Biogasanlagen zur Spitzenlastfähigkeit umbauen Energiemenge Installierte Leistung Laufzeit [MWh el /d] [MW el ] [h/d] Großes Potenzial zur Kompensation fossiler und fluktuierender Energieerzeuger

36 Kraftwerk Irsching (n.d.) [Online Image] verfügbar unter: [Zugriff: 23/08/2011] 36 Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (10) Potenzial (2) Installierte Leistung [MW el ] Laufzeit [h/d] ,5 x x GuD-Kraftwerk Irsching: MW el

37 37 Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix (11) Potenzial (3) Dezentrales Erzeugungsmanagement durch Biogas Biogasanlagen im ganzen Bundesgebiet Verminderung der Netzbelastungen Ausgleich von fluktuierenden Erneuerbaren Energieerzeugern in hohem Maße

38 38 Eckdaten der Biogaserzeugung Funktionsweise von Biogasanlagen Nutzungspfade von Biogas Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix Herausforderungen F a z i t

39 39 Herausforderungen (1) Technik Überblick (1) Biogasanlage Grundlastbetrieb

40 40 Herausforderungen (2) Technik Überblick (2) Biogasanlage Steuerbare Stromerzeugung

41 41 Herausforderungen (3) Technik Gasspeicherung (1) Druckkaskade Nutzbares Gasspeichervolumen Sonneneinstrahlung Füllstandsmessung Lebensdauer Windlasten Entmischung Energieverbrauch durch Stützgebläse Atmosphärischer Druck Gasspeicherverfahren

42 42 Herausforderungen (4) Technik BHKW (1) Maximalleistung Standzeit Gasaufbereitung Vorwärmung Taktung Optimaler Wirkungsgrad Teillastbetrieb Wartungsaufwand Energieverbrauch durch Standzeiterhöhung Korrosionsproblematik

43 43 Eckdaten der Biogaserzeugung Funktionsweise von Biogasanlagen Nutzungspfade von Biogas Rolle von Biogas im zukünftigen Energiemix Herausforderungen F a z i t

44 44 FAZIT Weg von Grundlast hin zur bedarfsgerechten Stromerzeugung Herstellung eines hochwertigen (Strom) Produktes Dezentrale Stromerzeugung durch Biogas Biogasanlagen im ganzen Bundesgebiet BIOGAS KERNELEMENT der ENERGIEWENDE Verminderung der Netzbelastungen Ausgleich von fluktuierenden Erneuerbaren Energieerzeugern in hohem Maße

45 45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

46 46 A n s p r e c h p a r t n e r Matthias Sonnleitner Telefon Telefax matthias.sonnleitner@haw-ingolstadt.de Wilfried Zörner Telefon Telefax zoerner@haw-ingolstadt.de Hochschule Ingolstadt KOMPETENZFELD ERNEUERBARE ENERGIEN Esplanade 10, Ingolstadt