Schlussbericht Benchmarking Biogas 2016

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1 Schlussbericht Benchmarking Biogas 2016

2 Projektverantwortung: Genossenschaft Ökostrom Schweiz Technoparkstrasse 2, CH-8406 Winterthur Tel , Fax Projektleitung: Dr. Victor Anspach Genossenschaft Ökostrom Schweiz c/o IBA Bahnhofstrasse Kreuzlingen Autoren: Victor Anspach, Simon Bolli Winterthur, Vertragsnummer: SI/ Quelle Bild Titelseite: Ökostrom Schweiz 2

3 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Ergebnisse des Benchmarking Biogas Regionale Verteilung der teilnehmenden Biogasanlagen Inbetriebnahme der Biogasanlagen Installierte elektrische Leistung Entwicklung der Stromproduktion Anlagenproduktivität Wärmenutzungskonzepte und Grad der Wärmenutzung Substrateinsatz Eigenstromverbrauch Jahresnutzungsgrade Stromausbeuten aus den Substraten Verweilzeiten und Raumbelastung Biogasproduktivität Zusammenfassung der Resultate Anhang

4 Tabellenverzeichnis: Tabelle 1: Installierte elektrische Nennleistung der erhobenen Anlagen Tabelle 2: Stromproduktion in der Betriebsphase... 8 Tabelle 3: Benchmarking Volllaststunden... 9 Tabelle 4: Entwicklung der Anlagenproduktivität (BGA bis 150kW)... 9 Tabelle 5: Entwicklung der Anlagenproduktivität (BGA über 150kW) Tabelle 6: Benchmarking Eigenstromverbrauch Tabelle 7: Benchmarking energetische Jahresnutzungsgrade Tabelle 8: Stromausbeuten aus den Substraten Tabelle 9: Verweilzeiten im gasdichten System (Fermenter und Nachgärer) Tabelle 10: Raumbelastung der Gärbehälter Tabelle 11: Biogasproduktion aus den Substraten Abbildungsverzeichnis: Abbildung 1: Regionale Verteilung der Biogasanlagen im Benchmarking... 6 Abbildung 2: Jahr der Inbetriebnahme der Biogasanlagen... 7 Abbildung 3: Entwicklung Stromerzeugung 2012 bis 2016 nach Grössenklassen... 8 Abbildung 4: Entwicklung der Wärmenutzung (ohne Eigenwärmebedarf Biogasanlage). 11 Abbildung 5: Substrateinsatz der Biogasanlagen in Betriebsphase II (mengenbezogen) 12 Abbildung 6: Substrateinsatz der Biogasanlagen in Betriebsphase II (energiebezogen). 13 4

5 1. Einleitung Die Biogaserzeugung in ein zunehmend wichtiger Betriebszweig für viele Schweizer Landwirtschaftsbetriebe. In der Schweiz waren 2016 rund 100 landwirtschaftliche Biogasanlagen in Betrieb. Mit jeder Biogasanlage sind eine Vielzahl Landwirtschaftsbetriebe direkt (z.b. bei Gemeinschaftsanlagen) oder indirekt (z.b. über die Lieferung von Hofdüngern oder den Bezug von Gärresten) verbunden. Ziel des Benchmarking Biogas ist es, die Produktivität, die Effizienz und den Erfolg der Biogaserzeugung systematisch über die Zeit zu untersuchen. Was ist unter Benchmarking Biogas zu verstehen? Im Benchmarking werden systematisch betriebswirtschaftliche und produktionstechnische Daten erhoben und daraus biologische, technische und ökonomische Produktions- und Effizienzkennzahlen für jede teilnehmende Biogasanlage gebildet. Die Datenerhebung und die Bildung von Kennzahlen erfolgt jährlich. Dadurch kann sich jede Biogasanlage über die Jahre sowohl mit sich selbst als auch mit den anderen teilnehmenden Biogasanlagen vergleichen. Was sind die Ziele und die Vorteile des Benchmarking? Die inner- und überbetrieblichen Vergleiche von Kennzahlen sowie der direkte Austausch zwischen Anlagenbetreibern fördern die Erfolgskontrolle und Optimierung der Biogasanlagen. Das Benchmarking soll somit einen kontinuierlichen Optimierungsprozess unterstützen und zu einer höheren Produktivität und Effizienz sowie einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit beitragen. Pilotphasen I-III Das Benchmarking Biogas wurde im Rahmen einer Pilotphase zwischen November 2013 und Dezember 2015 erstmalig durchgeführt. Während dieser Zeit wurden drei Erhebungen (Pilotphase I-III) durchgeführt. Dabei konnten von jeder Pilotanlage die technischen und betriebswirtschaftlichen Daten von 2012, 2013 und 2014 erhoben werden. Die Ergebnisse der Pilotphasen wurden in einem Projektbericht publiziert. Dieser ist verfügbar unter oder (in Deutsch). In dem Projektbericht sind auch Hintergründe und methodische Grundlagen des Benchmarking beschrieben. Betriebsphasen I-II Nach Beendigung der Pilotphase ging das Benchmarking in die Betriebsphase über. Die Erfassung der Betriebsdaten erfolgt einmal jährlich auf Basis der Buchführung des vorangegangenen Jahres. Dabei konnten von jeder Biogasanlage die technischen und betriebswirtschaftlichen Daten der Jahre 2015 und 2016 erhoben werden. Der vorliegende Bericht umfasst die wichtigsten Ergebnisse von technischen und biologischen Kennzahlen sowie allgemeine Ergebnisse aus der Betriebsphase II auf Basis der Datengrundlagen von

6 2. Ergebnisse des Benchmarking Biogas 2.1 Regionale Verteilung der teilnehmenden Biogasanlagen In Betriebsphase II nahmen 36 landwirtschaftliche Biogasanlagen an der systematischen Erhebung teil. In Abbildung 1 ist die regionale Verteilung der am Benchmarking teilnehmenden Biogasanlagen dargestellt. Die teilnehmenden Biogasanlagen sind relativ gleichmässig über die Schweiz verteilt. Abbildung 1: Regionale Verteilung der Biogasanlagen im Benchmarking Quelle: Eigene Darstellung (Karte: Wikipedia) 2.2 Inbetriebnahme der Biogasanlagen In Abbildung 2 ist das Jahr der Inbetriebnahme der teilnehmenden Biogasanlagen dargestellt. Rund 11 % der Anlagen sind vor 2005 in Betrieb genommen worden. Rund 31 % wurden zwischen 2005 und 2007, rund 17 % zwischen 2008 und 2010 und rund 42 % der Anlagen ab 2011 errichtet. Die jüngsten Biogasanlagen im Benchmarking sind 2016 in Betrieb genommen worden. Anhand der Altersverteilung lässt sich belegen, dass ein Grossteil der am Benchmarking teilnehmenden Anlagenbetreiber bereits langjährige Erfahrungen mit der Biogasproduktion hat. Alle älteren Biogasanlagen wurden nach der Inbetriebnahme laufend im Rahmen von Nachinvestitionen erweitert und modernisiert. Diese Erweiterungen und Neuerungen werden ebenfalls systematisch erhoben und in die Auswertungen mitintegriert. 6

7 Abbildung 2: Jahr der Inbetriebnahme der Biogasanlagen 2.3 Installierte elektrische Leistung Bei den untersuchten Anlagen handelt es sich ausnahmslos um Anlagetypen mit einer dem Biogasprozess nachgelagerten Verstromung. Die installierte elektrische Nennleistung (kw el) bei den am Benchmarking teilnehmenden Biogasanlagen lag 2016 im Durchschnitt bei rund 221 kw el. Insgesamt betrug die installierte Leistung rund 7.9 MW el, dabei entfallen rund 80 % der installierten Leistung auf Anlagen mit einer Nennleistung von über 150 kw el. Tabelle 1: Installierte elektrische Nennleistung der erhobenen Anlagen 2016 Betriebsphase II Leistungsklassen der Biogasanlagen Anzahl BGA installierte Leistung (kw) bis 150 kwel 16 1'595 ab 150 kwel 20 6'347 Gesamt 36 7'942 Durchschnittliche Leistung (KW) 221 7

8 2.4 Entwicklung der Stromproduktion Die Stromproduktion der teilnehmenden Biogasanlagen lag in Betriebsphase II bei rund 41.9 Gigawattstunden. Dies entspricht rund 36 % der gesamten Stromproduktion der landwirtschaftlichen Biogasanlagen in der Schweiz (BFE Gigawattstunden 1 ). Tabelle 2: Stromproduktion in der Betriebsphase Stromproduktion der BGA BGA im Benchmarking (2016) Die erfasste Stromproduktion der Teilnehmer am Benchmarking lag in 2016 gegenüber dem Jahr 2015 rund 21 % höher. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Anzahl der teilnehmenden Biogasanlagen weiter gestiegen ist. Bei der Betrachtung identischer Anlagen aus den Betriebsphasen I und II, also ohne Berücksichtigung der neuen Teilnehmer am Benchmarking, liegt eine Steigerung der Nettostromproduktion von rund 1 % von 2015 auf 2016 vor. Betrachtet man die Entwicklung der Stromerzeugung nach Grössenklassen zeigt sich, dass die grösseren Anlagen (>150 kw) 2016 einen Anteil von rund 76 % der Stromerzeugung ausmachten. Stromproduktion (kwh) 41'918'722 Stromproduktion (MWh) 41'919 Stromproduktion (GWh) 41.9 Abbildung 3: Entwicklung Stromerzeugung 2012 bis 2016 nach Grössenklassen 1 BFE (2017) Schweizerische Statistik der erneuerbaren Energien 8

9 Wie Abbildung 3 zeigt, stieg die Bedeutung der Stromproduktion aus grösseren Anlagen im Benchmarking über die Jahre. Ein direkter Vergleich zwischen den Daten aus den Pilotphasen und jenen der Betriebsphasen ist jedoch nicht zulässig, da sowohl 2015 als auch 2016 zusätzliche neue Anlagen in das Benchmarking aufgenommen wurden, während in den Vorjahren identische Anlagen untersucht und verglichen wurden. 2.5 Anlagenproduktivität Die durchschnittliche Arbeitsauslastung der BHKW gemessen in Volllaststunden lag in Betriebsphase II bei rund Jahresstunden. Damit hat sich die BHKW Auslastung gegenüber Betriebsphase I leicht um 0.4 % erhöht. Der Kennzahlenvergleich zeigt, dass die Spannweite bei der Arbeitsauslastung der BHKW sehr gross ist. Während im oberen Quartil über Jahresstunden erreicht wurden, lag die BHKW Auslastung im unteren Quartil bei nur rund Jahresstunden. Tabelle 3: Benchmarking Volllaststunden Benchmarking technische Kennzahlen: Biogasanlagen +25% Ø -25% Einfacher Kennzahlenvergleich Volllaststunden (h/a) 8'136 6'371 4'237 Veränderung 15/16 (%) 0.1% 0.4% 3.7% Bezüglich der Anlagenproduktivität (gemessen in Volllaststunden) weisen die kleineren Biogasanlagen (<150 kw) in Betriebsphase II rund Volllaststunden auf. Im Vergleich zu den kleinen Anlagen in den beiden Vorjahren ist damit die Anlagenproduktivität leicht rückläufig. Bei einer installierten Leistung von durchschnittlich rund 100 kw el erreichen die kleineren Anlagen eine äquivalente Leistung von rund 80 kw el. Dies entspricht einem BHKW Ausnützungsgrad von rund 80 %. Tabelle 4: Entwicklung der Anlagenproduktivität (BGA bis 150kW) Anlagenproduktivität Betriebsphase II (2016) Betriebsphase I (2015) Pilotphase III (2014) BGA bis 150 kw Pilotphase II (2013) Pilotphase I (2012) Dagegen erreichen die grösseren Biogasanlagen (>150 kw) in Betriebsphase II durchschnittlich rund Volllaststunden. Im Vergleich zu den Vorjahren konnte damit die Anlagenproduktivität kontinuierlich gesteigert werden. Die durchschnittliche installierte Leistung der grösseren Biogasanlagen betrug rund 320 kw el und lag damit leicht unterhalb der installierten Leistung in Betriebsphase I. Die äquivalente Leistung konnte in 2016 dagegen mit rund 215 kw el gegenüber den Vorjahren weiter gesteigert werden. Der BHKW Auslastungsgrad lag mit rund 67 % über den Ergebnissen der Vorjahre. Veränderung 15/16 (in %) Volllaststunden (h) 6'737 6'918 7'506 6'805 6' Installierte Leistung (KW) Äquivalente Leistung (KW) BHKW Ausnützunggrad (%) Wie auch in den Pilotphasen II und III investierten Anlagenbetreiber auch in den Betriebsphasen I und II in grössere BHKW und neue Fermenter sowie Lagerkapazitäten und damit 9

10 in Leistungserweiterungen. In den letzten Untersuchungsjahren drückten sich diese Investitionen in einer Reduktion der Volllaststunden aus. In den Ergebnissen der Betriebsphasen I und II zeigt sich jedoch, dass die Leistungserweiterungen auch in eine zunehmende äquivalente Leistung umgesetzt werden konnten. Damit setzt sich bei den grösseren Biogasanlagen dieser Trend aus den Pilotphasen fort. Tabelle 5: Entwicklung der Anlagenproduktivität (BGA über 150kW) Anlagenproduktivität Betriebsphase II (2016) Betriebsphase I (2015) Pilotphase III (2014) BGA über 150 kw Pilotphase II (2013) Pilotphase I (2012) Veränderung 15/16 (in %) Volllaststunden (h) 6'062 5'878 5'932 5'130 5' Installierte Leistung (KW) Äquivalente Leistung (KW) BHKW Ausnützunggrad (%) Wärmenutzungskonzepte und Grad der Wärmenutzung Die Wärmenutzung lässt sich grundsätzlich unter Ausschluss des Eigenwärmebedarfs der Biogasanlage in eine interne und eine externe Wärmenutzung unterscheiden. In der internen Wärmenutzung wird die Wärme hauptsächlich für das Heizen der Wohnhäuser am Standortbetrieb der Biogasanlage, der Betriebsgebäude und der Ställe (vor allem Schweine- und Geflügelställe), der Warmwasserbereitung für den Landwirtschaftsbetrieb, der Heu- und der Holztrocknung genutzt. Die Wärme wird in der internen, betriebseigenen Nutzung in der Regel nicht verkauft. Da die interne Wärmenutzung bei einigen Biogasanlagen nicht gemessen wird, wurde deren Energiebedarf zum Teil anhand der Wärmenutzungspfade berechnet. Im Gegensatz zur internen Wärmenutzung wird die externe Wärmenutzung über den effektiven Verkauf der Wärme über einen Wärmezähler erfasst. In der externen Wärmenutzung sind die wichtigsten Wärmenutzungspfade Nahwärmenetze an Privat- und Gewerbekunden. Dabei reicht die Spanne des Nahwärmenetzes von der Lieferung an ein Nachbarwohnhaus bis hin zu umfangreichen Nahwärmenetzen mit einer Länge von bis zu Metern. Zudem wird die Wärme extern in Gewächshäusern und Trocknungsprozessen genutzt. Die Wärmenutzung hat bei den untersuchten Biogasanlagen eine zunehmende Bedeutung. Während in Pilotphase I nur rund 75 % der Anlagen eine Wärmenutzung installiert hatten, stieg der Anteil in Pilotphase II und III auf jeweils 85 % der Biogasanlagen (identische Anlagen). In Betriebsphase I lag der Anteil der Biogasanlagen mit Wärmenutzung bei rund 90 %. In Betriebsphase II weisen - mit einer Ausnahme - alle Biogasanlage eine Wärmenutzung auf. Dies entspricht einem Anteil von über 97 %. Insgesamt wurde der Grad der Wärmenutzung über die Jahre kontinuierlich gesteigert und erreichte in 2016 insgesamt rund 19.3 GWh (ohne Eigenwärmebedarf der Biogasanlage). Bezogen auf eine gesamte Bruttowärmeproduktion der Biogasanlagen im Benchmarking von rund GWh (berechnet) entspricht der Anteil der genutzten Wärme rund 35.1 %. Der Anteil der externen Wärmenutzung an der gesamten Wärmenutzung betrug in Betriebsphase II rund 54.4 %. 10

11 In Abbildung 4 ist die absolute Entwicklung der Wärmenutzung (ohne Eigenwärmebedarf der Biogasanlage) detailliert für alle Pilot- und Betriebsphasen dargestellt. Der Eigenwärmebedarf der Biogasanlagen zur Beheizung der Fermenter und Nachgärer (Prozesswärmebedarf) kann im Benchmarking nicht erfasst werden, da keine teilnehmende Anlage über entsprechende Wärmemengenzähler verfügt. Wird jedoch auf Basis von Literaturangaben ein Prozesswärmebedarf von durchschnittlich 30 % unterstellt (Spanne 20 bis 40 % Prozesswärmebedarf), entspricht die gesamte Wärmenutzung inklusive der Prozesswärme einem Anteil von rund 65 % der Bruttowärmeproduktion. In Anbetracht dessen, dass vornehmlich in den Sommermonaten oftmals die konstanten Wärmesenken (Wärmeabnehmer) fehlen, ist ein Gesamtnutzungsgrad der Wärme von rund 65 % als hoch und somit äusserst positiv zu bewerten. Abbildung 4: Entwicklung der Wärmenutzung (nur Biogasanlagen mit Wärmenutzung; ohne Eigenwärmebedarf) 11

12 2.7 Substrateinsatz In Abbildung 5 und 6 ist der Substrateinsatz der teilnehmenden Biogasanlagen in Betriebsphase II mengen- und energiebezogen dargestellt. Die Einteilung der Substrate folgt nicht der Systematik gemäss Energieverordnung (EnV) Anhang 1.5 Biomasse, insbesondere erfolgt keine Unterscheidung in Substrate landwirtschaftlicher und nicht landwirtschaftlicher Herkunft. Insgesamt wurden in Betriebsphase II rund Tonnen Substrate (inkl. Hofdünger) in den teilnehmenden 36 Anlagen verarbeitet. Hofdünger hatten dabei massebezogen mit rund 83 % den grössten Anteil. Neben Hofdünger wurden auch landwirtschaftliche Substrate wie Zwischenfrüchte, Maisstroh und Futterreste verarbeitet, welche jedoch mit einem Anteil von deutlich unter 1 % eine untergeordnete Bedeutung aufwiesen. Rund 17 % der total eingesetzten Substrate waren organische Abfallstoffe landwirtschaftlicher und nicht landwirtschaftlicher Herkunft. Die eingesetzten organischen Abfallstoffe setzten sich zusammen aus Gemüse- und Obstresten (3.4 %), Grüngut und Rasenschnitt (nur die vergärbaren Fraktionen; 1.6 %) sowie Gastro- und Lebensmittelabfälle (2.8 %). Unter der Sammelrubrik sonstige pflanzliche Substrate (4.0 %) fallen Substrate unterschiedlichster pflanzlicher Herkunft (z.b. Kaffeesatz, Teetreber, Melasse, Brennereiabfälle). Unter sonstigen tierischen Substraten (1.0 %) sind unterschiedliche Substrate wie z.b. Milch, Molke, Permeat oder Panseninhalt zusammengefasst. Energiereiche pflanzliche Flüssigsubstrate haben einen Mengenanteil von 2.4 %, Getreide und Getreideabfälle einen Anteil von 1.8%. Abbildung 5: Substrateinsatz der Biogasanlagen in Betriebsphase II (mengenbezogen) Energiebezogen sinkt die relative Bedeutung der Hofdünger auf einen Anteil von rund 39 % (vgl. Abbildung 6). Aus Co-Substraten wird rechnerisch in Summe rund 61 % der Energie produziert. Insbesondere Getreide und Getreideabfälle sowie energiereiche pflanzliche Flüssigsubstrate tragen dabei mit rund 14 % bzw. 21 % zur Energieerzeugung bei. 12

13 Abbildung 6: Substrateinsatz der Biogasanlagen in Betriebsphase II (energiebezogen) Gegenüber Betriebsphase 1 Jahr 2015 lag der Anteil von Hofdüngern in 2016 massebezogen höher. In 2015 lag der Anteil Hofdünger noch bei rund 82.2 % inkl. Zwischenfrüchte und Reststoffe bzw % ohne diese, während in 2016 der Anteil Hofdünger auf 82.9 % inkl. Zwischenfrüchte und Reststoffe bzw % ohne diese stieg. Der Anteil Hofdünger erhöhte sich demnach um rund 1.4 %. Energiebezogen zeigt sich jedoch eine umgekehrte Entwicklung. Während in 2015 noch rund 39.2 % der Energie aus Hofdüngern stammte, waren dies 2016 nur noch 38.8 %. Dies entspricht einem Rückgang von rund 1 %. Diese Entwicklung ist hauptsächlich auf eine Steigerung der Qualität der eingesetzten Co-Substrate zurückzuführen. Die Graphiken zum Substrateinsatz 2015 finden sich im Anhang. 2.8 Eigenstromverbrauch Die Höhe des Eigenstromverbrauchs hat eine grosse Bedeutung für den erfolgreichen Betrieb einer Biogasanlage. Die Ergebnisse des Benchmarking zeigen, dass der Eigenstromverbrauch in Betriebsphase II durchschnittlich bei 11.3 % lag. Gegenüber dem Vorjahr erhöhte sich der Eigenstromverbrauch um rund 7.2 %. Anlagen im oberen Quartil wiesen einen Eigenstromverbrauch von 5.1 %, Anlagen im unteren Quartil einen von 18.6 % auf. Tabelle 6: Benchmarking Eigenstromverbrauch Benchmarking technische Kennzahlen: Biogasanlagen +25% Ø -25% Einfacher Kennzahlenvergleich Eigenstrombedarf (%) 5.1% 11.3% 18.6% Veränderung 15/16 (%) -1.2% 7.2% 2.5% 13

14 2.9 Jahresnutzungsgrade Die Jahresnutzungsgrade sind Kennzahlen für das Verhältnis der elektrisch und thermisch nutzbaren (und somit abgegebenen) Energie (=produzierte und genutzte Nettoenergiemenge) zur gesamten zugeführten theoretischen Brennstoffenergie. Es wird mit der Kennzahl beschrieben, wie viel Prozent des theoretischen Energiegehaltes der Substrate tatsächlich genutzt werden. Die Kennzahl lässt damit Rückschlüsse auf die energetische Effizienz des Biogasprozesses zu. Nicht berücksichtigt wird bei den Jahresnutzungsgraden der Wärmebedarf für die Beheizung der Fermenter und Nachgärer, da diese Nutzenergie von keiner Biogasanlage im Benchmarking gemessen werden kann. Eine Schätzung des Wärmebedarfs ist sehr schwierig, da dieser sowohl von den Behälterkapazitäten, dem Substratinput (vor allem den Hofdüngeranteilen) sowie vielen weiteren Parametern (z.b. Jahreszeit und Witterung) abhängt. Tabelle 7: Benchmarking energetische Jahresnutzungsgrade Benchmarking biologische Kennzahlen: Biogasanlagen +25% Ø -25% Einfacher Kennzahlenvergleich Elektrischer Jahresnutzungsgrad extern genutzt (%) 46.1% 40.4% 35.4% Elektrischer Jahresnutzungsgrad Eigenstrombedarf (%) 2.3% 5.2% 8.4% Thermischer Jahresnutzungsgrad genutzt (%) 34.9% 18.8% 6.4% Gesamter Jahresnutzungsgrad genutzt (%) 79.6% 64.3% 52.9% Veränderung elektrischer Jahresnutzungsgrad 15/16 (%) 0.4% 0.2% 1.9% Veränderung Jahresnutzungsgrad Eigenstrombedarf 15/16 (%) 6.0% 9.5% 4.5% Veränderung thermisc her Jahresnutzungsgrad 15/16 (%) 0.7% 5.1% 40.5% Veränderung gesamter Jahresnutzungsgrad 15/16 (%) 1.1% 2.3% 5.4% Im Durchschnitt der Anlagen lag der gesamte Jahresnutzungsgrad bei rund 64.3 %. Die Spanne reichte dabei im Kennzahlenvergleich von 79.6 % im oberen Quartil bis 52.9 % im unteren Quartil. Im Vergleich zu den Vorjahren konnte der Gesamtjahresnutzungsgrad sowohl im Durchschnitt als auch in den Quartilen erhöht werden. Diese Steigerung ist insbesondere auf die zunehmende Wärmenutzung der Biogasanlagen zurückzuführen Stromausbeuten aus den Substraten Die Stromausbeute aus den zugeführten Substraten lag in Betriebsphase II bei 142 kwh bezogen auf eine Tonne Frischmasse. Die Spanne kam dabei im Kennzahlenvergleich zwischen 80 kwh im unteren Quartil und 228 kwh im oberen Quartil zu stehen. Damit hat sich die Spannbreite zwischen den Quartilen gegenüber dem Vorjahr vergrössert. Auch ist in Betriebsphase II ein Rückgang der Stromausbeute aus den Substraten zu verzeichnen. Dieser Rückgang ist insbesondere durch den weiter steigenden Anteil an Hofdüngern in den Biogasanlagen zurückzuführen. Tabelle 8: Stromausbeuten aus den Substraten Benchmarking technische Kennzahlen: Biogasanlagen +25% Ø -25% Einfacher Kennzahlenvergleich Stromausbeute (kwhel/t FS) Veränderung 15/16 (%) -9.8% -5.2% -12.5% 14

15 2.11 Verweilzeiten und Raumbelastung Bericht Benchmarking Biogas 2016 Als Verweilzeit wird die durchschnittliche Dauer bezeichnet, während der ein Substrat die Behälter der Biogasanlage im geschlossenen (gasdichten) System durchläuft. Im Benchmarking wird die Kennzahl Verweilzeit im geschlossenen System (Fermenter und Nachgärer) ausgewiesen, da hier die biologische Umsetzung der Substrate stattfindet. Grundsätzlich ist im Sinne der maximalen biologischen Umsetzung eine möglichst hohe Verweilzeit anzustreben. Unterschiedliche Substrate benötigen unterschiedlich lange Mindestverweilzeiten. Während bspw. flüssige Hofdünger und leicht vergärbare biogene Reststoffe bereits nach wenigen Tagen bis Wochen umgesetzt werden können, benötigen strukturreiche organische Abfallstoffe und Mist oft deutlich höhere Verweilzeiten. Je niedriger die Verweilzeit desto grösser ist die Gefahr, dass die Gasausbeute signifikant abfällt und unvergorenes biogenes Material ausgeschwemmt wird. Hohe Verweilzeiten sind dagegen aus betriebswirtschaftlichen Gründen limitiert, da der Bau von Behälterkapazitäten mit hohen Investitionskosten verbunden ist. Demnach gilt es unter Praxisbedingungen den optimalen Bereich zwischen Raumbelastung [kg*m 3 *d -1 ] und Biogasausbeute [m 3 *kg -1 ] sowie der Biogasbildungsrate [m 3 *m -3 *d -1 ] zu finden. Tabelle 9: Verweilzeiten im gasdichten System (Fermenter und Nachgärer) Benchmarking biologische Kennzahlen: Biogasanlagen +25% Ø -25% Einfacher Kennzahlenvergleich Hydraulische Verweilzeit im gasdichten System (Tage) Veränderung 15/16 (%) 4.8% -2.7% -2.8% In Betriebsphase II lag die durchschnittliche Verweilzeit (bemessen an durchschnittlicher Verweildauer im gasdichten Raum) unverändert bei 60 Tagen. Die Spannweite zwischen den Anlagen im oberen und unteren Quartil ist sehr gross. Im oberen Quartil lag die Verweilzeit bei über 100 Tagen. Im unteren Quartil dagegen beträgt die mittlere Verweilzeit 28 Tage. Im Zusammenhang mit der Verweilzeit steht die Raumbelastung der Biogasanlagen. Die Raumbelastung wird im Benchmarking gemessen als durchschnittlicher Input an organischer Trockensubstanz je m³ Fermenter oder geschlossenen (gasdichten) System (Fermenter und Nachgärer) und Tag. Die durchschnittliche berechnete Raumbelastung im gasdichten System lag unverändert bei rund 2.5 kg ots/m³. Bei Anlagen im oberen Quartil war die Raumbelastung mit 1.1 kg ots deutlich niedriger als im unteren Quartil mit 4.6 kg ots. Im Vergleich zum Vorjahr erhöhte sich die mittlere Raumbelastung im gasdichten System um 3.3 %. Tabelle 10: Raumbelastung der Gärbehälter Benchmarking biologische Kennzahlen: Biogasanlagen +25% Ø -25% Einfacher Kennzahlenvergleich Raumbelastung Fermenter (kg ots/m³) Raumbelastung Fermenter und Nachgärer (kg ots/m³) Veränderung Raumbelastung Fermenter 15/16 (%) -4.6% -9.5% -23.2% Veränderung Raumbelastung Fermenter und Nachgärer 15/16 (%) -9.1% 3.3% 0.3% 15

16 2.12 Biogasproduktivität Die Biogasproduktivität ist eine wichtige Kennzahl, da sie die potentielle Ausbeute an Brennstoff aus den Substraten beschreibt. Da die tatsächliche Biogasproduktion nur an wenigen Biogasanlagen gemessen wird, muss diese theoretisch über den jährlichen Substratinput berechnet werden. Im Benchmarking betrug die durchschnittliche Biogasausbeute je Tonne (t) Frischsubstanz rund 66 Nm³. Im oberen Quartil erreichten die Anlagen 99 Nm³ und im unteren Quartil 42 Nm³. Im Vergleich zum Vorjahr reduzierte sich die durchschnittliche Produktivität um 6.9 %. Dabei lag die Reduktion im oberen Quartil bei 18.0 %, nur im unteren Quartil konnte eine Steigerung von 6.0 % erreicht werden. Bezüglich der Biogasproduktion aus der organischen Trockensubstanz lag der Durchschnitt der Anlagen bei rund 558 Nm³, im oberen Quartil bei 719 Nm³ und im unteren Quartil bei 427 Nm³. Im Durchschnitt aller Anlagen ist die Biogasproduktivität aus der Trockensubstanz gegenüber Betriebsphase I nahezu unverändert. Diese Entwicklung ist ebenfalls auf den steigenden Einsatz von Hofdünger zurückzuführen, da Hofdünger ein geringes Biogasproduktionspotential bezogen auf die Frischmasse aufweist. Tabelle 11: Biogasproduktion aus den Substraten Benchmarking biologische Kennzahlen: Biogasanlagen +25% Ø -25% Einfacher Kennzahlenvergleich Biogasproduktion je t Frischsubstanz (Nm³) Biogasproduktion je t org. Trockensubstanz (Nm³) Biogasproduktion pro m³ Fermentervolumen und Tag (Nm³) Veränderung Biogas je t FM 15/16 (%) -18.0% -6.7% 6.0% Veränderung Biogas je t ots 15/16 (%) -0.1% 0.0% -3.4% Veränderung Biogas je m³ Fermenter 15/16 (%) -27.9% -11.9% -4.0% 16

17 3. Zusammenfassung der Resultate In Betriebsphase II konnte die Anzahl teilnehmender Biogasanalgen am Benchmarking Biogas weiter gesteigert werden. Rund 40% der landwirtschaftlichen Biogasanlagen, welche Mitglied in der Genossenschaft Ökostrom Schweiz sind, beteiligen sich mittlerweile am Benchmarking Biogas. Hinsichtlich regionaler Verteilung der Anlagen, installierter elektrischer Leistung und dem Einsatz von Substraten kann davon ausgegangen werden, dass die betrachtete Stichprobe bereits eine gute Repräsentativität für die landwirtschaftliche Biogasbranche in der Schweiz insgesamt darstellt. In Betriebsphase II konnten viele neuere, kleine und mittelgrosse Biogasanlagen insbesondere auch aus der Romandie für das Benchmarking gewonnen werden. Aufgrund des stetig wachsenden Anlagenpools ist die Vergleichbarkeit der Kennzahlen zwischen den Jahren jedoch etwas eingeschränkt und bei der Interpretation der Resultate über die Jahre ist entsprechend Vorsicht geboten. Die Ergebnisse der Betriebsphase II dokumentieren den aktuellen Stand der landwirtschaftlichen Biogasproduktion und zeigen sowohl positive Entwicklungen innerhalb der Gesamtbranche auf, als auch Entwicklungspotentiale der teilnehmenden Einzelanlagen. Dies zeigt sich in den zum Teil recht grossen Spannweiten zwischen den Biogasanlagen bei einigen Kennzahlen. Die Ergebnisse des Benchmarking zeigen, dass die landwirtschaftlichen Anlagenbetreiber kontinuierlich an einer Steigerung der Produktivität und Effizienz ihrer Biogasanlagen arbeiten. Im Durchschnitt der Biogasanlagen betrug der energetische Jahresnutzungsgrad ohne Berücksichtigung des eigenen Prozesswärmebedarfs rund 64 %. Die Anlagen im oberen Quartil zeigen eindrücklich, dass es mittels einem intelligenten Wärmenutzungskonzept möglich ist, nahezu die gesamte theoretisch verfügbare Energie aus den Substraten in Nutzenergie umzuwandeln und einzusetzen. Bei energetischen Jahresnutzungsgraden von bis zu rund 80 % (ohne Prozesswärme) kann von einer annähernd vollständigen energetischen Ausnutzung der theoretischen Inputenergie gesprochen werden. Bei diesen Anlagen bestehen kaum Potenziale für weitere Steigerungen der Ausnutzungsgrade, ohne einen Ausbau bzw. Erweiterung der Biogasanlage oder die Investition in Substrat-Vor und Nachbehandlungstechnologien zur Effizienzsteigerung aus Biomasse. Es bestehen jedoch bei einigen Biogasanlagen auch noch deutliche Entwicklungspotenziale. Diese Potenziale können sowohl über eine verstärkte Wärmenutzung als auch Stromproduktion oder optimierte Betriebsmanagementmassnahmen gehoben werden. Die Stromproduktion der Biogasanlagen steigt kontinuierlich, sowohl hinsichtlich der installierten als auch insbesondere der äquivalenten Leistung. In den vergangenen Jahren erfolgten bei zahlreichen Biogasanlagen deutliche Ausbauschritte, welche zu einer Steigerung der Stromerzeugung beitrugen. Bei identischen Anlagen aus Betriebsphase I und II lag die durchschnittliche Steigerung der Stromproduktion bei lediglich rund 1 %. Daneben entwickelte sich die Wärmenutzung in den zurückliegenden Jahren hingegen stark. Vor allem vor dem Hintergrund, dass auf Landwirtschaftsbetrieben an dezentralen Standorten oftmals nur erschwert ausgeklügelte Wärmenutzungspfade entwickelt werden können, die zum einen relativ konstant hohe Wärmemengen benötigen und zum anderen möglichst auch im Sommerhalbjahr Wärme abnehmen, ist diese Entwicklung sehr positiv zu beurteilen. Bereits während der Pilotphasen wurde die Wärmenutzung sehr deutlich entwickelt, dieser Trend setzte sich in den Betriebsphasen fort. Dabei wurde sowohl die Wärmenutzung 17

18 auf den Landwirtschaftsbetrieben (innerbetriebliche Wärmenutzung) ausgebaut, als auch die externe Wärmenutzung an betriebsfremde Abnehmer. Es erfolgten massive Investitionen in die Wärmenutzung, vor allem in den Ausbau lokaler Nahwärmenetze. Insgesamt werden über 50 %, der über den Prozesswärmebedarf hinaus zur Verfügung stehenden Wärme, genutzt. Die Substratbasis der Biogasanlagen besteht zu deutlich über 80 % aus Hofdünger. Der Hofdüngereinsatz hat sich gegenüber den Vorjahren sowohl absolut als auch relativ stetig erhöht. Der zunehmende Einsatz von Hofdünger ist aus umwelt- und klimapolitischen Gründen sehr zu begrüssen, Hofdünger sind aber im Vergleich zu organischen Abfallstoffen oder Zwischenfrüchten wenig energiereich. Dies muss über den Einsatz energiereicher organischer Abfallstoffe, sogenannter Co-Substrate, kompensiert werden. Die Stromausbeute aus den Substraten entwickelte sich aufgrund des steigenden Hofdüngereinsatzes insgesamt weiter rückläufig und lag bei rund 140 kwh je Tonne Frischmasse Inputsubstrat. Dass bei vielen Biogasanlagen noch weitere Optimierungsmöglichkeiten bestehen, zeigen exemplarisch die Kennzahlen zum Eigenstromverbrauch und dem BHKW Ausnutzungsgrad bzw. der Volllaststunden. Der Eigenstromverbrauch von durchschnittlich 11.3 % ist im europäischen Vergleich als hoch einzuschätzen, was unter anderem auf die sich unterscheidende Zusammensetzungen des Substratmix und des damit einhergehenden Substrathandlings (Rühren, Pumpen, etc.) zurückzuführen ist. Während der Eigenstrombedarf in der Pilotphase bei der Betrachtung identischer Anlagen kontinuierlich sank, stieg er in der Betriebsphase I und II wieder an. Dieser Anstieg kann zum einen auf die Aufnahme neuer Biogasanlagen zurückgeführt werden, zum anderen aber auch auf eine zunehmende energieintensive Substratvorbehandlung und Aufbereitung. Insgesamt ist die Spannweite im Eigenstromverbrauch zwischen den Anlagen besonders hoch und stellt damit eine wichtige Stellschraube bei betriebsspezifischen Optimierungsansätzen dar. Je höher der Ausnutzungsgrad, desto mehr Volllaststunden stehen der Produktion grundsätzlich zur Verfügung. Wie die Auswertungen zeigen, ist die Arbeitsauslastung bei den Biogasanlagen äusserst heterogen. Der Ausnutzungsgrad lag für die kleineren Biogasanlagen bei durchschnittlich rund 80 %. Die grösseren Anlagen zeigten dagegen einen Ausnutzungsgrad von rund 70 %. Der geringere Auslastungsgrad der grösseren Biogasanlagen steht im Zusammenhang mit BHKW Erweiterungen (Ersatz-BHKW, Revision alter BHKW mit Leistungserhöhung, Installation Zweit-BHKW). Investitionen in zusätzliche BHKW- Leistungen beeinflussen die Kennzahlen zur Auslastung (Vollaststunden-Arbeitsauslastung) erheblich, da dadurch Leistungssteigerungen einhergehen und sich die Steigerung der Biogasproduktion in der Praxis in den meisten Fällen nur schrittweise über die Jahre erhöhen lässt. Den Anlagenerweiterungen müssen in den folgenden Jahren nach und nach weitere betriebliche und organisatorische Optimierungen folgen, um die äquivalente Leistung allmählich zu steigern. Die Ergebnisse der Betriebsphase II zeigen, dass die grösseren Anlagen in 2016 ihre Auslastung bereits deutlich steigern konnten und die Anlagenoptimierungen konstant umgesetzt werden. 18

19 4. Anhang Abbildung A-1: Substrateinsatz der Biogasanlagen in Betriebsphase I (massebezogen) Abbildung A-2: Substrateinsatz der Biogasanlagen in Betriebsphase I (energiebezogen) 19