Flexibel und effizient Lösungen für die Biogasanlage von morgen. H. Fabian Jacobi, Jan Liebetrau, Michael Nelles

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1 Flexibel und effizient Lösungen für die Biogasanlage von morgen H. Fabian Jacobi, Jan Liebetrau, Michael Nelles 3. Projekttag Bioenergie Berlin,

2 Energieverbrauch in Deutschland 2

3 Entwicklung Biogasanlagen (D) 7500 Anlagen, 3200 MW (el) installiert Quelle: DBFZ,

4 Anforderungen an die Biogastechnologie Hohe Effizienz des Konversionsprozesse Hohe Nutzungsgrade der bereitgestellten Energie (insbesondere Wärme) Flexibilisierung, bedarfsorientierte Energiebereitstellung Reduzierung von Emissionen 4

5 Optimierung: Betriebsstunden Biogasanlagen Jahr der Inbetriebnahme Mittelwert Betriebsstunden (h/a) Betriebsstunden 2011, geordnet nach Inbetriebnahmejahr (Daten aus Betreiberbefragung DBFZ 2011/12) berücksichtigte Rückmeldungen (Anzahl) vor

6 Optimierungen Repowering von Biogasanlagen 2011/2012 Häufigkeit der Umsetzung von Maßnahmen zur Anlagenoptimierung (Mehrfachnennungen möglich); (Betreiberbefragungen DBFZ 2011 und 2012 im Vergleich; vorläufige Ergebnisse DBFZ 2013) Ausbau der Wärmenutzung 71% 73% Erhöhung BHKW-Leistung 55% 63% Ersatz/ Austausch von Alt-BHKW 32% 40% gasdichte Abdeckung Gärrestlager Erhöhung Fermentationsvolumen Substratänderung * 20% 24% 25% 24% 19% Rohgasleitung/Satelliten-BHKW 14% 12% Substrataufbereitung/-aufschlussverfahren * 12% Nachrüstung Wärmespeicher * Installation Biogasaufbereitung 1% 1% 8% n 2011= 498 n 2012 = 581 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% relative Häufigkeit, [%] * Werte nur für 2012 erhoben Quelle: DBFZ,

7 Ziele der Bundesregierung für erneuerbare Energien Die Umsetzung dieser Ziele bedeutet: Strombereich weiterer Anstieg EE (insbesondere fluktuierende EE) Notwendigkeit neuer Wege zur Sicherung von Netzstabilität und Versorgungssicherheit Quelle: Erneuerbare Energien in Zahlen, 12_2012. Möglichkeiten zur Stabilisierung: Konzentration auf flexible, konventionelle Kraftwerke Zwischenspeicherung von EE für bedarfsgerechten Einsatz Flexibilisierung der Erzeugung von EE 7

8 Vorzüge der Biogastechnologie Biogas ist speicherbar. Die Verstromung von Biogas ist einfach und dezentral möglich. Biogas-BHKW können Systemdienstleistungen in Form von Minutenreserve und Sekundärregelenergie bereitstellen 8

9 Flexible Energiebereitstellung: Stand der Technik Substrate h Speichergröße Biogas =4h BHKW BHKW-2 BHKW-2 + BHKW-1 9

10 Flexible Energiebereitstellung: Stand der Technik Substrate h Biogas notwendige Speichergröße = 8h BHKW BHKW-2 BHKW-2 + BHKW-1 10

11 Auswirkungen Flexibilisierung auf Biogasanlagen Investitionen in BHKW-Zubau ggf. Wärmespeicher Änderung Auslegung Peripherie (Trafo, Anbindung an Netz etc.) Gasspeicher 11

12 Gasspeicherkapazitäten im Anlagenbestand Gasspeicherkapazität (h) Bereinigte Gasspeicherkapazität an Biogasanlagen Anlagenklasse (kw installiert) Quelle: DBFZ Betreiberbefragung (unveröffentlichte Daten), 2013 Bereinigung um Gaszusammensetzung, nutzbares Volumen des Gasspeichers und Betriebstemperatur 12

13 Flexible Energiebereitstellung: Prozessflexibilisierung Substrate h Herausforderung: Biogas Flexible Biogasproduktion = ungleichmäßige BHKW-2 Fütterung BHKW notwendige Speichergröße << 8h BHKW-2 + BHKW-1 13

14 Flexible Biogasproduktion - Fragen Prozessantwort / Reaktionsgeschwindigkeit Kinetik des Prozesses Steigerung Gasproduktion Senkung Gasproduktion Grenzen der Gasproduktion Maximale Produktionsrate Minimale Produktionsrate Grundsätzlich fall- und substratabhängig Fokus auf NaWaRos Prozessbiologie Wie reagiert die Mikrobiologie? Wie ist das Risiko zur Versäuerung zu bewerten? (Verändert sich die Effizienz?) (Verändert sich die MO-Population?) 14

15 Labor Ergebnisse Prozessantwort Tag-Nacht-Verteilung der Biogasproduktion 14 Gas/h 12 Gasproduktion [l/h] Raumbelastung [g/(kg*d)] :00 6:00 12:00 18:00 0:00 Versuchszeit [d] BHKW-Leistung (%) 15

16 Labor Ergebnisse Prozessantwort Tag-Nacht-Verteilung der Biogasproduktion Gasproduktion Gasproduktion [l/h] Raumbelastung [g/(kg*d)] 80% 14 70% 12 60% 10 50% 8 40% 6 30% 4 20% 2 10% 0% Nachthälfte Gas/h Tageshälfte 0 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Versuchszeit [d] Versuchstage (d) 0 BHKW-Leistung (%) 16

17 Gasspeicherbedarf nach Anlagengröße und Betriebsweise Unterschiede im Speicherbedarf flexible vs. kontinuierliche Gasproduktion 17

18 Gasspeicherbedarf nach Anlagengröße und Betriebsweise Zusatzbedarf für die flexible Verstromung 18

19 Ergebnisse Einsparung externer Doppelmembran- Gasspeicher Gesamtinvestition externer Gasspeicher kont 8h flex 8h Kosten stark fallabhängig! kont 12h flex 12h kont 16h flex 16h vorhandener Speicher 2h vorhandener Speicher 4h Durchschnittliche Anlagenleistung (kw el ) vorhandener Speicher 6h 19

20 Fazit Flexible Produktion von Biogas scheint möglich Im Labor sehr hohe Dynamik erreichbar Prozessbiologisch stabil genaue Überwachung notwendig Einsparung beim Bedarf an Gasspeicher 30-40% Höhere Flexibilität kann auch an anderer Stelle Einsparungen ermöglichen 20

21 Weitere Entwicklungen Verifizierung der Labordaten in laufendem Projekt an der FBGA Regelung der flexiblen Biogasproduktion auf Basis von Simulationsmodellen Entwicklung innovativer Prozessüberwachung 21

22 Ausblick Berücksichtigung regional unterschiedlich ausgeprägter Nutzungsund Flächenkonkurrenzen weiter steigende Anforderungen an Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit Repowering: Verstärkter Fokus auf Anlagenbestand Zukünftig Bedarf an regelbaren Bereitstellungskapazitäten Biomasse muss im Strombereich regelbar sein! Flexibilisierung ist technisch möglich wie stellen sich die Kosten dar? zentrale Forschungsfrage: Integration von Biogas in ein sich stark änderndes Energiekonzept 22

23 Forschung für die Energie der Zukunft Wir laden Sie ein! Ansprechpartner Prof. Dr. mont. Michael Nelles Daniel Mayer Prof. Dr.-Ing. Daniela Thrän Dr.-Ing. Jan Liebetrau Dr.-Ing. Volker Lenz Dr.-Ing. Franziska Müller-Langer DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Tel. +49(0)