Verfahren zu Aufbereitung und Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz

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1 Deutsches BiomasseForschungsZentrum German Biomass Research Centre Bundeswettbewerb Bioenergie-Regionen Verfahren zu Aufbereitung und Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz Dipl. Biotechnol. Elmar Fischer Workshop Technische Anlagen und Konzepte, 09./10. März 2009, Mosbach Deutsches BiomasseForschungsZentrum gemeinnützige GmbH, Torgauer Str. 116, D Leipzig,

2 Inhalt Stand Biogasproduktion Stand Biogasaufbereitung und Einspeisung Aufbereitungstechnologien Ökologische Betrachtung der Biogaseinspeisung Zusammenfassung

3 Multitalent Biogas Biogas Strom Wärme Kraftstoff Gasnetz Das Biogas wird zur Stromerzeugung in Biogas- Blockheizkraftwerken verbrannt. Neben Strom liefern Biogas-BHKW auch Wärme. Wird diese genutzt, erhöht sich der Wirkungsgrad der Energieausbeute erheblich. Mit dem Biogas aus einem Hektar Maissilage fährt ein Erdgas-Auto rund Kilometer (fast zweimal die Länge des Äquators) Das nutzbare Biogasenergiepotenzi al in Deutschland kann etwa 20 Prozent des deutschen Erdgasverbrauchs ersetzen Biogas ist als erneuerbarer Primärenergieträger ein wichtiger Garant für künftige Mobilität und Energieversorgung. Quelle: Fachverband Biogas e.v. Quelle: Fachverband Biogas

4 Wie erfolgt die Nutzung von Biogas? BHKW Strom Wärme Biogas Gasnetz Reinigung Kraftstoff Biogaserzeugung Gasaufbereitung Gastransport Gasverwertung Biogas ist auf verschiedene Weise nutzbar. Aufbereitung als Alternative Effizienz durch höhere Wärmenutzung

5 Stand der Biogasproduktion in Deutschland

6 Hintergrund - Stand der Biogasnutzung in Europa Deutschland ist größter Biogasproduzent in Europa Kein anderes Land verwendet in ähnlichem Umfang landwirtschaftl. Substrate Der Begriff Biogas wird international weitläufiger definiert als in Deutschland! Quelle: Biogasbarometer/EUROBSERV ER 6

7 Anlagenanzahl weltweit (einschl. Deponiegas) The Netherlands 7 USA 10 Austria 6 Canada 2 France 3 Switzerland DBFZ / SGC Germany 32 Iceland 1 Sweden 39 Spain 2 Norway 3 South Korea 1 Italy 1 Japan 3 New Zealand 3 Quelle: Anlagendatenbank des DBFZ

8 Leistungsentwicklung weltweit nach Technologien (einschl. Deponiegas) Davon ca. 50 %: Deponiegas, vorwiegend USA Installed capacity in Nm³/h Biomethane Membrane Organic scrubber Pressure Swing Adsorption Water scrubber DBFZ / SGC

9 Biogasanlagenbestand bis Marktabschätzung Anlagenanzahl gesamt Anlagenleistung gesamt Anlagenanzahl Äquivalent Gasaufbereitung, geschätzt Anlagenleistung in MWel Dez 1999 Dez 2001 Dez 2003 Dez 2005 Dez 2007 Dez 2009 Dez 2011 Dez 2013 Dez 2015 Dez 2017 Dez 2019 Allein bis 2010 wird die Biogasanlagen um rund 2000 Stück zunehmen, die Nutzung der Potenziale wird sich fast verdoppeln 9

10 Biogasproduktionspotenziale und ihre Nutzung Deutschland zusätzliche Biogasanlagen bei 500 kwel: Schleswig-Holstein 586 Hamburg 17 Niedersachsen Bremen 2 Nordrhein-Westfalen Hessen 436 Rheinland-Pfalz 355 Baden-Württemberg 705 Bayern Saarland 33 Berlin 1 Brandenburg Mecklenburg-Vorpommern Sachsen % 14% Potenzial - obere Grenze Potenzial - untere Grenze derzeit genutztes Potenzial Sachsen-Anhalt Thüringen mögliche Anzahl an Biogasanlagen bei 500 kwel Mrd. kwh / a Nur durchschnittlich 14 % der Biogaspotenziale wurden 2007 genutzt! deutliche Unterschiede zwischen den Bundesländern 10

11 Aufbereitungstechnologien

12 Einspeiseanlagen in Betrieb/Planung ca. 31 Biogaseinspeise- Anlagen Ende 2009 in Betrieb (vgl. 2 in 12/2006 & 22 in 09/2009) - Pliening - Straelen - Jameln/Wendland (Kraftstoff) -Werlte - Könnern - Schwandorf - Mühlacker - Godenstedt - Darmstadt-Wixhausen - Zahlreiche weitere Einspeiseprojekte in Bau bzw. Planung (>> 60)

13 Stand - Biogasaufbereitung Biogasaufbereitung ist Stand der Technik Verschiedene Aufbereitungstechnologien: physikalische Verfahren Adsorption (Druckwasserwäsche = DWW) und Druckwechseladsorption (Pressure Swing Adsorption = PSA), Membranverfahren, kryogene Trennung chemische Verfahren (Aminwäsche, z.b. MEA, DEA), Im europäischen Ausland bestehen sehr gute Erfahrungen mit Biomethan als Fahrzeugtreibstoff + Erdgassubstitut Vorgaben der DVGW-Richtlinien sind zu berücksichtigen (Gasqualität, Druck, Volumenstrom, Qualitätsgewährleistung) Einspeiseprojekte in D: Betrieb durch Gasversorger/ Kooperation (Anlagegröße zw MW el ; Durchschnitt: 1,5-3 MW el. ) Der rechtliche Rahmen wurde durch neue Regulierungen deutlich verbessert (EEG, GasNZV)

14 Gasqualität Quelle: Schulte-Schulze-Berndt

15 Technologie der Biogasaufbereitung Beispiel Verfahrenskette Druckwechseladsorption (PSA) Biologischer Wäscher Verdichtung H2S-Entfernung Reingas Ferment er Bioreaktor Schw efeltrenner Abwasser ZnO AK Konditionierung PSA 1 PSA 2 PSA 3 PSA 4 Luft Schwefel Kondensat Abgas Vakuumpumpe Das Verfahren ist bewährt und mehrfach im Dauereinsatz.

16 Technologie der Biogasaufbereitung Beispiel Verfahrenskette Druckwasserwäsche (DWW) Das Verfahren ist bewährt und mehrfach im Dauereinsatz.

17 Weitere Aufbereitungstechniken chemische Absorption (Aminwäsche) Waschkolonne im Gegenstromprinzip Waschlösung (Wasser und MEA/ DEA etc.) CO 2 u.a. löst sich in der Waschlösung, CH 4 in Gasphase drucklos, hohe Methanreinheit, geringer Methanverlust jedoch hoher Wärmebedarf für Regeneration der Waschlösung

18 Weitere Aufbereitungstechniken chemische Absorption (Aminwäsche) Waschkolonne im Gegenstromprinzip Waschlösung (Wasser und MEA/ DEA etc.) CO 2 u.a. löst sich in der Waschlösung, CH 4 in Gasphase drucklos, hohe Methanreinheit, geringer Methanverlust jedoch hoher Wärmebedarf für Regeneration Waschlösung Membranverfahren Unterschiedliche Permeabilität von Gasinhaltsstoffen = Trennung nach Größe Art der Membran, Strömungsgeschwindigkeit, Anzahl Trennstufen

19 Weitere Aufbereitungstechniken chemische Absorption (Aminwäsche) Waschkolonne im Gegenstromprinzip Waschlösung (Wasser und MEA/ DEA etc.) CO 2 u.a. löst sich in der Waschlösung, CH 4 in Gasphase drucklos, hohe Methanreinheit, geringer Methanverlust jedoch hoher Wärmebedarf für Regeneration Waschlösung Membranverfahren Unterschiedliche Permeabilität von Gasinhaltsstoffen = Trennung nach Größe Art der Membran, Strömungsgeschwindigkeit, Anzahl Trennstufen Kryogene Trennung Ähnlich der Luftzerlegung: Ausnutzung unterschiedlicher Kondensationstemperaturen der Biogaskomponenten CO 2 in fester Form (Trockeneis), CH 4 in Gasphase

20 Beispiel Einspeiseanlage Könnern Substrate: Energiepflanzen Leistung: 1000 Nm 3 /h Rohgas (500 Nm 3 /h Biomethan) Verfahren: Druckwasserwäsche Gaseinspeisung: H-Gas-Netz mit LPG- Zugabe bei 16 bar

21 Beispiel Biogastankstelle Jameln Biogasnutzung als Kraftstoff 1. Biogastankstelle mit Aufbereitung in Betrieb (Jameln/ Wendland, Juni 2006) 2. Anlage in Dannenberg NawaRo + Gülle Selexol-Wäsche Rohgas 140 m 3 /h, ~52% CH 4 Reingas 70 m 3 /h, 96% CH 4 weitere Anlagen in Bau/Vorbereitung Achtung: Preis für Biomethan regional verschieden, da H- bzw L-Gasnetzgebiete

22 Rahmenbedingungen der Biogaseinspeisung

23 Politische Zielvorgaben festgelegte Ziele für DE: Anteil erneuerbare Energien am Primärenergiebedarf Anteile des erneuerbaren Stroms am Strombedarf Anteil Biokraftstoffe am gesamten Kraftstoffbedarf ,2% 12,5% 6,25% Ziele bis 2020 nach der Regierungserklärung vom : Erneuerbare gesamt 20 % erneuerbarer Strom 27 % Biokraftstoff 17 % Wärme 14 % Erhöhung Energieeffizienz 20 % % 20% 6,25% (2014) deutliche Ausweitung der Ziele 10/2008: Anrechnung von Biomethan auf die Biokraftstoffquote Selbstverpflichtungserklärung der deutschen Gaswirtschaft GasNZV: 6 Mrd. m 3 Biomethan bis 2020; 10 Mrd. m 3 bis 2030

24 Gasnetzzugangsverordnung (GasNZV) Regelt den Gasnetzzugang für Transportkunden Sonderregelungen für die Einspeisung von Biogas Vorrangiger Netzanschluss für Biogasanlagen auf allen Druckstufen Vorrangiger Netzzugang für Biomethan soweit die Gase netzkompatibel sind Kapazitätsengpässe dürfen nicht zur Verweigerung des Zugangs führen Netzbetreiber hat alle wirtschaftlich zumutbaren Aufwendungen zu treffen um das Gas aufzunehmen, auch im Sommer Bei Anschlussverweigerung ist Alternativanschlusspunkt vorzuschlagen Möglichkeit eines erweiterten Bilanzausgleichs

25 Gasnetzzugangsverordnung (GasNZV) Einspeiser erhält 0,7 ct/kwh vermiedene Netznutzungsentgelte Gasbeschaffenheit: Einspeiser hat unabhängig von konkreter Gasbeschaffenheit im Netz die Voraussetzungen der DVGW- Arbeitsblätter G 260 und G 262 zu erfüllen Für die Gasbeschaffenheit am Ausspeisepunkt ist der Gasnetzbetreiber nach G 685 verantwortlich Die Emissionen aus der Gasaufbereitung dürfen 0,5 % (Methan, bezogen auf Rohgas) nicht überschreiten Bezug: Brennwert!! (Heizwert ca. 10 % unter Brennwert)

26 Gasnetzzugangsverordnung Netzbetreiber müssen im Internet veröffentlichen: Bedingungen für Netzanschlussbegehren, Bedingungen für Netzanschluss, Netzauslastung einschließlich Kennzeichnung zu erwartender Engpässe Netzanschlussbegehren: Innerhalb von zwei Wochen Information über notwendige Prüfungen und Kosten (trägt Anschlussnehmer); innerhalb einer Woche zusätzliche Informationen anfordern 25 % Vorschuss sind zu zahlen, um Prüfung zu beginnen; dann nach 3 Monaten Ergebnis vorzulegen, daran ist Netzbetreiber 3 Monate gebunden; in dieser Frist ist verbindliches Vertragsangebot vorzulegen (Mindesteinspeisekapazität); innerhalb von 18 Monaten muss mit dem Bau der Anlage dann begonnen werden Nach Vertragsabschluss ist Netzbetreiber zur unverzüglichen Planung des Netzanschlusses verpflichtet

27 Gasnetzzugangsverordnung

28 Kostenteilung Quelle: Berg: Enerige Wasser Praxis 11/08

29 Zusatzgas oder Austauschgas? Quelle: Klaas: Energie Wasser Praxis 2/08

30 Weitere Anforderungen (EEG, TA Luft) Prozesswärmebedarf Aufbereitung ausschließlich regenerative Energie / Abwärme Aufbereitung Methanverluste in Atmosphäre maximal 0,5 % Stromverbrauch < 0,5 KWh/Nm 3 Rohgas Methanemissionen begrenzt durch TA-Luft, umgerechnet 0,01 bis 0,2% Methanverluste (je nach Anlagengröße) Gasdicht abgedecktes Gärrestlager

31 Beispiel: Vorgaben seitens Netzbetreiber Angaben der Stadtwerke Rheine als Beispiel für ein Anforderungsportfolio Einspeisemengen Minimale und Maximale Einspeisemenge in m 3 /h Zeitliche Besonderheiten (Wartung) Einhaltung der DVGW-Arbeitsblätter 260 und 262 Beschaffenheit regenerativer Gase Brenntechnische Eigenschaften (Brennwert, Wobbe-Index) Flüssiggaszugabe Gasbegleitstoffe Einstellung der Einspeisung z.b. bei Ausfall des Chromatographen Überwachung und Messung DVGW G 685 Abweichung bis 2% vom Abrechnungsbrennwert zulässig Prüfung der Aufnahmefähigkeit des Gasnetzes durch Netzbetreiber ( Sommernacht ) Einhaltung von Anforderung an bauliche Ausführung nach diversen DVGW Gasleitungen, G 462, G 472 Gasbeschaffenheitsmessanlagen, G 488 Gasdruckregelanlagen, G 491 Gasmessanlagen, G 492 Verdichteranlagen G 497 Weitergabe von Daten des Betreibers per Fernübertragung Änderung von Einspeisebedingungen -->Anpassung des Einspeisevertrages

32 Einsparung von Klimagasemissionen bei der Biogasnutzung kg eingesparte CO 2 -Äquivalente pro GJ Biogas Input BHKW / Aufbereitung aus Silomais Biogasanlage 500 kwel (eta el = 37,5%; eta th = 43%): Prozesswärme Biogaskessel; Strombedarf Netzstrom Gärrestlager geschlossen; Methanemissionen: Biogasanlage (BGA) 1%; BHKW 0 0,5%; Methanemissionen Biomethan-BHKW 0,01% (Oxidationskatalysator) Biogas BHKW nur Strom BHKW Biogas BHKW mit 20% Nutzung der Überschusswärme Einspeisung +BHKW Gaseinspeisung, Nutzung im BHKW Biogas BHKW mit 80% Nutzung der Überschusswärme Biomethan 100% KWK Nutzung im 500 kwel BHKW (37,5/43) Quelle: IFEU et al.: Optimierungen für einen nachhaltigen Ausbau der Biogaserzeugung und -nutzung in Deutschland, BMU 2008

33 Hemmnisse bei der Umsetzung der Biogaseinspeisung

34 Wesentliche Hemmnisse I Ökologische Bedenken bei der NawaRo-Nutzung steigende Inanspruchnahme landwirtschaftlicher Nutzfläche Konkurrenz mit anderen (Bioenergie)nutzungsoptionen 1,50 1,00 0,50 0,00 0 0,65 0,68 1,04 1,08 0,69 0,91 0,93 0,90 0,74 0,37* 0,31* 0,21** Rohmaterial Rohstoff Betrieb Anlagenbetrieb Kapital Nebenprodukte Total -0,50 1.Gen.-Bioethanol (Basis EtOH Zuckerrüben-/ ind (Zurü) Melassefermentation) 1.Gen.-Bioethanol (Basis EtOH ind. ind Getreidefermentation) (Getr) 1.Gen.-Bioethanol (Basis EtOH lw. lw Getreidefermentation) (Getr) 2.Gen.-Bioethanol EtOH (Basis ind (Stroh) Strohfermentation) Biogas BG (Basis lw (Nawaro) Nawaro- Nass-fermentation) FT FT-Diesel ind (KUP) (Basis KUP- Vergasung) FT-Diesel (Basis FT ind Strohslurry- (Slurry) Vergasung) Bio-SNG SNG (Basis ind (KUP) KUP- Vergasung) Mineralöldiesel Diesel Biogas (Basis BG Gülle-Nassfermentation) lw (Gülle) Superbenzin Mineralöl- Superbenzin Erdgas Biokraftstoffgestehungskosten in /l KSÄ * Produktpreis 3. Quartal, 2006 (MWV, 2006) ** Grenzübergangspreis Dtl. Mittel 2006 (BAFA, 2006)

35 Wesentliche Hemmnisse II Schwierige Standortfindung Geeigneter Einspeisepunkt, Kooperation mit EVU Gewerbesteuer, Arbeitsplätze Genehmigungsrechtliche Situation Transporte Geruchsemissionen Hoher Investbedarf Anlagen unter 1-2MW el,äq nur an sehr günstigen Standorten umsetzbar Alternative Mikrogasnetz Keine Absicherung durch das EEG wenn Biomethan frei gehandelt werden soll

36 Zusammenfassung

37 Zusammenfassung Potenziale, Biogas zu gewinnen und zu nutzen sind in Deutschland weiterhin vorhanden Biogaserzeugung, -nutzung und -aufbereitung sind Stand der Technik Aus energetischer/ökologischer und wirtschaftlicher Sicht kann die Einspeisung sehr sinnvoll sein, dies ist u. a. vom Wärmeabsatz abhängig Aufgrund sehr günstiger rechtlicher Rahmenbedingungen ist ein klarer Trend größerer Anlagen zur Biogaseinspeisung zu erkennen Im Vergleich zur Stromeinspeisung ist die Gaseinspeisung rechtlich deutlich komplexer Derzeit kann die Einspeisung unter günstigen Bedingungen nach den Vergütungssätzen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes erfolgen Für die technisch kritischen Fragestellungen sind seit 2008 weitestgehend die Gasnetzbetreiber verantwortlich.

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl. Biotechnol. Elmar Fischer Abteilung (T) Deutsches BiomasseForschungszentrum ggmbh Leipzig Tel: +49(0)

39 Nachtrag Flächeneffizienz und weitere Zahlen Umfangreiche Aufstellungen zur Entwicklung der Biomasse unter Beispiel Flächeneffizienz der Stromerzeugung aus Biogas (links unten) Quelle: obs/fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR)

40 Nachtrag Flächeneffizienz und weitere Zahlen Flächeneffizienz von Biomethan im Vergleich zu anderen Biokraftstoffen Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR)

41 Nachtrag Flächeneffizienz und weitere Zahlen Entwicklung der Anbaufläche nachwachsender Rohstoffe Allgemein: Für den Betrieb einer 500kWel-NawaRoAnlage werden etwa 250ha Anbaufläche benötigt Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR)

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