Upgrading von Biogasanlagen - Zukünftige Anforderungen, Herausforderungen und Hemmnisse Dr. Henning Hahn 10. Fachtagung Biogas, Potsdam 9.12.
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- Irmgard Hartmann
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1 Upgrading von Biogasanlagen - Zukünftige Anforderungen, Herausforderungen und Hemmnisse Dr. Henning Hahn 10. Fachtagung Biogas, Potsdam Bildquelle: Krautkremer, IWES
2 Vortragsstruktur 1. Anforderungen an Biogasanlagen aus Sicht eines zukünftigen EE-Systems 2. Herausforderung: Upgrading von Biogasanlagen hin zu flexiblen Stromerzeugern 3. Aktueller Stand der flexiblen Biogasverstromung Wie geht s weiter?
3 Anforderungen aus Sicht des Energieversorgungssystems Wozu brauchen wir Strom aus Biomasse in Zukunft? EE-Anteil an der Bruttostromproduktion: Heute: ca. 27 % Ziel 2050: 80 % Dargestellt: 100 % Ausbau EE: Tragende Säule fluktuierende EE Dynamischer Zubau von PV und Windenergieanlagen steigende Anforderungen, den schwankenden Strombedarf durch die zukünftig stärker schwankende Stromerzeugung zu decken Quelle: Nitsch et al., Langfristszenarien 2011
4 Anforderungen aus Sicht des Energieversorgungssystems Warum bedarfsorientiert Biogas bereit stellen? Steigende Anforderungen an zukünftige Stromversorgungsstrukturen sind nur lösbar durch: Lastmanagement Erzeugungsmanagement Versorgung mit hohem Anteil EE- Strom Speichertechnologien Ausbau der Stromnetze Energie aus Biomasse, insbesondere Biogas und Biomethan, bietet den Vorteil, unabhängig von Witterungseinflüssen flexibel verstromt werden zu können. Zukünftig gilt es, die Stromproduktion aus Biogas zu steuern und am Strombedarf zur Deckung der Residuallast auszurichten!
5 Residuallast (GW) Anforderungen aus Sicht des Energieversorgungssystems Residuallast ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimatisierung (Meteo-Jahr 2007) Bioenergie in Deutschland: 6,8 GW / 45 TWh Biogas: (2014) 3,8 GW / 30 TWh Überschüsse: TWh Defizite: 43.5 TWh Minimale Residuallast: GW Maximale Residuallast 48.2 GW -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Monat 2010 Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last) Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE
6 Anforderungen aus Sicht des Energieversorgungssystems Anforderungen an die bedarfsorientierte Bisheriges Anlagenkonzept: Biogasbereitstellung t
7 Anforderungen aus Sicht des Energieversorgungssystems Anforderungen an die bedarfsorientierte Bisheriges Anlagenkonzept: Biogasbereitstellung t Anlagenkonzept für eine bedarfsorientierte Verstromung: t
8 Anforderungen aus Sicht des Energieversorgungssystems Anforderungen an die bedarfsorientierte Bisheriges Anlagenkonzept: Biogasbereitstellung t Anlagenkonzept für eine bedarfsorientierte Verstromung: t?!?
9 Upgrading von Biogasanlagen
10 Upgrading von Biogasanlagen -Anlagenkonfigurationen
11 Upgrading von Biogasanlagen -Anlagenkonfigurationen
12 Upgrading von Biogasanlagen - Standardkonzept Energiepflanzen, Gülle P Biogasproduktion P Biogasbereitstellung t t
13 Upgrading von Biogasanlagen BGA mit erweitertem Biogasspeicher (BGA-BS) Energiepflanzen, Gülle Erweiterter Gasspeicher Externer Gasspeicher P Biogasbereitstellung t
14 Upgrading von Biogasanlagen -Anlagenkonfigurationen
15 Biogasanlagenkonfigurationen zur bedarfsorientierten Biogasbereitstellung Stand der Technik und Forschung BGA mit Biogasaufbereitung und Einspeisung (BGAA) Energiepflanzen, Gülle Erdgasnetz P Biogasbereitstellung BGAA t
16 Biogasanlagenkonfigurationen zur bedarfsorientierten Biogasbereitstellung Stand der Technik und Forschung
17 Biogasanlagenkonfigurationen zur bedarfsorientierten Biogasbereitstellung Stand der Technik und Forschung BGA mit Fütterungsmanagement (BGA-FM) Energiepflanzen, Gülle Erweiterter Gasspeicher Externer Gasspeicher P Biogasbereitstellung Leicht abbaubare Substrate t
18 Upgrading von Biogasanlagen -Anlagenkonfigurationen 12
19 Biogasanlagenkonfigurationen zur bedarfsorientierten Biogasbereitstellung Stand der Technik und Forschung ReBi-Anlage (ReBi) Volldurchmischter Reaktor P Biogasproduktion Methanproduktion Hydrolysereaktor Feststoffe Gülle Energiepflanzen t Fest-Flüssig Trennung P Biogasproduktion Methanproduktion Rezirkulation von Prozesswasser Flüssiges Hydrolysat Pufferspeicher Festbettreaktor t
20 Biogasanlagenkonfigurationen zur bedarfsorientierten Biogasbereitstellung Stand der Technik und Forschung ReBi mit zusätzlicher Vergärung flüssiger Substrate (ReBi- IFBB) Hydrolysereaktor Feststoffe Gülle Volldurchmischter Reaktor P Biogasproduktion Methanproduktion Energiepflanzen t Fest-Flüssig Trennung P Biogasproduktion Methanproduktion Rezirkulation von Prozesswasser Flüssiges Hydrolysat Pufferspeicher alternative flüssige Substrate Festbettreaktor t
21 Versuchsergebnisse Flexible Biogasproduktion Gasproduktion im Tagesverlauf bei 8 h Fütterung Tageslastgang in versch. Jahreszeiten
22 Versuchsergebnisse Flexible Biogasproduktion Flexible Biogasproduktion durch eine Fütterung von 8 Stunden pro Tag Quelle: Ganagin et al. 2013
23 Versuchsergebnisse Flexible Biogasproduktion Flexible Biogasproduktion unter Berücksichtigung des Strombedarfes im Laufe der Woche Quelle: Ganagin et al. 2013
24 Versuchsergebnisse Flexible Biogasproduktion Erforderlicher nutzbarer Gasspeicherbedarf bei flexibler Stromproduktion Platzbedarf für die Gasspeicherung (extern) muss vorhanden sein Lt. BImSchV auf 10t und 50t begrenzt Quelle: Hahn et al. 2014
25 Ökonomische Bewertung Ergebnisse Zusätzliche Gasbereitstellungskosten Gasbereitstellungskosten BGA: 1325 kw Hi : 6,1 MWh -1 Hi; 2650 kw Hi : 5,8 MWh -1 Hi; 3710 kw Hi : 5,7 MWh -1 Hi b) 72 h ohne Biogasbedarf pro Woche (Szenario 2) c) Ohne Berücksichtigung rechtl. Rahmenbedingungen Thermische Kapazität [kw Hi ]
26 Ökonomische Bewertung Ergebnisse Zusätzliche Gasbereitstellungskosten Gasbereitstellungskosten BGA: 1325 kw Hi : 6,1 MWh -1 Hi; 2650 kw Hi : 5,8 MWh -1 Hi; 3710 kw Hi : 5,7 MWh -1 Hi a) Biogasbereitstellung an 8 h d -1 (Szenario A) b) 72 h ohne Biogasbedarf pro Woche (Szenario 2) c) Ohne Berücksichtigung rechtl. Rahmenbedingungen Zusätzliche Kosten [ MWh -1 Hi] BGAA BGA-BS BGA-IFBB ReBi ReBi-IFBB Thermische Kapazität [kw Hi ]
27 Ökonomische Bewertung Ergebnisse Zusätzliche Gasbereitstellungskosten Gasbereitstellungskosten BGA: 1325 kw Hi : 6,1 MWh -1 Hi; 2650 kw Hi : 5,8 MWh -1 Hi; 3710 kw Hi : 5,7 MWh -1 Hi a) Biogasbereitstellung an 8 h d -1 (Szenario A) b) 72 h ohne Biogasbedarf pro Woche (Szenario B) c) Ohne Berücksichtigung rechtl. Rahmenbedingungen Zusätzliche Kosten [ MWh -1 Hi] BGAA BGA-BS BGA-IFBB ReBi ReBi-IFBB Thermische Kapazität [kw Hi ] Thermische Kapazität [kw Hi ]
28 Ökonomische Bewertung Ergebnisse Zusätzliche Gasbereitstellungskosten Gasbereitstellungskosten BGA: 1325 kw Hi : 6,1 MWh -1 Hi; 2650 kw Hi : 5,8 MWh -1 Hi; 3710 kw Hi : 5,7 MWh -1 Hi a) Biogasbereitstellung an 8 h d -1 (Szenario A) b) 72 h ohne Biogasbedarf pro Woche (Szenario B) c) Ohne Berücksichtigung rechtlicher Rahmenbedingungen (Szenario B) Zusätzliche Kosten [ MWh -1 Hi] BGAA BGA-BS BGA-IFBB ReBi ReBi-IFBB Thermische Kapazität [kw Hi ] Thermische Kapazität [kw Hi ] Thermische Kapazität [kw Hi ]
29 Ökonomische Bewertung - Schlussfolgerungen Szenario: 8 Std. Bedarf Zusätzliche Gasbereitstellungskosten (ohne BGAA): 2-11 MWh -1 Hi Konfigurationen mit Biogasspeicherung an der Anlage Szenario: 72 Std. Pause Zusätzliche Gasbereitstellungskosten (ohne BGAA): 9-19 MWh -1 Hi Anlagen mit flexibler Biogasproduktion profitierten von den Kosteneinsparungen durch die geringer erforderlichen Biogasspeicherkapazitäten Substratkosten haben den größten Einfluss auf die Biogasbereitstellungskosten Anlagen mit Hydrolyse könnten von einer erhöhten Substratnutzungseffizienz profitieren
30 Hessischen Biogas Forschungszentrum (HBFZ) in Bad Hersfeld
31 Residuallast (GW) Ausblick 60 Residuallast ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimatisierung (Meteo-Jahr 2007) 40 Ausgleich notwendig Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute -100 Überschüsse: TWh Defizite: 43.5 TWh Minimale Residuallast: GW Maximale Residuallast 48.2 GW -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Monat 2010 Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last) Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE
32 Residuallast (GW) Ausblick 60 Residuallast ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimatisierung (Meteo-Jahr 2007) 40 Ausgleich notwendig Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute -100 Überschüsse: TWh Defizite: 43.5 TWh Minimale Residuallast: GW Maximale Residuallast 48.2 GW -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Monat 42 Mio. E-KFZ Idealfall 2010 Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last) Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE
33 Residuallast (GW) Ausblick 60 Residuallast ohne E-Mobilität, Wärmepumpen und Klimatisierung (Meteo-Jahr 2007) 40 Ausgleich notwendig Kapazität und Leistung Pumpspeicher heute -100 Überschüsse: TWh Defizite: 43.5 TWh Minimale Residuallast: GW Maximale Residuallast 48.2 GW -120 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Kapazität und Leistung Gasspeicher heute Monat 2010 Defizite (Last > EE-Einspeisung) Überschüsse (EE-Einspeisung > Last) Gasspeicher = 1500 bis 3000-fache Kapazität aller Pumpspeicher (bei GT,GuD = 28-55%) Quelle: IWES-Berechnungen für UBA Energieziel 100% Strom aus EE 42 Mio. E-KFZ Idealfall
34 Ausblick Direkte Methanisierung mit Biogas ELECTRICITY NETWORK NATURAL GAS NETWORK Wind Solar Andere Erneuerbare KWK, GuD, Gasturbine VERSTROMUNG STROMSPEICHERUNG - für Wärme - für Verkehr Gasspeicher H 2 O O 2 Elektrolyse, H 2 -Tank CH 4 /CO 2 -Tank (Biogas-Tank) Biomass, Biogasanlage Abfall CH 4 / CO 2 H 2 CH 4 Methanisierung Biogas Heat Quelle: Specht et al, 2009 Sterner, 2009
35 Aktueller Stand Flexibilität im Anlagenpark Abschätzung Flexibilität: 6600 VLh/a *bezogen auf die Leistung Quelle: Holzhammer et al. 2015
36 Aktueller Stand Flexibilität im Anlagenpark Quelle: Holzhammer et al. 2015
37 Wie geht s weiter? Biogasanlagen können ein wesentliches Element einer zukünftigen erneuerbaren Energieversorgung darstellen und das Portfolio an EE-Erzeugern vervollständigen. Aufgabe von Praxis und Forschung ist es, den aus der Energiewende resultierenden neuen Anforderungen an den Biogasanlagenbestand gerecht zu werden und diesen zu flexibilisieren und damit den Wert des Biogasstroms zu erhöhen! 1.Schritt: auf Basis von Biogasspeicherkonzepten 2. Schritt: diskontinuierliche Biogasproduktion zum Ausgleich von längeren Zeiten ohne Biogasbedarf zur Verstromung + ermöglicht eine insgesamt höhere Verstromungsflexibilität + ausgeweitetes Substrateinsatzspektrum (Substratnutzungseffizienz) 3. Schritt: Kombination von Biogasanlagen mit P2G-Anlagen Bestimmung des Wert des Biogasstroms - über den Strompreis hinaus Marktentwicklung?!
38 Herzlichen Dank Kontakt: Dr. Henning Hahn Fraunhofer IWES Königstor Kassel Tel.:
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