Stromerzeugung aus Biogas Ein Teil der Energiewende?!

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1 Stromerzeugung aus Biogas Ein Teil der Energiewende?! Fachtagung: Chancen nicht verpassen Perspektiven für die und aus der Flexibilisierung von Biogasanlagen Leipzig, Montag der 18. Mai 2015 Uwe Holzhammer, Fachexperte: Bedarforientierte Energiebereitstellung Fraunhofer IWES, Kassel, Deutschland

2 Fraunhofer IWES Kassel Bereich Energieverfahrenstechnik Abteilung Bioenergie-Systemtechnik Themenschwerpunkte: Biogasanlagentechnik (mit eigener Versuchsbiogasanlage) effiziente Biogasverwendung (z.b. Mikrogasturbine, BHKW) Biogasaufbereitungstechnik und Verfahren Biogaseinspeisung in das Erdgasnetz Erneuerbares Gas als Kraftstoff CO 2 -Versorgung zur E-Gasproduktion (Power-to-Gas) bedarfsorientierte Energiebereitstellung Gasspeichertechnik, Automatisierung und Anlagensteuerung, Fütterungsmanagement, bedarfsgerechte Biogasproduktion, Wärmebereitstellung Dienstleistung: Unabhängige Beratung, Konzeptentwicklung, Wirtschaftlichkeitsanalysen, Optimierung Anlagenbetrieb Produktentwicklung (Optimierte Stromvermarktung, Gasspeichermanager, Fütterungsmanager), Szenarienentwicklung, unabhängige Vergleichsanalysen und Bewertung, Studien (für Unternehmen, kommunale Stadtwerke und Politik)

3 EE-Strommengen und Strom aus Biomasse in D Flexible Stromerzeugung aus Biomasse ein Teil der Energiewende? Aktuell und in Zukunft? Der flexible BiogasPark in Wechselwirkung mit den restlichen Erzeugungskapazitäten (ein Blick ins Jahr 2030) Fazit und Schlussfolgerung VORTRAGSSTRUKTUR

4 EE STROMERZEUGUNG IN DEUTSCHLAND STROM AUS BIOMASSE EIN RELEVANTER TEIL

5 Über 28 %

6 Teilnahme an der Marktprämie in Darstellung: Monitoring DV, Fraunhofer ISI, IWES, BBH, IKEM Quelle: ÜNB

7 Biomasse im Energiesystem: über 30 % der EE-Strommengen BMWi 2015

8 Biomasse im Energiesystem: über 60 % der gesicherten Leistung mittels EE Installierte und gesicherte Leistung der EE (Quelle: AEE, LS 2011, Stand 2012)

9 Biomasse in der Direktvermarktung

10 Aufteilung zwischen den Biomassearten Abschätzung Fraunhofer IWES, Datengrundlage: IWES, DBFZ, AEE, AGEEStat, Stand Ende 2014

11 80% Weg der Energiewende Über 28 %

12 Wenn kein Wind weht und keine Sonne scheint.. 12

13 Leistung [GW] Strombedarf und Stromversorgung (fee + restliche Kraftwerke)) Rot: Last (Strombedarf) Weiß: restliche Last (Residuallast) Geothermie Holz-/Müll-HKW Wasserkraft Onshore-Wind Offshore-Wind Photovoltaik Last Import/Export Farbig: EE- Erzeugung Tag 25/09 27/09 29/09 01/10 03/10 05/10 07/10 Tag/Monat Quelle: Fraunhofer IWES Norman Gerhardt

14 Leistung [GW] Residuallastversorgung (Strombedarf und Stromversorgung (fee + restliche Kraftwerke)) Diese Strommengen aus Wind und Sonne werden der Strombörse notfalls zu Null bereitgestellt. Es werden sehr flexible steuerbare Erzeugungska pazitäten benötigt, um die Residuallast abzubilden Wochenverlauf 25/09 27/09 29/09 01/10 03/10 05/10 07/10 Tag/Monat Quelle: Fraunhofer IWES Norman Gerhardt Geothermie Holz-/Müll-HKW Wasserkraft Onshore-Wind Offshore-Wind Photovoltaik Last Import/Export

15 SDL- Systemdienstleitung weiterhin notwendig, um eine sichere Stromübertragung zu gewährleisten! Netzfrequenz stabil halten (Reserveleistungserbringung) MRL (Minutenreserveleistung) SRL (Sekundärregelleistung) PRL (Primärregelleistung) Spannungshaltung Blindleistungsbereitstellung Kurzschlussleistung* (um Spannungsabfall bis zur Klärung des Fehlers zu begrenzen) Netzwiederaufbau* im Störungsfall (Versorgungsunterbrechung) Schwarzstartfähigkeit Arealversorgung im Störungsfall (Notversorgung eines Netzbereiches) überregional regional 15

16 Was heißt Flexibilität der Stromproduktion? 16

17 Restliche Stromerzeugungskapazitäten setzen sich zusammen aus konv. Kraftwerken und z.b. Biomasseanlagen/Biogasanlagen

18 Aktuell und in Zukunft? FLEXIBLE BIOMASSE- ERZEUGUNGSKAPAZITÄTEN EIN TEIL DER ENERGIEWENDE?!

19 RESIDUALLASTVERSORGUNG

20 Entwicklung der Leistung von Anlagen die die Flexibilitätsprämie nutzen (April 2015)

21 Entwicklung der Leistung von Anlagen die die Flexibilitätsprämie Flexible Anlagen: ca VLH (auf Basis von 200 Mwel)

22 Entwicklung der Leistung von Anlagen die die Flexibilitätsprämie Offen: Welcher Anteil der Anlagen hat Leistung zugebaut? Schätzung: ca. 500 MWel haben noch nicht zugebaut! (sind unflexibel?!) Ebenfalls Offen: Wie flexibel sind die restlichen Erzeugungskapazitäten? -> Hier besteht Optimierungspotential

23 Anlagenanzahl Gesamtleistung [MWel] Stand der Flexibilisierung der Stromerzeugung aus Biogas und Biomethan Anlagenanzahl und Anlagengesamtleistung nach Anlagenleistungsgruppen in der Flexibilitätsprämie nach 33 i EEG (Stand August 2014) Gesamtleistung Anlagenanzahl Überwiegend Biogasanlagen Überwiegend Biomethan-KWK bis 25 kw 25 >= 50 kw 50 >= 150 kw 150 >= 500 kw 500 >= 1000 kw 1000 >= 2000 kw größer 2000 kw - Quelle: Eigene Darstellung, Daten BNetzA

24 STÜTZEN DER STROMÜBERTRAGUNG 24

25 Anteil der am RL-Markt präqualifizierten Biomasseanlagenleistung, bezogen auf die Anlagenleistung in der Direktvermarktung (Datenquelle: Stromhändler mit 1400 MWel) (Stand )

26 Anteil der am RL-Markt präqualifizierten Biogasanlagenleistung, bezogen auf die Anlagenleistung in der Direktvermarktung (Datenquelle: Stromhändler mit 1120 MWel) ( )

27 Weiter Systemdienstleistungen (aktueller Stand) Viele Biogasanlagen stellen aktuell schon Blindstrom dem System bereit (Leistungsfaktor 0,95 regelmäßig problemlos möglich) Inselnetzfähigkeit ist bei einigen Anlagen aktuell schon denkbar, wenngleich die Biogasanlagen noch nicht zum Netzwiederaufbau herangezogen werden Bereitstellung von Kurzschlussleistung im Fehlerfall wird ebenfalls von vielen Anlagen im ausreichenden Maß gewährleistet Die Erzeugungskapazitäten stellen eine gesicherte Leistung dar

28 Eine Flexibilitätsoption, innerhalb der Stromerzeugung aus Biomasse BIOGASANLAGENTECHNIK ALS EIN BESTANDTEIL DER ENERGIEWENDE

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36 Ergänzung: Power to Heat (in den nachfolgenden Überlegungen unberücksichtigt) 36

37 Strom aus konventionellen Kraftwerken und Strom aus Biomasse (Biogas) stehen in Wechselwirkung: d.h. sie beeinflussen sich gegenseitig

38 Die Flexibilisierung der Stromerzeugung mittels Biomasse hat technische Auswirkungen auf den restlichen Kraftwerkspark Die Anzahl der konv. Kraftwerke (bzw. die benötigte Erzeugungskapazitäten) die zur Residualversorgung benötigt werden reduziert sich (um bis zu 23 %)* Die Vollbetriebsstunden der für die Residuallastversorgung betriebenen konv. Kraftwerke erhöhen sich (im Durchschnitt um bis zu 27 %)* Die Starthäufigkeit des konv. Kraftwerkspark reduziert sich (von über 7000 Starts im Jahr auf -> bis zu 3000 Starts im Jahr)* Strommengen die zwischengespeichert werden müssen verringern sich (um bis zu ca. 4,5 TWh)* EE-Überschüsse und Speicherverluste können reduziert werden (um insgesamt bis ca. 1,6 TWh)* * Forschungsergebnisse OptiKoBi²: Fokus Flexibilisierung von Strom aus Biogas (MinSZ, 1500 VLH, 2030)

39 Die Flexibilisierung der Stromerzeugung mittels Biomasse hat Auswirkungen auf den restlichen Kraftwerkspark Die MRU-Kapazitäten werden reduziert **: Reduzierung der Grundlast-Biomasse-Anlagen Übernahme der Stabilisierung der Netzfrequenz (Bereitstellung von Regelleistung) Optimierung der Stromübertragung (Bereitstellung von Blindleistung) Versorgungssicherheit wird gestützt**: Schwarzstartfähigkeit (Not-)Versorgung von Arealnetzen im Störungsfall Regionale Bereitstellung von Kurzschlussleistung (dynamische Netzstabilität) ** Forschungsergebnisse Symbiose, konkrete Zahlen noch nicht ermittelt (Stand 2015, Laufzeit bis 2016)

40 WAS KOSTET DIE FLEXIBILISIERUNG? (OHNE POWER TO HEAT)

41 Ermittlung der Gesamtkosten für das Energieversorgungssystem

42 Kostenveränderng in Mio. /a Gesamtkostenveränderung durch die Flexibilisierung des Energiesystems (60 % EE, 2030, MinSZ, Bedarfsberücksichtigung Tag/Woche) Mio. /a Mio. /a Kostenveränderung konv. Kraftwerkspark Flex Fokus Tag/Woche 2030 MIN kkw Mio. /a 500 Mio. /a 0 Mio. /a -500 Mio. /a Mio. /a Kostenveränderung BiogasPark Flex Fokus Tag/Woche 2030 MIN B Kostenveränderung Ergebnis Summe Kostenveränderung Tag/Woche 2030 MIN B Mio. /a Mio. /a jährliche Volllaststunden in h/a kkw: konventionelle Kraftwerkspark MIN: minimal Szenario Ausbau Biogas B: Biogas Vorläufige Ergebnisse im Rahmen des Forschungsprojekt

43 FAZIT

44 Fazit Das Energiesystem steht vor großen Veränderungen. Es gilt, alle technischen Möglichkeiten zur effizienten, sicheren und klimaschonenden Versorgung intelligent miteinander zu verknüpfen Die Stromerzeugungskapazitäten zur Residuallastdeckung und zur Absicherung der Stromübertragung müssen sich immer flexibler verhalten Ein Teil dieser Flexibilitätsoption könnte die flexible Strombereitstellung (und Wärmelieferung) mittels Biomasse-KWK-Anlagen darstellt werden Generell stellt Strom aus Biomasse eine Flexibilitätsoption mit geringen THG- Emissionen dar Die Kosten für die Flexibilisierung der Stromproduktion sind abhängig von der angestrebten Flexibilität Die Gesamtkosten für die Flexibilisierung des BiogasPark können negativ sein (also im Vergleich zu einer Grundlaststromproduktion zu eine Kostenreduktion führen)

45 Schlussfolgerung Stromproduktion aus Biogas muss in Zukunft flexibel erfolgen Die aktuellen Rahmenbedingungen können dafür genutzt werden Es sind relevante Entwicklungen im Bereich der Flexibilisierung notwendig und deshalb zu erwarten: Biogasspeichertechnik / Messtechnik / Gasmanagement BHKW-Technik (z.b. Start/Stopp-Verhalten) Automatisierung / Steuerung & Regelung / Visualisierung Biogasproduktion (Fütterungsmanagement, Substratauswahl, Fermentertechnik) Fahrplanentwicklung: Eine Optimierung zwischen den Märkten (RL-Markt, Spot-Markt, Wärmemarkt) Verbesserung des Anlagenbetriebs (höhere Verfügbarkeit, Verlässlichkeit) 45

46 Einige der Aspekte wurden im Rahmen von Untersuchungen über das vom BMWi im Rahmen der Querschnittsforschungsförderung unterstützten Projekte: OptiKoBi² (FKZ ) und Symbiose (FKZ A) vorgenommen! Vielen Dank! Ebenso werden einzelne Teilaspekte mit Unternehmen gemeinsam mittels angewandter Forschung in den betriebswirtschaftlichen Alltag gebracht. Auch hier vielen Dank für das Vertrauen. Vielen Dank für Ihre geschätzte Aufmerksamkeit! Ich freue mich auf Ihre Fragen und die Diskussion. Kontakt: Dipl. Ing. (FH) Uwe Holzhammer uwe.holzhammer@iwes.fraunhofer.de Fachexperte: Bedarfsorientiere Energiebereitstellung Abteilung: Bioenergie-Systemtechnik Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Königstor 59, Kassel