03KB071 - REPOWERING

Das Vorhaben wird bearbeitet von Gefördert durch 03KB071 - REPOWERING Koordiniert vom Repowering von Biogasanlagen Maßnahmen zur Effizienzsteigerung für den vorhandenen Anlagenbestand Wissenschaftlich begleitet vom Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./10.2014 Joachim Krassowski; Fraunhofer UMSICHT

Motivation und Projektziele Motivation Zunehmend ältere Anlagen im Bestand; 50% älter als 5 Jahre; 20% älter als 10 Jahre Verbesserter Stand der Technik / Neue Technologien (Gaseinspeisung) Verbesserter Stand des Wissens (Prozessbiologie) Neue Anforderungen (Bedarfsgerechte Strom-/Gasproduktion) 2 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Motivation und Projektziele Ziele Neue Technologie in alten Anlagen nutzbar machen Anlagendaten erfassen Potenziale ermitteln Optionen ableiten Modellfälle und Szenarien entwickeln Wirtschaftlichkeit abschätzen (Optimierungskosten vs. Effizienzsteigerungspotenziale) Strategien entwickeln Systematik kommunizieren Weiterentwicklung von Vergütungs- und Anreizsystemen http://www.biogaseinspeisung.de http://www.biogaswissen.de 3 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Inhalte und Schwerpunkte Identifizierung der technischen Optionen zur Weiterentwicklung des Anlagenbestands Bewertung Stand der Technik: o Verfahrenstechnische und biologische Optimierungen o o o o Anlagenneubau Zusammenschluss Erweiterung Gasverwertungskonzepte Vorortverstromung Gaseinspeisung Biogas als Kraftstoff 4 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Rahmenbedingungen Auswirkungen des EEG 2014 auf das Repowering 101 ( ) Für Strom aus Anlagen zur Erzeugung von Strom aus Biogas, die nach dem am 31. Juli 2014 geltenden Inbetriebnahmebegriff vor dem 1. August 2014 in Betrieb genommen worden sind, verringert sich ab dem 1. August 2014 der Vergütungsanspruch nach den Bestimmungen des Erneuerbare- Energien-Gesetzes in der für die Anlage jeweils anzuwendenden Fassung für jede Kilowattstunde Strom, um die in einem Kalenderjahr die vor dem 1. August 2014 erreichte Höchstbemessungsleistung der Anlage überschritten wird, auf den Monatsmarktwert 5

Rahmenbedingungen Auswirkungen des EEG 2014 auf das Repowering Optimierungen an den Anlagen führen bei unverändertem Leistungsoutput zu einer Reduzierung der Substratmenge i.d.r weniger problematisch bei Einsatz nachwachsender Rohstoffe ggf. problematisch bei der Vergärung von Reststoffen 6 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Rahmenbedingungen Auswirkungen des EEG 2014 auf das Repowering 100 Für den Anspruch auf finanzielle Förderung für Strom aus einer Anlage nach Satz 2 ist nachzuweisen, dass vor ihrem erstmaligen Betrieb ausschließlich mit Biomethan eine andere Anlage nach Maßgabe der Rechtsverordnung nach 93 als endgültig stillgelegt registriert worden ist, die 1. schon vor dem 1. August 2014 ausschließlich mit Biomethan betrieben wurde und 2. mindestens dieselbe installierte Leistung hat wie die Anlage nach Satz 2. 7

Rahmenbedingungen Auswirkungen des EEG 2014 auf das Repowering Ersatz eines alten BHKW durch ein neues mit höherem Wirkungsgrad reduziert die Gasabnahme aus der Einspeiseanlage 8 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Verfahrensoptimierung Verfahrenstechnische und biologische Optimierung Betrachtete Optionen der Anlagenoptimierung o Verminderung von Methanemissionen o Verbesserung des Substrataufschlusses o Integration einer externen Hydrolysestufe 9 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Verfahrensoptimierung Methanemissionen untersuchter Biogasanlagen Quelle: GEWITRA 10 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Verfahrensoptimierung Emissionen (CO 2 äq ) untersuchter Biogasanlagen Quelle: GEWITRA 11 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Verfahrensoptimierung Keine direkte Korrelation zwischen Anlageninbetriebnahme und Leckagehäufigkeit. Indikationen für erhöhte Methanemissionen: o Jahreszeit der Dachkonstruktion Bei kälteren Temperaturen scheinen Dichtungsmaßnahmen während der Bauphase nicht so erfolgreich zu sein als in der wärmeren Jahreszeit. o Besondere Ereignisse Wird eine Folie innerhalb einer kürzeren Spanne mehrfach überdehnt, kann es zu Undichtigkeiten kommen, die denen bei einem längeren Betrieb und weniger hoher Dehnungsfrequenz gleichzusetzen sind. o Wartung Regelmäßige Wartung des BHKWs verringert die CH 4 -Emissionen am BHKW. Sensibilisierte Betreiber führen einen täglichen Kontrollgang durch und protokollieren ggf. Geruchswahrnehmungen. Auch große Leckagen können vom Betreiber nicht zwangsläufig über den Geruchssinn wahrgenommen werden. Denn je nach Windrichtung und -stärke sind Leckagen nur sporadisch oder überhaupt nicht wahrzunehmen. 12 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Verfahrensoptimierung Steigerung der Gasausbeute durch Enzymzugabe Quelle: bioreact 13 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Verfahrensoptimierung Casestudy zum Ersatz klassischer Feststoffeintragsysteme durch eine Anmaischgrube und eine externe Hydrolysestufe Konventionelle Lösung: Schubbodendosierer mit Dosiersystemen, Zerkleinerer und Zuführpumpen. Alternative Lösung: Anmaischbehälter, Hydrolysestufe und Zuführpumpen. 14 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Verfahrensoptimierung Casestudy zum Ersatz klassischer Feststoffeintragsysteme durch eine Anmaischgrube und eine externe Hydrolysestufe Hohe Flexibilität bei heterogenen Substratmischungen. Guter Aufschluss schwer hydrolysierbarer Substrate und damit Steigerung der Biogasausbeute aus diesen Substraten. Relativ unempfindlich gegenüber dem Eintrag von Störstoffen (z. B. Sand) aufgrund des Einsatzes von Zuckerrüben oder HTK. Zugabe hydrolisierender Hilfsstoffe (z. B. Enzyme) möglich. Beide Eintragssysteme sind zu vergleichbaren Kosten realisierbar. 15 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Anlagenkonzepte Optimierungsoptionen auf der Gasnutzungsseite Überbau der Stromerzeugungskapazität einschließlich Nachrüstung ggf. erforderlicher Infrastruktur Zusammenschluss von Biogasanlagen mit zur Nutzung einer gemeinsamen Wärmesenke (gemeinsames BHKW) Zusammenschluss von Biogasanlagen 16

Anlagenkonzepte Überbau der Stromerzeugungskapazität einschließlich Nachrüstung ggf. erforderlicher Infrastruktur Mögliche Auswirkungen auf die Biogasanlage Erhöhung der BHKW Leistung Erweiterung der Gasspeicherkapazität Ggf. Wärmespeicher / Back-Up Wärmeerzeuger Steuerung durch den Stromhändler Querschnitte der Gasleitungen / Kapazität der Verdichter Austausch des Transformators, Verlegung des Einspeisepunktes 17 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Anlagenkonzepte Mögliche Auswirkungen auf das BHKW Zusätzliche Start-/Stopp Vorgänge Zusätzliche Stillstandzeiten Kurzzeitige Teillastphasen Motorwarmhaltung zur Vermeidung von Kaltstarts Kondensation im Motorölkreislauf / Abgaswärmetauscher vermeiden Thermische Wechselbelastung im Abgaskrümmer Dauerhaften Teillastbetrieb (<60%) vermeiden Sinkender Wirkungsgrad und steigende CO / C n H m Emissionen bei Teillast Noch keine Informationen über Langzeitbetrieb 18 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Anlagenkonzepte Kosten der Flexibilisierung Quelle: IZES 19 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Anlagenkonzepte 20 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Anlagenkonzepte Szenarien können nur als Richtgrößen angesehen werden, da die Verhältnisse an den Bestandsanlagen sehr heterogen sind. Unsicherheiten bestehen insbesondere bei der Wärmenutzung, Szenarien und Kostenberechnungen beinhalten z.b. teilweise nur Wärmespeicher für ca. 4 h Betriebszeit. Anlagentechnik wird durch die Flexibilisierung aufwändig, dies stellt insbesondere kleine Anlagen vor Herausforderungen. 23 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Anlagenkonzepte Entwicklung raumbezogener Szenarien für Anagenverbünde 24 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Anlagenkonzepte Zusammenschlüsse von Bestandsanlagen können zu vertretbaren Kosten umgesetzt werden. Flexible Biomethannutzung an geeigneten Wärmesenken stellt eine wirtschaftliche Option dar: http://www.dena.de/ projekte/erneuerbare/ leitfaden-biomethan-bhkw-direkt.html Erzeugter Biogasbrennwert H S [kwh/a]: 62 616 137 Abschreibungsdauern: Biogasanlage: Basis 20 a / 12-17 a Abschreibung abhängig von IBN-Datum für Bestandsanlagen; 20 a für Neuanlagen Rohbiogasaufbereitung: 10 a Biogassammelleitung 40 a Methananreicherung (Druckwechseladsorption) 15 a Verzinsung bei allen Komponenten 3,5 % auf den Invest über die gesamte Abschreibungsdauer Position CAPEX [ /a] OPEX [ /a] Gaserzeugungskosten [ct/kwh] Biogasanlagen 611 514 Biogaserzeugung einschließlich Rohstoffe 2 573 243 Modul Biogaserzeugung 5,09 Rohbiogasaufbereitung am Anlagenstandort 143 128 165 788 Modul Rohbiogasaufbereitung 0,49 Biogastransportleitung 47 919 10 500 Modul Biogastransportleitung 0,10 Biogasaufbereitungsanlage (DWA) 276 711 300 000 Modul Biogasaufbereitung 0,92 Gesamtkosten Einspeisesystem 1 079 272 3 049 531 6,60 28 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

kg CO 2 -Äquivalente/ t Biogut Nachhaltigkeitsaspekte im Vorhaben Aufgrund des geringeren Strom-Wirkungsgrad des Biogas-BHKW von 37,5% im Vergleich zum Biomethan-BHKW mit 43,6 % ergeben sich für das Szenario 5 höhere Treibhausgaseinsparungen Bei jeweils 100%-iger Wärme-Nutzung werden in Summe in Szenario 2 ca. 15 kg CO 2 - Äquivalälente mehr eingespart als in Szenario 5. Einsparungen durch mehr erzeugtem Strom werden nicht überkompensiert durch Emissionen der Aufreinigung von Biogas einschließlich Einspeisung ins Erdgasnetz [Siehe auch FKZ 03KB070 - Bioabfallmethan] Nutzungsgrad thermische Energie vor Ort BHKW [%] -150-160 20 30 40 50 60 70 80 90 100-170 -180-190 -200-210 Direktverstromung Biogas mit BHKW vor Ort (Szenario 2) Biogasaufbereitung, Einspeisung ins Erdgasnetz,Verstromung im Biomethan- BHKW (Szenario 5) -220-230 29 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Fazit Grundlegende Optimierungen des Vergärungsprozesses sind in jedem Fall sinnvoll und notwendig. Anlagenspezifisch sind unterschiedliche Optionen denkbar. Vermeidung von Methanemissionen (Anlagentechnisch und im Rahmen der Betriebsführung) sind ein muss. Flexibilisierung vorort ist vorteilhaft wenn zusätzliche Fermenterabdeckung, Wärmenutzung. Eher kritisch zu betrachten bei Anlagen mit geringer Wärmenutzung. Zusammenschluss von Anlagen sinnvoll zur Nutzung einer geeigneten Wärmesenke. Gasaufbereitung und Gaseinspeisung: Bester Klimaschutz durch Wärmenutzung vermutlich weitere Vorteile (Wirkungsgrad, zuverlässigerer und damit auch kostengünstigerer Betrieb durch bessere Wartungsmöglichkeiten gegenüber Anlagen im Feld). 30 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014

Kontakt Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) Osterfelder Strasse 3 46047 Oberhausen Dipl. Ing. Joachim Krassowski Tel: +49 0208 8598-1162 Projektkoordinator joachim.krassowski@umsicht.fraunhofer.de Bioreact GmbH Gierlichstraße 6 53840 Troisdorf Thomas Dickhaus Tel: +49 2241 9715-3000 (Geschäftsführung) thomas.dickhaus@bioreact.de gewitra mbh Gierlichstraße 6 53840 Troisdorf Dr. Carsten Cuhls Tel.: +49 2241 9715-3500 (Geschäftsführung) cuhls@gewitra.de bonalytic GmbH Gierlichstraße 6 53840 Troisdorf PD Dr. Joachim Clemens Tel.: +49 2241 9715 0-2500 (Geschäftsführung) joachim.clemens@bonalytic.de 31 Joachim Krassowski, Workshop Best-Practice-Beispiele in der energetischen Biomassenutzung - Bioenergie effizient nutzen! Leipzig, den 1./2.10.2014