Das Vorhaben wurde bearbeitet von Gefördert durch: Projektträger: Maßnahmen zur Effizienzsteigerung für den vorhandenen Anlagenbestand 03KB071A D: Repowering Programmbegleitung: Laufzeit: 01.10.2012 31.03.2015 (30.09.2014) 6. Statuskonferenz, Leipzig, 12.11.2015 Joachim Krassowski, Fraunhofer UMSICHT 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
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 3 Treibhausgasemissionen Berechnete CO 2 Äq. aus Methan (Faktor 25) und Lachgas (Faktor 298) aus 10 unterschiedlichen BGA (Emissionen bezogen auf die Masse des zugeführten Substrats) [Gewitra] 4
Treibhausgasemissionen Regelmäßige Wartung verringert die CH 4 Emissionen der Anlagen. Sensibilisierte Betreiber führen einen täglichen Kontrollgang durch und protokollieren ggf. Geruchswahrnehmungen. Allerdings können auch große Leckagen nicht zwangsläufig über den Geruchssinn wahrgenommen werden. Im Projekt untersuchte Anlagen im Vergleich zu allen bisher untersuchten Anlagen (Emissionen bezogen auf den erzeugten elektrischen Strom) [Bonalytic] 5 Monitoring des Anlagenbestands In Rahmen des Projekts REPOWERING wurde die bioreact Anlagendatenbank aktualisiert und die Daten von 1809 Biogasanlagen ausgewertet. Von den Biogasanlagen liegen neben den Anlagendaten auch die kompletten Laboranalysen vor. Mittelwerte der 1809 untersuchten Anlagen [Bioreact] 6
Monitoring des Anlagenbestands Ausstattung der Biogasanlagen (Fermenter, Nachgärer, Gärrestlager) [Bioreact] 7 Monitoring des Anlagenbestands Das spezifische Arbeitsvolumen der untersuchten Anlagen in Beziehung zur BHKW Auslastung. [Bioreact] 8
Monitoring des Anlagenbestands Beziehung zwischen der hydraulischen Verweilzeit im beheizten Fermentationsvolumen (Fermenter + Nachgärer) und der zur KTBL relativen Substratausnutzung [Bioreact] 9 Monitoring des Anlagenbestands Beziehung zwischen Raumbelastung und relativer Substratausnutzung [Bioreact] 10
Möglichkeiten des Repowering (Optimierung?) Mögliche Repowering Maßnahmen Quelle FNR (abgeändert) Gebiet des Repowering Biologie Technik System Mögliche Repowering Maßnahme Optimierung der Nährstoffversorgung Zugabe von Enzymen Zugabe von Bakterien Optimierung/Nachrüstung der Zerkleinerungstechnik Optimierung und Nachrüstung der Rührwerkstechnik Optimierung/Nachrüstung der Abdeckungen Optimierung/Erweiterung des BHKW Biogasverwertung Biogasverwertung Beispiel Spurenelementdosierung Enzymzugabe Dosierung hydrolytisch arbeitender Bakterien Nachrüstung Zerkleinerungstechnik Nachrüstung effizienter Rührwerke Vergrößerung des Gasspeichervolumens Ersatz des bestehenden BHKW Wirkungsgradsteigerung Wärmenutzung Biogasaufbereitung 11 Enzymatische Vorhydrolyse Idee: Inputstoffe in einem Vorhydrolysebehälter mit Hilfe zugesetzter Enzyme unter hierfür optimierten Bedingungen aufschließen Vorbehandlungsmethoden für faserhaltige Inputstoffe verminderter Energieeintrag gegenüber mechanischen Vorbehandlungsmethoden Das neu konzipierte Verfahren setzt sich von bekannten, zwei phasigen Fermentationsprozessen mit mikrobieller Vorhydrolyse vor allem dadurch ab, dass die Biogasbildung in der Vorhydrolysestufe soweit wie möglich vermieden wird. Es bildet deshalb formal eine Alternative zu mechanischen Aufschlussverfahren 12
Enzymatische Vorhydrolyse Spezifischer Biogasertrag in Abhängigkeit von der Gärzeit für folgende Ansätze: A: Gerstenstroh B: Gerstenstroh + Enzymextrakt C: Gerstenstroh nach Enzymatischer Vorhydrolyse. [Bioreact] 13 Anlagenkonzepte Entwicklung raumbezogener Szenarien für Anagenverbünde 14
Anlagenkonzepte Umsetzung verschiedener Netzstrukturen 15 Anlagenkonzepte GIS Unterstütze Entfernungsanalyse und Auswertung von Wärmesenken 16
Anlagenkonzepte 17 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 HS [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 18
Anlagenkonzepte 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] 19 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). 20
Diskussionspunkte aus dem Projekt Ist eine Flexibilisierung der Gärbiologie eine sinnvolle Maßnahme? Wie wirken sich Technologien die eine neues Biogassubstrat erschließen langfristig und bei zunehmender Verbreitung aus? Innerhalb der Energieerzeugungstechnologien ist Biogas die Technologie mit den höchsten Stromerzeugungskosten bei der Nutzung der Gaseinspeisung demgegenüber aber einer der kostengünstigsten Langzeitenergiespeicher. Wie kann diesem Rechnung getragen werden? 21 Veröffentlichung der Ergebnisse Veröffentlichung der Kernaussagen als Fact Sheets und in einer Datenbank
Veröffentlichung der Ergebnisse Die Pfeiltasten dienen zur Navigation durch die verschiedenen Einträge Hier wird jeweils die Charakteristik und die Auswirkung der beschriebenen Maßnahme angezeigt Im Formularfeld werden die Optionen genannt, beschrieben und ggf. vorhandene Umsetzungshemmnisse aufgeführt 23 Kontakt Fraunhofer Institut für Umwelt, Sicherheits und Energietechnik (UMSICHT) Osterfelder Straße 3 46047 Oberhausen Joachim Krassowski Tel: +49 208 8598 1162 joachim.krassowski@umsicht.fraunhofer.de bioreact GmbH Gierlichstraße 6 53840 Troisdorf Thomas Dickhaus Tel: +49 2241 9715 3000 thomas.dickhaus@bioreact.de gewitra mbh Gierlichstraße 6 53840 Troisdorf Dr. Ing. Thomas Fritz Tel.: +49 2241 9715 350 thomas.fritz@is forschung.de bonalytic GmbH Gierlichstraße 6 53840 Troisdorf Nadine Hörter Tel.: +49 2241 9715 0 2500 nadine.hoerter@bonalytic.de 24