1. ENERGIETAG PHOTOVOLTAIK bei der Sächsischen AufbauBank Förderbank Dresden, 2. Februar 2012 Erfahrungen des Zweckverbandes Frohnbach mit Solarkraftwerken für die Eigenversorgung einer großen kommunalen Kläranlage Steckbrief Kläranlage Technische Daten Erträge Wirtschaftlichkeit Schlussfolgerungen 1
Steckbrief Kläranlage Zentrale Kläranlage Niederfrohna Kapazität = 40.000 EW (Größenklasse 4) Auslastungsgrad 85% verfahrenstechnisch optimiert im freien Gefälle durchströmt kommt ohne Abwasserhebewerke aus mit Vorklärung spart Belebungsvolumen und Energie keine unnützen sonstigen Verbraucher, wie z.b. Belüftung des Sandfangs SBR-Technik, keine separate Nachklärung ohne große Abwasser-und Schlammrezirkulation Rückhaltung der Abwasserwärme durch Folienabdeckung der Bioreaktoren durchgehende Nitrifikation und Denitrifikation auch im Winter energetisch optimiert Wasserkraftwerk im Kläranlagenauslauf nutzt restliche Fallhöhe einstufige anaerob-mesophile Schlammstabilisierung (Schlammfaulung) mit energiesparendem, selbstdurchmischendem Faulreaktor (Patent) Otto-/ Stirling-Motor-BHKW Klärgasverstromung (Volllastbetrieb von 6.00 Uhr bis 22.00 Uhr) Kraft-Wärme-Kopplung (Temperierung des Faulreaktors, Gebäudeheizung) keine aufwendige Klärgasreinigung erforderlich im übrigen Heizung mittels Kompressionswärme von der Verdichterstation Abwärmenutzung 2
Steckbrief Kläranlage Spezifischer Energiebedarf der ZKA Niederfrohna (40.000 EW) Spezifischer Energiebedarf [kwh/e*a] 60 50 40 30 20 10 0 Idealwerte ZKA 26,9 23 18 Richtwerte 30 30 30 30 38 40 Ist-Werte 43 48 50 51 Ergebnisse der Energieanalyse 2009 im Vergleich 3
Steckbrief Kläranlage Energieerzeugung (bisheriger Stand) 1.) Wasserrad im Kläranlagenablauf 2 kw elektrisch 2.) Klärgas-Otto-/Stirling-Blockheizkraftwerk 80 kw / 35 kw elektrisch 0,5% Energieerzeugung aus Wasserkraft Energiebezug vom Energieversorger 62,3% 37,2% Energieerzeugung aus Klärgas rund 38% des Bedarfes werden selbst gedeckt Jahresenergiebilanz der ZKA Niederfrohna im Jahre 2009 4
Steckbrief Kläranlage Ziel: Weitere Erhöhung des Anteils der Eigenversorgung Der Elektroenergiebedarf einer Kläranlage korreliert mit dem Tagesgang der Schmutzfracht im Zulauf ähnelt im Grunde dem Sonnenlauf (Tagesbogen), denn der Schmutzwasseranfall ist proportional zur Aktivität der Bevölkerung, also tagsüber etwa mit dem Sonnenaufgang beginnend Leben (Arbeit, ) und ab der Dämmerung und nachts Ruhe ist nahezu durchweg höher als die Eigenerzeugung Die Elektroenergieerzeugung aus Sonneneinstrahlung ist zwar unzuverlässig, weil wetterabhängig, geschieht aber ertragsmäßig entsprechend des Sonnenlaufes und ähnelt somit dem Energiebedarf der Kläranlage Folgerung: Dafür bietet sich u.a. die Nutzung von Sonnenenergie an! Errichtung zweier Sonnenkraftwerke (PV-Anlagen) auf dem Klärwerksgelände in den Jahren 2010 und 2011 5
Technische Daten 1.) PV-Anlage auf dem Klärwerkswohnhaus (PV-Anlage 1) energetisch optimiert Ziegel-Satteldach, Südausrichtung Aufdach-Montagesystem SCHLETTER, Einfachschiene mit Dachhaken Polykristalline Module HS PXL 210, HECKERT Solar, Chemnitz/Sachsen 3 Stück EFFEKTA- Wechselrichter mit je 4,2 kw, einphasige Einspeisung Errichter: WUDAG AG, Burgstädt/Sachsen (www.wudag.de) installierte Leistung = 12,6 kw p rechnerischer Jahresertrag 11.630 kwh Gesamtinvestitionskosten = 47.212,89 (brutto) Inbetriebnahme im Dezember 2010 3.747 brutto /kw p 6
Technische Daten 2.) PV-Anlagen auf Rechenhaus und Betriebsgebäude (PV-Anlage 2) energetisch optimiert installierte Leistung = 55,97 kw p rechnerischer Jahresertrag 43.545 kwh Gesamtinvestitionskosten = 178.270,01 (brutto) Inbetriebnahme im Juni 2011 3.185 brutto/kw p Satteldächer mit Trapezblechdeckung, Ost-West- Ausrichtung Aufdach-Montagesystem, Einfachschiene mit Trapezschellen von Aluminiumsysteme BENZ Polykristalline Module HS PXL 195, HECKERT Solar, Chemnitz/Sachsen 3 Stück EFFEKTA- Wechselrichter mit je 4,2 kw, einphasige Einspeisung 2 Stück SMA-Wechselrichter mit je 17 kw, dreiphasige Einspeisung 1 Stück SMA-Wechselrichter mit 10 kw, dreiphasige Einspeisung Errichter: WUDAG AG, Burgstädt/Sachsen (www.wudag.de) 7
Erträge Energieerzeugung ab Mitte Juli ab Februar Verlauf der Energieerzeugung im ersten Betriebsjahr 2011 PV-Anlage 1 11.604 kwh 12.121 kwh/a PV-Anlage 2 17.605 kwh 39.820 kwh/a 51.941 kwh/a Ertrag für ein entsprechendes volles Kalenderjahr und nunmehr ohne abends verschattendes Baumgeäst (gelichtet!) 8
Erträge staatliche Vergütungen aus Einspeisung * PV-Anlage 1 3.832,86 4.004 /a PV-Anlage 2 4.944,44 11.185 /a 15.189 /a Ertrag für ein entsprechendes volles Kalenderjahr und nunmehr ohne abends verschattendes Geäst * Anmerkung: Bis heute hat es der Netzbetreiber (enviam) trotz ausgiebiger Bürokratie nicht vermocht, die mit den PV-Anlagen erzeugte Energie als für den Eigenverbrauch bestimmt zu erfassen, daher bis auf weiteres Maßgebende gesetzliche Regelung: 53,6% 46,4% gewichtet Einspeisung. Einspeisung bis 30 kw p Einspeisung ab 30 kw p Eigenverbrauch > 30% 0,3303 /kwh 0,2103 /kwh 0,2874 /kwh 0,1674 /kwh 0,2809 /kwh 0,2733 /kwh 0,1533 /kwh 0,1609 /kwh PV-Anlage 1 Stand 01.07.2010 PV-Anlage 2 Stand 01.01.2011 Bezugspreis des Verbandes für Elektroenergie: 0,18 /kwh brutto 9
Wirtschaftlichkeit Variantenvergleich PV-Anlage 1 PV-Anlage 2 Einspeisung Eigenverbrauch 0,3303 /kwh 12.121 kwh/a = 4.004 /a 0,2809 /kwh 39.820 kwh/a = 11.185 /a 0,2103 /kwh 12.121 kwh/a = 2.549 /a 0,18 /kwh 12.121 kwh/a = 2.182 /a = 4.731 /a 0,1609 /kwh 39.172kWh/a = 6.303 /a 0,18 /kwh 39.820kWh/a = 7.168 /a = 13.471 /a zusammen: 15.189 /a 18.202 /a = 3.013 /a Eigenverbrauch der gesamten erzeugten Menge bringt gegenüber einer vollständigen Einspeisung etwa eine Halbierung der Vergütung (-41,7%) bei einem insgesamt um mindestens rund einem Fünftel (+19,8%)höheren wirtschaftlichen Vorteil wegen wegfallenden Bezugs des effektiv 6 Cent teureren Stroms. Bei einem Strompreis von 0,12 /kwh wären beide Varianten neutral. 10
Wirtschaftlichkeit Amortisation PV-Anlage 1 PV-Anlage 2 Einspeisung 47.213 :(4.004 /a 84 /a) = 12,04a 178.270 :(11.185 /a 372 /a) = 16,5 a Eigenverbrauch 47.213 :(4.731 /a 84 /a) = 10,2 a 178.270 :(13.471 /a 372 /a) = 13,6 a Investition dividiert durch jährl. Vorteil abzüglich Aufwand für Versicherungskosten in Form der Elektronikund der erhöhten Gebäudeversicherung von 456 /a (brutto) zusammen: 15,3 a 12,7 a = 2,6 a Eigenverbrauchder gesamten erzeugten Energiemenge verkürztdie Amortisationszeitgegenüber einer vollständigen Einspeisung umrund ein Sechstel (17%). 11
Schlussfolgerungen Vergleich von Planung und Wirklichkeit 1.) Die spezifischen Baukosten waren im April 2009 pauschal mit 3.200 brutto je kw p veranschlagt worden. Die tatsächlichen spezifischen Gesamtkosten hatten dem mit 3.747 brutto je kw p (Jahr 2010) und 3.185 brutto je kw p (Jahr 2011) gut entsprochen. 2.) Der energetische Ertrag war im Jahre 2010 mit 11.630 kwh/a (PV-Anlage 1) bzw. 43.545 kwh/a(pv-anlage 2) vorausberechnet worden. Die Erwartungen finden mit den Werten von 12.121 kwh/a bzw. 39.820 kwh/a für ein volles Kalenderjahr eine recht gute Bestätigung in der Praxis. zutreffend planbar Wirtschaftlichkeit Erzeugung von Solarstrom ist rentabel Eigenverbrauch für den Betrieb deutlich vorteilhafter als Einspeisung Amortisationszeiten von 10 bis 12 Jahren (= gute + sichere Geldanlage) 12
Schlussfolgerungen Energieerzeugung 1.) Wasserrad im Kläranlagenablauf 2 kw elektrisch 2.) Klärgas-Otto-/Stirling-Blockheizkraftwerk 80 kw / 35 kw elektrisch 3.) Solarkraftanlage (seit 2011) 68 kw elektrisch 7% Energieerzeugung aus Photovoltaik 1% Energieerzeugung aus Wasserkraft Energiebezug vom Energieversorger 53% 39% Energieerzeugung aus Klärgas Erhöhung des Unabhängigkeitsgrades Jahresenergiebilanz der ZKA Niederfrohna ab 2012 13
Schlussfolgerungen Ausblick Errichtung weiterer Spitzenlast-Kraftwerke in Form von PV-Anlagen Endausbau auf eine Spitzenleistung von mindestens etwa 100 kw p derzeit PV-Anlage 3auf Werkstattgebäude mit rund 20 kw p in Planung Inbetriebnahme bis spätestens Juni 2012 künftig eventuell noch PV-Anlagen als Parkplatzüberdachung Verschattung der Glasfassadenseite des Verwaltungsgebäudes mehrere Tracker auf Beckenrand vom Regenüberlaufbecken Die beabsichtigte spürbare Einsparungvon Betriebskosten der Abwasserbehandlung wird langfristig anhalten, denn die Lebensdauer der PV-Anlagen beträgt mindestens 20 Jahre und die staatliche Förderung kann für denselben Zeitraum als gesichert gelten. Damit soll trotz steigender Preise und wegen Bevölkerungsrückgangs abnehmenden Auslastungsgrades der Kläranlage eine nennenswerte Erhöhung der Gebührenbelastung der Einwohner vermeidbar sein. 14