Ist eine Deponieeigenversorgung mittels Deponiegas und Sonne für den Strom und Wärmebedarf möglich und wirtschaftlich? Wolfgang H. Stachowitz und Falko Ender DAS IB GmbH,, Kiel Diese Präsentation darf nur für TeilnehmerInnen an der 4. Praxistagung und Ausstellung am 30.XI.2010 und 1.XII.2010 in Hannover vervielfältigt werden. Veröffentlichungen und weitere Vervielfältigungen bedürfen der schriftlichen Form durch die Verfasserin. Der Schutzvermerk nach DIN ISO 16016 (Dezember 2007) ist zu beachten DAS IB GmbH LFG -& Biogas -Technology Biogas-, Klärgas- und Deponiegastechnologie: Beratung, Planung, Projektierung Schulung von Betreiberpersonal Sachverständigentätigkeit Kaufm. Sitz: Flintbeker Str. 55 D-24113 Kiel Techn. Sitz: Preetzer Str. 207 D-24147 Kiel Tel.: # 49 / 431 / 683814 Fax.: # 49 / 431 / 2004137 S. 1
1 Aufgabenstellung 1.1 Schnittstellen 1.2 Ausgangssituation und Datenbasis des Konzepts 2 Mögliche Deponiegasverwertungen 2.1 Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 2.2 Mikrogasturbine 2.3 Zündstrahlmotore 2.4 Gas Otto - Motore 2.5 Vergleich der Anlagenauslastung 3 Weitere Verfahren zur Abdeckung des Energiebedarfs 3.1 Photovoltaikanlage 3.2 Deponiegasbrenner mit kessel und Nebeneinrichtungen 4 Vergleich der Verwertungsverfahren 4.1 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Verwertungsmöglichkeiten 5 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 6 Quellen Stachowitz, XI 2010 S. 2
1. Aufgabenstellung / Schnittstellen / Ausgangssituation und Datenbasis des Konzepts energieautarker Betrieb (eigene Energieversorgung) der bestehenden wirtschaftlicher Vergleich der verschiedenen Anlagentechnik Abdeckung der elekt. und therm. Grundlasten durch Mikrogasturbine / Zündstrahlmotoren / Gas Otto Motore / Heizkessel (2-Stoff-Brenner mit Deponiegas) in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage (PV) Meßwerte Deponiegasqualität und -quantität für die einzelnen Gasbrunnen, Stränge und das gesamte Gassystem Betriebsauswertungen / technischen Daten des bestehenden Maschinentechnik / Lageplan Gasfassungssystem / Deponiegasprognose auf Basis der realen Betriebsauswertung S. 3
Entwicklung der gefassten Gasmenge und -qualität auf Basis von Monatsmittelwerten 350 70 300 Gasmenge Bm³/h CH4-Werte (%) 60 250 200 150 100 50 0 50 40 30 S. 4 Nov. 00 Feb. 01 Jul. 01 Okt. 01 Jan. 02 Jun. 02 Sep. 02 Dez. 02 Mrz. 03 Jun. 03 Sep. 03 Dez. 03 Mrz. 04 Jun. 04 Sep. 04 Dez. 04 Mrz. 05 Jul. 05 Okt. 05 Jan. 06 Apr. 06 Aug. 06 Okt. 06 Jan. 07 Apr. 07 Jul. 07 Okt. 07 Jan. 08 Apr. 08 Aug. 08 Okt. 08 Jan. 09 Mrz. 09 Mai. 09 Jul. 09 Sep. 09 Nov. 09 Jan. 10 Mrz. 10 Mai. 10 Gasmenge in m³/h Konzentration in Vol.% 20 10 0
Volumenstrom[m³ 1.000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 Deponiegasprognose einer norddeutschen Deponie theo. gasproduction gas extraction by 30 % eff. Gasprod. Qt m³/h Gasextrac. Qa m³/h 50 S. 5 0 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016 2019 2022 2025 2028 2031 2034 Betriebsjahr Wirtschaftlichkeitsbetrachtung: für max. 10 Jahre
Effizienz des Fassungssystems mit 30 % und einem CH 4 -Gehalt von 50 Vol.-% angenommen 700 Vergleich der Deponiegasprognose mit dem IST- Zustand 650 600 550 Volumenstrom in m 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 Betriebsjahr theor. Gasproduktion theor. Gasfassung reale Gasmengen 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 LFG- & Biogas-Technology S. 6
Basis- und Oberflächeabdichtung Siedlungsabfälle 1965 1992 11 ha // 2 Mio. Mg ges Gasfassungssystem Sickerwasseraufbereitung 2-stufige UO Feststellung des IST - Zustand Wärme 125 kw therm. Deponiekörper Sickerwasser Deponiegas 75 m³/h 43 Vol.-% CH 4 < 0,3 Vol.-% O 2 630.000 m³ / a 09 Gebäudetechnik Propangas Heizkessel Gasverwertung Gasottomotor mit 190kW el. 34 GB 6 GSS Ringleitung 1 GVS mit 2 Verdichter Elektrizität Gasbeseitigung 65 kw el Fackelanlage (geschlossene Verbrennung) S. 7
Feststellung des IST - Zustand S. 8
Erzeuger und Verbraucher S. 9
2. Mögliche Deponiegasverwertungen / Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Deponiegasprognose und Rohgasanalysen Eigenstrombedarf mit 65 kw el sowie einem Wärmebedarf mit ca. 125 kw th jeweils als Jahresmittelwert der bestehenden Anlagentechnik die Montage im bestehenden BHKW - Raum Die Nutzungsdauer für alle Aggregate auf 10 Jahre und 7.500 Betriebsstunden pro Jahr Restwert des Aggregats 1 beträgt Nutzung der bestehenden Anlagentechnik wie z.b. Notkühler, Abgaskamin, Gasverdichter und Rohgasanalyse soweit möglich Brennstoff: Deponiegas mit Heizwert von 5 kwh / m³ Die Wartungskosten wurden in Abhängigkeit der Betriebsstunden und Angebote / Preisangaben berücksichtigt. Die Fixkosten belaufen sich für die elekt. Energie auf 0,15 pro kwh zuzüglich der Bereitstellungskosten von 2.000 / a und die therm. Energie auf 0,09 pro kwh Vergütung gem. EEG 2009 / bei der Turbine ggfs. zzgl. Technologiebonus Die überschüssige Wärme wurde in unserem Konzept nicht zusätzlich berücksichtigt S. 10
3. Mögliche Deponiegasverwertungen / Mikrogasturbinen Auslastung 100 % h therm. [%] 46,2 bis 52,7 h elektr. [%] 29 bis 33 118 bis 280 kw therm. bzw. 65 bis 200 kw el. Vorteile: Niedrige Wartungskosten, niedrigere Abgasemissionen als bei Gasmotoren, höhere Wärmenutzung als bei Gasmotore, Betrieb mit niedrigeren Methangehalten als Zünd und Gasmotore möglich, höhere Lebensdauer als Gasmotore, soweit möglich EEG Vergütung zzgl. Technologiebonus Nachteile: hohe Investitionskosten, niedrigerer elektrischer Wirkungsgrad als bei Gasmotoren, i.d.r. ist eine Gasaufbereitung erforderlich S. 11
3. Mögliche Deponiegasverwertungen / Gasmotore / Zündstrahlmotore Gasmotoren: Vorteil: robuster als Zündstrahlmotore, praxiserprobt Nachteil: wirtschaftlicher Betrieb bei Methanwerten um 50 Vol % Optimal. Auslastung 100 % 75 % 50 % Mittelwert h therm. [%] 45,4 bis 50,8 45,2 bis 49,9 45,3 bis 50,3 47,8 % h elektr. [%] 32,5 bis 38,4 30,0 bis 37,1 27,5 bis 31,8 33,8 % 125 bis 171 kw therm. bzw. 80 bis 124 kw el. Zündstrahlmotoren Vorteile: Betrieb mit niedrigeren Methangehalten als Gasmotore, preiswert Nachteile: Betrieb nur mit Zündöl möglich, niedrige Lebensdauer als Gasmotore Auslastung 100 % h therm. [%] 39 h elektr. [%] 40,5 bis 41,5 107 bis 160 kw therm. bzw. 110 bis 170 kw el. Leider wurde uns, trotz mehrfacher telefonischer Rücksprache, nur ein zu großes Aggregat von 250 kwel angeboten. Aufgrund der notwendigen hohen Feuerungswärmeleistung, die nicht zu den Gasmengen und unserer Anfrage gepasst hat, wurde der Zündstrahlmotor nicht weiter von uns berücksichtigt. S. 12
3. Weitere Möglichkeiten zur Abdeckung des Energiebedarfs Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen zwischen 7 und 10 Quadratmeter je installiertem kwp (Kilowatt Peak, definiert als Leistung bei einer Einstrahlung von 1.000 W / m²). Je kwp nomineller Anlagenleistung ist in Mitteleuropa - je nach Lage und örtlichen Verhältnissen - bei optimaler Südausrichtung und einem Neigungswinkel der Module von etwa 30 mit einem Jahresertrag zwischen 800 und 1.000 kwh zu rechnen. Heizkessel mit 2-Stoffbrenner übliche Heizkessel mit speziell entwickelten Brennersystemen, in denen entweder als Brenngas z.b. Deponie- oder Biogas oder Propan, Erdgas oder Heizöl in thermische Energie umgewandelt wird. S. 13
Variante A: Gasfassungssystem Sickerwasseraufbereitung Deponiekörper Sickerwasser Deponiegas Gebäudetechnik Propangas Heizkessel Gasverwertung Optimierung und Ertüchtigung 1 GVS mit 1 Verdichter Elektrizität Deckung des Eigenbedarfs Vergütung gem. EEG Microgasturbine ~ 65 kw el. Nutzung der bestehenden Anlagentechnik: Ab- und Zuluftsystem Abgaskamin Wärmeauskopplung Gasbeseitigung Fackelanlage bleibt bestehen NEU: Kompressor & Gasaufbereitung S. 14
Variante B: Gasfassungssystem Sickerwasseraufbereitung Deponiekörper Sickerwasser Deponiegas Gebäudetechnik Propangas Heizkessel Gasverwertung Optimierung und Ertüchtigung 1 GVS mit 1 Verdichter Elektrizität Deckung des Eigenbedarfs Vergütung gem. EEG Gasotto- / Zündstrahlmotor 80-125 kw el. Nutzung der bestehenden Anlagentechnik: Gasversorgung Gasbeseitigung Ab- und Zuluftsystem Abgaskamin Wärmeauskopplung Fackelanlage bleibt bestehen S. 15
Variante C: Gasfassungssystem Sickerwasseraufbereitung Deponiekörper Sickerwasser Deponiegas Gebäudetechnik Propangas Heizkessel Gasverwertung Optimierung und Ertüchtigung 1 GVS mit 1 Verdichter Elektrizität Deckung des Eigenbedarfs Vergütung gem. EEG Heizkessel mit 2 Stoffbrenner PV - Anlage Nutzung der bestehenden Anlagentechnik: Ab- und Zuluftsystem Abgaskamin NEU: Dachkonstruktion & Wärmeauskopplung Gasbeseitigung Fackelanlage bleibt bestehen S. 16
PV- Anlage // Grundlagen // Auswertung Die zur Montage der PV-Anlage nutzbare Dachfläche beträgt ca.700 m². Eine optimale Dachausrichtung ist gegeben, Anpassung über Montagegestell Die Tragfähigkeit der Dachkonstruktion ist gewährleistet Die Vergütung beträgt ab 2011 durchschnittlich für die gesamte Leistung 27,31 Cent / kw. Dadurch wird die leistungsabhängige und gestaffelte Vergütung vernachlässigt Degression von 13 % lt. EEG Der Jahresertrag einer Vergleichsanlage am Standort Gemäß Richtpreisangeboten kann eine ca.128 kwp installiert werden Jahresertrag ca. 104.000 kwh Gesamtinvestition von ca. 365.000 durchschnittliche Vergütung von ca. 20.500 pro Jahr (Betriebsdauer von 20 Jahre) Annuitäten ca. 18.000 pro Jahr (20 Jahre Betriebsdauer ) Neben der hier aufgeführten Nutzungsvariante besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Dachflächen und Freilandflächen an eine Leasinggesellschaft zu verpachten und somit lediglich die Flächen für Dritte zur Verfügung zustellen, diese Variante wurde von uns nicht betrachtet S. 17
Heizkessel mit 2 Stoffbrenner // Grundlagen // Auswertung Die Investitionskosten eines realen Deponiegasbrenner mit Kessel und Nebeneinrichtungen belaufen auf ca. 34.000, bei durchschnittlichen Wartungskosten von 1.500 pro Jahr. Die ursprünglichen Projektpreise (1998) wurden von uns mit einem TZ auf das Investitionsjahr 2011 angepaßt. Die Kombination aus PV-Anlage und Deponiegaskessel wurde von uns bei der umfassenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Verfahren aufgrund der folgenden Faktoren nicht weiter betrachtet: Die o.g. Betrachtung beruht auf einer PV - Nutzungsdauer von 20 Jahren schwer abzuschätzende Preisentwicklung für die Anschaffungskosten der PV- Anlage aufgrund der dynamischen Marktsituation hohe Abhängigkeit der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für PV-Anlagen aufgrund der derzeit eher dynamischen und schwer abzuschätzenden politischbedingten Stromvergütung gem. EEG Ölpreisgebundene Betriebskosten für die Stützgasfeuerung des Deponiegaskessels S. 18
450 Laufzeit und Auslastung FeuerungswäremleistunginkW 425 400 375 350 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 Feuerungswärmeleistung Microgasturbine Anbieter I Anbieter II Anbieter III Anbieter IV 0 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Jahr 2017 2018 2019 2020 2021 S. 19 2022 LFG- & Biogas-T
200.000 150.000 Kostenvergleich 100.000 50.000 Kosten - -50.000-100.000-150.000-200.000 Annuität p.a.: Ø Wartungskosten p.a.: Ø Betriebskosten p.a.: Ø Erlöse aus Stromverkauf p.a.: Ø Betriebsergebni s p.a.: Turbine 31.858,42 11.250,00 62.209,72 37.721,94-24.487,77 Anbieter I 19.143,62 19.252,92 47.495,38 62.624,81 15.129,43 Anbieter II 17.993,58 24.225,00 48.746,62 59.678,38 10.931,76 Anbieter III 23.286,65 15.375,00 51.249,75 57.832,56 6.582,81 Anbieter IV 17.372,12 18.000,00 43.152,74 45.455,45 2.302,71 Fixkosten 163.912,42-163.912,42 S. 20 Firma LFG- & Biogas-Technolog
Wirtschaftlichkeitsvergleich Turbine Anbieter I Anbieter II Anbieter III Anbieter IV Fixkosten Invest Aggregat: 208.000 116.200 100.950 140.000 111.600 0 Lieferung, Montage und IBN vor Ort: 5.000 7.800 15.000 13.000 inkl. Invest 0 Anpassung vor Ort: 10.000 10.000 10.000 10.000 10.000 0 Gesamtinvestition: 223.000 134.000 125.950 163.000 121.600 0 Annuität p.a.: 31.858 19.144 17.994 23.287 17.372 - Wartungskosten pro Betriebsstunde: 1,50 2,57 3,23 2,05 2,40 / Bh Ø Wartungskosten p.a.: 11.250 19.253 24.225 15.375 18.000 - Ø Zusätzliche Stromkosten p.a.: 13.596 - - - - 75.125 Ø Zusätzliche Wärmekosten p.a.: 5.506 9.099 6.528 12.588 7.781 88.787 Ø Betriebskosten p.a.: 62.210 47.495 48.747 51.250 43.153 163.912 S. 21
Zusammenfassung: Turbine Anbieter I Anbieter II Anbieter III Anbieter IV Fixkosten Ø Erlöse aus Stromverkauf p.a.: 37.722 62.625 59.678 57.833 45.455 Ø Betriebsergebnis p.a.: - 24.488 15.129 10.932 6.583 2.303-163.912 Betriebsergebnis nach 10 Jahren: - 244.878 151.294 109.318 65.828 23.027-1.639.124 Wie aus dem Vergleich der jährlichen Betriebsergebnisse aller Varianten zu entnehmen sind die Gas Otto - Motore als wirtschaftlichste Variante für einen Einsatz auf den Konzept - Deponien unter den v.g. Randbedingungen zu empfehlen. Bei allen Verwertungsmöglichkeiten fällt auf, daß spätestens in den letzten drei Betriebsjahren der Wärmebedarf nicht vollständig abgedeckt werden kann und somit zusätzliche Kosten entstehen. S. 22
Wissen ist, wenn man weiß,, wo es steht: S. 23