Neues aus der Forschung: Forschungsvorhaben GAZELLE - Ganzheitlich flexibler Betrieb - Tino Barchmann, Eric Mauky, Peter Kornatz, Nadja Rensberg ...
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Neues aus der Forschung:
Forschungsvorhaben GAZELLE – Ganzheitlich flexibler Betrieb
Tino Barchmann, Eric Mauky, Peter Kornatz, Nadja Rensberg, Jörg Kretschmar
© Anklam Bioethanol GmbH
Messe energy decentral - FlexForum
Hannover, 14. November 2018
Agenda
● Status quo - Anlagenbestand
● Biogasanlagen – Technische Grenzen der Flexibilisierung
● Forschungsvorhaben GAZELLE
● Kurzvorstellung
● Sächsischer Anlagenbestand
● Modellbasierte Regelung und Fütterungsmanagement
● Ökonomie
● Fazit und Ausblick
Biogasanlagen – Status Quo
3
Bereitstellung von Energie aus Biogas und
Biomethan in 2017
Art der Biogasproduktionsanlage Anlagen-
zahl
Landwirtschaftliche Biogasproduktionsanlagen ca. 8.540
davon Güllekleinanlagen (≤75kW) gemäß
ca. 700
§27b EEG 2012/ §46 EEG 2014
Abfallvergärungsanlagen (Anteil org. Abfälle ≥ 90 %, 137
massebezogen)
Biogasaufbereitungsanlagen zu Biomethan 200
(Erweiterungen nicht als separate Anlage erfasst)
Biogasproduktionsanlagen, gesamt ca. 8.900
Quelle: Umweltbundesamt (2018): Erneuerbare Energien in Deutschland – 3/2018; dena branchenbarometer 2018,
DBFZ Abschätzung zur Verteilung der Wärmenutzung aus Biogas-VOV und Biomethan-KWK 4/2018
Entwicklung der Biogasanlagen
(ohne Biomethan)
Anzahl nach Leistungsklasse und installierte Leistung
10.000 5.000
• Seit 2012 kein
> 1000 kWel 501 - 1000 kWel
> 500 kWel 151 - 500 kWel signifikanter Zubau
70 - 500 kWel 70 - 150 kWel 4.500
Installierte elektrische Anlagenleistung [MWel]
≤ 70 kWel
8.000
install. el. Leistung [MWel]
4.000 • überwiegend
Leistungserweiterungen
3.500
bestehender Anlagen,
6.000 3.000 (motiviert durch
Anlagenzahl [-]
2.500 Flexibilitätszuschlag/-
prämie)
4.000 2.000
1.500 • Neubau beschränkt sich
2.000 1.000
auf Güllekleinstanlagen
(< 75 kWel) und wenige
500
Anlagen zur
0 0 Bioabfallvergärung
* Prognose
© DBFZ, Stand 4/2018
Quelle: Daniel-Gromke et al. 2018; Aktuelle Entwicklungen bei der Erzeugung und Nutzung von Biogas,
Innovationskongress 2018, Osnabrück 5
Entwicklung der Flexibilisierung von
Biogas- & Biomethan-BHKW
Anzahl Biogas-BHKW, [n] Anzahl Biomethan-BHKW, [n]
install. el. Leistung Biomethan-BHKW, [MWel] install. el. Leistung Biogas-BHKW, [MWel]
Installierte elektrische Anlagenleistung [MWel]
3.000 1.750
DBFZ: Abrechnungsdaten auf
1.500 Basis des Anlagenregisters,
2.500
der BNetzA und ÜNB
Anzahl BHKW [n]
1.250
2.000
vs.
1.000
1.500
750
IEE: Meldungen im
Anlagenregister der BNetzA
1.000
500 (ggf. mit Dopplungen)
500 250 → Diskrepanz
Inanspruchnahme und
0 0
Anmeldung
Σ Biogas-BHKW n = 2.678
Σ Biomethan-BHKW n = 342
© DBFZ 08/2018
→ 9/2018: mehr als 80% in Direktvermarktung, davon:
2.927 Anlagen (Biogas+Biomethan) mit Flexprämie, ca. 2,02 GWel
→ Standorte Flex-BHKW überwiegend in Bayern (rd. 37%), Niedersachsen (rd. 22%) und NRW (11%)
Quelle: DBFZ auf der Basis der jährlichen Stromerzeugung nach BNetzA 2012 – 2016, monatlichen Berichten zur Direktvermarktung der
Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien der Übertragungsnetzbetreiber für die Jahre 2012 - 2018 mit Stand 09/2018, sowie Daten
des Anlagenregisters der BNetzA zum Stand 08/2018 6
Technische Grenzen der Flexibilisierung
7
Was bestimmt die Grenzen der Flexibilität?
Beschickung → Biogasproduktion → Gasspeicher → Gasverwertung
Dimensionierung Komponenten, Regeltechnik
Quelle: DBFZ, 2016
8
Flexibilisierung – technische Fragestellungen
• Flexibilität des Gesamtprozesses insbesondere:
◦ Biologie: präzise Regelung der Gasproduktionsrate bei hoher
Prozessstabilität
◦ Gasspeichersystem: verlustfreier Betrieb mit präziser Prognose und
Messung der Füllstände
9
Warum flexibilisieren?
• Erhöhung Nutzungsgrad von Wärme und Strom
• Netzstabilisierung
• Netzauslastung
• Preisorientierung
• Betriebsoptimierung (z.B. bei Wartungen)
Strom aus Biomasse muss langfristig in flexiblen Konzepten mit hoher
Wärmenutzung und THG Einsparungen erzeugt werden
10Flexibilisierung - betroffene Anlagenteile
energie
Regel-
kurven
Tageslast-
lastgänge
Wochen-
Bedarfe
saisonale
Quelle: DBFZ, 2014 Prozess Flexibilität bzw. Speicherbarkeit
bzw.
Medium
Substrat Hochflexibel Einsetzbar, Lagerbarkeit > 1Jahr (außer
Substrat
Entsorgung), kurzfristiger Einsatz bisher zum Ausregeln
von Produktionsschwankungen mit dem Ziel + + + +
gleichförmiger Produktion
Fermenter
Fermentation
Saisonal ja, erste Erfahrungen Praxis
- - 0 +
Gas
Gas Speicherbar, „inert“, Hochflexibel einsetzbar + + + +
Gasspeicher
Gas-
speicherung
Hochflexibel, Kapazitätsbegrenzung,
Füllstandsbestimmung optimierbar/kritisch + + - -
Relativ flexibel, abhängig von Gasqualität und
Gaskondi-
tionierung
Gaskon-
ditionierung
notwendigem Aufwand, aktuell kapazitätsbegrenzt,
einfach ausbaufähig
(+) + + +
Verstromung im Hochflexibel, bisher jedoch nur für wenige
Bildquelle: eigene DBFZ?????????
BHKW Verstromung Regelereignisse am Tag als vertretbar angesehen,
kapazitätsbegrenzt
+ + + (+)
Strom Strom Nicht speicherbar - - - -
Wärme Wärme
Bedingt speicherbar, abhängig von Nutzungsart,
Speichertechnologie ausbaufähig + + (0) -
11Gasspeicher
Quelle: Stur et al. 2016
• Messtechnik für eine genaue Bestimmung des Füllstandes vor allem außerhalb der
Grenzbereiche oft nicht geeignet
• Flexibilität der Gasmembranen begrenzt
• Gasleitungen für schnellen Gasaustausch ertüchtigen
• Gasmanagement um Verluste zu minimieren
12Vorstellung Forschungsvorhaben GAZELLE
13Grunddaten Forschungsvorhaben „GAZELLE“
Erweiterung existierender und Entwicklung neuer Optimierungsansätze
für Biogasanlagen die technische und ökonomische Parameter vereinen.
Gefördert durch:
• Freistaat Sachsen und Europäischer Fonds für regionale Entwicklung
Projektdauer:
• 02.2017 – 01.2020
Budget:
• 1 Million €
Projektteam:
• Eric Mauky, Tino Barchmann, Nadja Rensberg, Ulf Müller, Sören Weinrich, Martin
Dotzauer, Mathias Stur, Christian Krebs, Jörg Kretzschmar
14Projektziel „GAZELLE“
• Im Projekt „GAZELLE“ soll durch die optimale Kombination von Substratmanagement, Substrataufschluss
und Anlagenüberwachung eine größtmögliche Steigerung der Flexibilität und Effizienz
von bestehenden Biogasanlagen erzielt werden.
15AP 1 - Betreiberbefragung
• Jährliche Betreiberbefragung DBFZ (schriftlicher Fragebogen)
• Durchführung Befragung im März/April 2017
• Versand an 6.877 Biogasanlagen
in Deutschland → rd. 81% des
Anlagenbestandes
• davon 266 sächs. Biogasanlagen
→ ergänzender Fragebogen zu
projektspezifischen
Fragestellungen
Bezugsebene: PLZ
16AP1 – Anlagenbestand Biogas Substrate
Substratinput landwirtschaftliche Biogasanlagen
Deutschland Sachsen
0,4
0,2
25,1
43,7
NawaRo
NawaRo
Exkremente
Exkremente
ind./ gewerbl./ landw.
56,1 Reststoffe ind./ gewerbl./ landw.
74,5 Reststoffe
n=925 n=52
© DBFZ 02/2017 © DBFZ 02/2017
Betreiberbefragung DBFZ 2015, 2016; Bezugsjahr 2014, 2015
Verteilung Substratmix in Biogasanlagen [%]
Substratmix landw. ind./ gewerbl./
NawaRo Exkremente landw. Reststoffe
Biogasanlagen: Deutschland 61,9 37,9 0,1
Sachsen 39,7 59,9 0,4
17Zeitfenster für die Flexibilisierung
Vergütungsdauer (21 Jahre)
Flexprämie (10 Jahre)
Zeitfenster
Quelle: Dotzauer, 2016
18Flexibilisierung
Modellbasierte Regelung
Model Predictive Control (MPC)
Schematisches Funktionsbeispiel: Systemantwort im Zeitbereich
Stellgröße
Vorhersage
Systemantwort
Sollwert
Vergangenheit Heute Zukunft
19Flexibilisierung
Fütterungsmanagement
Flexibles Substratmanagement
Optimierte Substratzufuhr für bedarfsorientierte Biogasproduktion
konstante Substratzufuhr Gasproduktion Gasspeicher Energiebedarf Substratzufuhr
Zeit
Gasspeicherreduzierung durch flexiblen Substrateinsatz
flexible Substratzufuhr Gasproduktion Gasspeicher Energiebedarf Substratzufuhr
Zeit
20Ökonomie – Zielstellung
• Evaluierung der Rentabilität aus Betreibersicht für Flexibilisierungs- und
Erweiterungsmaßnahmen bei ausgewählten sächsischen
Bestandsbiogasanlagen
• Konkret:
• Orientierung zur Bedeutung unterschiedlicher Technologien und
Betriebskonzepte im zukünftigen Versorgungssystem
• Hilfe bei der Suche nach neuen Geschäftsmodellen
• Verdeutlichung, in welchem Umfang sich Erlöse und Kosten bei
unterschiedlich starken Veränderungen des Anlagenbetriebs
verhalten
21Ökonomie – Wissenschaftliche Fragestellungen
Anlagenmodell zur Abbildung flexibler Stromerzeugung
• Ist eine Amortisation zusätzlicher Investitionsaufwendungen für die
Flexibilisierung oder Erweiterung der ausgewählten Beispielanlagen zu
erwarten?
• Wie kann die in der Praxis sehr komplexe und heterogene Struktur von
Biogasanlagen in geeigneter Weise abstrahiert werden?
• Welche Aspekte sind im Kontext der Anlagenflexibilisierung relevant?
• Wie können relevante Aspekte in eine passende Bewertungsmethodik
übersetzt werden?
22Ökonomie – BioFlex-Werkzeugsammlung
Anlagenmodell zur Abbildung flexibler Stromerzeugung
• Weiterentwicklung der
Methodik aus
bestehenden Projekten
• Schnelle,
standardisierte
Berechnungsmethode
• Durch modularen
Aufbau leicht auf
jeweilige Fragestellung
anpassbar
Quelle: DBFZ 2018
23Ökonomie – BioFlex-Werkzeugsammlung
Notwendiger Anpassungsbedarf
• Strompreisoptimierte Fahrweise nach EPEX mit den Nebenbedingungen
• Statische Sperrzeiten (z. B. 22 bis 6 Uhr)
• Begrenzung der maximalen Startvorgänge
• BHKW Mindestlaufzeit
• BHKW Mindestruhezeiten
• Berücksichtigung der Gasspeicherkapazitäten
• Implementierung der Wochenendabsenkung zur Erlösoptimierung (flexible
Gasproduktion)
Quelle: DBFZ 2018
24Fazit und Ausblick
25Zusammenfassung
Für unterschiedliche Märkte sind unterschiedliche Qualitäten von Flexibilität
erforderlich
Gesamtkette definiert Grenzen der Anlagen hinsichtlich Flexibilität
Fütterungsmanagement kann Gasspeicherbedarf ersetzen
Heute Flexibilisierungskonzepte im Bereich EPEX-SDL-Märkte verbreitet
Flex-Konzepte mit Berücksichtigung der Wärmeseite erforderlich
Ausblick
● Stärkere Konvergenz von Strom-Wärmemärkten
● Optimierung von Betriebskonzepten für Biogasanlagen bspw. durch weitere
Optimierung der bedarfsgerechten Gaserzeugung und verbesserten
Integration in Strom- und Wärmemärkte
26Ausblick
Nächstes Biogas-Fachgespräch zum Projekt GAZELLE:
• Thema: „Biogas auf den Sprung – flexibel und zukunftsorientiert!“
• Datum / Uhrzeit : 6. Februar 2019 / 12:30 – 17 Uhr
• Ort: Nossen, LfULG (Sachsen)
© DBFZ © DBFZ © LfULG
27Smart Bioenergy – Innovationen für eine nachhaltige Zukunft
Wir laden Sie ein!
Ansprechpartner DBFZ Deutsches
Biomasseforschungszentrum
M. Sc. Tino Barchmann
gemeinnützige GmbH
E-Mail: tino.barchmann@dbfz.de
Tel.: +49 (0)341 2434 – 375 Torgauer Straße 116
D-04347 Leipzig
Tel.: +49 (0)341 2434 – 112
E-Mail: info@dbfz.de
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