Bioenergie rentabel flexibilisieren:
Vergleich von Betriebsstrategien für Biogasanlagen
Martin Dotzauer
AEE-Regionalkonferenz
Universität Rostock
2
Agenda
• Rolle von Flexibilitätsoptionen in der Energiewende
• Bioenergie als flexible Ausgleichsoption
• Grundlagen der Anlagenflexibilisierung
• Betriebsstrategien
• Praxisbeispiele
• Handlungsempfehlungen
• Zusammenfassung
3
Flexibilitätsoptionen und Energiewende
• Wind- und Solaranlagen habe in den letzten Dekaden eine Lernkurve
durchschritten und besitzen weiteres Kostensenkungspotential
• beide Kraftwerkstypen weisen nur marginale Grenzkosten auf
• In der Energiewende wird im Stromsektor der Anteil von Solar- und
Windstrom sehr stark zunehmen
• Erzeugung aus Wind- und Solaranlagen ist witterungsabhängig,
ergänzt sich teilweise, weist aber große Schwankungen auf
• Zusätzlich passen die Einspeisezeiten nicht immer zu den
Bedarfsprofilen im Strommarkt, so das sich Über- oder
Unterdeckungen der residualen Last ergeben können
0
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0 24 48 72 96 120 144 168
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g [M
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Stunden einer Woche (Mo 00:01 bis So 00:00)
Lastkurven Deutschland vom 23.10.2017 bis 29.10.2017
Residuallast 2
PV
Wind
Bio Grundlast
Last
Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org4
Flexibilitätsoptionen und Energiewende I
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1 25 49 73 97 121 145 169
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Stunden einer Woche (Mo 00:01 bis So 00:00)
Residuallastkurve Deutschland vom 23.10.2017 bis 29.10.2017
Residuallast 2
5
Flexibilitätsoptionen und Energiewende II
Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org
1 - Müller, T., Schreiber, S., Herbst, A., Klingler, A.-L., Wyrwa, A., Fermi, F., Reiter, U., 2017. How to balance intermittent feed-in from renewable energies? – A techno-economic comparison of flexibility options:
Policy brief. Reflex Analysis of the European energy system 6
Bioenergie als Flexibilitätsoption I
• Flexibilitätsoptionen (Grundtypen i.e.S. nach Müller et. al.1):
• Abwärtsflexibilität (temporäre Absenkung der Residuallast)
• Verlagerungsflexibilität (Verlagerung von „Überschüssen“ in Mangelzeiträume)
• Aufwärtsflexibilität (temporäre Erhöhung der Residuallast)
• Bioenergietechnologien bietet „Abwärtsflexibilität“
• Weitere Flexibilitätsoptionen
• Stromnetz (-ausbau) für den überregionalen Ausgleich
7
Bioenergie als Flexibilitätsoption II
• Residuallast in Deutschland weist schon heute enorme
Schwankungsbreiten auf
• Residuallastschwankungen werden derzeit vor allem durch fossile
Kraftwerke sowie durch Im- und Export von Strom ausgeglichen
• Doppelfunktion der Bioenergie
• Absolute Absenkung der Residuallast durch (Band-) Einspeisung
→ Funktion als erneuerbare Stromquelle
• Mögliche Glättung der Residuallast durch bedarfsgerechte Einspeisung
→ Funktion als Flexibilitätsoption
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Stunden einer Woche (Mo 00:01 bis So 00:00)
Lastkurven Deutschland vom 23.10.2017 bis 29.10.2017
Residuallast 2'
PV
Wind
BioFlex
Last
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Bioenergie als Flexibilitätsoption III
Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org
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0 24 48 72 96 120 144 168
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g [M
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Stunden einer Woche (Mo 00:01 bis So 00:00)
Residuallastkurve Deutschland vom 23.10.2017 bis 29.10.2017
Residuallast 2
Residuallast 2'
9
Bioenergie als Flexibilitätsoption IV
Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org
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sid
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Sortierte Jahresstunden
Residuallast Deutschland 2017
RL 1
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Bioenergie als Flexibilitätsoption V
Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org
0
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Re
sid
ual
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[M
W]
Sortierte Jahresstunden
Residuallast minus "BioBand" Deutschland 2017
RL 2
RL 1
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Bioenergie als Flexibilitätsoption VI
Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org
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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Re
sid
ual
last
[M
W]
Sortierte Jahresstunden
Residuallast minus "BioFlex" Deutschland 2017
RL 2
RL 2'
RL 1
12
Bioenergie als Flexibilitätsoption VII
Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung, auf Basis der Daten von https://data.open-power-system-data.org
13
Grundlagen der Flexibilisierung I
Rechtsrahmen:
• Seit der EEG-Novelle 2012 können Bestandsanlagen die Flexibilitätsprämie in
Anspruch nehmen (bisher nur für Biogasanlagen relevant)
• Flexibilitätsprämie für zusätzlich installierte (bzw. vorgehaltene Leistung)
• die nach dem 30.07. über die Flexibilitätsprämie vergütungsfähige Leistung ist auf
1.350 MW begrenzt
• Für Neuanlagen gibt es seit der EEG-Novelle 2014 einen Flexibilitätszuschlag,
gleichzeitig wurde eine Limitierung der Auslastung eingeführt
14
Grundlagen der Flexibilisierung II
• Für einen flexiblen Betrieb ist eine „Überdimensionierung“ der
Verstromungskapazität im Verhältnis zur Gasprodukt notwendig
• Verstromungskapazität = Pinst
• Mittlere Gasproduktion = PBem
• Überdimensionierung (Leistungsquotient) = QP
QP=Pinst/PBem
• Bei steigendem Leistungsquotienten (QP > 1) kann die
Stromproduktion verdichtet werden
0
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Leis
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g [k
Wel
]
Stunde
Grundschema der Flexibilisierung von Biogasanlagen
Gasproduktion
PQ=1,5
PQ=2
PQ=3
PQ=4
PZusatz [kW]
Verstromungszeit [h]- vollflexibel -
15
Grundlagen der Flexibilisierung III
Quelle: DBFZ, M.Dotzauer, eigene Darstellung
16
Grundlagen der Flexibilisierung IV
• technischen Voraussetzungen
• Erhöhung der Verstromungskapazität (bzw. Absenkung der
Bemessungsleistung
• Vorhalten eines ausreichend großen Gasspeichers für die
Entkoppelung von (kurzfristig) nicht regelbarer Gasproduktion
und alternierendem Gasverbrauch durch das / die BHKW
• Ggf. Anpassung der Anlagenperipherie für die
Leistungserweiterung (Gaskonditionierung, Einspeisepunkt)
• Anpassung der Komponenten zur Erhaltung der
Wärmeauskoppelung (Wärmespeicher, Spitzenlastkessel)
17
Betriebsstrategien I
• Anbieten von Regelleistung (vor allem negative SRL, (andere
Produkte möglich) für konstant betriebene BHWK
• Teilflexibler Anlagenbetrieb für den Fall das die Anlage mehrere
BHKW hat und ein Teil der Maschinen weiter konstant betrieben wird
• Vollflexibler Anlagenbetrieb bei dem alle BHKW als ein virtueller
Block gefahren wird
• i.d.R. empfiehlt sich ein Start-Stopp-Betrieb der Aggregate (geringere
Wirkungsgradverluste und höhere Arbitrage-Erträge)
• Direktvermarkter können durch das Pooling von Anlagen und eine
automatisierte Einsatzplanung verschiedene Märkte bedienen
18
Betriebsstrategien II
• Die Flexibilisierung ist zwingende Voraussetzung für eine Teilnahme
am Ausschreibungsdesing des EEG 2017 (QP ≥ 2)
• Flexibilisierung sollte vor dem Wechsel in die Ausschreibung
erfolgen → Abschreibung Zusatzinvestitionen über Flexprämie
• „Flexdeckel“ limitiert die zusätzlich installierbare Leistung,
ca. die Hälfte der 1.350 MW sind bereits verbraucht
• Alternative: Flexibilisierung über die Absenkung der
Bemessungsleistung
• Pro: keinen Zusatzkomponenten und Kostenoptimierung der Einsatzstoffe
• Contra: mind. Halbierung des Umsatzes → fehlender Deckungsbeitrag
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30
An
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tun
g [M
W]
Jahr
Zubaudynamik für Biogasanlagen in Deutschland
installierte Leistung [MW p.a.] kumulierter Anteil am Gesamtbestand [%]Quelle: DBFZ, eigene Abbildung M. Dotzauer
19
Betriebsstrategien III
Flexprämie (10 Jahre)
Vergütungsdauer (21 Jahre)
Ze
itfen
ste
r
20
Betriebsstrategien III
0%
5%
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2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Anteil der Anlagen, je Jahrgang die die Flexprämie in Anspruch nehmen.
Quelle: DBFZ, eigene Abbildung M. Scheftelowitz
1 – Projekt Langtitel: „Kommunikationsmaßnahmen für ein besseres Verständnis der Systemintegration Erneuerbarer Energien unter besonderer
Berücksichtigung der Rolle der Bioenergie“, gefördert über die Fachagentur nachwachsende Rohstoffe (FNR), durch das Bundesministerium für
Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)21
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für flexible
Bioenergieanlagen
• Berechnungen im Rahmen des Projektes: „energie-update“1 der AEE
• Berechnung von standardisierten Flexibilisierungsvarianten von
insgesamt 7 Anlagen (6 BGA, 1 Holzheizkraftwerk)
• Vereinfachung der Anlagenkonzepte um Berechnungen mit dem
BioFlex-Werkzeug des DBFZ durch zu führen
• Veröffentlichung der Ergebnisse auf einer Homepage der AEE:
https://energie-update.de/
22
Praxisbeispiel 1 - Anlagensteckbrief
Steckbrief Anlagenbeispiel 1
Anlagenbeschreibung
erstmalige Inbetriebnahme 04.12.2009 Weiterbetrieb bis k.A.
BHKW BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 BHKW 4 BHKW 5 BHKW 6
(B)HKW-Bauart Otto-Gasmotor
(B)HKW-Betriebsart Dauerbetrieb
Installierte Leistung 210
Elektrischer Wirkungsgrad 38,6%
Thermischer Wirkungsgrad 41,9%
Jahresbetriebsstunden (vbh) 7.522
Inbetriebnahmejahr 2009
Gasspeicher
Bauart
InbetriebnahmejahrBruttovolumen [m³]
Einsatzstoffe (ES) ES 1 ES 2 ES 3 ES 4 ES 5 ES 6
Substrat Typ R.-Gülle R.-Mist Mais Gras
Einsatzmenge (FM) im 5-jähr. Mittel [t] 13.000 20 1.640 1.380
Anteil an der eingesetzten FM [%] 81% 0% 10% 9%
Preis im 5-jähr. Mittel [€/t] 3 5 32 56
Energieumsatz
Stromproduktion (brutto) [kWh] 1.689.000 Wärmesenke 1 100%
Stromeinspeisung (netto) [kWh] 1.523.957 Wärmesenke 2
Prozesswärmebedarf [kWh] k. A. Wärmesenke 3
Prozesswärmeanteil (alternativ) [%] 7% Wärmesenke 4
Externe Wärmenutzung [kWh] 463.928 Wärmesenke 5
Einfamilienhaus
2009
180
Anlagenbeispeil 1: Biogasanlage, 200 kW, vorrangige Güllenutzung
Gasspeicher 1 Gasspeicher 2 Gasspeicher 3Fermeter doppellagig
23
Praxisbeispiel 1 - Flexibilisierungsvarianten
-20 -19
-7 -5
-15 -14
3 5
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027
QP2 tf QP2 vf QP4 tf QP4 vf
Jäh
rlic
he
Ko
sten
/ E
rlö
se [
Tsd
. € p
.a.]
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Anlagenflexibilisierung
zusätzliche BHKW
zusätzlicher Gasspeicher
Wärmespeicher
Spitzenlastkessel
Brennstoffkosten für SLK
Flexprämie
EPEX-Mehrerlös
Neg. SRL-Erlöse
Kosteneffekte Bestands-BHKW
betriebsgebundene Kosten
sonstige Kosten
Differenzsaldo
Anlagenbeispiel 1 - relative Werte ggü. Status Quo
24
Praxisbeispiel 1 - Schlussfolgerungen
• Anlage ist relativ klein und daher sind die spezifischen
Flexibilisierungskosten relativ hoch
• Varianten mit moderater Überbauung versprechen keine
Amortisation der notwendigen Investitionen
• Zusatzaufwendungen für die Absicherung der Wärmeauskoppelung
fallen auf Grund des geringen Nutzungsgrades relativ gering aus
• Flexprämie kann 10 Jahre beansprucht werden, ggf. ließe sich die
Wirtschaftlichkeit ggf. durch andere Maßnahmen steigern ließe
• Wenn die Flexibilisierung als Vorbereitung für die Ausschreibung
erfolgt, sollte möglichst stark zugebaut werden
25
Praxisbeispiel 2 - Anlagensteckbrief
Steckbrief Anlagenbeispiel 7
Anlagenbeschreibung
erstmalige Inbetriebnahme 27.12.2001 Weiterbetrieb bis k.A.
BHKW BHKW 1 BHKW 2 BHKW 3 BHKW 4 BHKW 5 BHKW 6
(B)HKW-Bauart Otto-Gasmotor Otto-Gasmotor
(B)HKW-Betriebsart Dauerbetrieb Dauerbetrieb
Installierte Leistung 836 330
Elektrischer Wirkungsgrad 45,0% 37,0%
Thermischer Wirkungsgrad 45,5% 41,0%
Jahresbetriebsstunden (vbh) 8.426 8.260
Inbetriebnahmejahr 2010 2011
Gasspeicher
Bauart
Inbetriebnahmejahr
Bruttovolumen [m³]
Einsatzstoffe (ES) ES 1 ES 2 ES 3 ES 4 ES 5 ES 6
Substrat Typ R.-Gülle R.-Gülle R.-Mist Futterreste
Einsatzmenge (FM) im 5-jähr. Mittel [t] 100.000 20.000 4.500 4.000
Anteil an der eingesetzten FM [%] 78% 16% 4% 3%
Preis im 5-jähr. Mittel [€/t] 3 3 5 32
Energieumsatz
Stromproduktion (brutto) [kWh] 9.769.936 Wärmesenke 1 27%
Stromeinspeisung (netto) [kWh] 9.300.000 Wärmesenke 2 7%
Prozesswärmebedarf [kWh] k. A. Wärmesenke 3 7%
Prozesswärmeanteil (alternativ) [%] k. A. Wärmesenke 4 27%
Externe Wärmenutzung [kWh] 3.222.000 Wärmesenke 5 40%
Anlagenbeispiel 7: Gülledominierte Biogasanlage 1.166 kW
Gasspeicher 1 Gasspeicher 2 Gasspeicher 3
Fermeter doppellagig Fermeter doppellagig
2000
800
Metall & Kfz
Trocknung
Gaststätten
Beherbergung
Gemeinde & Feuerwehr
26
Praxisbeispiel 2 - Flexibilisierungsvarianten
76 83126 135
198 205
268 277
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027 EPEX 2017 EPEX 2027
QP2 tf QP2 vf QP4 tf QP4 vf
Jäh
rlic
he
Ko
sten
/ E
rlö
se [
Tsd
. € p
.a.]
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Anlagenflexibilisierung
zusätzliche BHKW
zusätzlicher Gasspeicher
Wärmespeicher
Spitzenlastkessel
Brennstoffkosten für SLK
Flexprämie
EPEX-Mehrerlös
Neg. SRL-Erlöse
Kosteneffekte Bestands-BHKW
betriebsgebundene Kosten
sonstige Kosten
Differenzsaldo
Anlagenbeispiel 7 - relative Werte ggü. Status Quo
27
Praxisbeispiel 2 - Schlussfolgerungen
• Mittelgroße Anlage mit mittlerem Wärmenutzungsgrad, die
erstmalig 2001 in Betrieb gegangen ist und 2022 aus der regulären
Vergütung ausscheiden würde → max. 5 Jahre Flexprämie
• Trotz der kurzen Betrachtungsdauer sind alle Varianten im Saldo
positiv zu bewerten (bei Berücksichtig der Restwerte für BHKW)
• Die Unterschiede zwischen teil- und vollflexibler Fahrweise sind
jeweils sehr stark ausgeprägt
• Methodische Unschärfe: Anlage wird als einen zusammengefasster
Standort betrachtet, Satteliten-BHKW nicht separat berücksichtigt
• Ggf. ist de Satelliten-Standort besser nicht zu flexibilisieren
(Kapazität Rohgasleitung, Absicherung Wärmeauskoppelung)
28
Handlungsempfehlungen
Anlagenbetreiber:
• In Abhängigkeit der „Restlaufzeit“ entscheiden ob die Anlage noch
wirtschaftlich flexibilisierbar ist (Verkürzung der Abschreibung)
• Ausschöpfung des „Flexdeckels“ in Sichtweite, sollte bei der Planung mit
berücksichtigt werden (wie schnell bin ich wirklich in der Umsetzung?)
• Strategisch prüfen ob die Anlage nach der regulären Vergütungsdauer ins
Ausschreibungsdesign wechseln soll → Zwingende Flexibilisierung
Politik:
• Verknüpfung von Flexibilitätsanforderungen im Ausschreibungsdesign und
dem Flexdeckel könnte ein „Flaschenhals“ für den Teilerhalt des
Anlagenbestandes sein → Verlust einer verfügbaren Flexibilitätsoption
29
Zusammenfassung
• Flexibilisierung von Bestandsbiogasanlagen ist vor allem bei
größeren Anlagen ökonomisch attraktiv
• stärkere Überbauung ist unter der Vernachlässigung von möglichen
Zusatzkosten für den Netzanschluss vorteilhaft
• Wechselwirkungen zur Wärmeauskoppelung sind gegeben, stellen
aber kein grundsätzlich Hindernis für hohe Überbauung dar
• Teilflexible Fahrweise schneidet in Modellrechnungen immer
schlechter ab
• Flexibilisierung als „Eintrittskarte“ für die Ausschreibungen erfordert
frühzeitige Umsetzung vor dem Vergütungsende
DBFZ Deutsches
Biomasseforschungszentrum
gemeinnützige GmbHTorgauer Straße 116
D-04347 Leipzig
Tel.: +49 (0)341 2434-112
E-Mail: [email protected]
www.dbfz.de
Smart Bioenergy – Innovationen für eine nachhaltige Zukunft
Ansprechpartner
M.Sc. Martin Dotzauer
+49 341 2434 385
Fotos: DBFZ, Jan Gutzeit, DREWAG/Peter Schubert (Titelfolie, rechts), Pixabay / CC0 Public Domain