Klimawandel, wirtschaftlicher Wandel, demographischer Wandel
Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz aus technischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Sicht auf...
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Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz
aus technischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Sicht
auf nationaler und internationaler Ebene
Wolf Thyssen | 10. Juni 2004
Prozess der Energiemarktliberalisierung in der Praxis
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
GliederungGliederung
[a] Motivation
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
[c] Aufbereitungstechniken
[d] Wirtschaftlichkeit
[e] Biogasanlagen in Deutschland
[f] Wie machen es die Nachbarn ?
[g] Fazit
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[a] Motivation[a] Motivation
Was ist Biogas ?
Entstehung
Mehrstufigen Vergärungs- oder Faulungsprozess biogener
Substanzen durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, d.h. unter Luft bzw.
Sauerstoffausschluss.
Hydrolyse Säurebildung Essigsäurebildung Methan
Zusammensetzung
• 60 %vol Methan• ca. 40 %vol Kohlendioxid• bis zu 8.000 mg/m³ Schwefelwasserstoff• Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[a] Motivation[a] Motivation
Nutzbares Aufkommen von Biogas in Deutschland
Mist & Gülle 80 PJ / a (22 TWh)
Biomüll 10 PJ / a (3 TWh)
Energiepflanzen 200 PJ / a (55 TWh)
insgesamt 290 PJ / a (80 TWh) 25 TWhel
1 m³ Biogas 0,6 l Heizöl 6 kWh
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[a] Motivation[a] Motivation
Bestandsaufnahmen der Biogasanlagen in Europa
Quelle: SGC, 2001
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[a] Motivation[a] Motivation
Schemazeichnung
Quelle: T. Schmalschläger, 2003
A
B
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[a] Motivation[a] Motivation
Nutzung von Biogas
Variante AGewinnung / Erzeugung von BiogasVorreinigung
a) Deckung von Eigenbedarf (BHKW, Fermenter, ...)
b) Betrieb von kommerziellem BHKW Absatz von Strom & WärmeVariante B
Gewinnung/Erzeugung von Biogas Aufbereitung auf Erdgasqualität
a) Absatz / Einspeisung ins Erdgasnetzb) Einsatz als Treibstoff für Kraftfahrzeuge
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
GliederungGliederung
[a] Motivation
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
[c] Aufbereitungstechniken
[d] Wirtschaftlichkeit
[e] Biogasanlagen in Deutschland
[f] Wie machen es die Nachbarn ?
[g] Fazit
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
Abgabe und Vergütung von Biogas in Deutschland gesetzlich bislang nicht explizit geregeltperiphere Regelungen in:
• Erneuerbare-Energien-Gesetz
• Biomasseverordnung
• Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz
• Energiewirtschaftsgesetz
EU-Richtlinienentwurf (06/2002):
diskriminierungsfreier Zugang für Biogas zum Gasnetz
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
...regelt die Abnahme und Vergütung von Strom aus regenerativen Energiequellen
• u.a. Biomasse einschließlich Biogas
• Wärmeäquivalenzregel ...Gas ist Biogas, wenn das entnommene Gas an anderer Stelle wärmeäquivalent als Biogas eingespeist wurde
• höhere Vergütung für Strom aus Biogas mit Erdgasqualität
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
Biomasseverordnung
...regelt für das EEG,
• welche Stoffe als Biomasse gelten,
Pflanzen, Pflanzenbestandteile, Abfälle & Nebenprodukte pflanzlicher & tierischer Herkunft aus Land-, Forst- und Fischwirtschaft sowie daraus erzeugtes Gas
nicht: Deponie- und Klärgase, Tierkörper
• welche Verfahren zur Stromerzeugung anwendbar sind und
• welche Umweltanforderungen dabei einzuhalten sind
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
Energiewirtschaftsgesetz (EnWG)
...regelt u.a. technische Anforderungen an die Gasversorgung
Verweis auf die technischen Regeln des
Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW)
insbesondere
• Arbeitsblatt G 260 (Gasbeschaffenheit)
• Merkblatt G 262 (Nutzung von Deponie-, Klär- und Biogasen)
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
DVGW G 260 - Anforderungen an die ErdgasbeschaffenheitDVGW G 260 - Anforderungen an die Erdgasbeschaffenheit
Quelle: DVGW G 260Quelle: DVGW G 260
Gruppe L Gruppe H
Heizwert HS,n
[kWh/m³]8,4 ... 13,1
relative Dichte [Gas/Luft]
0,55 ... 0,75
Wobbe-Index (HS,n/d) [kWh/m³]
10,5 ... 13,0
12,8 ... 15,7
Sauerstoff - trockenes Netz [%] - feuchtes Netz [%]
30,5
Gesamtschwefel (nicht odoriert) [mg/m³]
30 ... 150 (kurzzeitig)
Schwefelwasserstoff [mg/m³]
5 ... 10 (kurzzeitig)
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
CH4 [%vol] CO2 [%vol] O2/N2 [%vol] H2S [mg/m³]
Biogas 60...80 20...40 Rest .. 8.000
Erdgas H
> 96*keine
besondere
Festlegung
O2 < 0,5 < 5Erdgas L > 90*
DVGW G 262 - BiogaseDVGW G 262 - Biogase
Methananteil erhöhen & Schwefelwasserstoff entfernenMethananteil erhöhen & Schwefelwasserstoff entfernen
* Mindestmethangehalt nach Aufbereitung zur Gewährleistung des erforderlichen Wobbe-Indexes
...Rohgase aus Biogasanlagen sind keine Brenngase im Sinne des DVGW G 260
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
installierte thermische Leistung
Mindestvergütung
< 0,5 MW 10,2 ct/kWhth
< 1,5 MW 7,7 ct/kWhth
< 3,0 MW 6,6 ct/kWhth
> 3,0 MW 5,1 ct/kWhth
Vergütungsmodell für BiogasVergütungsmodell für Biogas
Vorschlag des Fachverbandes für Biogas e.V. (2001)
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
GliederungGliederung
[a] Motivation
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
[c] Aufbereitungstechniken
[d] Wirtschaftlichkeit
[e] Biogasanlagen in Deutschland
[f] Wie machen es die Nachbarn ?
[g] Fazit
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[c] Aufbereitungstechniken[c] Aufbereitungstechniken
a) als Austauschgas
Biogas derart aufbereitet und verdichtet, dass es sich bei Brennwert und Wobbe-Index nur marginal vom Erdgas in der Transportleitung unterscheidet.
denkbare Varianten der Erdgasnetzeinspeisung
b) zur Konditionierung
aufbereitetes Biogas enthält noch höhere Anteile an CO2 sowie weitere Gasbegleitstoffe und ist nicht kompatibel, wird geringfügig beigemischt.
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[c] Aufbereitungstechniken[c] Aufbereitungstechniken
• Abscheiden fester/flüssiger Partikel
• Trocknung
• Methan-Anreicherung
Voraussetzungen für die Einspeisung ins Erdgasnetz
• Odorierung
• Entschwefelung
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[c] ..Partikelabscheidung / Trocknung[c] ..Partikelabscheidung / Trocknung
Abscheiden fester/flüssiger Partikel
• Kiestöpfe (Grobfilter, Entwässerung)
• Patronenfilter (Feinfilter)
Leiten des Biogases durch verschiedene Filterstufen
Trocknung
• Kältetrocknung (auch Adsorptions- und Drucktrocknung)
• Unterschreiten des Taupunkts von Wasser ein- oder zweistufig, abhängig vom Einsatz „trockener“ oder „nasser“ Gasreinigungstechniken
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[c] ..Entschwefelung[c] ..Entschwefelung
Schwefelgehalt beeinträchtigt Lebensdauer von Leitungen und Verbrauchseinrichtungen
• hauptsächlich chemische Adsorptionsverfahren
• gewöhnliches Verfahren in der Landwirtschaft
- katalytische Oxidation
- Oxidation mit Eisenhydroxid
Entschwefelung
- biologische Oxidation
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[c] ..Entschwefelung[c] ..Entschwefelung
Umsetzung von Schwefelwasserstoff zu Schwefel an einem Katalysator
2 H2S + O2 2 S + 2 H2O
katalytische Oxidation
Katalysator
Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Eisenhydroxid und Sauerstoff zu Schwefel.
2-stufige Reaktion mit den Zwischenprodukten Wasser und Eisen-III-Sulfid.
Eisen-III-Sulfid oxidiert mit Sauerstoff zu Schwefel.
Oxidation mit Eisenhydroxid
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[c] ..Entschwefelung[c] ..Entschwefelung
Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Sauerstoff zu Schwefel
• Zuführung von Luft in den Gasraum des Gärbehälters
• auch extern durch Biofiltration im Rieselbett möglich
• Reinigungsleistung schlechter als bei chemischen Verfahren
• Reingaskonzentration max. < 50 ppm
biologische Oxidation
2 H2S + O2 2 S + 2 H2O
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[c] ..Methananreicherung[c] ..Methananreicherung
• Druckwäsche
Methananreicherung / Kohlendioxidabtrennung
• Druckwechselverfahren (PSA = Pressure Swing Adsorption)
• Membran-Trennverfahren
• Gasverflüssigung
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[c] ..Methananreicherung[c] ..Methananreicherung
Druckwäsche
„absorptives“ bzw. „nasses“ Verfahren zur Methananreicherung
Prinzip: Ausnutzen der unterschiedlichen Wasserlöslichkeit von CO2 und Methan
> 96 % CH4
Quelle: Weiland, Peter (2003)
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[c] ..Methananreicherung[c] ..Methananreicherung
Druckwechselverfahren (PSA)
Quelle:
Widmer, Ch. 1999
CO2
Rohgas 8 bar < 25 °C
t < 5°CS
Reingas
Beladen Evakuieren Desorbieren Druckausgleich
„adsorptives“ bzw. „trockenes“ Verfahren zur Kohlendioxidabtrennung
Prinzip: Adsorption von CO2 an Molekularsieben auf Kohlenstoffbasis (Aktivkohle)
96 % CH4
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
GliederungGliederung
[a] Motivation
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
[c] Aufbereitungstechniken
[d] Wirtschaftlichkeit
[e] Biogasanlagen in Deutschland
[f] Wie machen es die Nachbarn ?
[g] Fazit
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[d] Wirtschaftlichkeit[d] Wirtschaftlichkeit
Wirtschaftlichkeit
Variante AGewinnung / Erzeugung von BiogasVorreinigung
a) Deckung von Eigenbedarf (BHKW, Fermenter, ...)
b) Betrieb von kommerziellem BHKW Absatz von Strom & WärmeVariante B
Gewinnung/Erzeugung von Biogas Aufbereitung auf Erdgasqualität
a) Absatz / Einspeisung ins Erdgasnetzb) Einsatz als Treibstoff für Kraftfahrzeuge
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[d] Wirtschaftlichkeit[d] Wirtschaftlichkeit
Aufbereitungskosten
1 Großvieheinheit (GVE) 1,5 m³ Biogas / Tag
• 1 Rind
• 6 Schweine
• 150 Hühner
Alternativen: Vergärung von Energiepflanzen, Biomüll
8001600
2500
3300
6600
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
50 100 150 200 400
m³/h
GVE
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[d] Wirtschaftlichkeit[d] Wirtschaftlichkeit
Aufbereitungskosten – Kalkulationsbeispiel Variante B
Annahmen:
• Verarbeitungskapazität: 50 m³/h sowie 400 m³/h
• Aufbereitungsverfahren: Druckwäsche
• Kühlwasserbedarf: 1 m³/h aus eigenem Brunnen,
Einleitung in Kanalisation
• Strom: Opportunitätskosten für Strom aus
Biogas-BHKW bei EEG-Vergütung
• Auslastung: 8000 h/a
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[d] Wirtschaftlichkeit[d] Wirtschaftlichkeit
Aufbereitungskosten – Kalkulationsbeispiel Variante B 50 m³ / h 400 m³/h
Investitionen 120.000,00 555.000,00 €
Personal & Betrieb 16.000,00 22.000,00 €/a
Strom 10.660,00 50.000,00 €/a
Wasser 29.680,00 162.180,00 €/a
Sonstiges 1.000,00 8.000,00 €/a
Kapitalkosten 12.356,00 57.144,00 €/a
Betriebskosten 69.696,00 299.324,00 €/a
spezifische Kosten 2,70 1,40ct/kWh
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[d] Wirtschaftlichkeit[d] Wirtschaftlichkeit
Aufbereitungskosten Variante B
Bandbreite je nach Kühlwasserbedarfsdeckung (1. Leitungswasser, 2. eigener Brunnen, 3. keine Abwassergebühr)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4ct/kWh
signifikante Einflüsse: • Leistungsklasse
• Kühlwasserbedarfsdeckung
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[d] Wirtschaftlichkeit[d] Wirtschaftlichkeit
Gestehungskosten Variante B
Investitionskosten Leitung: 50 € / m (ländlicher Raum)
Kosten für Gebläse, Wartung, etc. geringer als Kapitalkosten
0
1
2
3
4
5
6
50 100 200 400
Biogaserzeugung [m³/h]
Ko
sten
[ct
/kW
h]
Biogaserzeugung
Erdgasqualität
Gesamtkosten
Vergleich: GASAG Einsteigertarif: 3,7 ct/kWh (Verbraucherseite)
Beschaffungspreis = anlegbarer Preis
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[d] Wirtschaftlichkeit[d] Wirtschaftlichkeit
Aufbereitungskosten Variante A BHKW 1 BHKW 2
Leistung el./therm. 241 / 326 412 / 557 kW
Stromerzeugung 3.264 MWh
nutzbare Wärme 2.784 MWh
Investition 229.000,00 362.000,00 €/a
spezifisch 950,00 880,00 €/kWhel
Jahreskosten 52.400,00 74.860,00 €/a
Stromerlöse 114.600,00 181.100,00 €/a
Wärmeerlöse2,0
ct/kWh :55.680,00 €/a
2,5 ct/kWh :
69.600,00 €/a
200 m³/h
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[d] Wirtschaftlichkeit[d] Wirtschaftlichkeit
Wärmeerlöse Variante A
Externe Nutzung von
Biogas i.A. günstiger
als Aufbereitung und
Einspeisung
Entfernung
BHKW 2
Wärmeerlös bei
2,0 ct / kWh
Wärmeerlös bei
2,5 ct / kWh
0,5 km 16.369 30.289
1 km 13.420 27.340
2 km 7.522 21.442
3 km 1.624 15.544
4 km - 4.274 9.646
5 km 3.748
10 km - 25.743
• Anlagen mit 400 m³/h auch bei 10 km Entfernung wirtschaftlich
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
GliederungGliederung
[a] Motivation
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
[c] Aufbereitungstechniken
[d] Wirtschaftlichkeit
[e] Biogasanlagen in Deutschland
[f] Wie machen es die Nachbarn ?
[g] Fazit
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[e] Biogasanlagen in Deutschland[e] Biogasanlagen in Deutschland
aktuell keine Anlage zur Biogaseinspeisung in Betrieb• Klärgasaufbereitung Kläranlage Stuttgart
5 Mio. m³ zwischen 1986-93, H-Qualität, 4 Pf/kWh, lokales GVU• Klärgasaufbereitung Kläranlage Mönchengladbach
19,7 Mio. m³ zwischen 1981-96, L-Qualität, lokales GVU
• Biogasanlage Schleswig (Versuchsanlage, in Planung)
50 % Gülle/50 % Schlempe, 400 m³/d, H-Qualität
Busbetrieb, Tankstellenverkauf, Einspeisung in lokales GVU-Netz
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
GliederungGliederung
[a] Motivation
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
[c] Aufbereitungstechniken
[d] Wirtschaftlichkeit
[e] Biogasanlagen in Deutschland
[f] Wie machen es die Nachbarn ?
[g] Fazit
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[f] Wie machen es die Nachbarn ?[f] Wie machen es die Nachbarn ?
Schweden
• Biogasaufbereitung und –einspeisung Laholm
ursprünglich zur Reduzierung der Bucht-Eutrophierung
50.000 t Gülle und 20.000 t Bioabfälle jährlich
Aufbereitungskapazität 250 m³/h
Entschwefelung, CO2-Abtrennung, Addition von Propan
Nutzung in BHKW zur Wärmeerzeugung
Einspeisung in lokales Gasnetz, wenn Wärmelast absinkt
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[f] Wie machen es die Nachbarn ?[f] Wie machen es die Nachbarn ?
Schweden
• Rahmenbedingungen
organischer Deponieabfall besteuert, ab 2005 verboten
Erdgasnetz gering ausgebaut
Qualität des Mischgases im Netz ausschlaggebend
Maximaleinspeisung durch Wobbe-Index gegeben
Einspeisung ohne Aufbereitung möglich (Dänemark)
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[f] Wie machen es die Nachbarn ?[f] Wie machen es die Nachbarn ?
Schweiz
• Erdgas Zürich
Ende 1998 7 Anlagen mit bis zu 10.000 t / a
Vergärung von biogenen Abfällen & Industrieabwässer
Entschwefelung, Gastrocknung, CO2-Abtrennung
Verwertung in BHKW, Aufbereitung je 50 % geringere Beschränkungen der Biogas-Einspeisung in
höhere Druckstufen (Transportnetz)
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[f] Wie machen es die Nachbarn ?[f] Wie machen es die Nachbarn ?
Niederlande
• Deponiegasaufbereitung an 5 Standorten EU-Forschungsprojekt ALTENER
Vergärung organischer Abfälle & Klärschlamm
Druckwasserwäsche
Einspeisung ins öffentliche Gasnetz
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
GliederungGliederung
[a] Motivation
[b] Rechtliche Rahmenbedingungen
[c] Aufbereitungstechniken
[d] Wirtschaftlichkeit
[e] Biogasanlagen in Deutschland
[f] Wie machen es die Nachbarn ?
[g] Fazit
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
[g] Fazit[g] Fazit
Fazit
• CO2-neutral
• gesetzliche Grundlagen noch in den Kinderschuhen
• unwirtschaftlich unter jetzigen Rahmenbedingungen
bislang Nutzung in BHKW-Variante vorteilhafter• viel Potential, falls Gaseigenschaften nicht am Einspeisepunkt, sondern im Netz maßgeblich sind; wie in anderen europäischen Ländern
• technisch sehr weit, innovative + funktionierende Systeme
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Biogaseinspeisung ins ErdgasnetzBiogaseinspeisung ins Erdgasnetz
QuellenQuellen
Quellen
• bremer energie institut – gutachten, 06/2003
„Untersuchung zur Aufbereitung von Biogas zur Erweiterung der Nutzungsmöglichkeiten“
• T. Schmalschläger, 06/2003 „Aufbereitung von Biogas und Einspeisung ins Erdgasnetz“
• N. Dichtl, 2002
„Technische Voraussetzungen zur Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz“
• BMU, 2003
„Basisdaten Biogas Deutschland“