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Thüringer Landesanstalt für LandwirtschaftNaumburger Str. 98, 07743 Jena
G. Reinhold
Wärmepotential landwirtschaftlicher Biogasanlagen
Fachgespräch: Effiziente Nutzung biogener Wärmequellen5.November 2012 – Jena
BGA- Bau Maisanbau
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TLL Jena 2012, Reinhold
Wirtschafts-Dünger
OrganischeReststoffe
Absterben
Düngung
Photo-synthese
H2O
O2
CO2
Vieh
Biomasse-Produktion
Mensch
Bioabfall
Klär-
schlamm
Ungenutzte Energie
Verbrennung, Deponie
Stoffkreislauf
Methan-gärung
BiogasStrom Wärme
Kompost
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TLL Jena 2012, Reinhold
Quelle:
www.tll.de/ainfo
Betreiber: AgroPower GmbH Co. KG
Größe:1200 m³ Rührkessel1200 m³ Nachgärer
BHKW: 100 kW MAN BHKW (Gas-Otto-Motor)
Substrat:Rindergülle, StallmistSonstiges: Reine WirtschaftsdüngervergärungPlaner/Errichter: AgroPower GmbH Co. KGInbetriebnahme: 2008
105. Biogasanlage Großrudestedt
- > 90 % der BGA in den Landwirtschaftsbetrieben
� kaum Substrathandel u. keine Wirkung auf Pacht
���� geringes Wärmepotential- Nutzung: 65 % der Rindergülle, 38 % der Schweinegülle
16 % des Stallmistes, 160 % des HTK (Importe)
- fast 75 % Wirtschaftsdünger am Substratmix� geringe Verweilzeit 50 …80 d --
���� Hoher Prozesswärmebedarf 25 %-EEG 2012 - Abschaffung Anreize für Wärme
226 BGA nach EEG an 201 Standorten
(1.1.2012)
450 kW/BGA102 MWinstalliert
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Auslastung Thüringer BGA 2011
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
BGA (sortiert nach Inbetriebnahmezeitpunkt)
Aus
last
ung
angemeldete Leistung ???
Mittelwert ohne 2011er BGA
Planungswert 7800 h = 89 %
Mittelwert 79 % = 6921 VLh (ohne 2011er BGA)
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Wärmepotential der Thüringer BGA
•Installierte Leistung 102 MW (* 7000 h/d = 714 GWh)
�Versorgung von 240.000 Haushalten (bei 3000 kWh/Haushalt)
•Installierte therm. Leistung 120 MW(bei 38 % elekt. und 45 % therm. Wirkungsgrad)
- Prozesswärme (25 %) = 90 MW (* 7000 h/d = 630 GWh)
� Versorgungspotential von 22.000 Haushalten(bei 3000 l Heizöl)
� Versorgungvon 11.000 Haushalten(bei 40 % Wärmeabgabe = 65% Wärmenutzung)
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Energiefluss in einer BiogasanlageProzessstromElektroenergie
8…10 %
Elektroenergie 35 … 42 %
Wärme 30 … 45 %
Verluste
Nutz-EnergieBio-
gas
Einspeisung
nutzbare WärmeProzesswärme
z.B. Trafoverluste 1…2 %
Nicht nutzbar (da z.B. kein
Wärmebe-darf am
Standort)
Prozesswärmebedarf 15 … 35 %
hängt ab vom- Gülleanteil (Gülleanlage bis 35%)- Substrattemperatur (Winter/Sommer)- Biologische Eigenerwärmung- Verweilzeit
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Monatliche Wärmebilanz einer kleinen BiogasanlageVoraussetzung für hohe Wärmenutzung
0
20
40
60
80
100
120
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Wär
mel
eist
ung
(kW
)Wärmebedarf Wärmeanfall (feste Verweilzeit)
Kalte EinzeltageKalte EinzeltageKalte EinzeltageKalte Einzeltage
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These:Vor-Ort-Verstromung ist ineffizient, da oft nur geringe Wärmenutzung
Aber:
• Wärmenutzung bei Strom aus Großkraftwerke = Null sowie Energieverluste beim Stromtransport
• Wärmenutzung bei Mobilität = Null
• Biomethaneinspeiser benötigen – Prozessstrom (10 … 20 %) bzw. Prozesswärme
(Aminwäsche, z. T. auch als Hochtemperatur)
• Wärme-Nutzungsanteile von > 30 % beim BHKW sind sinnvoller als z.B. Großkraftwerke
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Bewertung - Primärenergiebezug
• Strom (η= 35 %) = 11 GJ/kWh, Industriepreis: 10…15 ct/kWh, Haushaltspreis 25 ct/kWh
• Wärme (η= 90 %) = 4 GJ/kWh; Ölpreis: 8… 10 ct/kWh
Alternative:KWK - Anlagen
kWh
MJ11Transport
kWh
MJ3,6*
35%
kWh 1 ≈+
kWh
MJ4
kWh
MJ3,6*
90%
kWh 1 ≈
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Energetischer VergleichVerbrennen: 90 % Wirkungsgrad, 100 % Wärmenutzung
Vergären: 38% elektrischer und, 45 % thermischer Wirkungsgrad
-500
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
Input Output Input Output Output Output
Prim
ären
ergi
e M
J/dt
Get
reid
e
N-Wirkung
Primärenergie Wärme(4 MJ/kWh)PrimärenergieStrom(11 MJ/kWh)Anlagenbetrieb (ELT)
Prozesswärme
Getreide schroten
Dünger
DieselEigenerzeugte Prozessenergie
Wärmenutzung: 0% 100 % 50 %
BHKW-Wirkungsgrad: 38 % 38 % 43 %
Verbrennen Vergären
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Aspekte Wärmenutzung• Wärmenutzung wird durch den Standort bestimmt
– BGA im lw. Betrieb • Güllenutzung � höherer Prozesswärmebedarf, aber wenig
Wärmeverkaufspotential
– BGA an der Wärmesenke• Kaum Güllenutzung � höheres Wärmeverkaufspotential
• Nutzungsalternativenvon Biogasabwärme– Abgasnachverstromung � geringer Wirkungsgrad, aber
hochwertige Energie
– ORC- Anlagen � anerkannte Wärmenutzung im EEG 2012�geringer Wirkungsgrad, aber hochwertige Energie
– Absorptionskältemaschine – ökonomisch schwierig
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Ökonomischer Wert der Wärme (BZA Jahr 2009)
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
7 15 19 22 25 34 36 39 40 4143
/138 45 46 49 53 55 59 60 61 69 80 83 86 87 90 95 96 99 101
104
120
120 n 12
312
4
BGA Nr.
c t/k
Wh
Str
om
Wäremeverkauf (3 ct/kWh)
Wärme eigen (7 ct/kWh)
Stromverkauf
Wärme = Zusatzerlös (EEG 2009) + Inflationsausgleich= Vergütungsvoraussetzug (EEG 2012)
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Wärmenutzung 2009 (Vergütung 20,3 ct/kWh)
(37 von 158 BGA erfasst; ohne Prozesswärme, Mittel 28 %)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
7 15 19 22 25 34 36 39 40 4143
/138 45 46 49 53 55 59 60 61 69 80 83 86 87 90 95 96 9910
110
411
612
012
0 n
123
124
Ant
eil W
ärm
enut
zung
Mittel 28 %
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Wärmenutzung 2011 (Vergütung 21,6 ct/kWh)
Mittel 28 %
(57 von 226 BGA erfasst; ohne Prozesswärme; Mittel 44,2 %)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55
Mittelwert 44,2 %
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TLL Jena 2012, Reinhold
Auslegung der Wärmeversorgung
0
200
400
600
800
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Zeitraum (h)
Net
zlei
stu
ng
in k
WWärmebedarfskurve z.B. TLL
(Wochenmittelwerte)
375 kW bei2000 VLh/a
100 kW bei 6000 VLh/a
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TLL Jena 2012, Reinhold
Wärmebedarf(Quelle: Wagner 2012 CARMEN)
75 kWGülle + 20 % Mais100 d Verweilzeit
500 kWNAWARO
Quelle: Wagner 2012 CARMEN
Quelle: Wagner 2012 CARMEN
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TLL Jena 2012, Reinhold
Leistungsbedarf Heizung SZA 2009
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Dez. 0
8
Jan.
09
Feb. 0
9
Mrz. 0
9
Apr. 09
Mai.
09
Jun.
09
Jul. 0
9
Aug. 0
9
Sep. 0
9
Okt. 09
Nov. 09
Leis
tung
in K
W
Wärme-Leistungsbedarf SZA
100 % Wärmenutzung der BGA
100 % Wärmeabsicherung des Stalls
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TLL Jena 2012, Reinhold
WärmenutzungAuslegung einer BGA
für Schweinezuchtbetriebaus Wärmesicht
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TLL Jena 2012, Reinhold
Wäremebedarf der 350 kW BGA (TLL)16.000 m³ SG
0
20
40
60
80
100
120
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Leis
tung
sbed
arf i
n kW
Leistungsbedarf AufheizungLeistungsbedarf Wärmeverlust
Prozesswärmebedarf der BGA 16.000 SG + NAWARO = 345 kW installiert 3500 m³ Faulraum
Achtung biologische Eigenerwärmung beachten
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TLL Jena 2012, Reinhold
Wärmekonzept SZA Niedersynderstedt (16000 m³ SG, 345 kW)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Wär
emle
istu
ng in
kW
Wärmebedarf SZAWäremnutzungWärmeanfall in BGA
85 % des Bedarfs abgesichert
70 % des Anfalls verwertet
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TLL Jena 2012, Reinhold
Strukturelle Wirtschaftlichkeitsfaktoren• Wärmenutzung
– Standort bestimmt Höhe und Struktur der Wärmenutzung
– Hoher Gülleanteil reduziert Wärmeanfall (besonders
im Winter) und steigert Investition (150 d Gärrestlager)
– BGA an der Wärmesenkeführt oft zu erhöhten Transportaufwand
– Biomethan = Suche nach ganzjähriger Wärmenutzung
(Erdgasnetz als Speicher und wäremegeführteKWK Nutzung)
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TLL Jena 2012, Reinhold
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
0 kW 50 kW 0 kW 50 kW
Wäremenutzung in der 200 kW BGA
Kos
ten
/ V
ergü
tung
ct/k
Wh
Verwaltung/sonstigesHilfsstoffe, -leistungen Wartung, ICH
Personal
Biomasse
Versicherung
KapitalbedingteKosten Stromerlös
Gesamterlösect/kWh
77 ha Mais 77 ha Mais 113 ha Mais 113 ha Mais + 10.000 m³ RG
Gewinn: 42,8 T€/a 74,0 T€/a -7,7 T€/a 14,7 T€/a
Wirtschaftlichkeitsfaktoren Wärmenutzung(EEG 2009, 200 kW BGA, 7500 Vlh, 35 €/t Mais, 50 kW Wärmenutzung zu 2 ct/kWh)
Prozesswärme: 28 % 12 %
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Verfahren: Temperatur 35 � 43 °C
95 % der BGA
Senkung des Prozesswärmebedarfs - Fermentation bei 35 °C ?
- Isolierung Fermenter ?
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Effekte der Wärmenutzung (EEG 2009)
• Leistungen aus Wärmeverkauf (1 … 6 ct/kWh)– Abnahmeprofil (Leistung / Jahrsverlauf / …)
– Vollversorgung � höherer Preis
– Anreiz (Ölpreis als Maßstab)
– Wer zahlt für die Wärmeleitung?
• Leistungen aus KWK–Bonus (2 bzw. 3 ct/kWh)
• Weitere Effekte– Weniger Prozessstrom (Notkühler)
– Akzeptanz der BGA (Wärmekunden
gründen keine Bürgerinitiative)
– …
EEG 2012+ ORC+ Holztrockung+ Gärresttrockung
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Vergütungsbedingungen EEG 2012
• Grundvergütung KWK - u. Luftreinhalte-Bonus integriert, größengestaffelt (14,3…11,0 ct/kWh):
• Mindestwärmenutzung 60 %(incl. 25 % Prozesswärme) oder nach 5 Jahren 80 % der Vergütung
• 150 d Mindestverweilzeit im gasdichten Raum oder 100 % Gülle
• Einsatzstoffvergütung (6 bzw. 8 ct/kWh)
• Aufhebung des Ausschließlichkeitsgebotes
• Kleine Gülleanlagemax.75 kW � 25 ct/kWh
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Alternative zu 60 % Wärmenutzung
• Gülleanteil > 60 %; ggf. Lösung für BGA in Thüringen, aber was ist Gülle?
• § 3 � nach EU 1069 � alle WD (ohne Pferde)
• § 27 b � ohne WD von Pferden, Schafe, Geflügel
• § 6 Düngegesetz � < 15 TS
• � Bei geringem Güllezusatzbedarf, dann:– Güllezukauf oder
– TS reichen Mais nutzen
– Getreide einsetzen
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Alternative: Direktvermarktung
• Marktprämie für Stromverkauf am Markt
• Pflicht ab 2014 für BGA > 750 kW und als Ausweg für Anlagen ohne Wärmenutzung– Marktprämie = Differenz zwischen mittleren Markterlös und
mögl. EEG–Vergütung plus Managementprämie
• Flexibilitätsprämie– Vergütung von Leistungsbereitstellung für Spitzenlaststrom
– 10 Jahre Bindungspflicht
– Mehrerlös am Markt und Ausgleich Mehraufwand BHKW-Kapazität und Gasspeicher
![Page 28: Wärmepotential landwirtschaftlicher Biogasanlagenbioenergie.fnr.de › uploads › media › 1_Reinhold.pdf · AgroPower GmbH Co. KG Inbetriebnahme: 2008 105. Biogasanlage Großrudestedt](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022042400/5f0eeb457e708231d4419570/html5/thumbnails/28.jpg)
TLL Jena 2012, Reinhold
Zusammenfassung
• EEG 2009 hat Wärmeverwertung gesteigert• Prozesswärme hat gegensätzlichen Verlauf zum
Bedarf–Hoher Bedarf bei: Kleinanlagen, Gülleeinsatz und
Foliendach–Monatsbilanz für Wärmeanfall ist wichtig
• Altanlagen: Steigerung der Wärmenutzung als Inflationsausgleich
• EEG 2012 –ökonomischer Anreiz reduziert auf Wärmepreis–60 % Schwelle mit Alternativen (60 % Gülle oder
Direktvermarktung)
–Zugelassenen Verwertung: ORC, Gärrest- u. Holztrockung, …
Vielen Dank !