Biogas in einer zukünftigen Energieversorgungsstruktur mit hohen

Aus der Professur Abfall- und Stoffstromwirtschaft der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät der
Universität Rostock
Biogas in einer zukünftigen
Energieversorgungsstruktur mit
hohen Anteilen fluktuierender
Erneuerbarer Energien
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr. Ing.)
an der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät der Universität Rostock
vorgelegt von Dipl. Ing. (FH) Uwe Abraham Holzhammer, Schrobenhausen
Rostock, September 2015
Verteidigung am 20. November 2015
Thesen
Beobachtetes Problem
Die Stromversorgung muss in Zukunft einen stetig steigenden Anteil an Erneuerbarer Energien zur Versorgung der
Stromkunden integrieren, um die den Klimaschutzanforderungen zu genügen. Der Anteil an wetterabhängigen
Erneuerbaren Energien nimmt dabei zukünftig die tragende Rolle der Erneuerbaren Stromversorgung ein. Diese
sehr volatil bereitgestellten Strommengen passen nicht zu in Grundlast erzeugten Strommengen, wie sie in der
Vergangenheit der BiogasPark geliefert hat und immer noch größtenteils liefert. Es scheint erforderlich, dass die
nicht fluktuierenden Erzeugungseinheiten den Wind- und PV-Strommengen im Energiesystem „Platz machen“ und
den Strom in Phasen bereitstellen, wenn die fEE-Strommengen nicht zur Verfügung stehen. Offen ist, ob dies aus
Gesamtkostensicht sinnvoll ist und wenn ja, mit welcher Flexibilität der BiogasPark, mit seiner hohen Zahl an
Einzelanlagen, den Strom produzieren sollte.
Hauptthesen
a) Die Stromproduktion des BiogasParks sollte aus Gesamtkostensicht in Zukunft mit einer bestimmten
Flexibilität ausgestattet sein.
→ Die Veränderung der Stromproduktion des BiogasParks von Grundlast hin zu einer flexiblen, in Abhängigkeit
der Residuallast gesteuerten, Stromproduktion senken die Gesamtkosten der Energieversorgung. Die
Einsparungen auf der Seite des konventionellen KraftwerksParks sind bei einer bestimmten Flexibilität des
BiogasParks deutlich höher als die Zusatzkosten für die technische Änderung des BiogasParks.
b) Die Flexibilisierung der Stromerzeugung des BiogasParks beeinflusst die Treibhausgas-Emissionen des
restlichen Stromversorgungssystems nicht negativ.
→ Die flexible Stromproduktion des BiogasParks ändert den Kraftwerkseinsatz, die Notwendigkeit, Strom zu
speichern, die Speicherverluste sowie Stromüberschüsse (ab 2030). Dadurch ändern sich auch die CO2Emissionen des konventionellen KraftwerksParks zur Energieversorgung. Die Auswertungen zeigen, dass die
CO2-Emissionen im Jahr 2030 durch die Flexibilisierung sogar leicht sinken. Die Flexibilisierung des BiogasParks
führt somit nicht zu zusätzlichen CO2-Emissionen.
Hypothesen
c) Je größer die Flexibilität der Stromerzeugung mittels des BiogasParks, umso höher die Einsparung an
Kosten für die gesamte Stromversorgung.
→ Die Analyse der Gesamtkosten der Energieversorgung und Änderung der Kosten in Abhängigkeit der
Flexibilität des BiogasParks zeigen die gesamte Bandbreite von Zusatzkosten bis zu Kosteneinsparung. Die größte
Kosteneinsparung wird bei 4.000 Volllaststunden im Jahr und einer Bedarfsberücksichtigung Tag/Woche erreicht.
Eine noch stärkere Flexibilisierung des BiogasParks führt wieder zu einer Reduzierung der Einsparung bis hin zu
Zusatzkosten für das Versorgungssystem. Die technisch größtmögliche Flexibilität des BiogasParks führt somit
nicht zu der größten Kosteneinsparung.
d) Strom aus Biomethan, als mögliche Anlagentechnik zur Verstromung innerhalb des BiogasParks, weist
technische und ökonomische Vorteile bei hohen Anteilen an fluktuierenden Erneuerbaren Energien auf.
→ Die technischen Möglichkeiten der Flexibilisierung des BiogasParks mittels der Biomethantechnologie führen
zu den höchsten Einsparungen auf der Seite der konventionellen Kraftwerke. Dennoch führen die Zusatzkosten
für die Biomethantechnologie in Summe zu relevanten zusätzlichen Gesamtkosten für das Energiesystem. Strom
aus Biomethan zeigt aus ökonomischer Sicht, bezogen auf die Residuallastversorgung, somit keine Vorteile auf.
Einschränkend muss erwähnt werden, dass die Biomethantechnologie positive Aspekte im Bereich der
Dezentralität, Versorgungssicherheit und Wärmeversorgungpotentiale aufweist. Diese können einen zusätzlichen
volkswirtschaftlichen Wert aufweisen. Diese Aspekte wurden im Rahmen der Arbeit nicht explizit berücksichtigt.
e) Der Erneuerbaren-Energien-Anteil an der Stromerzeugung beeinflusst die anzustrebende Flexibilität der
Stromerzeugung des BiogasParks.
→ Im Rahmen der Arbeit wurden der EE-Anteil zwischen ca. 40 % (2020) und ca. 60 % (2030) variiert, um deren
Einfluss auf die Flexibilitätsempfehlung zu ermitteln. Der EE-Anteil hat innerhalb dieser Untersuchung nur
geringen Einfluss auf die Ergebnisse gezeigt. Die aus Gesamtkostensicht sinnvollste Flexibilität des BiogasPark
liegt im Jahr 2020 nur leicht niedriger als die Flexibilitätsempfehlung für das Jahr 2030. Aufgrund der Entwicklung
des gesamten BiogasPark hin zur Flexibilität, sollten die Einzelanlagen bei der technischen Umrüstung die
anzustrebende Flexibilität auch im Jahr 2020 schon die für das Jahr 2030 fokussieren.
f) Die absolute Strommenge des BiogasParks im Jahresverlauf beeinflusst die wegen der Gesamtkosten
anzustrebende Flexibilität.
→ Die Untersuchungen variieren die Strommengen des BiogasParks im Jahr 2030 zwischen 30,5 TWhel und 52
TWhel. Dadurch konnte der Einfluss der Strommengen des BiogasParks auf die Flexibilitätsempfehlung
verdeutlicht werden. Die absoluten Einsparungspotentiale durch die Flexibilisierung des BiogasParks mit
unterschiedlichen Strommengen unterscheiden sich im Ergebnis überraschenderweise nur unwesentlich
voneinander. Die höheren Strommengen verdrängen in der Einsatzreihenfolge Strommengen, die im Vergleich
spezifisch günstiger sind. Die höheren Strommengen können dann zwar die spezifisch geringeren Einsparungen
wieder kompensieren, führen aber im Ergebnis allerdings nicht zu höheren absoluten Einsparungen. Die
Flexibilisierungsempfehlung verändert sich nicht und bleibt bei 4.000 VLH und Bedarfsberücksichtigung
Tag/Woche für beide Mengenszenarien bestehen.
g) Die Flexibilisierung des BiogasParks führt nicht zu einer zusätzlichen Verstetigung des Bedarfs an
Steinkohle und Braunkohle als Brennstoff und zu einer relevanten Verdrängung von Erdgas als
Energieträger.
→ Die Analysen des Brennstoffbedarfs für die Versorgung der konventionellen Kraftwerkskapazitäten zeigt ein
eindeutiges Bild. In Summe verändert sich der Brennstoffbedarf an Braun- und Steinkohle nur unwesentlich. Der
Erdgasbedarf steigt absolut sogar leicht, da insbesondere erdgasbetriebene KWK-Anlagen durch die
Flexibilisierung des BiogasParks höhere Laufzeiten realisieren können. Im Ergebnis führen flexible Strommengen
des BiogasParks zwar zu einer Reduzierung der benötigten Gaskraftwerksleistung, allerdings nicht gleichermaßen
zu einem geringen Bedarf an Erdgas als Brennstoff.
Vorgeschlagene Lösung:
Die Flexibilisierung des gesamten BiogasParks zu einer bestimmten Flexibilität führt aus Gesamtkostensicht zu
Einsparungen und reduziert den gesicherten Kapazitätsbedarf mittels konventioneller Kraftwerke. Die
Flexibilitätsempfehlung von 4.000 VLH und Bedarfsberücksichtigung Tag/Woche für den BiogasPark ist von
Veränderungen der Rahmenbedingungen innerhalb der diskutierten Bandbreiten nahezu unbeeinflusst. Die
Flexibilisierung des BiogasParks sollte verlässlich für alle Akteure über die nächsten Jahre vorangetrieben werden,
um die höchsten Gesamtkosteneinsparungen realisieren zu können. Die technischen Lösungen, für die
Flexibilisierung der einzelnen Biogasanlage, sind grundsätzlich verfügbar, wenngleich gleichzeitig noch
relevantes Optimierungspotential vorhanden ist.

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