Uwe Holzhammer

Stromerzeugung aus Biogas – Ein Teil der
Energiewende?!
Fachtagung:
Chancen nicht verpassen – Perspektiven für die und aus der
Flexibilisierung von Biogasanlagen
Leipzig, Montag der 18. Mai 2015
Uwe Holzhammer, Fachexperte: Bedarforientierte Energiebereitstellung
Fraunhofer IWES, Kassel, Deutschland
Fraunhofer IWES Kassel
Bereich Energieverfahrenstechnik
Abteilung Bioenergie-Systemtechnik
Themenschwerpunkte:
 Biogasanlagentechnik (mit eigener Versuchsbiogasanlage)
 effiziente Biogasverwendung (z.B. Mikrogasturbine, BHKW)
 Biogasaufbereitungstechnik und Verfahren
 Biogaseinspeisung in das Erdgasnetz
 Erneuerbares Gas als Kraftstoff
 CO2-Versorgung zur E-Gasproduktion (Power-to-Gas)
 bedarfsorientierte Energiebereitstellung
Gasspeichertechnik, Automatisierung und Anlagensteuerung,
Fütterungsmanagement, bedarfsgerechte Biogasproduktion, Wärmebereitstellung
Dienstleistung:
 Unabhängige Beratung, Konzeptentwicklung, Wirtschaftlichkeitsanalysen, Optimierung Anlagenbetrieb
 Produktentwicklung (Optimierte Stromvermarktung, Gasspeichermanager, Fütterungsmanager),
 Szenarienentwicklung, unabhängige Vergleichsanalysen und Bewertung,
 Studien (für Unternehmen, kommunale Stadtwerke und Politik)
• EE-Strommengen und Strom aus Biomasse in D
• Flexible Stromerzeugung aus Biomasse ein Teil der
Energiewende? Aktuell und in Zukunft?
• Der flexible BiogasPark in Wechselwirkung mit den restlichen
Erzeugungskapazitäten (ein Blick ins Jahr 2030)
• Fazit und Schlussfolgerung
VORTRAGSSTRUKTUR
EE – STROMERZEUGUNG IN
DEUTSCHLAND – STROM AUS BIOMASSE
EIN RELEVANTER TEIL
Über
28 %
Teilnahme an der Marktprämie in 2012 - 2015
Darstellung: Monitoring DV, Fraunhofer ISI, IWES, BBH, IKEM Quelle: ÜNB
Biomasse im Energiesystem: über 30 % der EE-Strommengen
BMWi 2015
Biomasse im Energiesystem: über 60 % der gesicherten
Leistung mittels EE
Installierte und gesicherte Leistung der EE
(Quelle: AEE, LS 2011, Stand 2012)
Biomasse in der Direktvermarktung
Aufteilung zwischen den Biomassearten
Abschätzung Fraunhofer IWES,
Datengrundlage: IWES, DBFZ, AEE, AGEEStat,
Stand Ende 2014
80%
Weg der Energiewende
Über
28 %
Wenn kein Wind weht und keine Sonne scheint …..
12
Strombedarf und Stromversorgung (fEE + restliche Kraftwerke))
100
Geothermie
Holz-/Müll-HKW
Wasserkraft
Onshore-Wind
Offshore-Wind
Photovoltaik
Last
Import/Export
90
Weiß:
restliche Last
(Residuallast)
80
70
Leistung [GW]
Rot: Last
(Strombedarf)
60
50
40
30
20
Farbig: EEErzeugung
10
0
-10
Tag
25/09
27/09
29/09
01/10
Tag/Monat
Quelle: Fraunhofer IWES Norman Gerhardt
13
03/10
05/10
07/10
Residuallastversorgung (Strombedarf und Stromversorgung (fEE + restliche Kraftwerke))
100
Es werden
sehr flexible
steuerbare
Erzeugungska
pazitäten
benötigt, um
die
Residuallast
abzubilden.
Geothermie
Holz-/Müll-HKW
Wasserkraft
Onshore-Wind
Offshore-Wind
Photovoltaik
Last
Import/Export
90
80
70
Leistung [GW]
Diese
Strommengen
aus Wind und
Sonne werden
der
Strombörse
„notfalls“ zu
Null €
bereitgestellt.
60
50
40
30
20
10
0
-10
Wochenverlauf
25/09
27/09
29/09
01/10
Tag/Monat
Quelle: Fraunhofer IWES Norman Gerhardt
14
03/10
05/10
07/10
SDL- Systemdienstleitung weiterhin notwendig, um eine
sichere Stromübertragung zu gewährleisten!

Netzfrequenz stabil halten (Reserveleistungserbringung)
 MRL (Minutenreserveleistung)
 SRL (Sekundärregelleistung)
überregional
 PRL (Primärregelleistung)

Spannungshaltung
 Blindleistungsbereitstellung
 Kurzschlussleistung* (um Spannungsabfall bis zur „Klärung“ des Fehlers
zu begrenzen)

Netzwiederaufbau* im Störungsfall (Versorgungsunterbrechung)
 Schwarzstartfähigkeit
 Arealversorgung im Störungsfall (Notversorgung eines Netzbereiches)
15
regional
Was heißt Flexibilität der Stromproduktion?
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Restliche Stromerzeugungskapazitäten setzen sich zusammen
aus konv. Kraftwerken und z.B. Biomasseanlagen/Biogasanlagen
Aktuell und in Zukunft?
FLEXIBLE BIOMASSEERZEUGUNGSKAPAZITÄTEN EIN
TEIL DER ENERGIEWENDE?!
RESIDUALLASTVERSORGUNG
Entwicklung der Leistung von Anlagen die die
Flexibilitätsprämie nutzen (April 2015)
Entwicklung der Leistung von Anlagen die die
Flexibilitätsprämie
Flexible Anlagen: ca. 6600 VLH
(auf Basis von 200 Mwel)
Entwicklung der Leistung von Anlagen die die
Flexibilitätsprämie
Offen: Welcher Anteil der Anlagen hat Leistung zugebaut?
Schätzung: ca. 500 MWel haben noch nicht zugebaut! (sind unflexibel?!)
Ebenfalls Offen: Wie flexibel sind die restlichen
Erzeugungskapazitäten? -> Hier besteht Optimierungspotential
Stand der Flexibilisierung der Stromerzeugung aus Biogas und
Biomethan
Anlagenanzahl und Anlagengesamtleistung nach Anlagenleistungsgruppen in
der Flexibilitätsprämie nach § 33 i EEG (Stand August 2014)
1000
600
Anlagenanzahl
900
Anlagenanzahl
700
Überwiegend
Biogasanlagen
600
500
400
300
400
200
200
Überwiegend
Biomethan-KWK
Gesamtleistung [MWel]
500
800
300
Gesamtleistung
100
100
0
bis 25 kW
25 >= 50 kW
50 >= 150
kW
150 >= 500
kW
500 >= 1000 1000 >= 2000 größer 2000
kW
kW
kW
Quelle: Eigene Darstellung, Daten BNetzA
STÜTZEN DER
STROMÜBERTRAGUNG
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Anteil der am RL-Markt präqualifizierten
Biomasseanlagenleistung, bezogen auf die Anlagenleistung in
der Direktvermarktung (Datenquelle: Stromhändler mit 1400 MWel) (Stand 08.2014)
Anteil der am RL-Markt präqualifizierten
Biogasanlagenleistung, bezogen auf die Anlagenleistung in der
Direktvermarktung (Datenquelle: Stromhändler mit 1120 MWel) (08.2014)
Weiter Systemdienstleistungen (aktueller Stand)

Viele Biogasanlagen stellen aktuell schon Blindstrom dem System bereit
(Leistungsfaktor 0,95 regelmäßig problemlos möglich)

Inselnetzfähigkeit ist bei einigen Anlagen aktuell schon denkbar, wenngleich die
Biogasanlagen noch nicht zum Netzwiederaufbau herangezogen werden

Bereitstellung von Kurzschlussleistung im Fehlerfall wird ebenfalls von vielen
Anlagen im ausreichenden Maß gewährleistet

Die Erzeugungskapazitäten stellen eine gesicherte Leistung dar
Eine Flexibilitätsoption, innerhalb der Stromerzeugung aus
Biomasse
BIOGASANLAGENTECHNIK
ALS EIN BESTANDTEIL DER ENERGIEWENDE
30
31
32
33
34
35
Ergänzung: Power to Heat (in den nachfolgenden Überlegungen unberücksichtigt)
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Strom aus konventionellen Kraftwerken und Strom aus
Biomasse (Biogas) stehen in Wechselwirkung: d.h. sie
beeinflussen sich gegenseitig
Die Flexibilisierung der Stromerzeugung mittels Biomasse
hat technische Auswirkungen auf den restlichen
Kraftwerkspark
•
Die Anzahl der konv. Kraftwerke (bzw. die benötigte Erzeugungskapazitäten)
die zur Residualversorgung benötigt werden reduziert sich (um bis zu 23 %)*
•
Die Vollbetriebsstunden der für die Residuallastversorgung betriebenen konv.
Kraftwerke erhöhen sich (im Durchschnitt um bis zu 27 %)*
•
Die Starthäufigkeit des konv. Kraftwerkspark reduziert sich
(von über 7000 Starts im Jahr auf -> bis zu 3000 Starts im Jahr)*
•
Strommengen die zwischengespeichert werden müssen verringern sich (um bis zu
ca. 4,5 TWh)*
•
EE-Überschüsse und Speicherverluste können reduziert werden (um insgesamt bis ca.
1,6 TWh)*
* Forschungsergebnisse OptiKoBi²: Fokus Flexibilisierung von Strom aus
Biogas (MinSZ, 1500 VLH, 2030)
Die Flexibilisierung der Stromerzeugung mittels Biomasse
hat Auswirkungen auf den restlichen Kraftwerkspark
•
Die MRU-Kapazitäten werden reduziert **:
• Reduzierung der Grundlast-Biomasse-Anlagen
• Übernahme der Stabilisierung der Netzfrequenz (Bereitstellung von
Regelleistung)
• Optimierung der Stromübertragung (Bereitstellung von Blindleistung)
•
Versorgungssicherheit wird gestützt**:
• Schwarzstartfähigkeit
• (Not-)Versorgung von Arealnetzen im Störungsfall
• Regionale Bereitstellung von Kurzschlussleistung (dynamische Netzstabilität)
** Forschungsergebnisse Symbiose, konkrete Zahlen noch nicht ermittelt
(Stand 2015, Laufzeit bis 2016)
WAS KOSTET DIE
FLEXIBILISIERUNG?
(OHNE POWER TO HEAT)
Ermittlung der Gesamtkosten für das
Energieversorgungssystem
Gesamtkostenveränderung durch die Flexibilisierung des
Energiesystems (60 % EE, 2030, MinSZ, Bedarfsberücksichtigung Tag/Woche)
Kostenveränderung
konv. Kraftwerkspark
2.000 Mio. €/a
Flex Fokus Tag/Woche
2030 MIN kKW
1.500 Mio. €/a
Kostenveränderng in Mio. €/a
1.000 Mio. €/a
Kostenveränderung
BiogasPark
Flex Fokus Tag/Woche
2030 MIN B
500 Mio. €/a
0 Mio. €/a
8760
5500
4000
2500
1500
Kostenveränderung
Ergebnis
-500 Mio. €/a
Summe
Kostenveränderung
Tag/Woche 2030 MIN B
-1.000 Mio. €/a
-1.500 Mio. €/a
-2.000 Mio. €/a
jährliche Volllaststunden in h/a
Vorläufige Ergebnisse im Rahmen des Forschungsprojekt
kKW: konventionelle Kraftwerkspark
MIN: minimal Szenario Ausbau Biogas
B: Biogas
FAZIT
Fazit
 Das Energiesystem steht vor großen Veränderungen. Es gilt, alle technischen
Möglichkeiten zur effizienten, sicheren und klimaschonenden Versorgung
intelligent miteinander zu verknüpfen
 Die Stromerzeugungskapazitäten zur Residuallastdeckung und zur Absicherung
der Stromübertragung müssen sich immer flexibler verhalten
 Ein Teil dieser Flexibilitätsoption könnte die flexible Strombereitstellung (und
Wärmelieferung) mittels Biomasse-KWK-Anlagen darstellt werden
 Generell stellt Strom aus Biomasse eine Flexibilitätsoption mit geringen THGEmissionen dar
 Die Kosten für die Flexibilisierung der Stromproduktion sind abhängig von der
angestrebten Flexibilität
 Die Gesamtkosten für die Flexibilisierung des BiogasPark können negativ sein
(also im Vergleich zu einer Grundlaststromproduktion zu eine Kostenreduktion
führen)
Schlussfolgerung

Stromproduktion aus Biogas muss in Zukunft flexibel erfolgen

Die aktuellen Rahmenbedingungen können dafür genutzt werden

Es sind relevante Entwicklungen im Bereich der Flexibilisierung
notwendig und deshalb zu erwarten:
 Biogasspeichertechnik / Messtechnik / Gasmanagement
 BHKW-Technik (z.B. Start/Stopp-Verhalten)
 Automatisierung / Steuerung & Regelung / Visualisierung
 Biogasproduktion (Fütterungsmanagement, Substratauswahl,
Fermentertechnik)
 Fahrplanentwicklung: Eine Optimierung zwischen den Märkten
(RL-Markt, Spot-Markt, Wärmemarkt)
 Verbesserung des Anlagenbetriebs (höhere Verfügbarkeit,
Verlässlichkeit)
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Einige der Aspekte wurden im Rahmen von Untersuchungen über das vom BMWi im Rahmen der
Querschnittsforschungsförderung unterstützten Projekte:
OptiKoBi² (FKZ 0325326 ) und Symbiose (FKZ 9325700 A) vorgenommen! Vielen Dank!
Ebenso werden einzelne Teilaspekte mit Unternehmen gemeinsam mittels angewandter Forschung
in den betriebswirtschaftlichen Alltag gebracht. Auch hier vielen Dank für das Vertrauen.
Vielen Dank für Ihre geschätzte Aufmerksamkeit!
Ich freue mich auf Ihre Fragen und die Diskussion.
Kontakt:
Dipl. Ing. (FH) Uwe Holzhammer
[email protected]
0561-7294 439
Fachexperte: Bedarfsorientiere Energiebereitstellung
Abteilung: Bioenergie-Systemtechnik
Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES
Königstor 59, 34119 Kassel

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