biogasanlagenmonitoring 2008

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Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 1

Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient?

Maria Stenull, Ludger Eltrop, Ivor Vidjen

Manfred Dederer, Jörg Meßner (staatl. Biogasberatung)

Eine Umfrage-gestützte Evaluation von Biogasanlagen in Baden-Württemberg für das Betriebsjahr 2008


• Einführung: Biogasanlagen in Baden-Württemberg

• Befragung BG-Anlagenbetreiber in BW 2008

• Prozesstechnische Auswertung

• Ökonomische Auswertung

• Schlussfolgerungen

Agenda

2


Biogasanlagen in Baden-Württemberg - Stand 12/2008

• Verdopplung der Anlagenzahl

• Verfünffachung der Gesamtleistung

• Verdoppelung der durchschnittlichen Leistung

• Vergleichmäßigung der Verteilung in BW

• 30% Zunahme der Fläche für Silo-maisanbau auf 10% (03-07)

Seit 02/2005

Das EEG hat der Biogastechnologie einen rasanten Aufschwung beschert


Aber – arbeiten die Biogasanlagen in BW effizient?

• 138 Anlagen (25 %) eine nennenswerte Wärmenutzung

• 255 Anlagen (45 %) eine unzureichende Wärmenutzung

• 165 Anlagen (30 %) keine Wärmenutzung

Von 558 Biogasanlagen (Stand 12/08) in BW haben:

Biogas-Anlagen in Deutschland:

• Nutzung von ORC- und Mikrogasturbinen und Bereitschaft zum Einsatz ist gering, Anpassungen an der BG-Anlage werden wenig vorgenommen

• Abdeckung von Gärrestlagern wird standardmäßig nur bei großen >500 kW Anlagen projektiert (EEG-Monitoring)

• Der Einsatz einer Substrat-Vorbehandlung ist wenig verbreitet

• Der Einsatz von Messinstrumenten ist wenig verbreitet

Quellen: u.a. WiMi BW, EEG-Monitoring, eigene Angaben

3


Biogasanlagenin

Baden Württemberg

2. Grunddaten

Standort AnlageLandkreis Ort

Standort AnlageLandkreis Ort

Alter der Anlage Baujahr Jahr der InbetriebnahmeAlter der Anlage Baujahr Jahr der Inbetriebnahme

Daten zur AnlageHerstellername der Anlage bzw. Name des Lieferanten Gesamtinvestitionskosten der Anlage

Daten zur AnlageHerstellername der Anlage bzw. Name des Lieferanten Gesamtinvestitionskosten der Anlage

1. Persönliche Daten

KontaktdatenName, Vorname Straße PLZ Ort

Telefon E‐mail

KontaktdatenName, Vorname Straße PLZ Ort

Telefon E‐mail

Art Ihres BetriebsBitte Tragen Sie die Art Ihres Betriebs ein… z.B.: Schweinemast, Feldanbau, gemischt (bitte alle Arten angeben),…

Art Ihres BetriebsBitte Tragen Sie die Art Ihres Betriebs ein… z.B.: Schweinemast, Feldanbau, gemischt (bitte alle Arten angeben),…

Fragebogen2. Technische Daten BHKW und Fermenter

Gasmotor Zündstrahlmotor

Bitte tragen Sie die Art des Zündöls ein:

Zündölverbrauch [Liter/Jahr]

Zündölkosten [€/Liter]

Gasmotor Zündstrahlmotor

Bitte tragen Sie die Art des Zündöls ein:

Zündölverbrauch [Liter/Jahr]

Zündölkosten [€/Liter]

Motorart

( Bitte ankreuzen )

Motor 1[kWel]

Motor 2[kWel]

Motor 3 [kWhel]

Elektrische Nennleistung

Motordaten

[% ] [% ]Wirkungsgrade bei Nennleistung

[% ]

Elektrischer Wirkungsgrad ηel

[kWth] [kWth] [kWth]

Thermische Nennleistung

[% ] [% ]Wirkungsgrade bei Nennleistung

[% ]

Thermischer Wirkungsgrad ηth

und/oder Stromkennzahl S

Motordaten

BetriebsstundenIn Stunden pro Jahr

[h/a][h/a] [h/a]

Gesamtlaufzeit im Jahr

(1Jahr = 8760h)

Durchschnittliche Stillstandszeit wegen Wartung

Durchschnittliche Stillstandszeit wegen Ausfällen

[h/a][h/a] [h/a][h/a][h/a] [h/a]

[h/a][h/a] [h/a][h/a][h/a] [h/a]

• Zusammenarbeit mit der staatl. Biogasberatung (Hr. Dederer und Hr. Meßner)

• Fragebogen mit Erhebung technisch-ökonomischer Betriebsdaten

• 250 Fragebögen Rückgabequote 88 Anlagen (35%, entspricht 16% der Anlagen in BW (12/08))

Umfrage bei BG-Anlagenbetreibern in BW zum Stand 2008


Auswertung und Information für die Biogasanlagenbetreiber

Substrate EinheitenWerte Ihrer

AnlageDurchschnitt Leistungsklasse 1: bis 150 kW

Biogasan

lage 1

Gülle FM

Festmist FM

Silomais FM

GPS FM

Getreide FM

Wiesengras FM

Ackerfutter FM

Hirse FM

Andere FM

Prozess EinheitenWerte Ihrer

AnlageDurchschnitt MIN (SD) MAX (SD)

installierte Gesamtleistung kW

Gesamtvolumen der Fermetner m³ (Netto)

Raumbelastung (Fermenter) kg oTS/(m³*d)

Gesamtverweilzeit (Fermenter und

Nachgärer)Tage

Biogasausbeute pro tFM Nm³/t FM

Biogasausbeute pro toTS Nm³/t oTS

Mit Ihren Substraten errechnete

theoretisch‐mögliche GasausbeutenNm³/ t oTS (berechnet)

Ausbeuterate ‐

BHKW EinheitenWerte Ihrer

AnlageDurchschnitt MIN (SD) MAX (SD)

spezifische Investitionskosten €/kW

Arbeitsausnutzung %

Ø‐elektrischer Nutzungsgrad %

Volllaststunden h

Verstromungsfaktor kWhel/Nm³ Biogas

Substratseinsatz zur Stromerzeugung kg TM/kWhel

Strom‐Zukauf‐Einspeisungs‐Verhältnis %

Substratkosten cent/kWhel

Biogasan

lage 1

4

Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient?

Ergebnisse des Biogasanlagen-Monitorings für 2008


Einteilung und Ausstattung der Anlagen

106 222

368

583

315

0

200

400

600

800

1000

1200

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW Durchschnitt

Größenklasse [kW]

elek

tr. L

eist

ung

[ k

W ]

16 A

nlag

en

34 A

nlag

en 21 A

nlag

en

17 A

nlag

en

88 A

nlag

en

• 60 Anlagen haben einen Gasmotor(en), 24 einen Zündstrahlmotor(en), 4 Anlagen haben beides

• 10 Anlagen verfügen über zwei Fermenter, 66 Anlagen über einen Nachgärer

• Temperatur im Fermenter: 38°C - 56°C

• Durchschnittlicher Methangehalt im Biogas: 52%

5


Einsatzhäufigkeit von Exkrementen und NawaRos [%]

Quelle: DBFZ 2009

Im Vergleich zu Deutschland werden in Baden-Württemberg häufiger Exkremente eingesetzt!

83%

68%

100%85%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Exkremente NawaRo

Ein

satz

hä

ufi

gk

eit [

%]

Baden Württemberg

Deutschland


Silomais, Wiesengras und Gülle sind die am häufigsten eingesetzten Substrate!

Einsatzhäufigkeit Substrate [% der Anlagen]

Silomais, Wiesengras und Gülle sind die meist eingestzten Substrate70%

60%64%

36%

83%

23%17%

11%

95%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Güll

e

Festmist

Silom

aisG

PS

Getr

eide

Wie

seng

ras

Acker

futte

r

Hirse

Exote

n

Ein

satz

häu

fig

keit

[%

]

Exoten:

• Schweinegülle

• HTK

• Hühnermist

• LKS

• Futterreste

• Siloabraum

• Feuchtmais

• CornCobMix

• Obsttrester

• Raps GPS

6


31%

20%

7%4%

42%

19%

2%

22%

12%

27%

11%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

Silom

ais

GPS

Get

reide

Wiese

ngra

s

Acker

futte

rHirs

e

Häu

fig

keit

sver

teilu

ng

NaW

aro

[%

]

Im Vergleich zu Deutschland wird Silomais und Getreide seltener eingesetzt

aber häufiger GPS und Wiesengras

Einsatzhäufigkeit von NaWaro Substraten [% NaWaro]

Quelle: DBFZ 2009

Baden Württemberg

Deutschland


39%

32%

27%

11%

27%

5%

7%

4%

5%

29%

40%

48%

58%

44%

5%

5%

7%

13%

8%

15%

14%

13%

9%

13%

2%

0% 20% 40% 60% 80% 100%

- 150 kW

151-325 kW

326-500 kW

> 500 kW

Durchschnitt

Grö

ße

nk

las

se

[k

W]

Substratzusammensetzung [% FM]

Gülle Festmist Silomais GPS Wiesengras

Getreide Ackerfutter Hirse Exoten

Je größer die Anlage desto weniger Gülle und mehr Silomais

Substratzusammensetzung nach Größenklassen [% FM]

7


Technische Auswertung - AnlagenspezifischJe größer die Anlage desto weniger Gülle und mehr Silomais

Bei kleineren Anlagen spielen Wiesengras, Ackerfutter und Exoten ein wichtige Rolle

42% 37% 33%22%

34%

7% 10%

7%

7%

33% 41%50% 59%

46%

9%10% 10%

17% 11%3% 1%2%

2%21% 18% 14%

11%16%

2% 4%8% 7%5% 4%

6%4%

21%

7%5%

5% 8%

3%

1%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

180%

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW -1166 kW

Größenklasse [kW]

Du

rch

sc

hn

ittl

ich

er

Su

bs

tra

tein

sa

tz [

%]

Gülle Festmist Silomais GPS Getreide

Wiesengras Ackerfutter Hirse Exoten


Technische Auswertung - Substrateffizienz

Die Substrateffizienz der Anlage steigt mit der Leistungsgröße

0,88 0,80 0,810,99

0,0

0,4

0,8

1,2

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW

Größenklasse [kW]

Su

bst

rate

insa

tz z

ur

Str

om

erze

ug

un

g [

kg T

M/k

Wh

el]

8


Öffnung der Gärrestlager

100%-Silomais-Anlage 100%-Rindergülle-Anlage

-0,355 -0,276 -0,198

-1,608

-1,017

-0,449

-2

-1,6

-1,2

-0,8

-0,4

0

2 20 40 2 20 40

Restgaspotenzial [m³ CH4/kg oTSGärrest]

Tre

ibh

ause

ffek

t

[kg

CO

2Äq

./kW

hel

]


Der Zukauf von Strom ist niedriger im Vergleich zu Literaturangaben

Technische Auswertung - Zukauf von Strom

6,7%5,7%

5,2%5,0%

0%

2%

4%

6%

8%

10%

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW

Größenklasse [kW]

Zu

ka

uf/

Ein

sp

eis

ve

rhä

ltn

is [

%]

9


Der Verstromungsfaktor steigt tendenziell mit der Leistungsgröße

Die Energiegehalt steigt mit der Leistungsgröße

Verstromungsfaktor [kWhel/Nm³Biogas] & Energiegehalt [kWhel/kg TM]

2,031,981,95 1,99

1,231,251,141,01

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW

Größenklasse [kW]

Ve

rstr

om

un

gs

fak

tor

[kW

he

l/Nm

³ Bio

gas

]

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

En

erg

ieg

eh

alt

[kW

he

l/kg

TM

]

Verstromungsfaktor Energiegehalt


Die Raumbelastung steigt mit der Anlagengröße

Raumbelastung [kg oTS/ m³Fermenter]

2,8

3,84,2

1,92,2

2,7 2,82,4

5,6

4,5

0

1

2

3

4

5

6

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW Durchschnitt

Größenklasse

Ra

um

be

las

tun

g[k

g o

TS

/m³ F

erm

ente

r] Raumbelastung Fermenter

Raumbelastung Gesamtsystem

10


Die Verweilzeit im System sinkt tendenziell mit der Anlagengröße

Verweilzeit [Tage]

55 54 56

109

128

81

98

43

0

25

50

75

100

125

150

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW

Größenklasse [kW]

Ve

rwe

ilze

it [

Ta

ge

]

Verweilzeit im FermenterGesamtverweizeit


Fragebogenauswertung

Berechnung der Biogasausbeute der Substrate wurde gegenüber den Literaturwerten um 10% erhöht /Staatlicher Biogasberatung/

Tatsächliche und berechnete Biogasausbeute liegt sehr nah beieinander

Biogasausbeute - gemessen und berechnet [Nm³/toTS bzw. Nm³/tFM]

620 631 643638651555

658602

188164154118

0

200

400

600

800

1000

1200

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW

Größenklasse [kW]

Bio

ga

sau

sb

eute

[ N

m³/

t ]

gemessene Biogasausbeute Nm³/toTSberechnete Biogasausbeute Nm³/toTSBiogasausbeute Nm³/tFM

11


100%-Silomais-Anlage 100%-Rindergülle-Anlage

-0,355 -0,276 -0,198

-1,608

-1,017

-0,449

-2

-1,6

-1,2

-0,8

-0,4

0

2 20 40 2 20 40

Restgaspotenzial [m³ CH4/kg oTSGärrest]

Tre

ibh

ause

ffek

t

[kg

CO

2Ä

q./

kWh

el]

offene Gärrestlager tragen entscheidend zur Verschlech-terung der Klimabilanz land-wirtschaftlicher BG-anlagen bei!

Methanemissionen aus Gärrestlagern

Abdeckung der Gärrestlager in den befragten Anlagen:

• Bei 23% der Anlagen sind alle Gärrestlager gasdicht

• Bei 11% der Anlagen ist nur ein gasdichtes Gärrestlager vorhanden

• 71 % der Gärrestlager sind offen!


FragebogenauswertungFragebogenauswertung

Die Volllaststunden liegen im Bereich von 7.627-7.853 h

Kleinere Anlagen erreichen tendenziell höhere Betriebsstunden

Betriebsstunden [h/a] & Volllaststunden [h/a]

7689 7853 7822 7627

8266 8435 8100 8226

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW

Größenklasse [kW]

Vo

llla

st-

un

d B

etr

ieb

ss

tun

de

n [

h/a

]

Betriebsstunden Volllaststunden

12


In den kleinen Anlagen ist der Anteil an Eigenwärmenutzung am höchsten

In den großen Anlagen ist der Anteil an verkaufter Wärme tendenziell am höchsten

Anteile der Eigenwärmenutzung und verkaufter Wärme [%]

22%18%

13%7%

20%

37%42%

29%29%26%

55%

46%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW

Leistungsgröße [kW]

An

teile

de

r W

ärm

en

utz

un

g [

%] Eigennutzung

Verkaufte Wärme

Verkaufte Wärme und Eigennutzung



• Der durchschnittliche Verkaufspreis abgegebener Wärme betrug 3 cent/kWhth

• Größere Anlagen erzielen bessere Verkaufspreise!

Wärmeerlöse 2008 [cent/kWhth]

3,1

2,6

3,7

3,0

0

1

2

3

4

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW

Größenklasse [kW]

Wä

rme

erl

ös

e [

ce

nt/

kW

hth

]

13



Größere Anlagen haben tendenziell höhere spezif. Substratkosten!

Spezifische Substratkosten [cent/kWhel]

6,56,1 6,3

6,8

0

2

4

6

8

10

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW

Größenklasse [kW]

Su

bs

tra

tko

ste

n[c

en

t/k

Wh

el]



Je größer die Anlage desto mehr Substrate werden zugekauft!

Verhältnis eigenes / zugekauftes Substrat [%]

54%46%

8%

83%92%

17%

54%

46%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW

Größenklasse [kW]

Eig

en

/Zu

ka

uf

Ve

rhä

ltn

is [

%] Eigene Substrate

Substratzukauf

14


Auslastung BHKW's = Volllastanteil [h/a] / 8760 [h/a] • 100%

• 35% der untersuchten Anlagen erreichen eine Auslastung über 95%!

• 24% der untersuchten Anlagen erreichen nicht die Auslastung von 80%

Technische und Ökonomische Optimierungspotenziale!

Ø Auslastung 89%


-40.000

-30.000

-20.000

-10.000

0

10.000

20.000

30.000

40.000

70% 80% 90% 70% 80% 90% 70% 80% 90%

Auslastung [%]

Ert

rag

[€/

a]

Substratkosten (Eigen: 32 €/t FM, Zukauf: 32 €/t FM)

Substratkosten BW 2008 (Eigen: 28 €/ t FM, Zukauf: 30 €/t FM)

Ertrag nach Auslastung und Anteilen an verkaufter Wärme [€/a]

0% Wärmenutzung 25% Wärmenutzung 50% Wärmenutzung

Mangelnde Wärmenutzungskonzepte und niedrige Auslastung führen zu Rentabilitätsproblemen!

Biogasanlage:

• 200 kW

• 100% Silomais

• Vergütung: EEG 2004

• Wärmeerlöse: 3 cent/kWhth

• 70% Auslastung mit eigenem Substrat gedeckt

Erhöhung der Auslastung auf 80% bzw. 90% benötigt Substratzukauf

15


• Hohe Einsatzhäufigkeit von Gülle (überwiegend Rindergülle)

• Hohe Einsatzhäufigkeit von Wiesengras

• Mangelnde Gärrestlagerabdeckung in allen Größenklassen!

• Mit 89% ist die durchschnittliche Auslastung gut

• Kleinere Anlagen nutzen überwiegend eigene Substrate, größere Anlagen sind stark von Substratzukauf abhängig

• Mangelnde Wärmenutzungskonzepte in allen Größenklassen!

Besonderheiten der baden-württembergischen Biogasanlagen:


• Erarbeitung von Wärmenutzungskonzepten besonders für kleinere Anlagen dringend erforderlich

• Verbesserung des Monitorings z.B. durch Einbau von Gaszähler

• Verbesserung der Auslastung langfristige und sichere Substrat-versorgung, Betriebssicherheit

• Abdeckung der Gärrestlager zur Verbesserung der Klimabilanz ist notwendig

Schlussfolgerungen

Optimierungspotenzial im Bereich der Effizienzsteigerung:

16


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Das Projekt wurde gefördert durch das Ministerium für Ernährung und Ländlichen Raum mit Mitteln der Landesstiftung Baden-Württemberg

Maria Stenull, Ludger Eltrop

Kontakt: Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, IER - Universität Stuttgart Heßbrühlstr. 49; D - 70565 Stuttgart; www.ier.uni-stuttgart.de , Tel.+49-(0)711-685 87870,

[email protected]

biogasanlagenmonitoring 2008

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