Wirtschaftlichkeitsanalyse von Biogasanlagen

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichni

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Vorgehensweise

2 Grundlagen der Biogaserzeugung
2.1 Begriffsdefinition
2.2 Verfahrenstechnische Grundlagen der Biogaserzeugung
2.3 Flexibilität der Produktion
2.4 Speichermöglichkeiten
2.5 Potentiale der Wärmenutzung

3 Rahmenbedingungen für die Biogasproduktion
3.1 EEG und Biogas
3.2 Alternative Fördermodelle
3.2.1 Marktprämienmodell
3.2.2 Kombikraftwerksbonus
3.3 Zu erwartende Weiterentwicklung des EEG

4 Wirtschaftlichkeitsberechnung
4.1 Grundlagen der Investitionsrechnung
4.2 Statische und dynamische Methoden
4.3 Methodenauswahl

5 Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen
5.1 Kosten
5.1.1 Investitionskosten
5.1.2 Laufende Kosten
5.2 Erlöse
5.2.1 Vergütung über das EEG
5.2.2 Vergütung über das Marktprämienmodell
5.2.3 Wärmeerlöse
5.3 Wirtschaftlichkeitsberechnung
5.4 Sensitivitätsanalyse
5.4.1 Substratkosten
5.4.2 Strommarktpreise
5.5 Interpretation

6 Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Darstellung der Prozesse in einer Biogasanlage

Abb. 2: Ungenutzte thermische kWh in den untersuchten Anwendungsfällen

Abb. 3: Stromerlöse und Kosten der verschiedenen Anlagengrößen

Abb. 4: Annuitäten der Biogasanlagen zu Strommarktpreisen von 2006-2010

Abkürzungsverzeichni

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Leistungskennzahlen der BHKWs

Tab. 2: Investitionskosten der Biogasanlagen im Rahmen der FPV

Tab. 3: Investitionskosten der Biogasanlagen im Rahmen des MPM

Tab. 4: Kennzahlen zur Substratmischung

Tab. 5: Laufende Kosten der Biogasproduktion im Rahmen der FPV

Tab. 6: Laufende Kosten der Biogasproduktion im Rahmen des MPM

Tab. 7: Vergütungshöhe pro kWh und Erlöse aus dem EEG

Tab. 8: Erlöse aus dem KWK-Bonus

Tab. 9: Anzahl der Anfahrvorgänge und Erlöse durch flexiblere BHKWs

Tab. 10: Erlöse aus dem Stromverkauf im Jahr 2006

Tab. 11: Benötigte Häuseranzahl zur Deckung von 40% des Wärmeangebots

Tab. 12: Erlöse und Anteil ungen. Wärme bei der RW- und WW- versorgung

Tab. 13: Größe der Ferkelaufzucht in den verschiedenen Anlagengrößen

Tab. 14: Erlöse und Anteil ungenutzter Wärme bei der Ferkelaufzucht

Tab. 15: Erlöse und Anteil ungenutzter Wärme im Kombinationsfall

Tab. 16: Ungenutzte thermische kWh bei den Wärmeanwendungsfällen

Tab. 17: Vergleich der Erlöse bei der RW- und WW- versorgung

Tab. 18: Annuitäten der verschiedenen Anwendungsfälle.

Tab. 19: Annuitäten bei veränderten Substratpreisen

Tab. 20: Erlöse aus dem Stromverkauf und Mittelwert der Strommarktpreise

Tab. 21: Annuitäten der Biogasanlagen zu Strommarktpreisen von 2006-2010

1 Einleitung

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen anhand unterschiedlicher Fördermodelle und unter Berücksichtigung verschiedener Arten der Wärmeverwendung analysiert. Zunächst wird auf die eigentliche Problemstellung der Arbeit und deren Zielsetzung näher eingegangen.

1.1 Problemstellung

Nicht erst seit dem Atomunglück in Japan ist es Ziel der Bundesregierung den Anteil der Erneuerbaren Energien an der gesamtdeutschen Stromerzeugung auszubauen. Bereits im Erneuerbare-Energien-Gesetz aus dem Jahr 2009 ist das Ziel formuliert, bis zum Jahr 2020 mindestens 30% der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien zu decken.^[1]

Durch den starken Ausbau der Erneuerbaren Stromerzeugung ist es in den vergangenen Jahren kontinuierlich zu einer Erhöhung der sogenannten EEG-Umlage und damit der Belastung der Kunden durch erhöhte Strompreise gekommen.

In Anbetracht der weiteren Forcierung des Ausbaus Erneuerbarer Energien droht die EEG-Umlage weiter zu steigen.

Aufgrund der aktuell bestehenden Festpreisvergütung für Erneuerbare Energien im Rahmen des EEG nehmen die einzelnen Technologien nicht am allgemeinen Strommarkt teil. Durch diese Isolation vom Markt werden Anreize zur Effizienzverbesserung unterdrückt und die Erneuerbaren Energien separat vom Markt betrieben. Hohe EEG-Umlagen und eine große Belastung der Übertragungsnetze sind unter anderem die Folge und führen bei einer Weiterverfolgung dieser Strategie zu immer größer werdenden Problemen.

Daher hat die Bundesregierung im Energiekonzept vom September 2010 einen kosteneffizienten Ausbau, eine bedarfsgerechtere Erzeugung und eine verbesserte Integration der Erneuerbaren Energien in die Energieversorgung als Ziel formuliert.^[2]

Dazu sollen im Rahmen einer erneuten Novellierung des EEG im Jahr 2012 geeignete Instrumente die Markt- und Netzintegration der Erneuerbaren Energien stärken.^[3]

Durch die Dargebotsunabhängigkeit der Strom- und Wärmeerzeugung aus Biomasse hat diese Technologie gegenüber den anderen Erneuerbaren Energien einen Vorteil bzgl. der Integration in die deutsche Energieversorgung. Dabei soll die Nutzung von Biomasseanlagen besonders im Rahmen der Kraft-Wärme- Kopplung weiter verstärkt werden,^[4] wodurch die Effizienz der Anlagen erhöht und gleichzeitig fossile Ressourcen geschont werden. Damit kann auch den Klimaschutzzielen der Bundesregierung ein Stück näher gekommen werden.

1.2 Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist es, unter Berücksichtigung der geplanten Novellierung des EEG und den daraus resultierenden möglichen Änderungen des Fördermodells, die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen in verschiedenen Fördermodellen sowie mit verschiedenen Wärmeanwendungsfällen zu untersuchen. Dabei wird in diesem Zusammenhang die zurzeit gültige Festpreisvergütung mit einem möglichen neuen Fördermodell verglichen. Besonders wird das möglicherweise erhöhte Risiko für Anlagenbetreiber durch die Heranführung an den Strommarkt betrachtet. Darüber hinaus werden die Ergebnisse bezüglich der Wirtschaftlichkeit von verschiedenen Wärmeanwendungsfällen und die möglichen Problemen bei der Verwendung von Wärme analysiert.

1.3 Vorgehensweise

Die Arbeit ist in sechs Kapitel aufgeteilt. Der Einleitung in Kapitel 1 folgen drei Grundlagenkapitel, die das Basiswissen für die Arbeit legen. In Kapitel 2 werden zunächst die Grundlagen der Biogaserzeugung behandelt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer Ausrichtung der Biogasanlage für eine flexiblere Fahrweise des Kraftwerks, um somit eine Integration der Stromerzeugung in den Markt zu ermöglichen. Außerdem wird speziell die Möglichkeit zur Wärmenutzung thematisiert.

Kapitel 3 behandelt die Rahmenbedingungen für die Biogasproduktion. Dabei wird zum einen auf die aktuelle Ausgestaltung des EEG sowie zum anderen auf alternative Fördermodelle eingegangen. Die theoretischen Grundlagen für die spätere Wirtschaftlichkeitsberechnung werden in Kapitel 4 dargelegt.

In Kapitel fünf wird die eigentliche Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgeführt und die Ergebnisse der einzelnen Anwendungsfälle sowie der Sensitivitätsrechnungen präsentiert. Abgerundet wird die Arbeit durch das Fazit in Kapitel sechs.

2 Grundlagen der Biogaserzeugung

2.1 Begriffsdefinition

Biogas stellt das Stoffwechselprodukt eines vierteiligen Abbauprozesses dar, bei dem organische Masse von Methanbakterien abgebaut und in sogenanntes Biogas umgewandelt wird.^[5]

Biogas besteht zu etwa 60% aus Methan, 35% aus Kohlendioxid sowie zu geringeren Anteilen aus Schwefelwasserstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Der Abbauprozess findet in einem Faulbehälter, dem sogenannten Fermenter, unter Licht- und Luftabschluss statt. Das gewonnene Biogas kann anschließend zur Strom- und Wärmeproduktion verwendet werden.

Zu unterscheiden ist Biogas vom sogenannten Biomethan. Bei der Biomethangewinnung wird Biogas durch die Entfernung von Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Wasser sowie durch Konditionierung und Verdichtung weiterverarbeitet. Das daraus entstehende Biomethan besitzt Erdgasqualität und kann dementsprechend unter anderem auch ins Erdgasnetz eingespeist werden.

2.2 Verfahrenstechnische Grundlagen der Biogaserzeugung

Nachfolgend wird auf die verfahrenstechnischen Grundlagen der Biogaserzeugung sowie die verschiedenen Prozessschritte bei und vor der eigentlichen Biogasproduktion eingegangen.

Biogas wird, wie bereits erwähnt, durch den Abbau organischer Masse produziert. Diese kann aus vielen verschiedenen, sogenannten Substraten, bestehen. Aus einer Studie der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe,^[6] bei der bundesweit die Daten von Biogasanlagen erfasst und ausgewertet wurden, wird deutlich, dass die in deutschen Biogasanlagen hauptsächlich eingesetzten Substrate zu einem Anteil von rund 63% aus NawaRo und zu etwa 37% aus Wirtschaftsdünger bestehen. Dabei sind, nach relativer Einsatzhäufigkeit bewertet, die meistgenutzten Substrate die Maissilage, Rindergülle, Körnergetreide, Getreide GPS, Grassilage, Schweinegülle und der Rinderfestmist. Weiterführende Informationen zu Substraten bei der Biogasproduktion sind bspw. zu finden bei FNR (2006)^[7], Kaltschmitt, Hartmann und Hofbauer (2009)^[8] und döhler et al. (2009)^[9].

Die gesetzlichen Vorschriften, welche Substrate als Biomasse eingesetzt werden dürfen, um die entsprechende Vergütung aus dem Fördermodell zu erhalten, sind im EEG und der Biomasseverordnung geregelt.^[10]

Zunächst werden die Prozesse in einer Biogasanlage näher dargelegt. Eine grafische Darstellung der Abläufe ist in der folgenden Abbildung zu finden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Darstellung der Prozesse in einer Biogasanlage

(Quelle: Eigene Abbildung)

Wie in Abbildung 1 veranschaulicht, werden nach der Anlieferung der Substrate in einem ersten Schritt innerhalb der Biogasanlage zunächst die gelieferten Substrate entgegengenommen, gelagert und aufbereitet. Die in diesem Zusammenhang zu beachtenden gesetzlichen Rahmenbedingungen sind in erster Linie davon abhängig, ob feste oder flüssige Substrate geliefert werden. In der Studie von Postel ET AL. (2009) werden ausführlich die möglichen Technologien und gesetzlichen Rahmenbedingungen der Anlieferung, Erfassung und Annahme der Biomasse behandelt.^[11] Darüber hinaus werden auch die zu beachtenden Sicherheitsmaßnahmen thematisiert. Auf die Darstellung der genauen Einzelheiten wird an dieser Stelle verzichtet.

Die unterschiedlichen Substrate bei der Biogasanlage werden teilweise zeitlich versetzt angeliefert. Durch die Lagerung können diese Schwankungen bei der Substratbereitstellung ausgeglichen und homogenisiert werden, wodurch wiederum der spätere Abbauprozess im Fermenter reibungsloser ablaufen kann.

Die Dimension des Substratlagers ist primär abhängig vom Substrataufkommen und der Größe der Biogasanlage. Zu beachten ist auch, dass die Größe von Substratlager und Fermenter so auszugestalten ist, dass Betriebsstörungen aufgefangen werden können.

Der nächste Schritt vor der Beschickung des Fermenters ist die sogenannte Substrataufbereitung, die in fast jeder Biogasanlage stattfindet. Die Substrataufbereitung ist kein zwingend notwendiger Prozess und verläuft je nach Substrat individuell angepasst ab. Allerdings besteht durch diese Vorbereitung des Gärprozesses ein großes Potenzial für die Optimierung der Gesamtanlage.^[12] Dies ist darin begründet, dass die richtige Substratmischung und -aufbereitung einen großen Einfluss auf den empfindlichen Gärprozess hat.

Bei der Aufbereitung werden die Substrate in verschiedenen Teilprozessen für die spätere Fermentation vorbereitet, wodurch der spätere Biogasertrag gesteigert werden kann. Man unterscheidet in erster Linie zwischen einer mechanischen und einer biochemischen Aufbereitung.

Zur mechanischen Aufbereitung gehört bspw. das Abtrennen von Störstoffen, die Zerkleinerung und Auflockerung der organischen Masse und unter umständen eine Homogenisierung der Substrate. Zur biochemischen Aufbereitung zählen unter anderem Prozesse wie die häufig zur Konservierung der Substrate eingesetzte Silierung, die Hydrolyse und die aerobe Vorrotte.

Neben der am häufigsten eingesetzten mechanischen und biochemischen Aufbereitung gibt es noch die Möglichkeiten der thermischen Desintegration sowie der Ultraschall-Desintegration.

Die verschiedenen Systeme werden ausführlich in der Studie von Postel et al. (2009)^[13] dargestellt. Dabei werden auch die technischen Eigenschaften, das Emissionsverhalten, Minderungsmaßnahmen sowie Sicherheitsmaßnahmen der verschiedenen Systeme untersucht.

Auch in der Studie des FNR (2006)^[14] und bei Kaltschmitt, Hartmann und Hofbauer (2009)^[15] sind ausführliche Ausführungen und Erläuterungen der unterschiedlichen Prozesse und deren Relevanz für den späteren Abbauprozess zu finden.

Nach der Substrataufbereitung folgt die Fermenterbeschickung, bei der die Substrate dem Fermenter zugeführt werden. Auch hierbei sind die technischen Voraussetzungen davon abhängig, ob feste oder flüssige Substrate eingebracht werden. Ein Überblick über die verschiedenen Systeme zur Substrateinbringung sind in der Studie von Postel et al. (2009)^[16] zu finden.

Für einen optimalen Gärprozess ist eine kontinuierliche Fermenterbeschickung der Idealfall, da die Substrateinbringung den sensiblen Abbauprozess so am geringsten beeinträchtigt. Deshalb wird in der Praxis meist eine quasikontinuierliche Zugabe des Substrats gewählt. Dabei ist zu unterscheiden zwischen einem Durchfluss-Verfahren, einem Speicher-Durchfluss-Verfahren und einem Durchfluss-Speicher-Verfahren. Diese und weitere Arten der Beschickung werden bei der FNR (2006)^[17] und Eder, Krieg und Schulz (2006)^[18] thematisiert.

Durch die Substratbeschickung gelangen die Substrate in den Fermenter, das Herzstück einer jeden Biogasanlage. Hier findet der chemische Abbauprozess statt, bei dem aus den zugeführten Substraten Biogas gewonnen wird.

In der Studie von Postel et al. (2009)^[19] sowie der Studie der FNR (2006)^[20] ist ein detaillierter Überblick über die unterschiedlichen Bauweisen der Fermenter zu finden. So wird unterschieden zwischen stehenden und liegenden Fermentern, die aus Stahl oder Beton gefertigt werden. Hinsichtlich der genaueren Einzelheiten sei an dieser Stelle auf die genannten Quellen verwiesen.

Im Fermenter findet der eigentliche chemische Abbauprozess statt. Dabei wird aus den in den Fermenter gegebenen Substraten nach mehreren Schritten Biogas gewonnen.

Unter anaeroben Bedingungen, sprich unter Ausschluss von Sauerstoff, zersetzen Mikroorganismen die Substrate in verschiedenen Teilschritten zu Biogas. Der Abbauprozess kann in zwei unterschiedlichen Temperaturbereichen stattfinden.

Entweder im mesophilen Bereich bei Temperaturen zwischen 35-43 °C oder im thermophilen Bereich bei Temperaturen um etwa 57 °C. Die Teilschritte des Abbauprozesses finden bei einstufigen Anlagen parallel in einem Fermenter statt. Bei mehrstufigen Anlagen werden die verschiedenen Phasen des Abbauprozesses voneinander getrennt.

Von wesentlicher Bedeutung für die Biogasproduktion im Fermenter ist eine gute Durchmischung der Inhalte. Für diesen Teilprozess gibt es drei verschiedene Systeme. Dazu zählen die mechanische, die hydraulische und die pneumatische Durchmischung. Das mit rund 85% bis 90% am häufigsten verwandte System ist die mechanische Durchmischung mit Hilfe von Rührwerken.^[21] Die sorgfältige Durchmischung fördert eine gleichmäßige Verteilung von Wärme und Nährstoffen. Es vermeidet die Bildung von Schwimm- und Sinkschichten, das Austreten des Biogases wird angeregt und das frische Substrat wird durch die Vermischung mit älterem Substrat angeimpft. Detailliertere Informationen zu den verschiedenen Durchmischungssystemen sind bei Postel et al. (2009),^[22] sowie auch bei der FNR (2006)^[23] zu finden.

Wie bereits zuvor erwähnt, findet der Abbauprozess der Biogasanlage entweder im mesophilen oder im thermophilen Temperaturbereich statt. Ganz wesentlich kommt es dabei darauf an, dass beim Beheizen des Fermenters eine gleichmäßige Temperatur der organischen Masse sichergestellt wird. Zum Erreichen und Erhalten der Temperaturen können die Betreiber auf verschiedene Beheizungstechniken zurückgreifen. Dabei wird grob unterschieden zwischen einer integrierten Heizung, externen Wärmetauschern und der Isolierung. Hinsichtlich der Einzelheiten sei auch an dieser Stelle auf die Informationen bei Postel et al. (2009)^[24] und bei der FNR (2006)^[25] verwiesen.

Die Wärme zur Beheizung des Fermenters wird normalerweise aus der Prozess- und Abwärme der Biogasanlage gewonnen. Die vom Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugte Wärme kann dabei unter anderem dazu genutzt werden den Fermenter zu beheizen. Aufgrund der zusätzlichen Absatzmöglichkeiten der produzierten Wärme ist eine gute Dämmung und Isolierung des Fermenters von großer Bedeutung. Dadurch kann der Wärmebedarf des Fermenters deutlich verringert werden, womit sich zusätzliche Kapazitäten für den Wärmeverkauf ergeben. Auf die Möglichkeiten der Wärmenutzung wird in Kapitel 2.5 noch detaillierter eingegangen.

Vor der Verwertung des Biogases findet die Gasaufbereitung statt. Dabei wird das Biogas von Verunreinigungen befreit, um Schäden an den Geräten zur Gasverwertung, wie bspw. den BHKW-Motoren zu vermeiden.

Anschließend gelangt das produzierte Biogas in einen Biogasspeicher und wird von dort zur Gasverwertung weitergeleitet. Im nächsten Schritt kommt es zur Verwertung des gewonnenen Biogases. Auch dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten. Dazu zählt die Verbrennung des Biogases zur Wärmeerzeugung, die Einspeisung in Gasnetze sowie die Treibstoffnutzung und die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom in Blockheizkraftwerken. Die alleinige Verbrennung von Biogas kommt heute kaum noch zur Anwendung. Zur Einspeisung des Biogases ins Erdgasnetz muss das Biogas zuvor auf Erdgasqualität aufbereitet werden und auch zur Treibstoffnutzung muss erst eine für die Nutzung in Motoren entsprechende Qualität erreicht werden.

Im Verlauf dieser Arbeit wird die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme in einem Kraft-Wärme-Kopplungsprozess relevant sein. Diese parallel verlaufende Strom- und Wärmeproduktion findet üblicherweise in Blockheizkraftwerken statt. Das BHKW besteht meist aus einem Verbrennungsmotor, einem auf den Verbrennungsmotor abgestimmten Generator, einem Wärmetauschsystem zur Rückgewinnung der beim Prozess anfallenden Wärme sowie entsprechenden Einrichtungen zur Steuerung des BHKW.

Als Verbrennungsmotoren werden meist Zündstrahl- oder Gas-Otto-Motoren verwendet. Dabei werden die Zündstrahlmotoren meist im niedrigeren Leistungsbereich, bei etwa unter 250 kW, die Gas-Otto-Motoren hingegen meist im höheren Leistungsbereich bei über 250 kW eingesetzt. Dies ist darin begründet, dass Gas-Otto-Motoren teurer sind als Zündstrahlmotoren, aber besonders in höheren Leistungsbereichen einen höheren Wirkungsgrad erzielen. Dadurch lohnt sich der Einsatz der Gas-Otto-Motoren aufgrund der höheren Wirkungsgrade nur in oberen Leistungsbereichen, wohingegen der Wirkungsgrad im niedrigen Leistungsbereich deutlich abnimmt.

Neben der Nutzung von Verbrennungsmotoren gibt es auch Möglichkeiten zur Nutzung von Stirlingmotoren, Mikrogasturbinen und Brennstoffzellen. Diese finden derzeit aber nur selten Anwendung.

Der von der Biogasanlage produzierte Strom wird vor ort ins Stromnetz eingespeist, die produzierte Wärme für die Beheizung des Fermenters verwendet und in nahegelegenen Gebäuden oder anderen Einrichtungen verbraucht. Weiterführende Möglichkeiten zur Wärmenutzung werden in Kapitel 2.5 behandelt.

Das nach dem Abbauprozess im Fermenter vergorene Substrat kommt in ein sogenanntes Gärrestlager. Bei deren Lagerung wird zwischen festen und flüssigen Gärresten unterschieden. Genauere Informationen zu technischen Eigenschaften, dem Emissionsverhalten und zu Sicherheitsmaßnahmen für die Gärrestlagerung sind bei Postel et al. (2009)^[26] zu finden.

Da das vergorene Substrat im Fermenter nicht komplett abgebaut wird, finden auch bei der Lagerung weiterhin Gärprozesse statt. Durch eine gasdichte Abdeckung des Gärrestlagers kann erreicht werden, dass dieses als Nachgärbehälter fungiert und weiteres Biogas gewonnen wird. Zudem kann der Gärrest auch als wertvoller landwirtschaftlicher Dünger genutzt werden.

2.3 Flexibilität der Produktion

Ein Schwerpunkt der Arbeit besteht in der Untersuchung zur Integration der erneuerbaren Energie Biogas in den Strommarkt, wodurch die flexible Produktion von Wärme und besonders Strom eine große Bedeutung hat.

Im Gegensatz zu anderen Erneuerbaren Energien, wie bspw. Sonne und Wind, ist die Biomasse nicht abhängig von den Wetterverhältnissen. Die Biogas- und damit auch die Strom- und Wärmeproduktion können durch den Einsatz von Substraten gesteuert werden. Dementsprechend ist die Biomasse nicht von externen Bedingungen, wie dem Wetter abhängig. Da durch Biogas kontinuierlich Strom und Wärme erzeugt werden können, und da Biogas als Energieträger dazu im Vergleich zu Strom relativ kostengünstig und ohne hohe Verluste speicherbar ist, besteht für Biogasanlagen ein besonders großes Potenzial zur Integration in den Wettbewerb im Strommarkt.

Allerdings ergibt sich aus den Ausführungen in Kapitel 2.2, dass der Gärprozess im Fermenter einer Biogasanlage ein sehr sensibler Prozess ist. Da der Biogasertrag sehr stark von einem stabilen Vergärungsprozess abhängt, ist eine kontinuierliche Beschickung des Fermenters mit frischem Substrat sehr vorteilhaft. Aufgrund dieser Sensibilität im Gärprozess hat die eigentliche Biogasproduktion den Nachteil, dass sie eher unflexibel ist. Der sehr zeitaufwendige Produktionsablauf kann nicht ohne spürbare Einbußen in der Produktionsmenge von Biogas geändert werden.^[27] Durch die Dauer des Gärprozesses kann von einer Flexibilität in der eigentlichen Biogasproduktion kaum gesprochen werden, da besonders am Strommarkt deutlich schnellere Produktionsänderungen erforderlich sind. Eine flexible Strom- und Wärmeproduktion durch die Variabilität der Biogasproduktion selbst lässt sich deshalb letztendlich kaum realisieren.

Eine deutlich aussichtsreichere Möglichkeit stellt die Biogasspeicherung dar, die im folgenden Kapitel thematisiert wird und wodurch die Energie zur Produktion von Strom und Wärme zwischengespeichert werden kann.

2.4 Speichermöglichkeiten

Im Vergleich zu anderen Erneuerbaren Energien hat Biogas den bedeutenden Vorteil, dass die produzierte Energie kontinuierlich erzeugt werden kann und darüber hinaus auch im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energieträgern verhältnismäßig kostengünstig speicherbar ist.

Die Speicherung ist in einem gasdichten Behälter ohne nennenswerte Verluste möglich. Allerdings besteht der Nachteil, dass Biogas eine relativ geringe Energiedichte besitzt. So wird für die Energie von etwa 0,6 l Heizöl ungefähr 1m³ Biogas benötigt.^[28] Demzufolge wird die Biogasspeicherung im Verhältnis zur Speicherung von bspw. Öl relativ teuer.

Die meisten Biogasanlagen sind zurzeit nur mit einem kleinen Gasspeicher ausgestattet, der in den meisten Fällen im Fermenter oder im Gärrückstandslager integriert ist.^[29] Hintergrund ist der Umstand, dass aufgrund der bestehenden Festpreisgarantie des EEG die Betreiber der Biogasanlagen bestrebt sind, möglichst kontinuierlich viel Strom zu produzieren. Es reicht daher in der Regel ein kleiner Biogasspeicher, um Schwankungen bei der Biogasproduktion auszugleichen bzw. kurzzeitige Kraftwerksausfälle zu überbrücken.

Bei einer möglichen Änderung des Fördermodells, dass die Erneuerbaren Energien näher an den Markt heranführen soll, müsste die Flexibilität der Biogasanlagen erhöht werden. Wie im vorherigen Kapitel erläutert, ist die eigentliche Biogasproduktion recht unflexibel, wodurch eine flexible Stromproduktion praktisch nur durch die Speicherung von Biogas erfolgen kann. Demzufolge würden die Anforderungen an die Größe der Biogasspeicher steigen.

Bei Gasspeichern wird generell zwischen Nieder-, Mittel-, und Hochdruckspeichern unterschieden.^[30] Bei Biogasspeichern handelt es sich im Normalfall um Niederdruckspeicher mit einem Betriebsdruck zwischen 0,05 und 0,5 mbar. Wobei es auch bei diesen Speichern verschiedene Ausführungen gibt.

Eine Form des Niederdruckspeichers ist der sogenannte Wassertassengasometer. Dieser besteht aus einer Stahlglocke, die auf dem Fermenter bzw. einem externen Lagerbehälter schwimmt. Je nach Füllstand sinkt oder steigt die Stahlglocke mit der Menge des Gases. Der Vorteil dieser Form der Gasspeicherung ist die relativ geringe Schwankung des Gasdruckes bei verschiedenen Speicherständen. Nach Kaltschmitt, Hartmann und Hofbauer (2009)^[31] können bei der Auflage der Glocke direkt auf dem Fermenter allerdings Wärme- und Gasverluste auftreten. Die Installation solcher Wassertassengasometer ist in den vergangenen Jahren stark rückläufig.^[32]

Eine weitere Form des Niederdruckspeichers sind die sogenannten Foliengasspeicher. Dabei ist zwischen internen und externen Foliengasspeichern zu unterscheiden.

Interne Foliengasspeicher sind in Fermenter oder Gärrückstandslager integriert. Dabei wird der Foliengasspeicher üblicherweise ein- oder mehrschichtig als Tragluftdach installiert. Die maximale Größe eines solchen Speichers ist von der Größe des Fermenters bzw. des Gärrückstandslagers abhängig, überschreitet 2000m3 aber in der Regel nicht. Ein Vorteil dieses integrierten Speichers ist ein großes Speichervolumen und der Verzicht einer Betondecke für den Fermenter bzw. das Gärrückstandslager. Hinzu kommt, dass im Gegensatz zum externen Speicher kein zusätzlicher Platzbedarf besteht. Die internen Foliengasspeicher haben allerdings den Nachteil, dass im Fermenter die Montage von Rührwerken am Foliendach nicht möglich ist, wodurch der Gärprozess an Produktivität verliert.

Bei externen Foliengasspeichern kommen entweder Folienkissenspeicher oder Doppelmembranspeicher zum Einsatz. Die Folienkissen werden meist in Gebäuden oder in einer Zwischendecke über dem Fermenter angebracht um sie vor den Witterungseinflüssen zu schützen. Doppelmembranspeicher können freistehend nahe der Biogasanlage angebracht werden. Die maximale Größe dieser externen Speicher liegt normalerweise bei etwa 2000m3.

Der Vorteil eines rein externen Speichers besteht darin, dass die Methankonzentration des Gärprozesses immer aktuell gemessen werden kann und damit eine bessere Kontrolle über den Gärprozess besteht. Dies ist bei einem integrierten Gasspeicher aufgrund der Vermischung des Gases nicht möglich. Nachteilig kann es sich auswirken, dass die externen Speicher zusätzlichen Platz und unter Umständen ein eigenes Gebäude benötigen.

Das Volumen der Gasspeicher ist hauptsächlich von der Größe der Biogasanlage und der Fahrweise des Kraftwerkes abhängig.

2.5 Potentiale der Wärmenutzung

Seit dem Jahr 2000 wird durch das EEG der Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung gefördert. In Biogasanlagen wird neben der Produktion von Strom auch eine große Menge Wärme erzeugt.

Um die entstehende Wärme des BHKW zu nutzen, muss die Wärme über einen Wärmetauscher ausgekoppelt werden. Die höchsten Temperaturniveaus können über das Kühlwassersystem des Verbrennungsmotors erzielt werden. Weitere Wärme kann zusätzlich durch die Abgaswärme gewonnen werden, wozu ein Abgaswärmetauscher benötigt wird.

Ein Teil der gewonnenen Wärme wird für die Beheizung des Fermenters verwendet. Der genaue Bedarf ist meist schwer zu ermitteln und je nach Jahreszeit aufgrund der Temperaturunterschiede stark schwankend. Genauere Informationen sind in Kapitel 5.2.3 zu finden, in dem die Wirtschaftlichkeit der Wärmenutzung analysiert wird und auch genauere Informationen zum Wärmeeigenbedarf von Biogasanlagen angegeben werden.

Die über den Eigenbedarf der Anlage hinaus produzierte Wärme wird in den meisten Fällen von den Biogasanlagenbetreibern über den Luftkühler ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Nur wenige Biogasanlagen haben Möglichkeiten zur externen Wärmenutzung.^[33]

Dieses ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass die Anlagenbetreiber es versäumt haben einen Standort zu wählen, an dem eine sinnvolle Nutzung der Abwärme möglich ist.^[34] Dabei wird die Wärmeerzeugung auch von Seiten des Staates unterstützt. Dies geschieht zum einen durch das KWK-Gesetz in Verbindung mit dem EEG und zum anderen seit 2009 auch durch das Erneuerbare- Energien-Wärme Gesetz.

Nach dem EEWärmeG ist es Zweck und Ziel des Gesetzes den Anteil Erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch für Wärme bis zum Jahr 2020 auf 14 Prozent zu erhöhen.^[35] Dieses Ziel soll durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden.

So werden unter anderem die Eigentümer bei der Errichtung neuer Gebäude verpflichtet, den Wärmeenergiebedarf durch die anteilige Nutzung von Erneuerbaren Energien nach bestimmten Maßgaben zu decken.

Über die Nutzungspflicht hinaus soll die 14%-Marke durch eine finanzielle Förderung erreicht werden. So wird der Bund in den Jahren 2009 bis 2012 für die Erzeugung von Wärme aus Erneuerbaren Energien jährlich bis zu 500 Millionen Euro investieren.^[36] Zusätzlich wird die Errichtung und Erweiterung von Anlagen zur Nutzung von Biomasse sowie der Ausbau von Wärmenetzen und Speichern finanziell gefördert.^[37]

Neben der Förderung nach dem EEWärmeG wird die Wärmeproduktion aus Erneuerbaren Energien unter bestimmten Voraussetzungen auch über das EEG mit einem Bonus von 3,0 Cent pro Kilowattstunde gefördert.^[38] Gezahlt wird die Förderung nur für Anlagen mit einer Leistung bis einschließlich 20 Megawatt und für Strom im Sinne des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes.^[39] Demnach wird der KWK- Bonus nur für den Teil der Wärmenutzung gezahlt, der außerhalb der Biogasanlage genutzt wird und unter die Positivliste in Anlage 3 des EEG fällt.

Aufgrund der beiden Gesetze wird der Anreiz für Biogasanlagenbetreiber weiter erhöht, die überschüssige Wärme sinnvoll einzusetzen. Durch die Vermarktung der Abwärme erschließt sich für die Betreiber der Anlagen eine weitere Einnahmequelle. Neben dem Erlös durch den eigentlichen Verkauf der Wärme können unter bestimmten Voraussetzungen ein KWK-Bonus erzielt und technologische Baumaßnahmen über das EEWärmeG finanziell unterstützt werden.

Durch die zusätzliche Verwertung der Wärme kann die Effizienz und damit der Gesamtwirkungsgrad der Biogasanlage erhöht werden. Damit wiederum wird nicht nur die Wirtschaftlichkeit der Biogasanlagen erhöht, sondern durch die Substitution fossiler Energieträger auch zum Klimaschutz beigetragen.

Wie bereits erwähnt, wurden viele Biogasanlagen erbaut ohne gleichzeitig für eine wirtschaftlich sinnvolle Nutzung der überschüssigen Wärme zu sorgen. Durch die steigende wirtschaftliche Bedeutung, aufgrund einer erhöhten Vergütung beim KWK-Bonus und einer möglichen finanziellen Förderung durch das EEWärmeG, sucht eine steigende Anzahl von Biogasanlagenbetreibern nach Möglichkeiten die Abwärme des Biogasprozesses sinnvoll zu verwerten.

Anhand zahlreicher Studien werden unterschiedliche neue Verwendungsmöglichkeiten der Abwärme aus dem Biogasprozess untersucht.^[40] Nach der Studie von Gaderer et al. (2007) gehören zu den Verfahren mit der höchsten Rentabilität unter anderem die Holzhackschnitzeltrocknung, die Gewächshausbeheizung, die Getreidetrocknung, die Wärme- und Kälteversorgung von Molkereien und Gewerbeobjekten, die Beheizung einer Ferkelaufzucht und Prozesse wie die Klärschlammtrocknung. Die Ergebnisse der Studie sind allerdings mit Vorsicht zu betrachten, da kleinste Veränderungen verschiedener Parameter das Ergebnis verändern können.

Eine große Schwierigkeit bei der Wärmeverwertung ist die vollständige Nutzung des Wärmepotentials. Für jeden Betreiber einer Biogasanlage ist es sowohl aus ökonomischen als auch aus ökologischen Gesichtspunkten erstrebenswert, eine möglichst durchgehende und vollständige Verwertung der Abwärme aus der Biogasanlage zu erzielen. Dabei sind allerdings einige Probleme zu bewältigen. So ist der Wärmebedarf für den eigentlichen Betrieb der Biogasanlage häufig nicht exakt bekannt bzw. schwer zu ermitteln. Wenn jedoch der Wärmeüberschuss nicht hinreichend bekannt ist, so führt dies zwangsläufig zu Problemen bei der Planung der Wärmeverwertung. Die Probleme werden noch dadurch verstärkt, dass die großen Temperaturunterschiede zu den verschiedenen Jahreszeiten zu Schwankungen beim Wärmebedarf der eigenen Biogasanlage sowie der extern zu versorgenden Einheiten führen. Dementsprechend ist eine durchgehend gleichmäßige Wärmenachfrage nur in den seltensten Fällen anzunehmen.

Zur Lösung dieser Probleme bietet sich eine Optimierung der Wärmeverwendung durch eine Kombination unterschiedlicher Wärmenutzungen an. Um kurzfristige Ausfälle der Biogasanlage zu überbrücken, das Angebot variabler zu gestalten und somit mögliche Spitzenlasten bedienen zu können, bietet sich je nach Anlagenkonzeption unter Umständen auch der zusätzliche Einsatz eines Pufferspeichers an.

Die Aktualität der Problematik bestätigt sich auch durch das Forschungsvorhaben der Universität Kassel. Dort wird zurzeit an einem „computergestützten Instrument zur Berechnung und schematischen Darstellung von optimierten Konzepten zur Abwärmenutzung landwirtschaftlicher Biogasanlagen“ gearbeitet.^[41] Weitere Arbeiten zur optimierung der Abwärmenutzung von Biogasanlagen sind in den folgenden Studien zu finden. Die Studie von Schulz et al. (2007) zeigt sehr gut alternative Möglichkeiten der Wärmenutzung auf. An dieser Stelle setzt auch die Studie von Gaderer et al. (2007) an und stellt darüber hinaus praxisnahe Wirtschaftlichkeitsrechnungen auf. Die Studien von Kirchmeyr und Anzengruber (2008) , die Studie von Zielbauer, Gaida und Knott (2007) sowie der Projektbericht von Heuer et al. (2008) thematisieren allesamt Möglichkeiten zur Wärmenutzung bei Biogasanlagen. Die Studie von Gutzwiller (2009) gibt einen umfassenden Überblick über die Technologien zur Wärmeverwendung.

Grundlagen zur Wärmespeicherung, den technologischen Details und wirtschaftlichen Betrachtungen sind bei Fisch (2005) zu finden.

In der Wirtschaftlichkeitsberechnung dieser Arbeit wird im weiteren Verlauf noch auf die Raumwärme- und Warmwassernutzung sowie die Wärmeversorgung einer Ferkelaufzucht eingegangen. Die Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Biogasanlagen werden ebenfalls in den kommenden Kapiteln thematisiert.

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^[1] Vgl. EEG (2010), §1 Absatz 2.

^[2] Vgl. BMWi, BMU (2010), S.7.

^[3] Vgl. Ebd., S.8.

^[4] Vgl. BMWi, BMU (2010), S.10.

^[5] Vgl. Für detailliertere Informationen zu diesem Prozess Eder, Krieg und Schulz (2006), S.17ff.

^[6] Vgl. FNR (2009), S.13 f.

^[7] Vgl. FNR (2006), S.86 ff.

^[8] Vgl. Kaltschmitt, Hartmann und Hofbauer (2009), S.851 ff.

^[9] Vgl. Döhler et al. (2009), S. 65 ff.

^[10] Vgl. EEG (2010), §27, §64 Abs.1 Punkt 2 und BiomasseV (2005).

^[11] Vgl. Postel et al. (2009), S.25 ff.

^[12] Vgl. FNR (2006), S.45.

^[13] Vgl. Postel et al. (2009), S.47 ff.

^[14] Vgl. FNR (2006), S.45 ff.

^[15] Vgl. Kaltschmitt, Hartmann und Hofbauer (2009), S.875 ff.

^[16] Vgl. Postel et al. (2009), S.62 ff. und S.87 f.

^[17] Vgl. FNR (2006), S. 37 ff.

^[18] Vgl. Eder, Krieg und Schulz (2006), S.30 ff.

^[19] Vgl. Postel et al. (2009), S.69 ff.

^[20] Vgl. FNR (2006), 60 ff.

^[21] Vgl. FNR (2006), S. 66.

^[22] Vgl. Postel et al. (2009), S.80 ff.

^[23] Vgl. FNR (2006), S.66 ff.

^[24] Vgl. Postel et al. (2009), S. 88 ff.

^[25] Vgl. FNR (2006), S.64 ff.

^[26] Vgl. Postel et al. (2009), S. 105 ff.

^[27] Vgl. Angegebene Verweilzeiten unter anderem bei Döhler et al. (2009), S.49 ff.

^[28] Vgl. FNR (2008), S.3.

^[29] Vgl. Ebd., S.19.

^[30] Vgl. Eder, Krieg und Schulz (2006), S.119 ff.

^[31] Vgl. Kaltschmitt, Hartmann und Hofbauer (2009), S.901 f.

^[32] Vgl. Eder, Krieg und Schulz (2006), S.119 ff. und Kaltschmitt, Hartmann und Hofbauer (2009), S. 902.

^[33] Vgl. FNR (2009), S.23 ff.

^[34] Vgl. Schulz, W. et al. (2007b), S.22.

^[35] Vgl. EEWärmeG (2011), §1 Abs.2, S.2.

^[36] Vgl. Ebd., §13.

^[37] Vgl. Ebd., §14, Punkt 2.

^[38] Vgl. EEG (2010), §27 Abs.4 Nr.3.

^[39] Vgl. KWKG (2009), §3 Abs.4.

^[40] Vgl. Zielbauer, Gaida, Knott (2007), Heuer et al. (2008), Schulz et al. (2007b), Gaderer et al. (2007).

^[41] Vgl. Wiese (2006).