Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz aus technischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Sicht auf nationaler und internationaler Ebene Wolf Thyssen | 10. Juni 2004 Prozess der Energiemarktliberalisierung in der Praxis

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen [a] Motivation [b] Rechtliche Rahmenbedingungen [c] Aufbereitungstechniken [d] Wirtschaftlichkeit [e] Biogasanlagen in Deutschland [f] Wie machen es die Nachbarn ? [g] Fazit 2 / 44 Gliederung

Mehrstufigen Vergärungs- oder Faulungsprozess biogener Was ist Biogas ? Entstehung Mehrstufigen Vergärungs- oder Faulungsprozess biogener Substanzen durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, d.h. unter Luft bzw. Sauerstoffausschluss. Hydrolyse  Säurebildung  Essigsäurebildung  Methan Zusammensetzung • 60 %vol Methan • ca. 40 %vol Kohlendioxid • bis zu 8.000 mg/m³ Schwefelwasserstoff • Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak 3 / 44 [a] Motivation

Nutzbares Aufkommen von Biogas in Deutschland 1 m³ Biogas  0,6 l Heizöl  6 kWh Mist & Gülle 80 PJ / a (22 TWh) Biomüll 10 PJ / a (3 TWh) Energiepflanzen  200 PJ / a (55 TWh) insgesamt  290 PJ / a (80 TWh)  25 TWhel 4 / 44 [a] Motivation

Bestandsaufnahmen der Biogasanlagen in Europa Quelle: SGC, 2001 5 / 44 [a] Motivation

Schemazeichnung A B [a] Motivation 6 / 44 Quelle: T. Schmalschläger, 2003 6 / 44 [a] Motivation

Gewinnung / Erzeugung von Biogas Vorreinigung Nutzung von Biogas Variante A Gewinnung / Erzeugung von Biogas Vorreinigung a) Deckung von Eigenbedarf (BHKW, Fermenter, ...) b) Betrieb von kommerziellem BHKW Absatz von Strom & Wärme Variante B Gewinnung/Erzeugung von Biogas Aufbereitung auf Erdgasqualität a) Absatz / Einspeisung ins Erdgasnetz b) Einsatz als Treibstoff für Kraftfahrzeuge 7 / 44 [a] Motivation

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen [a] Motivation [b] Rechtliche Rahmenbedingungen [c] Aufbereitungstechniken [d] Wirtschaftlichkeit [e] Biogasanlagen in Deutschland [f] Wie machen es die Nachbarn ? [g] Fazit 8 / 44 Gliederung

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen Abgabe und Vergütung von Biogas in Deutschland gesetzlich bislang nicht explizit geregelt periphere Regelungen in: • Erneuerbare-Energien-Gesetz • Biomasseverordnung • Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz • Energiewirtschaftsgesetz EU-Richtlinienentwurf (06/2002): diskriminierungsfreier Zugang für Biogas zum Gasnetz 9 / 44 [b] Rechtliche Rahmenbedingungen

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ...regelt die Abnahme und Vergütung von Strom aus regenerativen Energiequellen • u.a. Biomasse einschließlich Biogas • Wärmeäquivalenzregel ...Gas ist Biogas, wenn das entnommene Gas an anderer Stelle wärmeäquivalent als Biogas eingespeist wurde • höhere Vergütung für Strom aus Biogas mit Erdgasqualität 10 / 44 [b] Rechtliche Rahmenbedingungen

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen Biomasseverordnung ...regelt für das EEG, • welche Stoffe als Biomasse gelten,  Pflanzen, Pflanzenbestandteile, Abfälle & Nebenprodukte pflanzlicher & tierischer Herkunft aus Land-, Forst- und Fischwirtschaft sowie daraus erzeugtes Gas  nicht: Deponie- und Klärgase, Tierkörper • welche Verfahren zur Stromerzeugung anwendbar sind und • welche Umweltanforderungen dabei einzuhalten sind 11 / 44 [b] Rechtliche Rahmenbedingungen

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) ...regelt u.a. technische Anforderungen an die Gasversorgung  Verweis auf die technischen Regeln des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) insbesondere • Arbeitsblatt G 260 (Gasbeschaffenheit) • Merkblatt G 262 (Nutzung von Deponie-, Klär- und Biogasen) 12 / 44 [b] Rechtliche Rahmenbedingungen

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen DVGW G 260 - Anforderungen an die Erdgasbeschaffenheit Gruppe L Gruppe H Heizwert HS,n [kWh/m³] 8,4 ... 13,1 relative Dichte [Gas/Luft] 0,55 ... 0,75 Wobbe-Index (HS,n/d) [kWh/m³] 10,5 ... 13,0 12,8 ... 15,7 Sauerstoff - trockenes Netz [%] - feuchtes Netz [%] 3 0,5 Gesamtschwefel (nicht odoriert) [mg/m³] 30 ... 150 (kurzzeitig) Schwefelwasserstoff [mg/m³] 5 ... 10 (kurzzeitig) Quelle: DVGW G 260 13 / 44 [b] Rechtliche Rahmenbedingungen

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen DVGW G 262 - Biogase ...Rohgase aus Biogasanlagen sind keine Brenngase im Sinne des DVGW G 260 CH4 [%vol] CO2 [%vol] O2/N2 [%vol] H2S [mg/m³] Biogas 60...80 20...40 Rest .. 8.000 Erdgas H > 96* keine besondere Festlegung O2 < 0,5 < 5 Erdgas L > 90* * Mindestmethangehalt nach Aufbereitung zur Gewährleistung des erforderlichen Wobbe-Indexes  Methananteil erhöhen & Schwefelwasserstoff entfernen 14 / 44 [b] Rechtliche Rahmenbedingungen

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen Vergütungsmodell für Biogas Vorschlag des Fachverbandes für Biogas e.V. (2001) installierte thermische Leistung Mindestvergütung < 0,5 MW 10,2 ct/kWhth < 1,5 MW 7,7 ct/kWhth < 3,0 MW 6,6 ct/kWhth > 3,0 MW 5,1 ct/kWhth 15 / 44 [b] Rechtliche Rahmenbedingungen

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen [a] Motivation [b] Rechtliche Rahmenbedingungen [c] Aufbereitungstechniken [d] Wirtschaftlichkeit [e] Biogasanlagen in Deutschland [f] Wie machen es die Nachbarn ? [g] Fazit 16 / 44 Gliederung

[c] Aufbereitungstechniken denkbare Varianten der Erdgasnetzeinspeisung a) als Austauschgas Biogas derart aufbereitet und verdichtet, dass es sich bei Brennwert und Wobbe-Index nur marginal vom Erdgas in der Transportleitung unterscheidet. b) zur Konditionierung aufbereitetes Biogas enthält noch höhere Anteile an CO2 sowie weitere Gasbegleitstoffe und ist nicht kompatibel, wird geringfügig beigemischt. 17 / 44 [c] Aufbereitungstechniken

[c] Aufbereitungstechniken Voraussetzungen für die Einspeisung ins Erdgasnetz • Abscheiden fester/flüssiger Partikel • Trocknung • Entschwefelung • Methan-Anreicherung • Odorierung 18 / 44 [c] Aufbereitungstechniken

[c] ..Partikelabscheidung / Trocknung Abscheiden fester/flüssiger Partikel Leiten des Biogases durch verschiedene Filterstufen • Kiestöpfe (Grobfilter, Entwässerung) • Patronenfilter (Feinfilter) Trocknung • Kältetrocknung (auch Adsorptions- und Drucktrocknung) • Unterschreiten des Taupunkts von Wasser  ein- oder zweistufig, abhängig vom Einsatz „trockener“ oder „nasser“ Gasreinigungstechniken 19 / 44 [c] ..Partikelabscheidung / Trocknung

• hauptsächlich chemische Adsorptionsverfahren Entschwefelung Schwefelgehalt beeinträchtigt Lebensdauer von Leitungen und Verbrauchseinrichtungen • hauptsächlich chemische Adsorptionsverfahren katalytische Oxidation - Oxidation mit Eisenhydroxid • gewöhnliches Verfahren in der Landwirtschaft biologische Oxidation 20 / 44 [c] ..Entschwefelung

katalytische Oxidation Umsetzung von Schwefelwasserstoff zu Schwefel an einem Katalysator 2 H2S + O2 2 S + 2 H2O Katalysator Oxidation mit Eisenhydroxid Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Eisenhydroxid und Sauerstoff zu Schwefel. 2-stufige Reaktion mit den Zwischenprodukten Wasser und Eisen-III-Sulfid. Eisen-III-Sulfid oxidiert mit Sauerstoff zu Schwefel. 21 / 44 [c] ..Entschwefelung

biologische Oxidation Reaktion von Schwefelwasserstoff mit Sauerstoff zu Schwefel 2 H2S + O2 2 S + 2 H2O • Zuführung von Luft in den Gasraum des Gärbehälters • auch extern durch Biofiltration im Rieselbett möglich • Reinigungsleistung schlechter als bei chemischen Verfahren • Reingaskonzentration max. < 50 ppm 22 / 44 [c] ..Entschwefelung

[c] ..Methananreicherung Methananreicherung / Kohlendioxidabtrennung • Druckwäsche • Druckwechselverfahren (PSA = Pressure Swing Adsorption) • Membran-Trennverfahren • Gasverflüssigung 23 / 44 [c] ..Methananreicherung

[c] ..Methananreicherung Druckwäsche „absorptives“ bzw. „nasses“ Verfahren zur Methananreicherung Prinzip: Ausnutzen der unterschiedlichen Wasserlöslichkeit von CO2 und Methan > 96 % CH4 Quelle: Weiland, Peter (2003) 24 / 44 [c] ..Methananreicherung

[c] ..Methananreicherung Druckwechselverfahren (PSA) „adsorptives“ bzw. „trockenes“ Verfahren zur Kohlendioxidabtrennung Prinzip: Adsorption von CO2 an Molekularsieben auf Kohlenstoffbasis (Aktivkohle) 96 % CH4 Quelle: Widmer, Ch. 1999 25 / 44 [c] ..Methananreicherung

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen [a] Motivation [b] Rechtliche Rahmenbedingungen [c] Aufbereitungstechniken [d] Wirtschaftlichkeit [e] Biogasanlagen in Deutschland [f] Wie machen es die Nachbarn ? [g] Fazit 26 / 44 Gliederung

[d] Wirtschaftlichkeit Variante A Gewinnung / Erzeugung von Biogas Vorreinigung a) Deckung von Eigenbedarf (BHKW, Fermenter, ...) b) Betrieb von kommerziellem BHKW Absatz von Strom & Wärme Variante B Gewinnung/Erzeugung von Biogas Aufbereitung auf Erdgasqualität a) Absatz / Einspeisung ins Erdgasnetz b) Einsatz als Treibstoff für Kraftfahrzeuge 27 / 44 [d] Wirtschaftlichkeit

[d] Wirtschaftlichkeit Aufbereitungskosten 1 Großvieheinheit (GVE)  1,5 m³ Biogas / Tag • 1 Rind • 6 Schweine • 150 Hühner Alternativen: Vergärung von Energiepflanzen, Biomüll 28 / 44 [d] Wirtschaftlichkeit

[d] Wirtschaftlichkeit Aufbereitungskosten – Kalkulationsbeispiel Variante B Annahmen: • Verarbeitungskapazität: 50 m³/h sowie 400 m³/h • Aufbereitungsverfahren: Druckwäsche • Kühlwasserbedarf: 1 m³/h aus eigenem Brunnen, Einleitung in Kanalisation • Strom: Opportunitätskosten für Strom aus Biogas-BHKW bei EEG-Vergütung • Auslastung: 8000 h/a 29 / 44 [d] Wirtschaftlichkeit

[d] Wirtschaftlichkeit Aufbereitungskosten – Kalkulationsbeispiel Variante B 50 m³ / h 400 m³/h Investitionen 120.000,00 555.000,00 € Personal & Betrieb 16.000,00 22.000,00 €/a Strom 10.660,00 50.000,00 Wasser 29.680,00 162.180,00 Sonstiges 1.000,00 8.000,00 Kapitalkosten 12.356,00 57.144,00 Betriebskosten 69.696,00 299.324,00 spezifische Kosten 2,70 1,40 ct/kWh 30 / 44 [d] Wirtschaftlichkeit

[d] Wirtschaftlichkeit Aufbereitungskosten Variante B Bandbreite je nach Kühlwasserbedarfsdeckung (1. Leitungswasser, 2. eigener Brunnen, 3. keine Abwassergebühr) signifikante Einflüsse: • Leistungsklasse • Kühlwasserbedarfsdeckung 31 / 44 [d] Wirtschaftlichkeit

[d] Wirtschaftlichkeit Gestehungskosten Variante B Vergleich: GASAG Einsteigertarif: 3,7 ct/kWh (Verbraucherseite) Beschaffungspreis = anlegbarer Preis Investitionskosten Leitung: 50 € / m (ländlicher Raum) Kosten für Gebläse, Wartung, etc. geringer als Kapitalkosten 32 / 44 [d] Wirtschaftlichkeit

[d] Wirtschaftlichkeit Aufbereitungskosten Variante A BHKW 1 BHKW 2 Leistung el./therm. 241 / 326 412 / 557 kW Stromerzeugung 3.264 MWh nutzbare Wärme 2.784 Investition 229.000,00 362.000,00 €/a spezifisch 950,00 880,00 €/kWhel Jahreskosten 52.400,00 74.860,00 Stromerlöse 114.600,00 181.100,00 Wärmeerlöse 2,0 ct/kWh : 55.680,00 2,5 ct/kWh : 69.600,00 200 m³/h 33 / 44 [d] Wirtschaftlichkeit

[d] Wirtschaftlichkeit Wärmeerlöse Variante A Entfernung BHKW 2 Wärmeerlös bei 2,0 ct / kWh 2,5 ct / kWh 0,5 km 16.369 30.289 1 km 13.420 27.340 2 km 7.522 21.442 3 km 1.624 15.544 4 km - 4.274 9.646 5 km 3.748 10 km - 25.743 • Anlagen mit 400 m³/h auch bei 10 km Entfernung wirtschaftlich Externe Nutzung von Biogas i.A. günstiger als Aufbereitung und Einspeisung 34 / 44 [d] Wirtschaftlichkeit

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen [a] Motivation [b] Rechtliche Rahmenbedingungen [c] Aufbereitungstechniken [d] Wirtschaftlichkeit [e] Biogasanlagen in Deutschland [f] Wie machen es die Nachbarn ? [g] Fazit 35 / 44 Gliederung

[e] Biogasanlagen in Deutschland aktuell keine Anlage zur Biogaseinspeisung in Betrieb • Klärgasaufbereitung Kläranlage Stuttgart 5 Mio. m³ zwischen 1986-93, H-Qualität, 4 Pf/kWh, lokales GVU • Klärgasaufbereitung Kläranlage Mönchengladbach 19,7 Mio. m³ zwischen 1981-96, L-Qualität, lokales GVU • Biogasanlage Schleswig (Versuchsanlage, in Planung) 50 % Gülle/50 % Schlempe, 400 m³/d, H-Qualität Busbetrieb, Tankstellenverkauf, Einspeisung in lokales GVU-Netz 36 / 44 [e] Biogasanlagen in Deutschland

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen [a] Motivation [b] Rechtliche Rahmenbedingungen [c] Aufbereitungstechniken [d] Wirtschaftlichkeit [e] Biogasanlagen in Deutschland [f] Wie machen es die Nachbarn ? [g] Fazit 37 / 44 Gliederung

[f] Wie machen es die Nachbarn ? Schweden • Biogasaufbereitung und –einspeisung Laholm  ursprünglich zur Reduzierung der Bucht-Eutrophierung  50.000 t Gülle und 20.000 t Bioabfälle jährlich  Aufbereitungskapazität 250 m³/h  Entschwefelung, CO2-Abtrennung, Addition von Propan  Nutzung in BHKW zur Wärmeerzeugung  Einspeisung in lokales Gasnetz, wenn Wärmelast absinkt 38 / 44 [f] Wie machen es die Nachbarn ?

[f] Wie machen es die Nachbarn ? Schweden • Rahmenbedingungen  organischer Deponieabfall besteuert, ab 2005 verboten  Erdgasnetz gering ausgebaut  Qualität des Mischgases im Netz ausschlaggebend  Maximaleinspeisung durch Wobbe-Index gegeben  Einspeisung ohne Aufbereitung möglich (Dänemark) 39 / 44 [f] Wie machen es die Nachbarn ?

[f] Wie machen es die Nachbarn ? Schweiz • Erdgas Zürich  Ende 1998 7 Anlagen mit bis zu 10.000 t / a  Vergärung von biogenen Abfällen & Industrieabwässer  Entschwefelung, Gastrocknung, CO2-Abtrennung  Verwertung in BHKW, Aufbereitung je 50 %  geringere Beschränkungen der Biogas-Einspeisung in höhere Druckstufen (Transportnetz) 40 / 44 [f] Wie machen es die Nachbarn ?

[f] Wie machen es die Nachbarn ? Niederlande • Deponiegasaufbereitung an 5 Standorten  EU-Forschungsprojekt ALTENER  Vergärung organischer Abfälle & Klärschlamm  Druckwasserwäsche  Einspeisung ins öffentliche Gasnetz 41 / 44 [f] Wie machen es die Nachbarn ?

[b] Rechtliche Rahmenbedingungen [a] Motivation [b] Rechtliche Rahmenbedingungen [c] Aufbereitungstechniken [d] Wirtschaftlichkeit [e] Biogasanlagen in Deutschland [f] Wie machen es die Nachbarn ? [g] Fazit 42 / 44 Gliederung

• gesetzliche Grundlagen noch in den Kinderschuhen Fazit • gesetzliche Grundlagen noch in den Kinderschuhen • technisch sehr weit, innovative + funktionierende Systeme • unwirtschaftlich unter jetzigen Rahmenbedingungen bislang Nutzung in BHKW-Variante vorteilhafter • viel Potential, falls Gaseigenschaften nicht am Einspeisepunkt, sondern im Netz maßgeblich sind; wie in anderen europäischen Ländern • CO2-neutral 43 / 44 [g] Fazit

• bremer energie institut – gutachten, 06/2003 Quellen • bremer energie institut – gutachten, 06/2003 „Untersuchung zur Aufbereitung von Biogas zur Erweiterung der Nutzungsmöglichkeiten“ • T. Schmalschläger, 06/2003 „Aufbereitung von Biogas und Einspeisung ins Erdgasnetz“ • N. Dichtl, 2002 „Technische Voraussetzungen zur Einspeisung von Biogas ins Erdgasnetz“ • BMU, 2003 „Basisdaten Biogas Deutschland“ 44 / 44 Quellen