Anpassung der Fütterung an wärmegeführtes BHKW

von Marianne Karpenstein-Machan

Warum sollte man auf die Technik/Entwicklung umsteigen?

In Bioenergiedörfern spielt das BHKW als Wärmequelle eine wichtige Rolle. Über ein Nahwärmenetz sind die Wärmekunden verbunden und beziehen Heizungs- und Brauchwasserwärme für ihre Häuser. Um den Wärmenutzungsgrad weiter zu erhöhen, ist eine Gasproduktion angepasst an den Wärmebedarf ein folgerichtiger Weg. Dies kann durch eine Verringerung der „Fütterung“ im Sommer, bei geringem Wärmebedarf und einer Erhöhung der „Fütterung“ im Winter, bei hohem Wärmebedarf erreicht werden. Synergieeffekte ergeben sich zur bedarfsgerechten Stromproduktion. Durch einen gezielten Einsatz von unterschiedlichen Substraten ist die Wärme– und Stromproduktion nicht nur saisonal, sondern auch bei witterungsbedingten Nachfrageschwankungen im gewissen Maße steuerbar (1). In dem vorliegenden Beispiel steht die Anpassung an den saisonalen Wärmebedarf im Vordergrund. Es wird ein monatlicher Fahrplan für eine Fütterung mit verschiedenen Substraten vorgestellt. Bei starker Anpassung der Fütterung an die monatliche Wärmebedarfskurve, muss in den Wintermonaten, im Vergleich zu den Sommermonaten, die bis zu dreifache Gasproduktion verstromt werden, um den Wärmebedarf im Winter vollständig zu decken. Dafür muss ausreichend BHKW-Leistung zur Verfügung stehen, um auch die notwendige Wärme bereitzustellen. Es empfiehlt sich daher eine gleichzeitige Flexibilisierung in Wärme- und Stromproduktion.

Die Vorteile können folgendermaßen zusammengefasst werden:  

• überschüssige Wärme im Sommer wird vermieden;
• die Effizienz der eingesetzten Substrate wird erhöht;
• der Einsatz redundanter Wärmequellen wird stark reduziert oder ganz vermieden;
• weiteres Wärmepotenzial entsteht um neue Wärmekunden anzuschließen;
• durch Verlagerung der Gasproduktion und Verstromung in wind- und sonnenarme Zeiten kann zudem ein wertvoller Beitrag zur Deckung der Stromnachfrage geleistet werden (7).

Stand der Entwicklung

Das EEG hat von Beginn an die Stromproduktion von Biogasanlagen-BHKWs stark begünstigt. Die Wärmeproduktion wurde nur indirekt durch den KWK-Bonus gefördert. Auch in der „Post-EEG Zeit“ steht „Strom“ wieder im Fokus des Gesetzgebers. Durch Flex-Zuschlag und Flex-Prämie wird der BHKW-Zubau (Überbauung zur doppelten oder mehrfachen BHKW-Leistung) zur bedarfsgerechten Stromproduktion gefördert (s. auch Handlungsempfehlung: Weitere 10 Jahre EEG durch das Ausschreibungsmodell). Aber passt diese stromgeführte Fahrweise auch zu dem diskontinuierlichen Wärmebedarf in den Bioenergiedörfern? Ist eine bedarfsgerechte Stromproduktion mit einer bedarfsgerechten Wärmeproduktion kompatibel?

Die folgenden Abbildungen zeigen zwei typische sogenannte Lastprofile für den Heizbedarf und den Strombedarf im Jahresverlauf. Beide Kurvenverläufe zeigen geringere Strom-und Wärmeverbräuche in Sommer, wenngleich die Wärmelastkurve deutlich stärker einbricht als die des Stroms. Im Winter wird in Deutschland etwa zehn Prozent mehr Strom verbraucht als im Sommer (2). Nach neuesten Zahlen sind allerdings die Unterschiede im Stromverbrauch zwischen den Jahreszeiten in den letzten 30 Jahren geringer geworden (2). In Bezug auf den Strom- und Wärmebedarf im Tagesverlauf ähneln sich die Lastprofile mit Spitzenbedarf um die Vormittags- und frühen Abendstunden. Insofern steht einer Flexibilisierung des Biogas-BHKWs zur bedarfsgerechten Stromerzeugung generell nichts im Wege, auch wenn Wärmekunden über ein Nahwärmenetz zu versorgen sind. Es kann sogar von Synergieeffekten ausgegangen werden. Eine saisonale Anpassung des Fütterungsmanagements der Biogasanlage unterstützt eine bedarfsgerechte Fahrweise und begrenzt die Größe der Gas- und Wärmespeicher (1).

Die Variation der Fütterungsmenge oder das gezielte Kombinieren von unterschiedlich abbaubaren Substraten wurde bisher lediglich in Laborversuchen und in Forschungsbiogasanlagen untersucht. Mauky (1) konnte die große Dynamik der Gasproduktion durch die Variation der Mengen und der Zusammensetzung bei der Vergärung von schnell, mittel und langsam abbaubaren Substraten (Rübensilage, Maissilage und Rindergülle) bei gleichzeitig stabilem Prozess aufzeigen. Dabei konnte der Bedarf an zusätzlicher Gasspeicherkapazität (Bruttospeichervolumen) bis zu 45% reduziert werden. Barchmann u. a. untersuchten die Abbaugeschwindigkeit und Gas-Freisetzungsdauer verschiedener Substrate (1). Rindermist und Rindergülle enthalten geringere Anteile leicht abbaubarer Substanzen und höhere Anteile langsam abbaubarer Substanzen. Sie benötigen ca. 4-6 Tage um ihr höchstes Gasertragspotential zu erreichten. Eine deutlich geringere Reaktionszeit weist Maissilage auf, sie erreicht nach 1,5-2 Tagen im Biogasprozess ihr volles Ertragspotential, so dass beispielsweise auf witterungsbedingte Nachfrageschwankungen reagiert werden kann. Zuckerrübenmus entfaltet bereits innerhalb von 12 Stunden sein höchstes Gaspotenzial und ist damit am ehesten in der Lage, tagestypische Spitzenzeiten des Wärme- und Strombedarfs abzudecken (1).

Rechtliche Situation

Es gibt keine bekannten rechtlichen Einschränkungen für eine wärmeangepasste Fahrweise des BHKW, wenn die bei der Genehmigung der Biogasanlage zugelassenen Substrate für eine wärmeangepasste Fütterung verwendet werden.

Wärmeangepasste Fütterung

In dem Berechnungsbeispiel wird von einer häufig in der Praxis eingesetzten Substratkombination aus Rindergülle, Rindermist und Hühnertrockenkot (HTK), Silomais, Wintergetreide-GPS und Zuckerrübenmus ausgegangen. Auf einem Praxisbetrieb mit einer 750 kW_el Biogasanlage erfolgt im „Status quo“ die Verteilung der Futtermengen über das Jahr relativ gleichmäßig, lediglich in den drei Sommermonaten Juni, Juli und August wird die Silomaismenge deutlich reduziert und nur zum Teil mit Wintergetreide-GPS ergänzt. Wie in der nachfolgenden linken Abbildung zu sehen ist, entsteht ein kleiner Einbruch in der Fütterungsmenge, was als minimale Anpassung der Fütterung an den Wärmbedarf interpretiert werden könnte. Strebt man eine stärker an den Wärmebedarf angepasste Fütterung an, müssen die Substrate so verteilt werden, dass die Hauptgasproduktion in den Wintermonaten anfällt. Ziel der Fütterung ist es, den Wärmebedarf für das Nahwärmenetz des Bioenergiedorfes und den Fermenter im Winter möglichst vollständig abzudecken und im Sommer die Nawaro-Substrate deutlich zu reduzieren, um dem geringen Wärmebedarf zu folgen. In der nachfolgenden Abbildung (rechts) ist eine wärmeangepasste Variante aufgezeigt. Der eingesetzte Wirtschaftsdüngeranteil (Gülle, Rindermist, HTK) wird weiterhin das ganze Jahr über mit gleichbleibenden Mengen gefüttert und stellt die Grundlast der Energieerzeugung im Sommer dar. Energiereicher Silomais wird in den Winter- und Übergangsmonaten in höheren Mengen vergoren und in den Sommermonaten reduziert. Wintergetreide-GPS (Triticale- oder Roggenganzpflanzen) trägt nur in den Winter-und den Übergangsmonaten zur Deckung des Wärmebedarfs bei. Zuckerrübenmus wird im vorliegenden Beispiel kontinuierlich, im Winter mit höheren und im Sommer mit geringeren Mengen eingesetzt.

Aus der stark wärmeangepassten Fütterung der Biogasanlage resultiert eine bis zu dreifach höhere Gasausbeute in Winter im Vergleich zum den Sommermonaten. Das bedeutet, dass im Winter ca. 1.200 kW_el BHKW Leistung benötigt wird und im Sommer die elektrische Leistung des 750 kW BHKWs auf ca. 350 kW_el Leistung heruntergefahren bzw. die Laufzeit reduziert werden muss. Die nachfolgende Abbildung zeigt die berechnete BHKW-Leistung für die einzelnen Monaten des Jahres sowie die monatliche Stromproduktion in der wärmeangepassten und der Status quo Variante.

Um diesen konsequent wärmegeführten Fütterungsplan umzusetzen, benötigt man folglich eine mindestens 1,5 fache Überbauung des BHKW. In diesem Zusammenhang sollte man dann überlegen, ob im Zuge der Wärmeanpassung nicht eine mehrfache BHKW-Überbauung sinnvoll und ökonomisch folgerichtig ist. Zuckerrübenmus könnte dann nach einem Tagesfahrplan stoßweise zu Phasen mit Hochstrompreisen eingesetzt werden und höhere Stromeinnahmen generieren. Ein intensiver Intervallbetrieb mit mehrfachen täglichen Starts und Stopps stellt jedoch hohe Anforderungen an BHKW-Leistung sowie Gas- und Wärmespeicher. Dieser weitere Anpassungsschritt erfordert weitergehende Investitionen in Speicherkapazitäten und bleibt hier unberücksichtigt.

Durch die Umverteilung der Substratmengen in die Wintermonate können 1.430 Tonnen Silomais und 100 Tonnen Zuckerrübenmus jährlich eingespart werden. Die Getreide-GPS Menge steigt dagegen um 600 Tonnen im Jahr. Der Anteil von Silomais sinkt von der Fütterung im Status quo zu der wärmeangepassten Fütterung von 26 auf 21 Masseprozent und der Wirtschaftsdüngeranteil steigt von 46 auf 48 Masseprozent. Damit kann der Maisdeckel weit über das Jahr 2033 hinaus eingehalten werden (Maisdeckel 2033: 29 %) Der Wirtschaftsdünger stellt den Löwenanteil dar, was ökologisch wichtig und in Bezug auf zukünftige Verkäufe von CO₂-Zertifikaten wirtschaftlich interessant ist.

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen, dass durch die wärmeangepasste Fütterung die durchschnittliche monatliche Wärmeeinspeisung in das Nahwärmenetz und den Fermenter gut angeglichen werden konnte. Die Wärmeerzeugung liegt mit 1.140 MWh über dem durchschnittlichen jährlichen Wärmebedarf für das Nahwärmenetz und den Fermenter. In den Wintermonaten ist der Wärmepuffer größer, im Sommer geringer, um auch bei extremen Temperaturen im Winter die Wärmeversorgung weitgehend abzudecken, so dass der Einsatz redundanter Wärmequellen reduziert oder ganz darauf verzichtet werden kann. Darüber hinaus können weitere Wärmekunden angeschlossen werden.

Wirtschaftlichkeit

In der nachfolgenden Berechnung ist davon ausgegangen worden, dass die Biogasanlage im Zuge der Wärmeanpassung auch die notwendige höhere BHKW-Leistung bereitstellt. Folgt man dem vorliegenden Beispiel, wäre eine BHKW-Zubau 750 kW_el auf ca. 1.200 kW_el notwendig. Es würde sich daher anbieten, gleich mit mindestens doppelter Überbauung an einer Ausschreibung nach dem EEG 2021 teilzunehmen, um eine 10-jährige Weiterförderung zu bekommen. In der Wirtschaftlichkeitsberechnung wird daher von einem Stromvergütungspreis von 17ct/kWh ausgegangen, der im Zuge der Ausschreibung realistisch erscheint.

Durch die wärmeangepasste Fütterung werden Substratkosten in Höhe von knapp 25.000 Euro pro Jahr eingespart, zugleich geht aber auch die Stromproduktion durch die verringerte Fütterung und den reduzierten BHKW-Einsatz im Sommer um ca. 297 MWh zurück. Um die gleiche Strommenge wie im Status quo zu erreichen, hätte man wiederum einen hohen Wärmüberschuss akzeptieren müssen, welches ja gerade vermieden werden sollte.
Der Stromerlös sinkt bei einer Einspeisevergütung von 17 ct/kWh um ca. 50.500 Euro in der wärmeangepassten Variante. Dies kann durch die Einsparungen bei der Fütterung allein nicht wettgemacht werden, es bleibt ein Differenzbetrag von ca. 25.500 Euro. Aber es ist mit weiteren Zusatzeffekten zu rechnen, da geringere redundante Wärmequellen (Holz, Heizöl) für den Wärmebedarf im Winter benötigt werden. Geht man davon aus, dass statt durchschnittlich 10 nur noch 2 Prozent des Wärmebedarfs im Jahr durch Heizöl bereitgestellt werden muss, entsteht bei einem Heizölpreis von 0,60 Euro/Liter ein weiterer Spareffekt von 26.000 Euro, so dass die Gesamtbilanz in Summe bereits positiv wird (s. nachfolgende Tabelle).

Gewinn und Verlust Kalkulation
Rückgang Stromproduktion in kWh	-296.568
Rückgang Einnahmen in Euro (17 ct/kWh)	-50.417
Einsparung Substratkosten  in Euro	24.920
Defizit danach in Euro	-25.497
Einsparung foss. Spitzenlast 8 % (Ölpreis 0,60 ct/l)	26.000
G+V	503

Bei einem Wärmeverkaufspreis von 8,5 ct/kWh und einen durchschnittlichen jährlichen Wärmebedarf von 25.000 kWh für ein Einfamilienhaus könnte durch jeden zusätzlichen Wärmekunden weiterer Umsatz von je 2.125 Euro generiert werden. Durch die CO₂-Bepreisung von fossilem Gas und Heizöl besteht auch eine gute Chance, in den Bioenergiedörfern weitere Wärmekunden zu gewinnen. Auch der künftige Einsatz von CO2 -Zertifikaten und der Verkauf von möglichst viel der BHKW-Abwärme verbessert die Einkünfte für Bestandanlagen. Damit können es Biogasanlagen schaffen, mit einer niedrigen Vergütungshöhe bei der Ausschreibung von bspw. 17 ct/kWh auskömmlich zu wirtschaftlich (s. auch Handlungsempfehlung: Weitere 10 Jahre EEG durch das Ausschreibungsmodell).

Vor der Umstellung auf eine wärmeangepasste  Fütterung sollte man prüfen, ob es sinnvoll ist, eine stärkere Flexibilisierung mit einer BHKW-Überbauung von über 200 Prozent umzusetzen, denn die Kosten für eine höhere Leistung von BHKW sind im Leistungsbereich zwischen 1 MW bis 2 MW vergleichsweise günstiger. Anderseits könnte es bei einer starken Strom-Flexibilisierung zu einem Zielkonflikt zwischen Strom- und Wärmevermarktung kommen, da die BHKWs evtl. nur noch 2.000 bis 2.500  Stunden im Jahr laufen. Somit wären große Investitionen in Gas- und Wärmespeicher notwendig und die Abhängigkeit vom Börsenstrompreis würde stark zunehmen. Anders als bei Biogasanlagen mit geringem Wärmeabsatz, steht bei Bioenergiedörfern mit Nahwärmenetzen und vielen Wärmekunden die Vermarktung der Wärme im Vordergrund. Dies zeichnet Bioenergiedörfer aus.

Ökologie

Ein BHKW erzeugt mehr Wärme als elektrische Leistung. Es ist wärmegeführt, wenn der Einsatz des BHKW nach der nachgefragten Wärmemenge ausgerichtet wird. Bei Kraft-Wärme-Kopplung ist diese Leistungsführung naheliegend und ökologisch sinnvoll, da die erzeugte Energiemenge mit hohem Wirkungsgrad genutzt wird. Energiereiche Substrate von Ackerflächen werden dann eingesetzt, wenn der Wärmebedarf in Winter hoch ist und in den Sommermonaten wird ein Überschuss an Wärme, die keiner sinnvollen Nutzung zugeführt werden kann, vermieden. So kann der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffe vom Acker begrenzt werden. Wirtschaftsdünger wie z.B. Gülle und Stallmist werden jedoch ganzjährig vergoren, da sie im Vergleich zu nachwachsenden Rohstoffe einen geringen Energiegehalt besitzen und im Sommer die Grundlast an Wärme abdecken können. Darüber hinaus ist die ganzjährige Vergärung aus Wirtschaftsdünger wie z. B. Gülle oder Stallmist aus Klimaschutzgründen wichtig, um Methanausgasungen in den Lagerstätten im Stall oder Hof zu vermeiden.

Organisatorische Umsetzung

Jede Umstellung des Fütterungsregimes sollte langsam und nicht abrupt erfolgen, damit die Bakteriengesellschaften sich an die neue Fütterung anpassen können. Neue Substrate sollten in langsam ansteigenden Mengen gefüttert werden. Besonders Methanbakterien reagieren empfindlich auf Milieuveränderungen (3). Anderseits können neue Substrate, die bisher noch nicht verfüttert wurden, sich positiv auf die Mikroorganismenvielfalt im Fermenter auswirken und die Biogasausbeute steigern. Denn Mikroorganismen benötigen eine ausgewogene Ernährung mit Makronährstoffen (N, P, K, Ca, S) und Mikronährstoffen, viele davon sind essenziell (Nickel, Cobalt, Molybdän, Selen, Eisen). Ein Substratmix aus verschiedenen Pflanzenarten und Wirtschaftsdünger ist am besten geeignet, um diese Ansprüche der Mikroorganismen zu erfüllen (6). Bei der „Fütterung“ eines Fermenters muss beachtet werden, dass auch eine übermäßige Substratzugabe den Gärprozess hemmen kann, da sich grundsätzlich jeder Inhaltsstoff eines Substrates in zu hohen Konzentrationen schädlich auf die Bakterien auswirken kann (5). Eine Verminderung der Fütterung im Rahmen der Wärmeanpassung muss nicht automatisch zu einer linearen Reduktion der Biogas- und damit Stromausbeute führen. Bei geringerer Raumbelastung und längerer Verweilzeit wird die Ausbeute pro zugeführter Substratmenge erhöht (6). Stehen den Anlagebetreibern zwei BKHWs zur Verfügung, kann in den 3 Sommermonaten ein BHKW vorübergehend stillgelegt werden.

Bei weitergehenden Anpassungen an eine bedarfsgerechte Wärme- und Stromproduktion durch einen täglich optimierten Fahrplan, sollte der Anlagenbetreiber prüfen, ob die Gas- und Wärmespeicherkapazität dafür ausreichend dimensioniert ist und ob genügend flexible Motorleistung zur Verfügung steht (4).

Ein Beispiel aus einem Bioenergiedorf zur Stromflexibilisierung:

„Nach vielen Diskussionen und Abwägungen wurde das erste Konzept, das eine alleinige stromgeführten Flexibilisierung vorsah wieder verworfen, weil es den Genossen zu spekulativ, nur auf den Stromhöchstpreis an der Börse ausgerichtet, erschien. Sie strebten ein Konzept an, welches die Gesamtanlage insgesamt effizienter macht und die Wärmekunden auch stets im Blick hat. Die Wärme ist uns ja das Wichtigste,  wir wollen in erster Linie dann Strom erzeugen, wenn wir Wärme im Dorf brauchen“ (7).

Zum Weiterlesen

1. Strommagazin. Stromverbrauch im Jahresverlauf. Der Winter ist Stromsaison [online], 2003. [Zugriff am 15. April 2021]. Verfügbar unter: https://www.strom-magazin.de/strommarkt/stromverbrauch-im-jahresverlauf-der-winter-ist-stromsaison_51786.html

2. Barchmann, T., Mauky, E., Dotzauer, M., Stur, M., Weinrich, S., Jacobi, H.F., Liebetrau, J., Nelles, M. Erweiterung der Flexibilität von Biogasanlagen – Substratmanagement, Fahrplansynthese und ökonomische Bewertung, 2016. In: LANDTECHNIK 71(6), 2016, 233–251

3. Liebetrau J., Weinrich, S., Sträuber, H., Kretzschma, J. Anaerobic fermentation of organic material: Biological processes and their control parameters, 2019. In: Kaltschmidt M (Hrsg.), Energy from organic materials (biomass). Encyclopedia of Sustainability Science and Technology Series. doi:10.1007/978-1-4939-2493-6_962-1, Springer, New York, S. 779-807

4. Fraunhofer IEE. Verbundvorhaben: Upgrading von Bestandsbiogasanlagen hin zu flexiblen Energieerzeugern durch eine bedarfsorientierte Dynamisierung der Biogasproduktion (UBEDB) [online], 2018. Verfügbar unter: https://www.fnr-server.de/ftp/pdf/berichte/22401614.

5. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (Hrsg.). Leitfaden Biogas. Von der Gewinnung bis zur Nutzung [online], 2016. Verfügbar unter: http://www.fnr.de/fileadmin/allgemein/pdf/broschueren/Leitfaden_Biogas_web_V01.pdf

6. Karpenstein-Machan, M. Energiepflanzenbau für Biogasanlagenbetreiber, 2005. DLG -Verlags-GmbH, Frankfurt, ISBN 3- 7690-0651-8.

7. Karpenstein-Machan, M. Jühnde investiert ins Bioenergiedorf 2.0, 2016. In: Energie aus Pflanzen 2, 2016.