Innovations- und Forschungsprojekt
Intervallbetrieb Biogasanlage Grub

Durch den Neubau einer Forschungs-Biogasanlage zur Grundlastversorgung des Versuchsbetriebs Grub für Demonstrations- und Forschungszwecke, welche durch ein zusätzliches Spitzenlast-BHKW sowie weitere Einrichtungen zur Nutzung des Intervallbetriebs erweitert wurde, konnte ein umfassendes Programm zur Erprobung dieses Anlagenbetriebs ermöglicht werden.

Ziel soll die Nachempfindung einer durch dörflichen Charakter geprägten Energiewirtschaft mit einem möglichst hohen Anteil an eigenproduzierter elektrischer sowie thermischer Energie sein. Durch den ausschließlich innerbetrieblich schwankenden Strombedarf der Liegenschaft Grub bietet sich perspektivisch die Möglichkeit, durch Kombination fluktuierender und regelbarer Stromerzeuger ein autarkes Netz zur Stromversorgung auf Basis Erneuerbarer Energieträger aufzubauen. In Kombination mit einem intelligenten Lastmanagement soll Biogas als speicherbarer Energieträger die fluktuierende Erzeugung der Photovoltaikanlage (derzeit 55 kWp installiert) ausgleichen und einen Großteil der zukünftigen Residuallast abdecken.

Die Erkenntnisse aus der Erprobung unter Praxisbedingungen sollen Aussagen zu den Auswirkungen des bedarfsorientierten BHKW-Betriebs auf folgende Verfahrensbereiche liefern:

In der ersten Versuchsphase wurde die bestehende Biogasanlage von Grundlast- auf Intervallbetrieb umgerüstet. Durch die Einbindung des Spitzenlast-BHKW´s mit einer installierten elektrischen Leistung von 203 kW war eine mittelspannungsseitige Anbindung ans Stromnetz erforderlich. Die Installation eines angepassten Wärmespeichers steht noch aus. Für die Einlagerung von Zuckerrübenbrei wurden bestehende Güllelager umgerüstet.

Für den Lastverlauf in der Liegenschaft Grub in Abhängigkeit von Tageszeit, Wochentag und Jahreszeit wurde ein Prognosemodell erstellt. Es wurde untersucht, inwieweit sich der Strombezug aus dem öffentlichen Netz zur Abdeckung von Lastspitzen durch intelligentes Management vermeiden lässt. Zu diesem Zweck wurden auch Messungen zum Leistungsbedarf im Bereich der Milchviehhaltung durchgeführt.

Um den gestiegenen Anforderungen des Intervallbetriebs zu entsprechen, wurden die BHKW mit einer Motorvorerwärmung und einer zusätzlichen Gasaufbereitung ausgestattet. Um eine möglichst schonende Betriebsweise zu garantieren, wurde die Last der Motoren nicht häufiger als im Vier-Stunden-Takt variiert. Das Spitzenlast-BHKW wurde zwischen Volllast und minimal 60 % Teillast gefahren, während das Grundlast-BHKW jeweils lediglich zu- oder abgeschaltet wurde (nur Volllast: 75 kW elektrische Leistung). Je nach Strombedarf der Liegenschaft Grub wurden beide Motoren unabhängig voneinander eingesetzt. Im Rahmen des Projekts wurden auch Messungen zu den Wirkungsgraden und den Abgasemissionen der Motoren in unterschiedlichen Betriebszuständen vorgenommen.

Neben der bedarfsgerechten Stromerzeugung wurden auch die Möglichkeiten einer bedarfsgerechten Gasproduktion durch den Einsatz von schnell verfügbaren Substraten (Zuckerrübe) untersucht. Mit Hilfe von prozessbiologischen Analysen wurden die Auswirkungen auf den Gärprozess durch substratbedingte Stoßbelastungen, Abbaugeschwindigkeit sowie die dynamische Prozessfütterung näher betrachtet.

Seit Ende November 2016 konnte das Spitzenlast-BHKW erfolgreich in den Betriebsablauf integriert werden. Hierbei ließen sich verschiedene Fahrweisen während der Woche realisieren. Die Fahrweise der BHKW-Motoren wurde kalenderwöchentlich an den Verlauf der Gesamtlast in der Liegenschaft Grub angepasst (Abb. 2). Auf diese Weise konnte der Strombezug aus dem öffentlichen Netz deutlich reduziert werden (Abb. 3). Obwohl die Fütterung intensiviert und die Einführung von Gülle aufgrund des Engpasses an Gärrestlagerkapazität zurückgefahren wurde, konnte bisher keine Gefährdung der Fermenterbiologie festgestellt werden. Unter Berücksichtigung prozessbiologischer Grenzen konnten bereits erfolgreich die Spitzen während der Arbeitswoche abgefahren und eine Eigenversorgung mit bis zu 278 kW elektrischer Leistung realisiert werden. Mithilfe des Prognosemodells auf Wochenbasis konnte eine Überproduktion (Stromeinspeisung anstatt Inselbetrieb) weitestgehend vermieden werden.

Es wurde bei der schrittweisen Optimierung mit berücksichtigt, dass die BHKW-Motoren keine Start-Probleme aufwiesen und regelmäßig kontrolliert wurden. Außerdem wurde die Gasaufbereitung der flexiblen Fahrweise angepasst.

Die von der Biogasanlage Grub erhobenen Daten wurden auch verwendet, um das Potenzial zur Vermeidung von CO₂-Emissionen für die Liegenschaft Grub zu ermitteln. Für die Berechnung wurden die Produktions-, Emissions- und Verbrauchsdaten des Jahres 2017 herangezogen. Die Biogasanlage Grub produzierte in diesem Jahr 1.073 MWh Strom und 1.305 MWh Wärme. Das entspricht theoretisch dem Stromverbrauch von 216 Haushalten mit 4 Personen und dem Wärmeverbrauch von 65 Haushalten. Durch den bedarfsorientierten BHKW-Betrieb konnte 2017 knapp ¾ des Stromverbrauchs gedeckt werden, während nur 15 % der produzierten Wärme ins Nahwärmenetz eingespeist wurden. Allerdings sind bisher nur drei Gebäude an das Nahwärmenetz angeschlossen.

Im Jahr 2017 wurden durch die Strom- und Wärmeerzeugung in der Biogasanlage Treibhausgasemissionen in Höhe von insgesamt 641 t CO₂-Äq. vermieden. Die Biogas Stromerzeugung wurde für die Berechnung der Einsparung mit einer flexiblen Strombereitstellung aus fossilen Energieträgern verglichen, die Biogas Wärmeerzeugung wurde mit der Heizwärmebereitstellung aus Erdgas bewertet. Werden andere Referenzwerte angesetzt, wie z.B. der deutsche Strommix wird noch eine Einsparung von 451 t CO₂-Äq. erreicht. Die Biogasanlage leistete einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz. Da in der Biogasanlage hauptsächlich Gülle aus der benachbarten Rinderhaltung eingesetzt wird, werden nicht nur fossile Energieträger ersetzt, sondern auch in erheblichem Maße Methan-Emissionen aus der offenen Lagerung der Gülle verhindert. Durch Verbesserung des flexiblen Betriebs der Biogasanlage und einen möglichen Ausbau des Nahwärmenetzes könnte in den kommenden Jahren ein vollständig klimaneutraler Betrieb erreicht werden.

Ausführliche Ergebnisse sind dem Projektbericht zu entnehmen.

Projektbericht Intervallbetrieb Biogasanlage Grub 2018 3,1 MB

Zukünftig soll die Stromproduktion aus Biogas weiter erhöht und variabler gestaltet werden, um eine möglichst zielgenaue Lastabdeckung zu verwirklichen. Zu diesem Zweck sollen insbesondere die Möglichkeiten einer „biologischen Flexibilisierung“ durch die selektive Zugabe von Zuckerrübenmus und die saisonale Variation der Raumbelastung untersucht werden.