1. 1
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
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 2
• Einführung: Biogasanlagen in Baden-Württemberg
• Befragung BG-Anlagenbetreiber in BW 2008
• Prozesstechnische Auswertung
• Ökonomische Auswertung
• Schlussfolgerungen
Agenda

2. 2
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 3
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
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 4
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. 3
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 55
Biogasanlagen
in
Baden Württemberg
2. Grunddaten
Standort Anlage
Landkreis Ort
Standort Anlage
Landkreis Ort
Alter der Anlage Baujahr Jahr der InbetriebnahmeAlter der Anlage Baujahr Jahr der Inbetriebnahme
Daten zur Anlage
Herstellername der Anlage bzw. Name des Lieferanten Gesamtinvestitionskosten der Anlage
Daten zur Anlage
Herstellername der Anlage bzw. Name des Lieferanten Gesamtinvestitionskosten der Anlage
1. Persönliche Daten
Kontaktdaten
Name, Vorname Straße PLZ Ort
Telefon E‐mail
Kontaktdaten
Name, Vorname Straße PLZ Ort
Telefon E‐mail
Art Ihres Betriebs
Bitte Tragen Sie die Art Ihres Betriebs ein… z.B.: Schweinemast, Feldanbau, gemischt (bitte alle Arten angeben),…
Art Ihres Betriebs
Bitte Tragen Sie die Art Ihres Betriebs ein… z.B.: Schweinemast, Feldanbau, gemischt (bitte alle Arten angeben),…
Fragebogen
2. 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
Betriebsstunden
In 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
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 66
Auswertung und Information für die Biogasanlagenbetreiber
Substrate Einheiten
Werte Ihrer
Anlage
Durchschnitt Leistungsklasse 1: bis 150 kW
Biogasanlage 1
Gülle FM
Festmist FM
Silomais FM
GPS FM
Getreide FM
Wiesengras FM
Ackerfutter FM
Hirse FM
Andere FM
Prozess Einheiten
Werte Ihrer
Anlage
Durchschnitt 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 Gasausbeuten
Nm³/ t oTS
(berechnet)
Ausbeuterate ‐
BHKW Einheiten
Werte Ihrer
Anlage
Durchschnitt 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
Biogasanlage 1

4. 4
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient?
Ergebnisse des Biogasanlagen-
Monitorings für 2008
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 88
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]
elektr.Leistung[kW]
16Anlagen
34Anlagen
21Anlagen
17Anlagen
88Anlagen
• 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. 5
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 9
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
Einsatzhäufigkeit[%]
Baden Württemberg
Deutschland
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 10
Silomais, Wiesengras und Gülle sind die am häufigsten eingesetzten Substrate!
Einsatzhäufigkeit Substrate [% der Anlagen]
Silomais, Wiesengras und Gülle sind die meist eingestzten Substrate
70%
60%
64%
36%
83%
23%
17%
11%
95%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
G
ülle
Festm
ist
Silom
ais
G
PS
G
etreide
W
iesengras
Ackerfutter
H
irse
Exoten
Einsatzhäufigkeit[%]
Exoten:
• Schweinegülle
• HTK
• Hühnermist
• LKS
• Futterreste
• Siloabraum
• Feuchtmais
• CornCobMix
• Obsttrester
• Raps GPS

6. 6
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 11
31%
20%
7%
4%
42%
19%
2%
22%
12%
27%
11%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
Silom
ais
G
PS
G
etreide
W
iesengras
Ackerfutter
H
irse
HäufigkeitsverteilungNaWaro[%]
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
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 12
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
Größenklasse[kW]
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. 7
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 13
Technische Auswertung - Anlagenspezifisch
Je 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]
DurchschnittlicherSubstrateinsatz[%]
Gülle Festmist Silomais GPS Getreide
Wiesengras Ackerfutter Hirse Exoten
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 14
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]
Substrateinsatzzur
Stromerzeugung[kgTM/kWhel]

8. 8
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 15
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]
Treibhauseffekt
[kgCO2Äq./kWhel]
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 16
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]
Zukauf/Einspeisverhältnis[%]

9. 9
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 17
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
1,23
1,251,141,01
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW
Größenklasse [kW]
Verstromungsfaktor
[kWhel/Nm³Biogas]
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
Energiegehalt
[kWhel/kgTM]
Verstromungsfaktor Energiegehalt
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 18
Die Raumbelastung steigt mit der Anlagengröße
Raumbelastung [kg oTS/ m³Fermenter]
2,8
3,8
4,2
1,9
2,2
2,7 2,8
2,4
5,6
4,5
0
1
2
3
4
5
6
- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW Durchschnitt
Größenklasse
Raumbelastung[kgoTS/m³Fermenter]
Raumbelastung Fermenter
Raumbelastung Gesamtsystem

10. 10
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 19
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]
Verweilzeit[Tage]
Verweilzeit im Fermenter
Gesamtverweizeit
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 20
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 643638651
555
658602
188164154
118
0
200
400
600
800
1000
1200
- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW
Größenklasse [kW]
Biogasausbeute[Nm³/t]
gemessene Biogasausbeute Nm³/toTS
berechnete Biogasausbeute Nm³/toTS
Biogasausbeute Nm³/tFM

11. 11
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 21
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]
Treibhauseffekt
[kgCO2Äq./kWhel]
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!
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 22
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]
Volllast-undBetriebsstunden[h/a]
Betriebsstunden Volllaststunden

12. 12
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 23
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]
AnteilederWärmenutzung[%]
Eigennutzung
Verkaufte Wärme
Verkaufte Wärme und Eigennutzung
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 24
FragebogenauswertungFragebogenauswertung
• 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]
Wärmeerlöse[cent/kWhth]

13. 13
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 25
FragebogenauswertungFragebogenauswertung
Größere Anlagen haben tendenziell höhere spezif. Substratkosten!
Spezifische Substratkosten [cent/kWhel]
6,5
6,1 6,3
6,8
0
2
4
6
8
10
- 150 kW 151-325 kW 326-500 kW > 500 kW
Größenklasse [kW]
Substratkosten[cent/kWhel]
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 26
FragebogenauswertungFragebogenauswertung
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]
Eigen/ZukaufVerhältnis[%]
Eigene Substrate
Substratzukauf

14. 14
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 27
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%
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 28
-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 [%]
Ertrag[€/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. 15
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 29
• 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:
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 30
• 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. 16
Stenull et al. 2009Arbeiten die baden-württembergischen Biogasanlagen effizient? 31
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,
maria.stenull@ier.uni-stuttgart.de