Integrace systému přeměny bioplynu na elektrickou energii Flexibilita a systémové služby M.Sc. Martin Dotzauer
Agenda • Stručný přehled o činnosti DBFZ • Technologický postup při využití bioplynu • Potenciál bioplynu v Německu • Přeměna bioplynu na elektr. energii v souladu s poptávkou • Systémové služby
Stručný přehled o činnosti DBFZ Německé výzkumné centrum pro biomasu (DBFZ) Výzkum energetického využití biomasy v oblastech bioenergetických systémů biochemické přeměny termochemické přeměny biorafinerií Oblasti kompetence Mimo jiné disponibilita bioenergií v souladu s poptávkou Laboratoře, zkušebny, technické vybavení, výzkumná bioplynová stanice
Technologický postup přeměny na elektrickou energii přímo v místě spotřeby
Substráty
Dorůstající suroviny
Zbytkové látky
Kvašení
nepřetržitě
Úprava
Čištění surového plynu
Využití
kogenerace
Zdroj: DBFZ, M.Dotzauer (2013)
Odpad
přerušovaně
Technologický postup přeměny na elektrickou energii přímo v místě spotřeby
Výroba plynu z regionálně dostupných substrátů (kejda, hnůj, zbytkové látky, energetické rostliny)
Úprava bioplynu: Odvlhčení Odsíření
Lokální přeměna na elektřinu v blokové tepelné elektrárně nebo mikroplynových turbínách
Opční tepelné využití (kogenerace) Ve venkovských regionech chybí celkové pokrytí odběrných míst tepla
Decentrální dodávky elektřiny do venkovských regionů (prostorová naváznost na další obnovitelné energii jako jsou větrná energie a fotovoltaika)
Technologický postup – Dodávky biometanu do soustavy
Substráty
Dorůstající suroviny
Zbytkové látky
Odpad
Kvašení
nepřetržitě
přerušovaně
Úprava
Čištění surového plynu
Úprava biometanu
Využití
kogenerace
teplo
Zdroj: DBFZ, M.Dotzauer (2013)
mobilita
Technologický postup – dodávky biometanu do soustavy
Výroba plynu z energetických rostlin ve větších zařízeních
Úprava bioplynu: Odvlhčení, sušení Oddělení CO2 Zahuštění, nastavení energetické hodnoty, odorizace
Virtuální přenos prostřednictvím sítě
Opce pro odbyt: výroba tepla, biopalivo, kogenerace
Přeměna elektřiny v kogenerační jednotce pro využití při odběru tepla, dotace podle zákona o obnovitelných zdrojích energie
Decentrální dodávky el. proudu do městských oblastí (prostorová návaznost na oblasti s vysokou koncentrací odběratelů)
Potenciál bioplynu v Německu – stávající stav
Instalovaný výkon zařízení ízení
Počet zařízení
Instal. výkon [MWel]
Zařízení pro přeměnu bioplynu na el. energii přímo v místě spotřeby, 2012; Zdroj: DBFZ
Potenciál bioplynu v Německu – stávající stav Kapacita pro úpravu (surový plyn) [Nm3/h]
Počet zařízení
Kapacita pro úpravu (surový plyn)
Počet zařízení
Zařízení zabezpečující dodávky biometanu do sítě, 2012; Zdroj: DBFZ
Potenciál dorůstajících surovin v Německu – stávající stav PĚSTOVÁNÍ DORŮSTAJÍCÍCH SUROVIN V NĚMECKU
Rozloha pro pěstování v ha
2013*(na 1.000 hektarů) Průmyslové rostliny Přadné rostliny Rostliny určené k léčení a barvení Rostliny určené k získávání cukru Rostliny určené k získávání škrobu
Olejniny
Energetické rostliny Rostliny na výrobu pevných paliv Cukr a škrob na výrobu bioetanolu Rostliny na výrobu bioplynu Řepka na výrobu bionafty/rostlinný olej *předběžný
Rozlohy pro pěstování dorůstajích rostlin, 2012; Zdroj: FNR
odhad
Potenciál bioplynu v Německu Faktory pro rozšíření výroby bioplynu Míra využití stávajících odpadů (na vysoké úrovni) Mobilizace zemědělských zbytkových látek (kejdy, slámy) Disponibilita ploch a poměry pro pěstování dorůstajících surovin Cenová úroveň zemědělských produktů Omezení nárůstu množství, rezervy v kvalitě Prostřednictvím flexibility lze při využití stejné primární energie poskytnout vyšší výkon (zhuštění produkce)
Potenciál bioplynu v Německu do 2020 Tabulka 3-2: Výroba elektřiny z obnovitelných zdrojů na základním scénáři z roku 2010 podle druhů energie (přibližně odpovídá skutečnému ročnímu objemu energie)
Vodní energie Větrná energie -
Onshore
-
Offshore
Fotovoltaika Biomasa bioplyn, kalový plyn, skládkový plyn; rostlinné oleje
-
pevná biomasa
-
biogenní odpad
Geotermie Společná energ. EU -
solárně-termické elektr.
-
větrná, jiné OE
OE – el. energ.celkem
OE – el. energie D Zdroj: DLR-Leitstudie 2010 (Nitsch. J. et al, 2010)
V roce 2012 bylo v Německu vyrobeno 21,1 TWhel z bioplynu
Role bioenergie v elektrizační soustavě Složení výroby el. proudu v roce 2012 v Německu Obnovitelné zdroje přispěli svými 136 miliardami kilowathodin k 22 % hrubé výroby elektřiny Fotovoltaika Ostatní: 28 mld. kWh 35 mld. kWh Zemní plyn: (4,5 %) 70 mld. kWh (11%) Vodní energie 21 mld. kWh Černé uhlí: (3,4%) 118 mld. kWh Biomasa (19%) Celkem (vč.biogenního odpadu) 618 mld. kWh 41 mld. kWh Jaderná energie: (6,6 %) 100 mld. kWh (16%)
Větrná energie 46 mld. kWh
Hnědé uhlí: 159 mld. kWh (26%) Zdroj: AG Energiebilanzen, BMU Stav: 3/2013
(7,4%) Obnovitelné zdroje: 136 mld. KWh (22%)
Přeměna bioplynu na el. energii v souladu s poptávkou Průběh zatížení v regulované zóně 50 Hertz červenec 2013 9 000
7 000
výkon [MW] Leistung
Netzlast Zatížení [MW] sítě [MW] Photovoltaik Fotovoltaika [MW] [MW]
5 000
Biomasse [MW] Biomasa [MW] Wind [MW] Vítr [MW] 3 000
Wasser Voda [MW] [MW] Gas [MW] Plyn [MW] Geothermie [MW] Geotermie [MW]
1 000
-1 000 Quelle: Daten: 50Hertz, Abbildung: DBFZ, M.Dotzauer (2013) -3 000
Přeměna bioplynu na el. energii v souladu s poptávkou Rámcové podmínky Potenciál biomasy je omezený a je k dispozici pouze v závislosti na nákladech Biomasa je specificky nákladnější než větrná energie popř. fotovoltaika Zvyšování poptávky po řízeném výrobním výkonu Flexibilita zařízení je po technické stránce vyzkoušená a lze ji rychle aplikovat Výroba el. energie z bioplynu musí v budoucnosti lépe reagovat na poptávku
Přeměna bioplynu na el. energii v souladu s poptávkou Zjednodušené schéma procesů ve statické bioplynové stanici
Příjem substrátu
Plyn.kompresor
Plyn. chladič
Plynový zásobník Blok.tep.elektrárna 1
Digestát
Ohřev fermentoru
Vyprodukované teplo
Zdroj: DBFZ, M.Dotzauer (2013)
Dodávka el. energie do sítě
Přeměna bioplynu na el. energii v souladu s poptávkou Zjednodušené schéma procesů ve flexibilní bioplynové stanici
Příjem substrátu
Rozšíření zásobníku
Plyn.kompresor
Plyn. chladič
Plynový zásobník Blok.tep.elektrárna 1
Blok.tep.elektrárna 2*
Digestát
Ohřev fermentoru
Vyprodukované teplo Dodávka el. energie do sítě
Flexibilní úprava a rozšíření jednotlivých komponentů zařízení
Zdroj: DBFZ, M.Dotzauer (2013)
Tepelný zásobník
Přeměna bioplynu na el. energii v souladu s poptávkou Dodávka el. energie do sítě
Výroba plynu
Stav naplnění zásobníku plynu
Zdroj: DBFZ, A.Krautz (2012)
Bilance výkonu v přenosové soustavě Zónová regulace německé přenosové soustavy (220kV / 380kV) 50 Hertz Východní Německo a Hamburk Mnoho druhů obnovitelných energií Velké fosilní kapacity (hnědé uhlí/při zákl. zatížení) Nízká spotřeba Export el. energie netto
Zdroj: Wikimedia, Francis McLloyd, CC-BY-SA
Bilance výkonu v přenosové soustavě Regelzone 5050 Hertz 01.07 2013 bei statischer Bioenergie Regulovaná zóna Hertz 1.7.2013 při statické bioenergii 9 000 8 000 7 000 Netzlast Zatížení sítě Obnov. energie EE
5 000
Photovoltaik [MW] Fotovoltaika [MW] 4 000
Wind [MW] Vítr [MW]
3 000
Biomasse [MW] Biomasa [MW] Wasser [MW] Voda [MW]
2 000 1 000
Zdroj: DBFZ, M.Dotzauer (2013)
23:30
22:45
22:00
21:15
20:30
19:45
19:00
18:15
17:30
16:45
16:00
15:15
14:30
13:45
13:00
12:15
11:30
10:45
9:15
10:00
8:30
7:45
7:00
6:15
5:30
4:45
4:00
3:15
2:30
1:45
1:00
0 0:15
Titel
6 000
Bilance výkonu flexibilní biomasy (0-200%) Regelzone 5050 Hertz 01.07 2013 při beipružné flexibler Bioenergie Regulovaná zóna Hertz 1.7.2013 bioenergii 9 000 8 000
6 000
Netzlast Zatížení sítě Obnov. energie EE_geglättet vyrovnané
5 000
Photovoltaik Fotovoltaika [MW] [MW] 4 000
Biomasse gesteuert Biomasa řízená
3 000
Wind [MW] Vítr [MW] Wasser [MW] Voda [MW]
2 000 1 000
Zdroj: DBFZ, M.Dotzauer (2013)
23:30
22:45
22:00
21:15
20:30
19:45
19:00
18:15
17:30
16:45
16:00
15:15
14:30
13:45
13:00
12:15
11:30
10:45
10:00
9:15
8:30
7:45
7:00
6:15
5:30
4:45
4:00
3:15
2:30
1:45
1:00
0 0:15
Leistung Výkon [MW]
7 000
Systémové služby Systémové služby (SDL) paralelně k čistě energetickému trhu V elektrické síti slouží k: udržení napětí a frekvence nadbytečnému výkonu pokrytí vyrovnání a ztráty energie schopnosti startu ze tmy Bioenergetická zařízení mohou poskytovat různé systémové služby
Systémové služby – Regulační energie Synchronní frekvence ve středoevropské distribuční soustavě (Union for the Coordination of Transmission of Electricity -UCTE) Pokud se rovná výroba spotřebě, je konstantní Odchylky vedou ke změně frekvencí Pro stabilizaci je nastavena regulační energie Rezervy výkonu, které lze krátkodobě aktivovat Kladná regulační energie (+) Záporná regulační energie (-)
Systémové služby – Regulační energie Primární regulace výkonu Doba aktivace 30 sek.
regulace výkonu
Sekundární regulace výkonu Doba aktivace 5 min.
Nutná regulační doba při odchylkách sítě [min] Zdroj: DBFZ, M.Dotzauer (2013)
Minutová záloha Doba aktivace 15 min.
Systémové služby – Regulační energie Zařízení pro biomasu mohou zpravidla nabízet regulační výkon Primární regulace nadále fosilní popř. prostřednictvím akumulátoru Sekundární regulace a minutová záloha jsou technicky možné Uvedení regulačního výkonu jako dalšího produktu na trh Stávající kapacity by již mohly pokrýt většinu současné potřeby
Systémové služby – Regulační energie bioplyn Grafické znázornění trendu Bloková tep. elektrárna start výkon/počet otáček zatížení
synchronizace
zahřívací fáze
Barva Stav počtu otáček Činný výkon (vyrovnaný)
nastavení
Zdroj: Schnell-Motoren AG, (2012)
Shrnutí Zařízení na zpracování biomasy musí reagovat v budoucnosti pružněji Potenciál flexibility krátkodobý: bioplynové stanice a zařízení na výrobu rostlinného oleje Středně až dlouhodobý: zařízení na zpracování pevných látek Bioplynové stanice mohou již dnes vyrábět proud v souladu s poptávkou Bioplynové stanice mohou poskytnout systémové služby Decentrální rozdělení zařízení a již instalovaná infrastruktura nabízejí značný potenciál k integraci systému
Děkuji Vám za Vaši pozornost Martin Dotzauer DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D-04347 Leipzig
[email protected] Durchwahl: Tel. +49 341 2434-385 Fax +049 341 2434-133 www.dbfz.de
Rolle der Bioenergie im Stromsystem
Bedarfsgerechte Biogasverstromung Lastfluss in der Regelzone 50 Hertz Januar 2013 9 000
7 000
Leistung [MW]
Wasser [MW] Gas [MW]
5 000
Biomasse [MW] Geothermie [MW] 3 000
Wind [MW] Photovoltaik [MW] Netzlast
1 000
-1 000 Quelle: DBFZ, M.Dotzauer (2013) -3 000
Bedarfsgerechte Biogasverstromung Technische Anforderungen Erweiterung der BHKW-Kapazität Erweiterung des Gasspeichers Ertüchtigung der Anlagenperipherie (Gasleitungen, Verdichter, Gaskühlung) Strukturelle Restriktionen Wärmenutzungskonzepte Netzkapazitäten am Einspeisepunkt Rechtliche Rahmenbedingungen
