Flexible Stromerzeugung in kommunalen Kläranlagen: Auswirkungen auf Kraftwerkseinsatz, Strombezugskosten und Treibhausgasemissionen

Zusammenfassung

Untersucht werden die Auswirkungen flexibler Stromerzeugung in deutschen kommunalen Kläranlagen auf den Kraftwerkseinsatz im Energiesystem sowie mögliche Kosteneinsparungen für Kläranlagenbetreiber und die Änderung der Treibhausgasemissionen der systemischen Stromerzeugung. Die Analysen werden für kommunale Kläranlagen in Deutschland für drei Szenarien im Jahr 2030 durchgeführt.

Für die Zielerreichung werden verschiedene methodische Schritte angewendet: Mittels eines Merit-Order-Modells werden Strompreise am Day-Ahead-Markt und Treibhausgasemissionen in stündlicher Auflösung simuliert. Ein Technisches Betriebsmodell beschreibt die technischen Parameter – u. a. BHKW-Nennleistung und Faulgasspeichervolumen – des Bestands kommunaler Kläranlagen. Für die Erarbeitung eines kostenoptimalen Erzeugungsprofils wird ein linearer Optimierungsansatz genutzt.

Die durch die flexible Stromerzeugung ermöglichten Kosteneinsparungen befinden sich im unteren Prozentbereich der Betriebskosten der Kläranlagen und stellen daher nur eine geringe Motivation dar, flexible Stromerzeugung umzusetzen (0,1–2 %). Durch die kostenmäßig motivierte flexible Stromerzeugung kann es zu einer Erhöhung der Treibhausgasemissionen kommen. Dies ist durch den Anstieg der Erzeugung aus Grundlastkraftwerken und der Verringerung der Erzeugung aus Spitzenlastkraftwerken begründet. Für das analysierte Fallbeispiel gilt jedoch, dass die Höhe der Änderung der Treibhausgasemissionen – sowohl zusätzliche als auch eingesparte – im Vergleich zu den gesamten Treibhausgasemissionen der Stromerzeugung vernachlässigbar ist.

Abstract

This study addresses the effects of flexible power generation in German municipal wastewater treatment plants focusing on changes in the merit order of the German energy system, as well as possible cost savings for wastewater treatment plant operators and the change in greenhouse gas emissions from power generation in the whole system. The analysis is carried out for municipal sewage treatment plants in Germany in 2030 considering three different scenarios.

In order to achieve the main goal of this paper, a merit order model is used and both electricity prices on the day-ahead market and greenhouse gas emissions are simulated in an hourly resolution. A technical operating model is used to describe the technical parameters of the stock of municipal sewage treatment plants (i.e. Combined Heat and Power nominal capacity and digested gas storage volume). A linear optimization approach is used to develop a cost-optimized generation profile.

Results show that the cost savings due to the flexible generation of electricity are in the lower percentage of the operating costs of wastewater treatment plants and therefore provide little incentive to implement flexible power generation (0.1–2%). Economically motivated flexible power generation can increase greenhouse gas emissions due to the increase in generation from base load power plants at the expense of a reduction in generation from peak load power plants. For the case study analyzed, however, the level of change in greenhouse gas emissions—both additional and saved—is negligible compared to the total greenhouse gas emissions of electricity generation.