Biogas

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Biogas Energiegewinnung aus Bioabfall und
Energiepflanzen
Dr. Jürgen Beck
Fa. BIOVoltaik GmbH Rottenburg
Abschlussdiskussion Strategie der
Biomasseverwertung in Deutschland und über die
Möglichkeiten in Litauen Exkursion LZUU
Kaunas 18.8.2007
2
Primary Energy Consumption and Gross National
Product per Capita
(Mühlbauer 2000)
Source World Bank 1995, BP 1996
3
Methanemissionen

• Methanemissionen entstehen durch
• Anaeroben Abbau organischer Reststoffe der
  Kommunen (z. B. Mülledeponien), der
  Landwirtschaft und der Ernährungsindustrie
• Ruktus der Wiederkäuer und durch Darmgase
• Naßreisbau und Sümpfe
• Anaeroben Abbau von Biomasseschlämmen in den
  Sedimenten von Seen, Flüssen und Ozeanen
• Europäische Landwirtschaft (Brink et al. 2001)
  trägt dazu 1,9 Mt CH4 bei

4
Restenergie in Bioabfällen
Kommunaler Bioabfall
Speisereste in unterschiedlichem Rottestadium
5
Möglichkeiten der Energiegewinnung aus Biomasse
(nach Wellinger 1994)
Energie-fixierung in Biomasse
6
Verfahren zur energetischen Nutzung von Biomassen
Biomasse
trocken Holz Getreide Mais Raps
feucht Getreide Mais Gras Rüben Festmist
flüssig Flüssig-mist
Alkoholische Gärung
Methangärung
Verbrennung Verschwelung
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Historische Entwicklung der Biogasgewinnung I

• Erste systematische Untersuchungen mit Sumpfgas
  durch Alessandro Volta 1770 in Oberitalien
• 1821 gibt Avogadro chemische Formel von Methan an
• 1824 Louis Pasteur Versuche und Vorschlag,
  Pferdemist zu vergären für Straßenbeleuchtung in
  Paris
• 1897 Abwasserklärung in Lepra-Krankenhaus in
  Bombay/Indien, Nutzung zur Beleuchtung und ab
  1907 zum Antrieb eines Motors
• In Deutschland
• 1906 Imhoff entwickelt Emscherbrunnen zur
  Abwasserklärung, ab 1913 beheizter Fermenter
• 1920 Klärgas ins Essener Gasnetz eingespeist

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Historische Entwicklung II

• Im 2. Weltkrieg Reinigung und Verdichtung für
  Fahrzeugantrieb, erste Kofermentation
• 1940 in Stuttgart Fettzugabe
• Nach dem 2. Weltkrieg durch Imhoff landw.
  Biogasnutzung initiiert aus dem Mist einer Kuh
  ist hundert Mal soviel Gas zu gewinnen wie von
  einem städtischen Einwohner
• 1947 Biogasanlage System TU Darmstadt
  entwickelt
• 1959 von Landwirt Reusch in Hohenstein/Württemberg
  gebaut und bis in die 90er Jahre betrieben
• In Italien
• 1920 Gasbrunnen für Sumpfgasnutzung in der
  Poebene eingerichtet (wegen Brennstoffmangel)

9
Historische Entwicklung III

• in den 50er Jahren Anpassung der Technologie an
  Landwirtschaft (Sink-/Schwimmschichten), System
  Schmidt-Eggersglüß zur Verwertung von Festmist,
  aber Probleme mit Schwimmdecken, daher System
  Reusch, sicherer Streben nach Autarkie -
• Ab Mitte 50er Jahre wurden die damals ca. 50
  landw. Anlagen nach und nach stillgelegt
  (Heizölpreis von 0,10 auf 0,04 /l gefallen, nur
  2 überlebten
• 1973 erste Ölkrise, 1978 zweite Ölkrise
• Bauboom 150 Anlagen errichtet
• Motivation Energiegewinnung zur
  innerbetrieblichen Verwertung
• danach erneuter Energiepreisverfall
• 60 Anlagen ab Ende 80er Jahre stillgelegt
• Seit Anfang 90er Jahre 2. Boomphase

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Historische Entwicklung IV2. Boomphase

• Zusatzeinkommen über Kofermentation von
  Abfallstoffen
• Entsorgungsdienstleistung -
• Verbesserte Einspeisevergütung bei
  Biomassevergärung
• Geruchsminderung
• Standortvorteil -
• Hygienisierung
• Vorteil bei Tier- und Pflanzengesundheit -
• Dungwertverbesserung
• Verringerung der Düngerkosten
• Verringerung des Treibhauseffekts
  (Kyoto-Protokoll)
• Vorteil beim künftigen Handel mit
  Emissionszertifikaten

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Historische Entwicklung V2. Boomphase

• Gründe
• Stromeinspeisungsgesetz,
• seit 2000 Erneuerbare Energien Gesetz (EEG)
• gesicherte Stromabnahme mit verbesserter
  Bezahlung
• Energiegewinnung (Strom Wärme) zur außer- und
  innerbetrieblichen Verwertung
• seit August 2004 verbesserte Bezahlung von
  Biogasstrom aus nachwachsenden Rohstoffen
• bis 15 kW 11,2 Cent/kWh
• -1,5 Degression p.a.
• Bonus nachwachsende Rohstoffe 6,0 Cent/kWh
• bis 500 kW
• Bonus KW-Kopplungs-Strom 2 Cent/kWh
• Bonus innovative Technologie 2 Cent/kWh

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Biogassysteme in Deutschland
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Ziele des Biogasverfahrens

• Verbesserte Pflanzenverträglichkeit
• Bessere Düngewirkung
• Verbesserte Pflanzengesundheit
• Hygienisierung (vor, während oder nach Prozess)
• Abbau von Unkrautsamen
• Einsparung von Kanalanschlußgebühren

• Gewinnung hochwertiger Energie durch Abbau
• organischer Reststoffe
• von NawaRos
• Geruchsminderung
• Verringerte Ätzwirkung
• Verbesserte Fließfähigkeit
• Verminderte Methanemissionen

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Bestand landwirtschaftlicher Biogasanlagen
2003 / 2004
www.biomass.info.net
15
Development of Biogas Plants in Germany
Number of Biogas Plants Installed Electric Power
Installed electric Power Mwel.
Number of Biogas Plants
2006 estim.
German Biogas Association (2006)

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Energetischer Vergleich anaerober und aerober
Aufbereitung organischer Reststoffe
Energetischer Vergleich anaerober und aerober
Aufbereitung organischer Reststoffe
Metabolic Products Aerobic Treatment / Composting Anaerobic Treatment - Biogas Fermentation -
New Cell Biomass 60 10
Heat 40 -
Methane - 90
Electricity consumed about 2 kWhel/kg odm generated
17
Perspectives and Chances of Biogas Generation
Theoretische Gaserträge
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Monofermentation von SpeiserestenAnlage
Donaueschingen
BHKW 511 kWel
165 m³
Fahrzeug -Waage
Gasspeicher 800 m³
165 m³
Reserve-kessel
165 m³
Beschickungs-grube
165 m³
Vorgrube
1000 m³
Endlager
3000 m³
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Homogenisieren in Biogasfermentern
(Schulz 1996)
20
Vereinfachtes Schema einer Biogasanlage
(Linke 2001)
21
Wärmetausch am BHKW
22
Bemessungs- und Leistungsparameter
(Linke 2001)
23
Biogasausbeuten bezogen auf Frischmasse
http//www.biomasse-info.net/
24
Energieertrag von Nutzpflanzen
(Heyland 1978)
25
Kofermentation von Rindergülle mit
Gehaltsrübenmussilage Zielsetzung

• Kofermentation verbessert reaktorspezifischen
  Methanertrag
• effektivere Nutzung des Fermentervolumens
• Steigerung der pro Tag nutzbaren Methanmenge

• Rüben
• hohe Flächenerträge an leicht fermentierbarer
  oTS
• gute Abbaubarkeit
• verlustarme Konservierung, automatisierbare
  Entnahme
• kein zusätzlicher Nährstoff- / Schadstoffeintrag

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Different Energetic Efficiency of Wheat

• Energy Generation from 1000 kg of Cereals
• 1.  Bioethanol
• ? 350 l Bioethanol - Consumption for Process
  Energy (33)
• 234 l Ethanol x 6,5 kWh/l
  1521 kWh Energy
• Valuable, versatile utilisable, can be stored and
  transported
• 38 electric efficiency x 0,16 92,47
• 42 thermal efficiency x 0,03 19,16
• Energetic Value 111,63
• 2. Incineration Heat with Wheat
• 3950 kWh Gross Energy Content
• 90 Efficiency
  3555 kWh Energy
• Simple thermal energy only for heating purposes
• Problems with exhaust gases and ashes
• 3555 kWh x 0,03 106,65
• Energetic Value   106,65

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Different Energetic Efficiency of Cereals

• Energy Generation from 1000 kg of Cereals
•  3. Biogas
• Biological Generation of Biogas 750 m³
• - 2 Consumption for Process 735 m³ Biogas
• Energy Content with 55 Methane 4042 kWh
• Valuable, versatile utilisable, can be stored
• and transported with restrictions
• 38 electric efficiency x 0,16 245,75
• 42 thermal efficiency x 0,03
  50,92
• Energetic Value 296,86
• Financial Advantages 185.23
• 190.21
• Consequence Best energetic Utilisation of
  Cereals with Biogas Fermentation

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Vergleichsmessungen an Biogasanlagen
Anlage 35 System Entec
(FNR 2004)
29
Technologische und ökologische Wirkungen der
Methangärung

• Technologische Eigenschaften
• TS-Gehalt um 25-40 gesenkt, bessere
  Fließfähigkeit
• Homogenität, leichter zu rühren, für moderne
  Verteiler geeignet
• Düngewirkung
• Engeres C/N-Verhältnis, kaum N-Verluste, C-Abbau,
  besser pflanzenverfügbar
• größere Gefahr von NH3-Emissionen
• kein Abbau von Nährstoffen !!

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Technologische und ökologische Wirkungen der
Methangärung

• Geruchsabbau
• Flüchtige Fettsäuren im Prozess abgebaut, wenn
  keine Überlastung
• Bei Überlastung starker Anfall von FFS
• Hygiene
• Pathogene Keime abgebaut (Temperatur,
  Verweildauer)
• Wichtiger Ansatz zur Bekämpfung von Seuchen,
  insb. wenn mit separater Hygienisierung
  ausgerüstet
• Phytohygiene gestärkt
• Unkrautrsamen abgebaut

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Perspektiven und Chancen der Biogaserzeugung

• Wesentlicher Teil der zukünftigen Strategien zur
  energetischen Nutzung feuchter und flüssiger
  Bioabfälle sowie zu deren Massenreduktion
• Neben Kompostierung wichtigste Behandlung zur
  Rückführung von Nährstoffen im Kreislauf
• CO2-neutrale Energiegewinnung, Handel von
  Emissionszertifikaten
• Ermöglicht Entsorgungsdienstleistung / -einkünfte
• Zusatzeinkommen durch Anbau und Verwertung von
  NawaRos
• Vom Landwirt zum Energiewirt

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Dynamic Development in Biogas Industry
Biogas Industry in Germany Forecast 2006
2006 Forecast 2020
Number of Plants 3.500 -
Installed electric Power (total) 1.100 MW 9.500 MW
Power Generation gt 5 x109 kWh1 76 x109 kWh
Share of Total German Power Generation gt 1 17
Turnover of Plant Manufacturers gt 1 Billion EUR 7,6 Billion EUR
Jobs about 10.000 85.000
CO2 Emission Reduction 5 Mio t/a 103 Mio t/a
1 depending on start date of unit
German Biogas Association (2006)

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Perspektiven und Chancen der Biogaserzeugung

• Vielversprechender Ansatz, da Stromproduktion für
  Spitzenlast möglich
• Sehr dynamischer Wachstumsmarkt
• Gute Ideen können schnell verwirklicht werden
• Exportschlager, grosse Nachfrage in Fernost, auch
  an Knowhow
• USA ist Entwicklungsland bei Anaerobtechnologie
• D ist Marktführer mit guten Aussichten

34
Biogaspotential in Deutschland
35
Fördermöglichkeiten

• Für Bioenergie greifen die Förderbedingungen im
  Rahmen des Marktanreizprogramms für erneuerbare
  Energien. Die neuen Fördersätze gelten seit dem
  Inkrafttreten (24.03.2002) und werden bei der
  Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) oder dem
  Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle
  (BAFA) beantragt (über die Hausbank). 
• Folgende Förderbedingungen bzw. Änderungen gelten
  für Biogasanlagen
• Gefördert werden Anlagen zur Stromerzeugung oder
  zur KWK
• Einsatzstoffe kann Biomasse aus land-, forst- und
  fischwirtschaftlichem Ursprung sein (incl.
  Ernährungsgewerbe) nach BioMVO 
• Biogasanlagen bis 70 kW werden wieder durch
  Darlehen aus Eigenmitteln der Kreditanstalt für
  Wiederaufbau (KfW) und Teilschulderlässen von
  15.000,- pro Anlage gefördert, (alte Richtlinie
  vom 23.7.2001 Biogasanlagen wurden nur durch
  Darlehen aus Eigenmitteln der KfW gefördert,
  nicht aus Mitteln des Marktanreizprogramms, der
  Teilschulderlass für Biogasanlagen ist
  entfallen), zudem ist eine Kumulierung mit
  anderen Förderprogrammen (Bundesländer, Kommunen)
  für Biogasanlagen bis maximal auf das Zweifache
  des gewährten Teilschulerlasses möglich.
• Biogasanlagen mit einer installierten
  elektrischen Leistung größer 70 kW werden mit
  Darlehen aus Eigenmitteln der KfW gefördert
• 100 zu z.Zt. 4,49 pa, max. auf 20 Jahre mit 3
  tilgungsfreien Jahren.

36
EEG
Kontaktaufnahme Netzbetreiber  
Maßnahme Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Maßnahme Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Maßnahme Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Maßnahme Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Maßnahme Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Maßnahme Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Maßnahme Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Maßnahme Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Maßnahme Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Maßnahme Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
Adressaten Erzeuger von Strom aus regenerativen Energiequellen (u. a. Biomasse) Adressaten Erzeuger von Strom aus regenerativen Energiequellen (u. a. Biomasse) Adressaten Erzeuger von Strom aus regenerativen Energiequellen (u. a. Biomasse) Adressaten Erzeuger von Strom aus regenerativen Energiequellen (u. a. Biomasse) Adressaten Erzeuger von Strom aus regenerativen Energiequellen (u. a. Biomasse) Adressaten Erzeuger von Strom aus regenerativen Energiequellen (u. a. Biomasse) Adressaten Erzeuger von Strom aus regenerativen Energiequellen (u. a. Biomasse) Adressaten Erzeuger von Strom aus regenerativen Energiequellen (u. a. Biomasse) Adressaten Erzeuger von Strom aus regenerativen Energiequellen (u. a. Biomasse) Adressaten Erzeuger von Strom aus regenerativen Energiequellen (u. a. Biomasse)
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Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zu Strom aus den genannten Energiequellen an ihr Netz anzuschließen, den gesamten Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und dafür eine Mindestvergütung zu entrichten. Bei Strom aus Biogas beläuft sich diese Mindestvergütung auf mindestens 10,1 Cent/kWh bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kW, mindestens 9,1 Cent/kWh bis einschließlich 5 MW und darüber hinaus mindestens 8,6 Cent/kWh. Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zu Strom aus den genannten Energiequellen an ihr Netz anzuschließen, den gesamten Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und dafür eine Mindestvergütung zu entrichten. Bei Strom aus Biogas beläuft sich diese Mindestvergütung auf mindestens 10,1 Cent/kWh bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kW, mindestens 9,1 Cent/kWh bis einschließlich 5 MW und darüber hinaus mindestens 8,6 Cent/kWh. Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zu Strom aus den genannten Energiequellen an ihr Netz anzuschließen, den gesamten Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und dafür eine Mindestvergütung zu entrichten. Bei Strom aus Biogas beläuft sich diese Mindestvergütung auf mindestens 10,1 Cent/kWh bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kW, mindestens 9,1 Cent/kWh bis einschließlich 5 MW und darüber hinaus mindestens 8,6 Cent/kWh. Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zu Strom aus den genannten Energiequellen an ihr Netz anzuschließen, den gesamten Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und dafür eine Mindestvergütung zu entrichten. Bei Strom aus Biogas beläuft sich diese Mindestvergütung auf mindestens 10,1 Cent/kWh bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kW, mindestens 9,1 Cent/kWh bis einschließlich 5 MW und darüber hinaus mindestens 8,6 Cent/kWh. Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zu Strom aus den genannten Energiequellen an ihr Netz anzuschließen, den gesamten Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und dafür eine Mindestvergütung zu entrichten. Bei Strom aus Biogas beläuft sich diese Mindestvergütung auf mindestens 10,1 Cent/kWh bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kW, mindestens 9,1 Cent/kWh bis einschließlich 5 MW und darüber hinaus mindestens 8,6 Cent/kWh. Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zu Strom aus den genannten Energiequellen an ihr Netz anzuschließen, den gesamten Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und dafür eine Mindestvergütung zu entrichten. Bei Strom aus Biogas beläuft sich diese Mindestvergütung auf mindestens 10,1 Cent/kWh bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kW, mindestens 9,1 Cent/kWh bis einschließlich 5 MW und darüber hinaus mindestens 8,6 Cent/kWh. Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zu Strom aus den genannten Energiequellen an ihr Netz anzuschließen, den gesamten Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und dafür eine Mindestvergütung zu entrichten. Bei Strom aus Biogas beläuft sich diese Mindestvergütung auf mindestens 10,1 Cent/kWh bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kW, mindestens 9,1 Cent/kWh bis einschließlich 5 MW und darüber hinaus mindestens 8,6 Cent/kWh. Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zu Strom aus den genannten Energiequellen an ihr Netz anzuschließen, den gesamten Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und dafür eine Mindestvergütung zu entrichten. Bei Strom aus Biogas beläuft sich diese Mindestvergütung auf mindestens 10,1 Cent/kWh bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kW, mindestens 9,1 Cent/kWh bis einschließlich 5 MW und darüber hinaus mindestens 8,6 Cent/kWh. Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zu Strom aus den genannten Energiequellen an ihr Netz anzuschließen, den gesamten Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und dafür eine Mindestvergütung zu entrichten. Bei Strom aus Biogas beläuft sich diese Mindestvergütung auf mindestens 10,1 Cent/kWh bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kW, mindestens 9,1 Cent/kWh bis einschließlich 5 MW und darüber hinaus mindestens 8,6 Cent/kWh. Netzbetreiber sind verpflichtet, Anlagen zu Strom aus den genannten Energiequellen an ihr Netz anzuschließen, den gesamten Strom aus diesen Anlagen vorrangig abzunehmen und dafür eine Mindestvergütung zu entrichten. Bei Strom aus Biogas beläuft sich diese Mindestvergütung auf mindestens 10,1 Cent/kWh bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kW, mindestens 9,1 Cent/kWh bis einschließlich 5 MW und darüber hinaus mindestens 8,6 Cent/kWh.
                   
Diese Mindestvergütungen gelten für 20 Jahre. Sie werden für ab dem 1. Januar 2002 neu in Betrieb genommene Anlagen jeweils um 1  gesenkt. Diese Mindestvergütungen gelten für 20 Jahre. Sie werden für ab dem 1. Januar 2002 neu in Betrieb genommene Anlagen jeweils um 1  gesenkt. Diese Mindestvergütungen gelten für 20 Jahre. Sie werden für ab dem 1. Januar 2002 neu in Betrieb genommene Anlagen jeweils um 1  gesenkt. Diese Mindestvergütungen gelten für 20 Jahre. Sie werden für ab dem 1. Januar 2002 neu in Betrieb genommene Anlagen jeweils um 1  gesenkt. Diese Mindestvergütungen gelten für 20 Jahre. Sie werden für ab dem 1. Januar 2002 neu in Betrieb genommene Anlagen jeweils um 1  gesenkt. Diese Mindestvergütungen gelten für 20 Jahre. Sie werden für ab dem 1. Januar 2002 neu in Betrieb genommene Anlagen jeweils um 1  gesenkt. Diese Mindestvergütungen gelten für 20 Jahre. Sie werden für ab dem 1. Januar 2002 neu in Betrieb genommene Anlagen jeweils um 1  gesenkt. Diese Mindestvergütungen gelten für 20 Jahre. Sie werden für ab dem 1. Januar 2002 neu in Betrieb genommene Anlagen jeweils um 1  gesenkt. Diese Mindestvergütungen gelten für 20 Jahre. Sie werden für ab dem 1. Januar 2002 neu in Betrieb genommene Anlagen jeweils um 1  gesenkt. Diese Mindestvergütungen gelten für 20 Jahre. Sie werden für ab dem 1. Januar 2002 neu in Betrieb genommene Anlagen jeweils um 1  gesenkt.
                   
Biomasse ( 5 EEG) Biomasse ( 5 EEG) Biomasse ( 5 EEG) Biomasse ( 5 EEG) Biomasse ( 5 EEG) Biomasse ( 5 EEG) Biomasse ( 5 EEG) Biomasse ( 5 EEG) Biomasse ( 5 EEG) Biomasse ( 5 EEG)
  2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Bis 500 kW 10,1 10 9,9 9,8 9,7 9,6 9,5 9,4 9,3
Bis 5 MW 9,1 9 8,9 8,8 8,8 8,7 8,6 8,5 8,4
Bis 20 MW 8,6 8,5 8,4 8,4 8,3 8,2 8,1 8 7,9