Kläranlagen als Energiepuffer für Stromnetze

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1 Kläranlagen als Energiepuffer für Stromnetze Klaus-Michael Mangold DECHEMA-Forschungsinstitut ERWAS-Abschlusskonferenz, Berlin, Mai ERWAS-Statusseminar, Essen,

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3 Projektidee: Stabilisierung von Stromnetzen Energiebedarf Überangebot an Energie CO 2 H 2 O Anode bedeckt mit Mikroorganismen Kathode O 2 (Luft) Abwasser Biobrennstoffzelle Abbau von Spurenstoffen 3

4 4 Biobrennstoffzelle

5 Biobrennstoffzelle: Reaktorbau und Betrieb Anode: Kohlenstoff-Vlies Kathode: Gasdiffusionselektrode (GDE) von Covestro offen zur Luft Verzicht auf Trennmembran Biofilmbildung auf polarisierten Oberflächen Testbetrieb von Demonstratoren im Klärwerk Steinhof (Braunschweig) 5

6 Versuchsaufbau - Batchsystem A.-L. Schneider et.al. Studies into design and operation of microbial fuel cells using oxygen gas diffusion electrodes, eingereicht in Desalination & Water Treatment 6

7 Betrieb mit unterschiedlichen GDE ohne Trennmembran möglich verwendete GDE- Materialien Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 Typ 5 Typ 6 Katalysator Silber carbon nanotubes Graphit Ruß Kohlenstofffaser Glaskohlenstoff A.-L. Schneider et.al. Studies into design and operation of microbial fuel cells using oxygen gas diffusion electrodes, eingereicht in Desalination & Water Treatment 7

8 Kontinuierliche Stromerzeugung im Laborversuch mit GDE Typ 1 (Silber-Katalysator) : Zugabe von Natriumacetat 8 8

9 Von der Laborzelle zum Demonstrator Zylindrische Bauweise Keine Trennmembran 2-Elektroden-Anordnung Kathode: GDE, offen zur Luft Kathode deutlich kleiner als Anode Anode: Kohlenstoff-Vlies A: Kunststoffmantel, B: Innenrohr, C: GDE, D: Vlies 9

10 Laborzelle und Demonstrator Laborzelle: Fläche Anode: 400 cm² Fläche Kathode: 40 cm² Volumen: 235 ml Demonstrator: Fläche Anode: 2100 cm² Fläche Kathode: 480 cm² Volumen: ca. 6 L 10

11 Stabiler Betrieb des Demonstrators über mehrere Wochen möglich 4 GDEs 2 GDEs 11

12 Fazit und Ausblick Betrieb ohne Trennmembran ist möglich Gasdiffusionselektrode aus der Chloralkali-Elektrolyse erstmals in Biobrennstoffzellen untersucht Neuartiger Demonstrator: stabiler Betrieb in Kläranlage Leistungssteigerung auf 2 W/m³ durch Optimierung der Parameter Höhere Leistung durch Vorpolarisation Leistung der Zelle muss weiter gesteigert werden 12

13 13 Abbau von Spurenstoffen

14 Abbau von Spurenstoffen aus Kläranlagenablauf 1. Adsorption 2. Desorption 3. Abbau an BDD- Elektroden (DIACHEM ) 14

15 Spurenstoffentfernung: Ziele Geeigneten Adsorber auswählen Untersuchung der Einflussfaktoren auf Adsorption und Desorption Entwicklung entsprechender Elektrolyse-Zellen Testbetrieb von Demonstratoren im Klärwerk Steinhof 15

16 Zelldesign Adsorber-/Desorber-Zelle Elektrode Elektrode Graphit- Kontakt AK-Bett Membran AK-Bett Graphit- Kontakt Verschiedene Größen: 7 x 10 cm² 10 x 25 cm² 15 x 25 cm² 15 x 50 cm² 16

17 Welche Faktoren beeinflussen Adsorption und Desorption von organischen Molekülen? Elektrochemische Polarisation ph-wert Molekül-Struktur Adsorbens: Granulierte Aktivkohle ist bis 10V Zellspannung stabil Untersuchte Adsorbate: Acetat Arzneimittel 17

18 Adsorption an polarisierter AK: Beispiel Acetat OCP (adsorption) +1,2V (adsorption) -1,2V (desorption) m = -0,0013 m = -0,0074 m = -0,

19 TOC / mg/l Adsorption an polarisierter AK: Beispiel Ibuprofen (Schmerzmittel) phvalue 6,32 6,23 7,01 3,79 7,29 3,13 7,37 3,11 7,33 3, ,61 126, OCP +1,8V 60 52, ,11 27,89 27,62 17,21 1,11 2,23 0, Time / min 19

20 Desorption am Beispiel Sulfamethoxazol (SMX, Antibiotikum) 0, ,12 NH 2 O S O H N N O absolute Desorption (mmol) 0,10 0,08 0,06 0, prozentuale Desorption (%) 0,02 Desorption SMX; i = -1.2 ma/cm² Desorption SMX; i = 0 ma/cm² (NaOH) 2 0, Dauer (h) ohne Polarisation: keine Desorption ph-wert-anhebung: bis zu 6% Desorption nachweisbar mit Polarisation: zusätzliche Verdopplung der Desorption 20

21 Desorptionsverhalten am Beispiel Diatrizoat (Röntgenkontrastmittel) Na + O O - I I O O H 3 C N H I N H CH 3 Abbau von Diatrizoat (DTA) während der kathodischen Desorption: Nachweis von 3,5-DAS (vollständig deiodierte Form) und Freisetzung von Iodid 21

22 22 Adsorption und Desorption hängen von der Molekülstruktur ab

23 Oxidation an Bor-dotierten Diamant-Elektroden EAOP Reaktionsmechanismus an Bor-dotierten Diamant-Elektroden 23

24 Elektrolyse-Zellen Elimination organische Summenparameter 40% Elimination des Einzelstoffes 80% SSZ: Modellwasser: LF 1000 µs/cm, ph 7,5; CSB 7 g/l; Einzelsubstanz 10 mg/l ; Parameter: Durchfluß 4,5 L/min; Strom 5 A; 5,5 V; Betrieb mit Kühlung Anforderung: aus einer organischen black box sollen Einzelsubstanzen eliminiert werden Zwei Möglichkeiten einer Durchflusszelle mit bor-dotierten Diamantelektroden wurden erarbeitet a) Plattenelektroden b) Lochblechelektroden 24

25 Anlage: CONDIACELL KEStro mit Lochblechelektroden - optimale Hydrodynamische Prozessparameter für eingesetzte Durchflussreaktoren - Prozessanpassungsmöglichkeiten an Einzelsubstanzkonzentration der Desorbatzusammensetzung - Prozessvolumen von 300 bis 1000 L 25

26 Ergebnisse am Kläranlagenstandort Abbaugrad der organischen Summenparameter liegt zwischen: CSB: 54-57% TOC 48-57% bei 80% des Einzelstoff Eliminationsgrad Elektrochemisches Verfahren kann nach technisch optimierten Prozessbedingungen je nach den organischen Summenparametern oder nach Einzelstoffkonzentrationen angemessen betrieben werden 26

27 Fazit, Ausblick und Außendarstellung Zellen in unterschiedlichen Dimensionen für Labor und Demonstrator konstruiert Einflussfaktoren auf die elektrochemische Adsorption/Desorption bestimmt Das elektrochemisch behandelte Wasser hatte keine signifikante Toxizität Neue Anwendungen: Abwässer aus der chemischen Produktion Außendarstellung: Woche der Umwelt beim Bundespräsidenten Messestand auf der IFAT 2016 Rundfunk-Interviews (Deutschlandradio, WDR, BR) Tag der offenen Tür im Klärwerk Steinhof 27

28 Vielen Dank an das KEStro-Team. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. 28