Energieverbrauch von Rührwerken auf Belebungsanlagen

Transkript

1 Institut für Wassergüte Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Energieverbrauch von Rührwerken auf Belebungsanlagen Klemens Füreder, Wilhelm Frey, Karl Svardal, Jörg Krampe Institut für Wassergüte, TU Wien Hagenberg,

2 Kurzeinstieg Rührwerke 10 25% der Energie auf Belebungsanlagen, aber bislang noch kein zentraler Bereich der Energieoptimierung Theoretische Grundlagen Umfragedaten IST-Zustand ENERGIEOPTIMIERUNG 2/30

3 Gliederung 0) Kurzeinstieg 1) Theoretische Grundlagen 2) Umfragedaten 3) IST-Zustand des Energieverbrauchs von Rührwerken 4) Energieoptimierungspotentiale 5) Zusammenfassung 3/30

4 Theoretische Grundlagen Warum rühren? 4/30

5 Theoretische Grundlagen Benchmark? auf Grund großer Anzahl verfahrenstechnischer Varianten und Rahmenbedingungen bei Rührwerken nicht einheitlich möglich Zielwert: 25%-Quantil Toleranzwert: Median 5/30

6 Theoretische Grundlagen Energiekennzahlen A - D: Leistungsaufnahme! P R P Raum P V BB W P t R, spez. R d [h/d] R FP F P Sohlgeschwindigkeit: Regelwerk (Jahr) ATV-Handbuch 2. u. 3. Auflage (1975, 1985) v bei ISV bei TS BB [m/s] [ml/g] [g/l] 0,15 > bis 0, ATV-Handbuch 4. Auflage (1997) 0,20-0, DWA-A 131 (2000) 0,15-0, Spitzenwerte und deren Häufigkeit! DWA-M (2013) 0,10 > 130 > 4 bis 0,25 < 80 < 2 6/30

7 Theoretische Grundlagen Leistungs- und Energiekennzahlen: Sohlgeschwindigkeit: Aus physikalischer Sicht nur Ersatzparameter! Aufgabe der Zukunft: Theorie der Belebtschlammsuspendierung auf eine tatsächliche physikalische Grundlage bringen: Strömungsmechanik / Rheologie von Klärschlamm / Schubkrafteintrag 7/30

8 Theoretische Grundlagen Rheologie Schleppkraft physikalisch nicht abhängig von v, sondern von Geschwindigkeitsgradient an der Beckensohle Belebtschlamm nicht-newtonsches Fließverhalten Suspendierungs-/Ablagerungsverhalten von TS BB in Abhängigkeit des in den Belebtschlamm eingetragenen Propellerschubs kann auf eine rheologische Fragestellung zurückgeführt werden! 8/30

9 Theoretische Grundlagen Einfluss von - Beckengeometrie - Positionierung Merkblatt DWA-M 229-1: Systeme zur Belüftung und Durchmischung von Belebungsanlagen - Belüftung Veröffentlichungen von Willi Frey (2011) 9/30

10 Gliederung 0) Kurzeinstieg 1) Theoretische Grundlagen 2) Umfragedaten 3) IST-Zustand des Energieverbrauchs von Rührwerken 4) Energieoptimierungspotentiale 5) Zusammenfassung 10/30

11 Umfragedaten Teilnehmer: auswertbare Daten: 393 Kläranlagen 220 Kläranlagen (28% der Ausbaukapazität in Ö: ~ 6. Mill EW 120 ) 11/30

12 Gliederung 0) Kurzeinstieg 1) Theoretische Grundlagen 2) Umfragedaten 3) IST-Zustand des Energieverbrauchs von Rührwerken 4) Energieoptimierungspotentiale 5) Zusammenfassung 12/30

13 einwohnerspez. Energieverbrauch [kwh/ew 120 /a] Kennzahl A: EW-spezifischer Energieverbrauch ca % der mechanisch-biologischen Abwasserreinigung bis EW 120 Median EW-spez. Energieverbrauch 'mech.-biolog. Abwasserreinigung' (Prozess 2 - Abwasserbenchmarking) (ÖWAV, 2013) EW-spez. Energieverbrauch Rührwerke (aus Umfragedaten) Median (Toleranzwert) EW-spez. Energieverbrauch Rührwerke ab EW mittlere CSB-Zulauffracht zur Kläranlage [EW 120 ] 10 13/30

14 Kennzahl A: EW-spezifischer Energieverbrauch ca % der mechanisch-biologischen Abwasserreinigung 25 bis EW 120 ab EW Belastung Kläranlage Zielwert Energiebedarf EW 120 kwh/ew 120 /a , , ,8 > ,3 14/30

15 Leistungsdichte P R [W/m³] Kennzahl B: Leistungsdichte Leistungsdichten unterhalb der Zielwerte führen nicht zu mehr Ablagerungen als Leistungsdichten 18 Beckenvolumen (25%Quantile) ZIELWERT m³ 16 m³ W/m³ m³ 200 5,7 14 oberhalb der Zielwerte , m³ , , m³ Zielwerte sind ohne > vermehrte 1,1 Ablagerungen 10 9 >2000m³ realisierbar! Beckenvolumen [m³] 75%-Quantil Toleranzwert (Median) Zielwerte Zielwert (25%-Quantil) 15/30

16 W R,spez. [Wh/m³/d] W R,spez. [Wh/m³/d] Kennzahl C: volumenspez. Energieverbrauch - Leistungsdichte P R [W/m³] - Laufzeit t d [h/d] belüftete Becken: unbelüftete Becken: %-Quantil = 242 Wh/m³/d im Mittel ca. 50 Wh/m³/d im Mittel ca. 100 Wh/m³/d %-Quantil = 119 Wh/m³/d Mittelwert = 109 Wh/m³/d Mittelwert = 52 Wh/m³/d 5%-Quantil = 14 Wh/m³/d %-Quantil = 43 Wh/m³/d Beckenvolumen [m³] Beckenvolumen [m³] 16/30

17 Kennzahl D: leistungsspez. Propellerschub - bei horizontaler Antriebswelle zwischen 650 und N/KW im Mittel ca N/kW - tendenziell negativ proportionaler Zusammenhang zwischen leistungsspezifischem Propellerschub und Leistungsdichte 17/30

18 Gliederung 0) Kurzeinstieg 1) Theoretische Grundlagen 2) Umfragedaten 3) IST-Zustand des Energieverbrauchs von Rührwerken 4) Energieoptimierungspotentiale 5) Zusammenfassung 18/30

19 Energieoptimierungspotentiale Reduktion der Leistungsdichte P R [W/m³] Reduktion der Laufzeit t d (Zeit-Pause-Schaltung) [h/d] W P t R, spez. R d Reduktion von P R und t d : Bei welchem volumenspezifischem Energieeintrag [Wh/m³/d] liegt die Grenze? 19/30

20 Reduktion der Leistungsdichte Beckenvolumen TOLERANZWERT (Median) ZIELWERT (25%Quantile) Baumann et al. (2014) [4] m³ W/m³ W/m³ W/m³ 200 6,8 5, ,8 3,5 4,0-2, ,7 2,1 2,5-2, ,0 1,7 2,0-1,5 > ,6 1,1 1,5 ca. 50 bis 75% der Becken sind hinsichtlich Energieverbrauch (Leistungsdichte) der Rührwerke optimierbar 20/30

21 Reduktion der Leistungsdichte Energiesparpotential Rührwerke Gesamt-Österreich Ausbaukapazität Österreich EWCSB 120 Faktor Kapazität Gesamt/Studie 3,60 - theoretisches Einsparpotential Rührwerke bei Senkung auf "Toleranzwert" theoretisches Einsparpotential Rührwerke bei Senkung auf "Zielwert" ~11 Mill. kwh/jahr ~19 Mill. kwh/jahr 21/30

22 Reduktion der Laufzeit Zeit-Pause-Schaltung Impulsbelüftung: 0,23 h/d * 25 W/m³ = 6 Wh/m³/d wenig Ablagerungen 22/30

23 Reduktion der Laufzeit Zeit-Pause-Schaltung Belüftete Becken Druckbelüftung Walzenbelüfter Laufzeit Rührwerke Umlaufbecken (n=92) Rund-/ Kreisringbecken (n=35) Rechteckbecken (n=61) Umlaufbecken (n=25) h/d % % % % Summe Unbelüftete Becken Laufzeit Umlaufbecken Rund-/Kreisringbecken Rechteckbecken Rührwerke (n=14) (n=7) (n=38) h/d % % % < Summe /30

24 Leistungsdichte P R [W/m³] Grenze der Optimierung von P R und t d? Impulsbelüftung Bad Aussee (intermittierende N/DN; Rechteckbecken) W R,spez. = 6 Wh/m³/d Kurze Energie-intensive Impulse! Impulsbelüftung Amperverband (nur DN; Rechteckbecken) W R,spez. = 24 Wh/m³/d Kontinuierliche Mischung bei geringer Leistungsdichte! Isolinie für W R,spez. = 24 Wh/m³/d Formel: P R = 24 * t d -1 Impulsrühren Amperverband W R,spez. = 7 Wh/m³/d (nur DN, Recheckbecken) Dauer des Energieeintrags t d!! [h/d] Rührwerk Wartberg a. d. Krems (simultane N/DN, Umlaufbecken) W R,spez. = 22 Wh/m³/d Je kürzer die Dauer des Energieeintrags t d, desto höher die Leistungsdichte P R entlang der jeweiligen volumenspezifischen Energieverbrauchs-Isolinie! 24/30

25 Gliederung 0) Kurzeinstieg 1) Theoretische Grundlagen 2) Umfragedaten 3) IST-Zustand des Energieverbrauchs von Rührwerken 4) Energieoptimierungspotentiale 5) Zusammenfassung 25/30

26 Zusammenfassung 1: IST-Zustand Rührwerke ca % von Energie der mech.-biolog. Abwasserreinigung Zielwerte der Leistungsdichte stehen in umgekehrt-proportionaler Abhängigkeit zum Beckenvolumen Zielwerte ohne Ablagerungen umsetzbar 1 W/m³ ohne Ablagerung umsetzbar volumenspez. Energiebedarf im Mittel: Belüftete Becken: 50 Wh/m³/d Unbelüftete Becken: 100 Wh/m³/d leistungsspez. Propellerschub im Mittel bei N/kW 26/30

27 Zusammenfassung 2: Energieoptimierung AUSRECHNEN UND VERGLEICHEN! 27/30

28 Zusammenfassung 2: Energieoptimierung LEISTUNGSDICHTE ~ 50-75% der Becken optimierbar LAUFZEITEN Zeit-Pause-Schaltungen theoretisches Einsparpotential bei Senkung auf Zielwert: ca. 40% der Rührenergie in Ö LEISTUNGSDICHTE + LAUFZEIT: Grenze: volumenspezifische Energieverbrauchs-Isolinie bei 24 Wh/m³/d 28/30

29 FORSCHUNGSBERICHT - DOWNLOAD: 29/30

30 DANKE FÜR IHRE AUFMERK- SAMKEIT! 30/30 30